Есть камни тверже металла
Обновлено: 18.05.2024
Ценность минералов определяется многими критериями, в том числе степенью их твердости. Чем тверже камень, тем выше он ценится.
Твердостью считается способность камня противостоять механическому воздействию. Под механическим воздействием подразумеваются различные действия: удары, царапания, трение, вдавливания и т.д.
Существуют два критерия оценивания прочности камней: абсолютный критерий и шкала Мооса (относительный).
Твердость драгоценных минералов оценивается по шкале Мооса. Под таким измерением подразумевается сравнение твердости нового минерала с уже существующими эталонными твердыми камнями. Для этой процедуры на камне намечают гладкую зону и проводят по ней острым углом эталонного камня, крепко придавливая его при этом. Если в испытуемой зоне камня не остаются царапины, берут более твердый камень и царапают им и т.д. Делают это до того момента, пока на камне не образуется царапина. Сравнивая ее с эталонными камнями, твердость которых уже известна, делают выводы.
Самый прочный камень – это…
Природой создано огромное количество различных минералов. Одни из них настолько мягкие, что крошатся в руках. А вот другие не деформируются даже от самого сильного удара. Какой камень самый прочный в природе? Давайте разбираться.
Если говорить исключительно о минералах, то ответ очевиден – это алмаз. Данное природное образование является одной из форм чистого углерода, которая образуется в недрах Земли на значительных глубинах. Минерал находится на вершине шкалы Мооса с абсолютной твердостью в 1600 единиц. Кроме того, алмаз обладает еще и таким качеством, как метастабильность (то есть, способностью существовать неограниченно долгий период времени при нормальных условиях среды).
Стоит отметить, что под словом «камень» может подразумеваться еще и такое понятие, как горная порода (агрегат из одного или нескольких видов минералов). Определить абсолютного рекордсмена по твердости среди горных пород не так просто. Чаще всего в список самых прочных камней попадают следующие породы:
Однако далее в нашей статье мы уделим особое внимание именно алмазу – самому прочному камню среди минеральных образований.
Самые твердые материалы на Земле
Самый прочный материал в мире, который тверже алмаза, – полимеризованный фуллерит. Этим материалом можно запросто поцарапать алмаз, с такой легкостью, будто это не драгоценный алмаз, а обычный пластик.
Данный материал представляет собой структурированный кристалл, узлы которого состоят из целых молекул, а не из маленьких атомов.
Лонсдейлит также считается крепким материалом. Это модификация аллотропного углерода, который по твердости близок к алмазу. Данный материал был извлечен из метеоритного кратера. Происхождение материала – графитное.
Третью позицию в рейтинге твердости прочно занимает вюртцитный нитрит бора. Высокую степень прочности данному материалу обеспечивает кристаллическая структура.
Наноструктурированный кубонит, или кингсонгит. Уникальные возможности данного материала обеспечили его частое использование в промышленности.
Нитрит углерода-бора занимает почетную пятую позицию в нашем рейтинге. Главными компонентами данного материала являются атомы бора, а также углерода с азотом.
Минерал алмаз: основные свойства
Итак, самый дорогой, самый желанный, самый красивый и самый прочный камень на Земле – это алмаз. И с этим сложно поспорить. Впрочем, само название этого минерала более чем красноречиво. Слово «алмаз» в переводе с древнегреческого языка означает «несокрушимый».
Первые исторические свидетельства о прозрачном камне невиданной прочности пришли к нам из Древней Индии и Китая. При этом индусы называли его фарий. А вот китайцы еще в третьем тысячелетии до нашей эры применяли алмазы для шлифовки своих церемониальных топоров, изготовленных из корунда.
Какими же физико-механическими свойствами обладает самый прочный камень в мире? Давайте перечислим самые основные из них:
- Блеск: алмазный.
- Цвет черты: нет.
- Твердость: 10 (по шкале Мооса).
- Плотность: 3,47-3,55 г/см3.
- Излом: раковистый до занозистого.
- Сингония: кубическая.
- Теплопроводность: 900-2300 Вт/(м·К) (очень высокая).
Наиболее распространенная окраска алмазов – желтая или бесцветная. Реже всего в природе встречаются минералы зеленого, синего, красного или черного цвета. Еще одно важное свойство всех алмазов – это способность к люминесценции. Под воздействие солнечного света они начинают светиться и переливаться различными цветами и оттенками.
Сравнение твердости
Пытаясь выяснить, какой минерал является самым прочным, немецкий ученый Карл Моос еще в начале XIX века создал специальную шкалу, используя значений которой оценивался этот показатель. Она включала в себя 10 пунктов. За основу брался какой-то природный минерал, а ему в свою очередь присваивалась определенная отметка на шкале.
На первом месте был самый мягкий из них, а на последнем (10) – соответственно самый прочный. Далее проводились эксперименты, во время которых опытный образец царапался определенным материалом, который был взят за основу при составлении шкалы прочности. Например, если образец можно было повредить флюоритом, занимающим 3 строчку, но нельзя поцарапать гипсом, размещенным на 4 позиции, то испытуемому образцу присваивалась твердость, равная 3 по данной шкале.
В результате было определено, что самым твердым минералом является именно алмаз. Несмотря на то, что шкалу ученого Мооса создали более 200 лет назад, ученые пользуются нею по сей день.
Главные месторождения алмазов
Алмазы образуются на глубине 80-150 километров под воздействием колоссального давления и температуры. Затем благодаря вулканической деятельности они поднимаются ближе к поверхности нашей планеты, образуя при этом вертикальные месторождения – кимберлитовые трубки. Вот так, например, выглядит горловина такой трубки в Якутии (алмазный карьер «Мир»):
Помимо этого, некоторые алмазы могут иметь и метеоритное происхождение. Такие минералы образуются при контакте космического тела с поверхностью Земли. Так, «внеземные алмазы» были обнаружены в Большом Каньоне в США.
Так уж сложилось, что самые богатые залежи алмазов на Земле сосредоточены в недрах Африки. Именно здесь базируется крупнейшая по добыче ценного минерала компания в мире – De Beers. Алмазы сегодня активно добываются в ЮАР, Анголе, Ботсване, Намибии, Танзании, России, Канаде, Австралии. Лидером российской алмазной промышленности является .
Из королей в рабочие
Долгое время алмазы были прерогативой исключительно ювелирных мастеров. Однако с развитием промышленности этот самый твердый минерал все чаще стал рассматриваться не только с привычной эстетической стороны, но и с точки зрения его уникальных физических свойств. Сначала при производстве инструментов использовали природные алмазы, не подлежащие огранке. Это камни, которые имели такие дефекты, которые невозможно было устранить ювелиру. Их стали называть техническими алмазами.
Шло время, и потребность в инструментах с алмазными режущими и сверлящими кромками возрастала. К примеру, в сфере строительства весьма востребованы алмазные сверла. Их преимущество перед собратьями, выполненными из сплавов твердых металлов, — в том, что при работе алмазным сверлом в материале не образуются микротрещины. Алмаз легко и чисто срезает любой материал, будь то камень, бетон или металл. А отсутствие микротрещин – залог долговечности строения. К тому же сам процесс работы проходит значительно быстрее, заметно легче и намного тише.
Исходя из этого, неудивительно, что, по данным за 2021 год, только в одной России выпускается 1200 видов различного инструмента и оборудования, основной рабочей частью которых является алмаз.
Применение алмазов в промышленности
Не стоит думать, что алмазы используют исключительно в ювелирном деле. Самый твердый камень нашел широкое применение также в промышленности. В частности, из него производят сверхпрочные сверла, ножи, резцы и прочие изделия. Алмазный порошок (по сути, отходы, получаемые при обработке природных алмазов) применяется как абразив при производстве точильных дисков и кругов.
Используют алмазы также в ядерной энергетике и квантовой электронике. Еще одна крайне перспективная сфера в наши дни – микроэлектроника на алмазных подложках.
Использование в медицине
Самый твердый минерал используется не только для грубой обработки различных твердых материалов. Свое применение он нашел и в медицине, где из него делают инструменты, используемые во время самых сложных операций, требующих аккуратного и тонкого разреза тканей.
К тому же имеющие алмазную обработку медицинские инструменты, в частности скальпели, остаются очень острыми очень долго, что позволяет существенно сэкономить на их замене.
Гексагональный алмаз
Еще десять лет назад алмаз можно было считать самым твердым материалом на Земле. Но в 2009 году группа ученых из Китая и США сумела доказать ложность такого утверждения. По их убеждению, самым прочным веществом в мире является искусственный материал под названием лонсдейлит (или гексагональный алмаз).
При помощи метода компьютерного моделирования ученым удалось установить, что данный материал на 58% прочнее, нежели алмаз. И если последний разрушается при давлении в 97 гигапаскалей, то лонсдейлит способен выдерживать нагрузки в 152 гигапаскалей.
Однако гексагональный алмаз существует пока только лишь в теории. Впрочем, ученые сомневаются, что новый материал когда-либо будет применяться на практике. Ведь процесс его получения является чрезвычайно сложным и дорогостоящим.
Использование в электрике
В настоящее время, еще одной областью применения минерала стала электроника. К примеру, для создания микросхем, алмаз используется в качестве подложки. Изготовленная по такой технологии техника отличается устойчивостью к резким изменениям напряжения или температуры. В телекоммуникации их применяют для быстрой и надежной передачи данных без помех. Особенностью материала стала возможность передавать разночастотные сигналы в пределах одного кабеля одновременно.
Самый долговечный
Графен — материал будущего. Он состоит из одного атома углерода, расположенного в треугольной решетке. Графен — самый долговечный материал из всех известных человеку. Он в 200 раз прочней стали.
Графен используют в аэрокосмической и автомобильной промышленности. Это, конечно, не вибраниум. Но вполне может составить конкуренцию в обозримом будущем, когда ученые начнут в полной мере использовать весь потенциал этого тонкого и сверхпрочного материала.
Нашли нарушение? Пожаловаться на содержание
Вюртцитный нитрид бора
Кристаллическая решетка этого вещества представляет собой особую форму, которую называют вюртцитной. Именно благодаря этому вещество является столь твердым. Если прикладывать к кристаллу нагрузку, атомы в кристаллической решетке будут особым образом перераспределяться, из-за чего вещество станет еще более твердым.
То есть чем больше нагрузка, тем тверже делается нитрид бора! Это свойство роднит его с лонсдейлитом — еще одним «конкурентом» алмаза, который образуется на дне воронок, оставленных графитовыми метеоритами. До сих пор не удалось точно установить, по каким причинам твердость минерала меняется при воздействии нагрузок.
К сожалению, вопрос остается открытым, так как экспериментировать с этим веществом довольно сложно, поскольку его нелегко синтезировать в лабораторных условиях.
Характеристика твёрдости минеральных пород
Твёрдость минералов отражает степень сопротивления минерального образца внешним механическим воздействиям со стороны других, в том числе, более твёрдых материалов. Это свойство обусловлено строением и прочностными характеристиками кристаллической решётки, её структурой, прочностью химических связей, природой, а также зарядом и размером частиц.
Также на твёрдость влияют некоторые механические параметры, включая пластичность, упругость, хрупкость, а также плотность, межатомное расстояние и наличие дислокаций. Для кристаллов большей части минеральных пород характерна анизотропия в показателях твёрдости. Переход в метамиктное состояние и гидратация способствуют понижению этого показателя.
Нитрил бора
Это вещество появилось сравнительно недавно: оно было синтезировано в лабораторных условиях в 1957 году, и оказалось значительно тверже алмаза. Одновременно оно превосходит его и по ряду других свойств. Например, при воздействии сверхвысоких температур вещество не растворяется в металлах, благодаря чему может использоваться для обработки стали. Слой нитрила углерода-бора наносится на инструмент в качестве режущей кромки для обработки всевозможных деталей, использующихся в самолетах и космических кораблях.
Природа удивительна и нас ждет еще множество невероятных открытий. Алмаз — далеко не самое твердое в мире вещество. Правда, поспорить с ним по красоте и привлекательности другим минералам непросто. Хотя нельзя исключать, что рано или поздно в продаже появятся обручальные кольца с фуллеритом или лонсдейлитом.
Лабрадорит
Лабрадорит – это глубинная крупнокристаллическая порода, состоящая из плагиоклаза с примесью темных минералов, содержащихся в породе от 2 до 25% (пироксена, оливина и титанического железняка – ильменита).
Встречаются два вида лабрадорита – почти черный в виде кружевных черных кристаллов с темно-синим, золотистым, а иногда с красноватым оттенком. Вторая разновидность лабрадорита – светло-серый с крупными кристаллами плагиоклаза, расцветка ее отличается нежной игрой голубых тонов. Цвет темно-серый, зеленовато-серый, синевато-серый.
Характерная особенность лабрадорита – иррадиация (мерцание) – образование отсветов на полированной поверхности зерен полевого шпата, вызываемых включениями минерала ильменита. Цвета мерцающих кристаллов – синий, голубой и золотистый, размеры кристаллов 10-15 см.
Лабрадорит лучше подвергается обработке, чем гранит, вследствие его вязкости. Лучше обрабатываются лабрадориты с размером зерен 6-7 мм. Предел прочности сжатия от 1000 до 2000 кг/см2, объемная масса 2340 кг/м3.
Шпинель
Рекордная находка: 170-каратный красный камень Black Prince’s, украшающий корону Британской империи с XIV века, долгое время считали рубином. На самом деле это шпинель, крупнейший в истории.
Рекордная продажа: украшение Hope Spinel (брошь с камнем в 50,13 карат) было продано в 2015 году за $1,4 млн. Цена за карат составила $27,927. Месторождение — Танзания.
10+ самых твердых минералов в мире - По шкале Мооса
Твердость любого минерала определяется по их шкале Мооса, чем тяжелее минерал, тем выше его число Мооса. Шкала Мооса была разработана Фридрихом Моосом, немецким геологом и минералогом в 1812 году. Этот метод основан на способности одного минерала заметно царапать другие.
Хотя шкала Мооса не является точной и строго порядковой, она используется в геологии в основном для выявления различных минералов. Для проведения скрэтч-теста металлург использует склерометр или тернер-склерометр. Ниже приведен список 12 самых твердых минералов в мире.
10. Тальк
Твердость по Моосу - 1
Химическая формула - MgSi4O10 (OH) 2
Абсолютная твердость - 1
Тальк - это минерал, состоящий из гидратированного силиката магния. По шкале 10 самых твердых минералов тальк указан как 1 по шкале твердости по Моосу. Только цезий, рубидий с твердостью 0,2-0,3 и литий, натрий и калий с твердостью 0,5-0,6 мягче талька. Это распространенный метаморфический минерал в метаморфических поясах западных штатов США, западных Альп и в гималайском регионе.
9. Гипс
Твердость по Моосу - 2
Химическая формула -CaSo4 2H2O
Абсолютная твердость - 3
Гипс является сульфатным минералом, состоящим из дигидрата сульфата кальция. Это может быть использовано в качестве удобрения. Различные формы гипса основаны на древних скульптурах Месопотамии, Древнего Рима и Византийской империи. Орбитальные снимки с Марса разведывательного орбитального аппарата (MRO) указывают на существование гипсовых дюн в крайней северной области Марса. США, Бразилия, Индия входят в тройку стран с самыми большими запасами гипса в мире. Широко используется в почвенном кондиционере и тофу (соевый творог).
8. Кальцит
Твердость по Моосу - 3
Химическая формула - CaCO3
Абсолютная твердость - 9
Кальцит относится к карбонатной группе минералов и является наиболее стабильным полиморфом карбоната кальция. Кальцит является распространенным компонентом осадочных пород, большая часть которых образуется из мертвых морских организмов. Он имеет шкалу твердости по Моосу 3 и удельный вес 2,71. Одна из замечательных природных кальцитовых структур - пещера Снежная река в округе Линкольн, штат Нью-Мексико.
7. Флюорит
Твердость по Моосу - 4
Химическая формула - CaF2
Абсолютная твердость - 21
Флюорит или плавиковый шпат - это цветной минерал, и из-за его умеренной твердости он используется для изготовления украшений и других художественных работ. Флюорит также часто встречающийся минерал - Китай, Мексика, Южная Африка являются одними из крупнейших стран-производителей флюорита в мире. Его основное использование в оптике, где это используется в качестве материала окна. Оптические линзы также состоят из флюорита из-за его низкой дисперсии, вызывающей отсутствие или меньшую хроматическую аберрацию.
6. Апатит
Твердость по Моосу - 5
Химическая формула - Ca5 (PO4) 3 (OH-, CI-, F-)
Абсолютная твердость - 48
Апатит представляет собой группу фосфатных минералов, которые обычно известны как гидроксилапатит, фторапатит и хлорапатит. Это также один из немногих минералов, который производится и используется биологическими системами микроэкологии. Основное применение апатита - производство удобрений, поскольку он является хорошим источником фосфора. Образцы горных пород, собранные астронавтами во время программы «Аполлон», свидетельствуют о наличии следов апатита.
5. Ортоклаз полевого шпата
Твердость по Моосу - 6
Химическая формула - KAISi3O8
Абсолютная твердость - 72
Ортоклаз полевого шпата является важным минералом, который образует магматические породы. Ортоклаз является распространенным компонентом большинства гранитов и других вулканических пород. Это обычное сырье для изготовления стекол и некоторых керамических изделий, таких как фарфор, а также в качестве составляющей чистящего порошка.
4. Кварц
Твердость по Моосу - 7
Химическая формула - SiO2
Абсолютная твердость - 100
Кварц является вторым по распространенности минералом в земной коре только после полевого шпата. Есть много различных сортов кварца, найденных в Европе. Это важный компонент осадочных и метаморфических пород. Кристалл кварца обладает пьезоэлектрическими свойствами и широко используется в качестве кварцевого генератора. Кварцевые часы - знакомое устройство, использующее этот минерал.
3. Топаз
Твердость по Моосу -8
Химическая формула - AI2SiO4 (OH-, F-) 2
Абсолютная твердость - 200
Топаз является силикатным минералом алюминия и фтора, и его кристаллы в основном имеют форму пирамиды. Чистый топаз бесцветный и прозрачный, но обычно он окрашен примесями. Типичный топаз имеет желтый, бледно-серый, красновато-серый или сине-коричневый цвет. Большое количество топаза находится в Шри-Ланке, Германии, Норвегии, Нигерии, Австралии, Японии, Бразилии, Мексике и Соединенных Штатах.
2. Корунд
Твердость по Моосу - 9
Химическая формула - AI2O3
Абсолютная твердость - 400
Корунд - второй по твердости минерал в масштабе Мооса. Это кристаллическая форма оксида алюминия со следами железа, хрома, ванадия и титана. Чистый корунд прозрачен, но, с другой стороны, в присутствии примесей он может иметь разные цвета. Корунд разного цвета имеет разные названия, корунд красного цвета известен как рубин, а оранжево-розовый - падпарадша, а все остальные - сапфир.
1. Бриллиант
Твердость по Моосу - 10
Химическая формула - C
Абсолютная твердость - 1600
Алмаз является самым твердым известным природным минералом по шкале Мооса. Твердость алмаза зависит от его чистоты, а самый твердый алмаз может быть поцарапан только другими алмазами. Некоторые синие бриллианты являются естественными полупроводниками, некоторые - электрическими изоляторами, а остальные - электрическими проводниками.
Ежегодно добывается около 26000 кг алмазов, из которых 50% алмазов происходит из Центральной и Южной Африки. Многие недавние исследования показывают, что Алмаз больше не является самым твердым минералом на Земле и заменен следующим.
Вюрцит нитрид бора
На Земле существует очень небольшое количество нитрида бора вюрцита. Они либо найдены естественным путем, либо синтезированы вручную. Различные моделирования показали, что нитрид бора вюрцита может выдерживать на 18 процентов больше стресса, чем алмаз. Естественно, они производятся во время извержений вулканов из-за очень высоких температур и давления.
Лонсдейлит
Лонсдейлит, также известный как шестиугольный алмаз, был назван в честь Кэтлин Лонсдейл, известного ирландского кристаллографа. Считается, что лонсдалеит на 58 процентов тверже алмаза. Лонсдейлит - это природный минерал, образующийся, когда метеориты, содержащие графит, ударяются о землю. Тепло и напряжение в результате удара превращают графит в алмаз, сохраняя при этом гексагональную кристаллическую решетку графита.
Какой самый твердый материал на Земле?
Алмаз оценивается по шкале твердости Мооса на 10 баллов, что говорит о том, что это самый твердый природный материал, когда он подвергается царапинам. Однако, по прогнозам, лонсдейлит, вещество, обнаруженное в метеоритах, будет еще более твердым, чем алмаз.
Спросите любого любителя науки: "какой самый твердый материал?" - и он, несомненно, ответит: "Алмаз".
На протяжении десятилетий люди использовали безупречную твердость алмаза для интенсивной резки. Кроме того, учитывая его способность красиво взаимодействовать со светом, бриллианты являются крайне желанным украшением для женщин. Но действительно ли алмаз - самый твердый материал на Земле?
Ну, почти… ученые обнаружили потенциального соперника, который, как полагают, даже тверже, чем алмаз.
Самое твердое вещество природного происхождения на нашей планете
Когда дело доходит до природных твердых веществ, алмаз является явным победителем. Благодаря своей компактной структуре его очень трудно превзойти по твердости. Теперь возникает вопрос… как мы измеряем твердость?
Измерение твердости
В материаловедении очень важна оценка твердости материала. Однако определить твердость не так-то просто. Таким образом, твердость можно измерить по-разному, в зависимости от контекста и применимости.
Шкала твердости Мооса
Одна из наиболее часто используемых шкал твердости - шкала твердости Мооса, разработанная немецким минералогом Фридрихом Моосом в девятнадцатом веке. По этой шкале твердость - это мера сопротивления, проявляемого одним материалом при царапании другим материалом. Шкала твердости Мооса варьируется от 0 до 10, где 10 означает самую твердую (наименее подверженную царапинам), а 0 - наименьшую твердость.
Шкала твердости минералов Мооса.
Алмаз получил 10 баллов по этой шкале, что ясно указывает на то, что это самый твердый натуральный материал, когда его подвергают царапинам. Чтобы понять, насколько хорош алмаз, рассмотрим сталь, которая известна своей твердостью и имеет только 4,5 балла по этой шкале!
Так вот, измерение твердости по стойкости вещества к царапинам одобрялось далеко не всеми. Таким образом, ученые начали искать альтернативный метод измерения твердости. Была разработана еще одна методика определения твердости, в которой для оценки твердости использовался индентор.
Тест твердости по Виккерсу
Один из самых известных тестов для определения твердости с использованием индентора - это тест твердости по Виккерсу. При этом методе испытания на твердость индентор в форме пирамиды прижимается к материалу, твердость которого необходимо оценить. На данный материал в течение определенного времени прилагается определенное усилие. После этого индентора измеряется степень вмятины на материале. Это делается путём измерения площади поверхности вмятины, нанесённой индентором на материал. Здесь снова было установлено, что алмаз является самым твердым природным материалом на Земле.
Что делает бриллиант таким твердым?
В этот момент вы можете спросить себя, что делает бриллиант таким твердым? Ответ кроется в молекулярной структуре этого блестящего элемента. Алмаз - это аллотроп углерода, состоящий из пяти атомов углерода, которые разделяют электроны друг с другом в структуре тетраэдрической решетки. Ковалентная связь между этими атомами углерода чрезвычайно прочна, и ее очень трудно разорвать при комнатной температуре.
Алмаз как тетраэдрическая структура углерода.
Из-за этой прочной ковалентной связи у алмазов нет свободных электронов, что делает их плохим проводником электричества, но отличным проводником тепла. Фактически, алмаз примерно в пять раз лучше по теплопроводности, чем медь. Благодаря своей фантастической теплопроводности алмазы часто присутствуют в электрических деталях, например, в радиаторах.
Алмазы не непобедимы.
Прочитав это, вы можете почувствовать, что бриллианты непобедимы, но на самом деле это не так. Алмаз становится уязвимым при очень высоких температурах. Когда вы нагреваете алмаз выше 800 °C, его химические и физические свойства больше не остаются неизменными. Нарушение характерной прочности алмаза. Они начинают химически реагировать с железом, что делает алмаз нежелательным для обработки стали. Характерная твердость алмаза нарушается. Они начинают химически реагировать с железом, что делает алмаз нежелательным для обработки стали.
Поэтому ученые и исследователи давно ищут сверхтвердый материал, обладающий лучшей химической стабильностью. В 2009 году исследователи, работавшие в сотрудничестве из Шанхайского университета Цзяо Тонг и Университета Невады, заявили, что нашли два материала, которые могут победить алмаз в его собственной игре!
Две предложенные потенциальные претендентки на самое твёрдое вещество были: Нитрид бора вюрцита (w-BN) и Лонсдейлит.
Вюрцит нитрид бора (w-BN)
Вюрцит нитрид бора (w-BN) имеет структуру, аналогичную структуре алмаза, но он состоит из атомов бора и азота, а также углерода. Вюрцит нитрид бора чрезвычайно редок и может быть обнаружен только после определенного типа извержения вулкана. Проведенное исследователями в 2009 году моделирование гексагональной структуры w-BN показало, что она на 18% тверже стали. Кроме того, w-BN химически более стабилен, чем алмаз при высоких температурах.
Лонсдейлит состоит только из атомов углерода, как и алмаз, хотя и с другой структурой. И угадайте, что… лонсдейлит даже сильнее, чем w-BN! Интересно, что лонсдейлит - это космическое вещество, которое получается, когда богатый графитом метеорит ударяется о Землю. Моделирование вдавливания показало, что лонсдейлит на 58% прочнее алмаза, что делает лонсдейлит самым твердым веществом на Земле.
Подождите, есть загвоздка .
Однако в этих утверждениях о том, что w-BN и лонсдейлит сильнее алмаза, есть загвоздка. Эти утверждения основаны на программе моделирования, запущенной на компьютере, а не на физической проверке. Поскольку эти элементы чрезвычайно трудно найти, они еще не прошли физических испытаний для определения их твердости.
Тем не менее их моделирование предполагает, что эти более твердые, чем алмаз, материалы обладают хорошей термической и химической стабильностью; если мы сможем синтетически производить их в достаточно больших количествах, они могут оказаться переломными. Их можно было использовать как мощные фрезы, помещая их поверх других режущих инструментов. Кроме того, их стабильность при более высоких температурах сделала бы их полезными в космических полетах к Венере или Меркурию, которые имеют обжигающе высокие температуры.
Что ж, алмаз может теоретически потерять свою корону самого твердого материала, но он всегда останется королем драгоценных камней. Более того, утверждение о том, что лонсдейлит является самым твердым веществом, еще не подтверждено физически.
14 различных типов металлов
Термин "металл" происходит от греческого слова "metalléuō", что означает выкапываю или добываю из земли. Наша планета содержит много металла. На самом деле из 118 элементов периодической системы порядка 95 являются металлами.
Это число не является точным, потому что граница между металлами и неметаллами довольно расплывчата: нет стандартного определения металлоида, как нет и полного согласия относительно элементов, соответствующим образом классифицированных как таковые.
Сегодня мы используем различные виды металлов, даже не замечая их. Начиная с зажимов в сантехнике и заканчивая устройством, которое вы используете для чтения этой статьи, все они сделаны из определенных металлов. Фактически, некоторые металлические элементы необходимы для биологических функций, таких как приток кислорода и передача нервных импульсов. Некоторые из них также широко используются в медицине в виде антацидов.
Все металлы в периодической таблице можно классифицировать по их химическим или физическим свойствам. Ниже мы перечислили некоторые различные типы металлов вместе с их реальным применением.
Классификация по физическим свойствам
14. Легкие металлы
Сплав титана 6AL-4V
Примеры: Алюминий, титан, магний
Легкие металлы имеют относительно низкую плотность. Формального определения или критериев для идентификации этих металлов нет, но твердые элементы с плотностью ниже 5 г/см³ обычно считаются легкими металлами.
Металлургия легких металлов была впервые развита в середине 19 века. Хотя большинство из них происходит естественным путем, значительная их часть образуется при электротермии и электролизе плавленых солей.
Их сплавы широко используются в авиационной промышленности благодаря их низкой плотности и достаточным механическим свойствам. Например, сплав титана 6AL-4V составляет почти 50 процентов всех сплавов, используемых в авиастроении. Он используется для изготовления роторов, лопастей компрессоров, мотогондол, компонентов гидравлических систем.
13. Тяжелые металлы
Окисленные свинцовые конкреции и кубик размером 1 см3
Примеры: железо, медь, кобальт, галлий, олово, золото, платина.
Тяжелые металлы - это элементы с относительно высокой плотностью (обычно более 5 г/см³) и атомным весом. Они, как правило, менее реактивны и содержат гораздо меньше растворимых сульфидов и гидроксидов, чем более легкие металлы.
Эти металлы редки в земной коре, но они присутствуют в различных аспектах современной жизни. Они используются в солнечных батареях, сотовых телефонах, транспортных средствах, антисептиках и ускорителях частиц.
Тяжелые металлы часто смешиваются в окружающей среде из-за промышленной деятельности, ухудшая качество почвы, воды и воздуха, а затем вызывая проблемы со здоровьем у животных и растений. Выбросы транспортных средств, горнодобывающие и промышленные отходы, удобрения, свинцово-кислотные батареи и микропластики, плавающие в океанах, являются одними из наиболее распространенных источников тяжелых металлов в этом контексте.
12. Белый металл
Подшипники из белого металла
Примеры: Обычно изготавливается из олова, свинца, висмута, сурьмы, кадмия, цинка.
Белые металлы - это различные светлые сплавы, используемые в качестве основы для украшений или изделий из серебра. Например, многие сплавы на основе олова или свинца используются в ювелирных изделиях и подшипниках.
Белый металлический сплав изготавливается путем объединения определенных металлов в фиксированных пропорциях в соответствии с требованиями конечного продукта. Основной металл для ювелирных изделий, например, формуется, охлаждается, экстрагируется, а затем полируется, чтобы придать ему точную форму и блестящий вид.
Они также используются для изготовления тяжелых подшипников общего назначения, подшипников внутреннего сгорания среднего размера и электрических машин.
11. Хрупкий металл
Хрупкое разрушение чугуна
Примеры: сплавы углеродистой стали, чугуна и инструментальной стали.
Металл считается хрупким, если он твердый, но не может противостоять ударам или вибрации под нагрузкой. Такие металлы под воздействием напряжения ломаются без заметной пластической деформации. Они имеют низкую прочность на разрыв и часто издают щелкающий звук при поломке.
Многие стальные сплавы становятся хрупкими при низких температурах, в зависимости от их обработки и состава. Чугун, например, твердый, но хрупкий из-за высокого содержания углерода. Напротив, керамика и стекло гораздо более хрупки, чем металлы, из-за их ионных связей.
Галлий, висмут, хром, марганец и бериллий также хрупки. Они часто используются в различных гражданских и военных целях, связанных с высокими деформационными нагрузками. Чугун, устойчивый к повреждениям в результате окисления, используется в машинах, трубах и деталях автомобильной промышленности, таких как корпуса коробок передач и головки цилиндров.
10. Тугоплавкий металл
Микроскопическое изображение вольфрамовой нити в лампе накаливания
Примеры: молибден, вольфрам, тантал, рений, ниобий.
Тугоплавкие металлы имеют чрезвычайно высокие температуры плавления (более 2000 °С) и устойчивы к износу, деформации и коррозии. Они являются хорошими проводниками тепла и электричества и имеют высокую плотность.
Другой ключевой характеристикой является их термостойкость: они не расширяются и не растрескиваются при многократном нагревании и охлаждении. Однако они могут деформироваться при высоких нагрузках и окисляться при высоких температурах.
Благодаря своей прочности и твердости они идеально подходят для сверления и резки. Карбиды и сплавы тугоплавких металлов используются почти во всех отраслях промышленности, включая горнодобывающую, автомобильную, аэрокосмическую, химическую и ядерную.
Металлический вольфрам, например, используется в ламповых нитях. Сплавы рения используются в гироскопах и ядерных реакторах. А ниобиевые сплавы используются для форсунок жидкостных ракетных двигателей.
9. Черные и цветные металлы
Валы-шестерни из (черной) нержавеющей стали
Черные металлы: Сталь, чугун, сплавы железа.
Цветные металлы: Медь, алюминий, свинец, цинк, серебро, золото.
Термин "железо" происходит от латинского слова "Ferrum", что переводится как "железо". Таким образом, термин "черный металл" обычно означает "содержащий железо", тогда как "цветной металл" означает металлы и сплавы, которые не содержат достаточного количества железа.
Поскольку черные металлы могут иметь широкий спектр легирующих элементов, которые значительно изменяют их характеристики, очень трудно поместить свойства всех черных металлов под один зонт. Тем не менее некоторые обобщения могут быть сделаны, например, большинство черных металлов являются твердыми и магнитными.
Черные металлы используются для применения с высокой нагрузкой и низкой скоростью, в то время как цветные металлы предпочтительны для применения с высокой скоростью и нулевой нагрузкой для применения с низкой нагрузкой.
Сталь является наиболее распространенным черным металлом. Она составляет около 80% всего металлического материала благодаря своей доступности, высокой прочности, низкой стоимости, простоте изготовления и широкому спектру свойств. Она широко используется в строительстве и обрабатывающей промышленности. Фактически, рост производства стали показывает общее развитие промышленного мира.
8. Цветные и благородные металлы
Ассортимент благородных металлов
Цветные металлы: медь, алюминий, олово, никель, цинк
Благородные металлы: родий, ртуть, серебро, рутений, осмий, иридий
Цветные металлы - это обычные и недорогие металлы, которые корродируют, окисляются или тускнеют быстрее, чем другие металлы, когда подвергаются воздействию воздуха или влаги. Они в изобилии встречаются в природе и легко добываются.
Они широко используются в промышленных и коммерческих целях и имеют неоценимое значение для мировой экономики благодаря своей полезности и повсеместности. Некоторые цветные металлы обладают отличительными характеристиками, которые не могут быть продублированы другими металлами. Например, цинк используется для гальванизации стали, чтобы защитить ее от коррозии, а никель - для изготовления нержавеющей стали.
Благородные металлы, с другой стороны, устойчивы к окислению и коррозии во влажном воздухе. Согласно атомной физике, благородные металлы имеют заполненный электрон d-диапазона. В соответствии с этим строгим определением, медь, серебро и золото являются благородными металлами.
Они находят применение в таких областях, как орнамент, металлургия и высокие технологии. Их точное использование варьируется от одного элемента к другому. Некоторые благородные металлы, такие как родий, используются в качестве катализаторов в химической и автомобильной промышленности.
7. Драгоценные металлы
Родий: 1 грамм порошка, 1 грамм прессованного цилиндра и 1 г аргонодуговой переплавленной гранулы
Примеры: палладий, золото, платина, серебро, родий.
Драгоценные металлы считаются редкими и имеют высокую экономическую ценность. Химически они менее реакционноспособны, чем большинство элементов (включая благородные металлы). Они также пластичны и имеют высокий блеск.
Несколько веков назад эти металлы использовались в качестве валюты. Но сейчас они в основном рассматриваются как промышленные товары и инвестиции. Многие инвесторы покупают драгоценные металлы (в основном золото), чтобы диверсифицировать свои портфели или победить инфляцию.
Серебро - второй по популярности драгоценный металл для ювелирных изделий (после золота). Однако его значение выходит далеко за рамки красоты. Оно обладает исключительно высокой тепло- и электропроводностью и чрезвычайно низким контактным сопротивлением. Именно поэтому серебро широко используется в электронике, батареях и противомикробных препаратах.
Классификация по химическим свойствам
6. Щелочные металлы
Твердый металлический натрий
Примеры: натрий, калий, рубидий, литий, цезий и франций.
Щелочь относится к основной природе гидроксидов металлов. Когда эти металлы реагируют с водой, они образуют сильные основания, которые легко нейтрализуют кислоты.
Они настолько реактивны, что обычно встречаются в природе в слиянии с другими веществами. Карналлит (хлорид калия-магния) и сильвин (хлорид калия), например, растворимы в воде и, таким образом, легко извлекаются и очищаются. Нерастворимые в воде щелочи, такие, как фторид лития, также существуют в земной коре.
Одно из самых популярных применений щелочных металлов - использование цезия и рубидия в атомных часах, наиболее точных из известных эталонов времени и частоты. Литий используется в качестве анода в литиевых батареях, композиты калия используются в качестве удобрений, а ионы рубидия используются в фиолетовых фейерверках. Чистый металлический натрий широко используется в натриевых лампах, которые очень эффективно излучают свет.
5. Щелочноземельные металлы
Изумрудный кристалл, основной минерал бериллия.
Примеры: бериллий, кальций, магний, барий, стронций и радий.
Щелочноземельные металлы в стандартных условиях мягкие и серебристо-белые. Они имеют низкую плотность, температуру кипения и температуру плавления. Хотя они не так реакционноспособны, как щелочные металлы, они очень легко образуют связи с элементами. Как правило, они вступают в реакцию с галогенами, образуя галогениды щелочноземельных металлов.
Все они встречаются в земной коре, кроме радия, который является радиоактивным элементом. Радий уже распадался в ранней истории Земли из-за относительно короткого периода полураспада (1600 лет). Современные образцы поступают из цепочки распада урана и тория.
Щелочноземельные металлы имеют широкий спектр применения. Бериллий, например, используется в полупроводниках, теплопроводниках, электрических изоляторах и в военных целях. Магний часто сплавляют с цинком или алюминием для получения материалов со специфическими свойствами. Кальций в основном используется в качестве восстановителя, а барий используется в вакуумных трубках для удаления газов.
4. Переходные металлы
Примеры: титан, ванадий, хром, никель, серебро, вольфрам, платина, кобальт.
Большинство элементов используют электроны из своей внешней оболочки для связи с другими элементами. Переходные металлы, однако, могут использовать две крайние оболочки для соединения с другими элементами. Это химическая особенность, которая позволяет им связываться со многими различными элементами в различных формах.
Они занимают среднюю часть таблицы Менделеева, служа мостом между (или переходом) между двумя сторонами таблицы. Более конкретно, есть 38 переходных металлов в группах с 3 по 12 периодической таблицы. Все они являются пластичными, податливыми и хорошими проводниками тепла и электричества.
Многие из этих металлов, такие как медь, никель, железо и титан, используются в конструкциях и в электронике. Большинство из них образуют полезные сплавы друг с другом и с другими металлическими веществами. Некоторые из них, включая золото, серебро и платину, называются благородными металлами, потому что они крайне инертны и устойчивы к кислотам.
3. Постпереходные металлы
Висмут в виде синтетических кристаллов
Примеры: алюминий, галлий, олово, свинец, таллий, индий, висмут.
Постпереходные металлы в периодической таблице - это элементы, расположенные справа от переходных металлов и слева от металлоидов. Из-за своих свойств они также называются "бедными" или "другими" металлами.
Физически они хрупки (или мягки) и имеют более низкую температуру плавления и механическую прочность, чем переходные металлы. Их кристаллическая структура довольно сложна: они проявляют ковалентные или направленные эффекты связи.
Различные металлы этого семейства имеют различное применение. Алюминий, например, используется для изготовления оконных рам, кухонной посуды, банок, фольги, деталей автомобилей. Оловянные сплавы используются в мягких припоях, оловянных и сверхпроводящих магнитах.
Индиевые сплавы используются для изготовления плоских дисплеев и сенсорных экранов, а галлий - в топливных элементах и полупроводниках.
2. Лантаноиды
1-сантиметровый кусок чистого лантана
Примеры: лантан, церий, прометий, гадолиний, тербий, иттербий, лютеций.
Лантаноиды - это редкоземельные металлы с атомными номерами от 57 до 71. Впервые они были обнаружены в 1787 году в необычном черном минерале (гадолините), обнаруженном в Иттербю, Швеция. Позже минерал был разделен на различные элементы лантаноидов.
Лантаноиды - это металлы с высокой плотностью, плотность которых колеблется от 6,1 до 9,8 г/см³, и они, как правило, имеют очень высокие температуры кипения (1200-3500 °C) и очень высокие температуры плавления (800-1600 °C).
Сплавы лантаноидов используются в металлургии из-за их сильных восстановительных способностей. Около 15 000 тонн лантаноидов ежегодно расходуется в качестве катализаторов и при производстве стекол. Они также широко используются в лазерах и оптических усилителях.
Некоторые исследования показывают, что лантаноиды могут быть использованы в качестве противораковых средств. Лантан и церий, в частности, могут подавлять пролиферацию раковых клеток и способствовать цитотоксичности.
1. Актиниды
Металлический уран, высокообогащенный ураном-235
Примеры: актиний, уран, торий, плутоний, фермий, нобелий, лоренций
Подобно лантаноидам, актиниды образуют семейство редкоземельных элементов с аналогичными свойствами. Они представляют собой серию из 15 последовательных химических элементов в периодической системе от атомных номеров 89 до 103.
Все они радиоактивны по своей природе. Синтетически произведенный плутоний, а также природные уран и торий являются наиболее распространенными актинидами на Земле. Первым актинидом, который был открыт в 1789 году, был уран. И большая часть существующих продуктов актинидов была произведена в 20 веке.
Их свойства, такие как излучение радиоактивности, пирофорность, токсичность и ядерная критичность, делают их опасными для обращения. Сегодня значительная часть (кратковременных) актинидов производится ускорителями частиц в исследовательских целях.
Некоторые актиниды нашли применение в повседневной жизни, например, газовые баллоны (торий) и детекторы дыма (америций), большинство из них используются в качестве топлива в ядерных реакторах и для изготовления ядерного оружия. Уран-235 является наиболее важным изотопом для применения в ядерной энергетике, который широко используется в тепловых реакторах.
Читайте также: