Какой металл легче литий или титан

Обновлено: 05.07.2024

Легкие металлы сосредоточены в главных подгруппах первых четырех групп периодической системы элементов. Названием они обязаны тому, что их плотность, как правило, ниже 5 т/м 3 .

Развитие производства полимерных и композиционных материалов отнюдь не отодвигает легкие металлы на второй план. Объем их производства продолжает расти, особенно это относится к алюминию и его сплавам. Но есть и «более другие» легкие металлы и сплавы.

Самые легкие — все щелочные металлы: литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций. Но в промышленности из них в качестве легкого материала применяют только литий, да и то в сплавах.

Литий — самый легкий из металлов, он почти вдвое легче воды. Но, к сожалению, в чистом виде применить его в качестве конструкционного материала невозможно — он слишком активен, вступает во взаимодействие и с водой, и с воздухом. А вот в сплавах, например, с алюминием, — пожалуйста.

Современные алюмо-литиевые сплавы по многим параметрам превосходят традиционные сплавы, и в ряде случаев конкурируют с пластмассами, упрочненными волокнами. Необходимую вязкость таких сплавов обеспечивают введением в них легирующих элементов — марганца, циркония и меди, соответствующей технологией изготовления материала, приводящей к образованию мелкозернистой структуры, а также применением термомеханической обработки, влияющей на равномерность выделения дисперсных фаз.

Благодаря этому достигают необходимой комбинации прочности и вязкости, что при малой плотности и высокой жесткости позволяет рассматривать алюмо-литиевые сплавы как наиболее перспективный материал для легких конструкций.

Алюмо-литиевые сплавы интересны для авиакосмической промышленности. Это вызвано тем, что добавка лития одновременно повышает модуль упругости и понижает плотность сплава, тем самым способствуя уменьшению массы конструкций.

Из щелочноземельных металлов в конструкционных материалах используют только магний и бериллий. Кальций и стронций, несмотря на то, что они легче алюминия, практически не используют.

Сплавы магния многочисленны и делятся на две группы: литейные и деформируемые.

Благодаря низкой плотности и высокой удельной прочности их используют в авиакосмической технике в качестве конструкционных материалов. Магний придает им легкость — магниевые сплавы на треть легче алюминия.

Около пятой части выплавляемого магния используют в автомобилестроении.

Магний предпочтителен и при изготовлении композитов с металлической матрицей. Расплавленный алюминий, например, реагирует с армирующими волокнами карбида кремния, образуя карбид алюминия. Магний в отношении этих волокон инертен.

Бериллий одновременно относится и к легким, и к редким металлам, а следовательно, и к дорогим. Но основной недостаток этого металла, препятствующий его применению в технике, — высокая токсичность.

Еще один отрицательный фактор — хрупкость бериллия. Однако плюсов у него значительно больше.

Бериллий — один из наиболее легких металлов. Он в 1,5 раза легче алюминия и в 4 раза легче нержавеющей стали. По модулю упругости он превосходит и сталь, и титан, и алюминий. Важно, что его прочностные свойства не утрачиваются вплоть до температуры 800 градусов.

Несмотря на высокую стоимость и токсичность, бериллий используют там, где он незаменим. Так, в США из него были изготовлены панели серии космических кораблей «Аджена», части антенны на спутнике связи «Тэксэт-1» и отражатель ядерного ракетного двигателя «Нерва-1».

Алюминий находится в третьей группе элементов. Других металлов легче алюминия в этой группе нет. В четвертой группе легче алюминия только кремний. Но значение его столь велико, что он заслуживает отдельной статьи.

Подведем итоги. Металлов легче алюминия много, больше десятка. Но не все из них, увы, могут его заменить или дополнить.

Самые легкие металлы в мире

Хотя человек на примере отдельных столовых приборов неоднократно убеждался, что металлические предметы способны оказаться вовсе и не тяжелыми, все-таки металл представляется последнему в первую очередь как нечто, с трудом поддающееся разрушению под воздействием внешних сил, а оттого и по весу впечатляющее.

Однако в этой статье речь пойдет о самых легких металлах в мире: какими свойствами обладают, для чего используются и чем представляют интерес — об этом расскажет редакция 24СМИ.

Титан (Ti)

Открытый в конце XVIII столетия и сразу добавленный в периодическую таблицу Менделеева под 22-м номером химический элемент серебристого цвета с атомной массой в 47,867 а. е. м. (атомная единица массы) и плотностью в 4,5 г/см^3 отличается впечатляющей прочностью.

Также среди свойств металла, получившего статус самого твердого из используемых, выделяют отличную антикоррозионную устойчивость. Это справедливо и для сплавов, получаемых на основе титана, причем собственные прочностные характеристики последние сохраняют даже при температурах в 300 °C, что делает их незаменимыми в текущий период времени в авиации и ракетостроении.

Получивший название в честь титанов из древнегреческой мифологии металл входит в десятку самых распространенных в природе элементов, месторождения которого открыты на всех континентах, исключая Антарктиду. Причем Россия занимает по концентрации руд с содержанием рассматриваемого элемента второе место в мире после КНР.

Помимо уже упомянутых отраслей, титановые сплавы востребованы в кораблестроении, химической, автомобильной и оборонной промышленности, а также на пищевом производстве и в сельском хозяйстве. Благодаря собственной инертности титан без проблем способен контактировать с тканями живых организмов, не вызывая опасных для здоровья химических реакций, а потому активно используется в медицине, начиная с протезирования и изготовления имплантатов и заканчивая созданием хирургических инструментов.

Алюминий (Al)

Алюминий относится к наиболее распространенным цветным металлам. Открытый в 1825 году и до освоения технологии промышленного изготовления стоивший дороже золота, элемент с атомным номером 13 и массой в 26,982 а. е. м. имеет плотность 2,7 г/см^3 и отличается наличием парамагнитных свойств, правда, слабых.

Хорошо проводит тепло и электричество, не поддается коррозионному воздействию, зато подвержен механическому, в том числе легко подвергается сгибанию. Сплавы на основе этого легкого металла характеризуются пластичностью, удовлетворительной прочностью и не поддаются коррозии, а также хорошо свариваются.

По распространенности в мире алюминий стоит на первом месте среди металлов и на третьем среди химэлементов периодической таблицы, уступая только кислороду и кремнию. Добыча его ведется более чем в 15 странах, лидеры среди которых — Китай, Россия и Канада. Мировые запасы этого элемента в разы превышают текущую потребность в его применении.

Сфера использования алюминия и сплавов на основе этого материала обширна. Это и черная металлургия, и пиротехника, использовался даже для изготовления ювелирных украшений в тот период, когда представлял исключительную ценность из-за неотработанного техпроцесса. В Японии он применяется в таком качестве до сих пор, заменяя иногда серебро в украшениях.

О посуде и столовых приборах из этого гибкого металла знают все, а вот в качестве конструкционных материалов используют преимущественно алюминиевые сплавы, обладающие требуемыми характеристиками в плане прочности. Также алюминий добавляют в «автоматные стали» для облегчения обработки — благодаря ему достигается четкое открепление от прута детали после завершения обработки.

Бериллий (Be)

В отличие от предыдущих, этот металл, расположенный в таблице химэлементов под номером 4, отличает сероватый цвет, а также повышенная токсичность. Характеризуется хрупкостью при сравнительной твердости, превосходящей показатели алюминия и магния. Плотность — 1,8 г/см^3. Атомная масса — 9 углеродных единиц.

Открытый в конце XVIII века, в чистом виде впервые был получен только спустя 30 лет, в 1828 году. Название свое унаследовал от минерала берилла, который, в свою очередь, наименованием обязан индийскому городу Белуру, прославившемуся месторождением изумрудов — драгоценных камней, представляющих собой разновидность упомянутой породы.

Бериллий часто встречается в составе темноцветных минералов, а также в магматических породах. Месторождения, содержащие этот металл, расположены на территории Южной Америки и Африки. На евразийском континенте также ведется добыча, преимущественно в Индии, Казахстане и России, в границах которой находятся два месторождения — в Свердловской области и в Бурятии.

Металл применяют в легировании сплавов в качестве добавки, делающей получаемые материалы более твердыми, прочными и устойчивыми к коррозии. Слабое поглощение бериллием рентгеновского излучения позволяет применять его при создании детекторов гамма-лучей. Применяется и в ядерной энергетике в качестве замедлителя нейтронов. Бериллиевые сплавы используют в аэрокосмической технике и для изготовления лазерных излучателей.

Также металл хорошо проводит звуковые волны, благодаря чему применяется в конструкции акустических устройств, однако из-за высокой сложности обработки для исключения негативных качеств, включая токсичность, изготовленные на его основе компоненты отличаются повышенной стоимостью. Представляет опасность для человека — накапливаясь в организме, приводит к тяжелому поражению органов дыхания, а также характеризуется выраженным канцерогенным воздействием.

Магний (Mg)

Расположенный в таблице Менделеева под 12-м номером ковкий металл с атомной массой 24,307 а. е. м. и плотностью 1,7 г/см^3 впервые был получен в чистом виде в 1808 году. Пластичен и легко поддается прессованию и резанию.

Характеризуется высокой температурой плавления (650 °C) и коррозионной стойкостью. При создании на основе магния сплавов механические характеристики металла существенно повышаются, что сильно расширяет область применения такого рода материалов.

Элемент входит в список наиболее распространенных на Земле и встречается как в коре, так и в морской воде, как правило, в составе солей и минералов. Природные месторождения самородного магния чрезвычайно редки — пара таких расположены на территории России, в Восточной Сибири, и Таджикистана. Лидером по производству магния на 2020-й считаются США.

Главным образом применяется для получения всевозможных сплавов, как легких, так и сверхлегких, сфера использования которых — это самолето- и автомобилестроение. Также благодаря горючим свойствам применяется в пиротехнике и при создании зажигательных и осветительных ракет в оборонной промышленности.

Без магниевого порошка с добавками окислителей прежде невозможной была бы фотография — хотя в сравнении с прошлым магниевые вспышки используются намного реже, спрос на них по-прежнему сохраняется. Также магний относится к веществам, важным для нормальной жизнедеятельности организма и протекания обменных процессов, так что препараты на его основе применяются в медицине — в кардиологии, неврологии и при борьбе с гастроэнтерологическими расстройствами.

Литий (Li)

Вот и дошло дело до элемента, который является самым легким в мире металлом. Плотность лития, расположенного в периодической таблице на месте под цифрой 3, равна всего 0,5 г/см^3, что меньше этого показателя у воды, так что чистый литий не тонет. Атомная масса элемента колеблется от 6,398 до 6,997 а. е. м. в зависимости от изотопа. Открыт в 1817-м, а в металлическом виде получен спустя всего год.

Характеризуется повышенной химической активностью и потому в природе легко образует сложносоставные соединения. Пластичен, хорошо обрабатывается прокаткой и прессом. Цвет — серебристый. При комнатной температуре с кислородом реагирует слабо. Воспламенение происходит при 300 °C.

В природе встречается в породообразующих минералах и в отложениях озер с сильным содержанием солей. Среди разрабатываемых месторождений наиболее известны чилийские, австралийские и аргентинские, хотя встречаются таковые и на территории других стран, в том числе Китая. В России главное скопление пород с содержанием лития — в Мурманской области. В стране с 2017 года работает в формате эксперимента установка по добыче металла из руд с низким содержанием элемента, благодаря которой процедура возможна при незначительных финансовых и трудовых затратах.

Соли лития используются при создании лазерного оборудования и оптики, в качестве окислителей и восстановителей в химпроме, а также в медицине и различных отраслях промышленности, включая текстильную (как отбеливатели), пищевую (как консерванты) и косметическую. Литиевые сплавы применяются для изготовления высокоэффективных проводников, в том числе анодов, необходимых для электролиза.

Элемент применяется также при создании аккумуляторов, в том числе и щелочных, а не только твердотельных. В малых количествах литий потребен человеческому организму, поскольку участвует в обмене веществ, а также влияет на психоэмоциональную возбудимость и иммунную защиту.

ТОП-20 самых легких металлов

К легким причисляют металлы, плотность которых колеблется в диапазоне 5-7,5 граммов на кубический сантиметр. Еще один определяющий показатель — атомный вес. Легкие металлы задействованы в фармацевтической, энергетической, автомобильной, авиакосмической и других отраслях промышленности, в металлургии, строительной сфере и медицине. Они составляют 20 % от массы земной коры. ТОП-20 самых легких металлов во вселенной собраны в нашем перечне.

Литий

Это самый легкий металл из существующих в мире. Он выделяется серебристо-белым окрасом, предельно низким атомным весом и плотностью, которая в два раза меньше, нежели у воды. Пластичный литий имеет тридцать минералов, два изотопа природного происхождения. Температура плавления щелочного металла составляет +180,5 градуса Цельсия.

Литий — уникальный элемент, который всплывает на поверхности керосина. Он редко эксплуатируется в чистом виде, поскольку очень активен, легко вступает в реакции с окружающей средой. Это токсичный металл, поэтому в быту не применяется, но подходит для создания пиротехники, используется в роли окислителя, в пищевой промышленности, электронике, при производстве аккумуляторов, смартфонов, электромобилей. Литий в сорок раз меньше весит, чем иридий и осмий. Он был открыт в 1817 году шведским ученым — выделен из природного петалита.

Калий

Вторую строчку в ТОПе занимает калий. Это мягкий щелочной металл. В природе он обнаруживается исключительно в химических соединениях — в морской воде. Калий реактивно окисляется при попадании на воздух. Его открыли в 1807 году — выделили путем электролиза. К свойствам его относятся:

В жидком виде металл применяется для производства теплоносителей. Важнейший биогенный элемент используется при изготовлении удобрений, в гальванотехнике.

Натрий

Это высоко-реактивный металл с бело-серебристым окрасом (относится к категории щелочных). Мягкий натрий без труда режется ножом, блестит на срезе. В природе он содержится в морской воде. На воздухе он легко окисляется до оксида натрия. Этот легкий металл плавится при +97 градусах Цельсия, а кипит — при +882 градусах. Натрий впервые был добыт путем электролиза химиком Хэмфри Дэви в Великобритании.

Этот металл активно эксплуатируется в металлургии, при изготовлении энергоемких аккумуляторов, в создании ядерных реакторов и при анализе органических веществ, в газоразрядных лампах.

Рубидий

Один из самых легких щелочных металлов, с плотностью выше чем у воды. Рубидий имеет серый цвет с белым отливом. Его смогли выделить немецкие химики в 1861 году методом пламенной спектроскопии. Этот металл вступает в химическую реакцию с водой, самовоспламеняется на воздухе, плавится при +39,3 градусах Цельсия.

Рубидий — моноизотопный, радиоактивный элемент. Он занимает 23 ступень по уровню распространенности в земной коре, встречается чаще меди и цинка. Этот металл используется при изготовлении пиротехнической продукции, в ядерной медицине и промышленности. Его эксплуатация важна при производстве паровых турбин, топливных генераторов.

Кальций

Это щелочноземельный металл, легко взаимодействующий с углекислым газом и кислородом. Кальций имеет серую тусклую поверхность со светло-желтым оттенком. Получают его путем электролиза или алюминотермии. Природный калий состоит из трех изотопов. По степени распространенности элементов в земной коре он занимает пятое место. Металлический кальций плавится при +884 градусах Цельсия. Он активно применяется при выплавке стали из-за сходства по свойствам с кислородом. Кальций используется в металлургии, для выделения азота из чистого аргона, при производстве циркония и урана.

Магний

Этот металл с малой атомной массой был получен в 1808 году. Он характеризуется пластичностью, без труда поддается резке, обработке. Магний плавится при +650 градусах, не боится коррозии.

В составе минералов и солей металл обнаруживается в земной коре, морской воде. Залежи природного магния находятся в Таджикистане и Восточной Сибири. Он используется в автомобиле- и самолетостроении, при производстве пиротехники, поскольку обладает высокими горючими свойствами. Магний применяется и при создании вооружения. В порошкообразной форме он применяется в фотографическом мастерстве.

Бериллий

Сероватый цвет, высокая хрупкость и токсичность характеризуют еще один легкий металл. В чистом виде он был получен в 1828 году. Название металл получил от известного минерала — берилла. В природе он встречается в магме, горных породах. Бериллий добывают в Индии, Бурятии, Казахстане.

Этот металл применяется в виде добавок при легировании сплавов. Он почти не поглощает рентгеновское излучение, поэтому применяется при создании детекторов гамма-излучения. Используется бериллий в аэрокосмической промышленности, в акустике, задействован в ядерной энергетике.

Цезий

Один из самых мягких и легких металлов с температурой плавления всего +28,6 градуса Цельсия. При комнатной температуре он находится в полужидком состоянии. Он представляет собой вещество золотистого цвета, отлично отражает свет. Этот металл открыли в 1860 году в Германии, но в чистом виде его получил уже шведский химик и только через 22 года.

Цезий используется как катализатор в органическом и неорганическом синтезе, в инфракрасных аппаратах и очках, при изготовлении светящихся трубок. Он применяется в энергетике и медицинской сфере. Кстати, на основе цезия создают твердые электролиты для автомобильного топлива.

Стронций

Месторождения стронциевых руд разрабатываются в Тульской области и в Дагестане. Стронций эксплуатируется в металлургии, пищевой и радиоэлектронной промышленности.

Алюминий

Один из самых распространенных металлов, который был открыт в 1825 году. До запуска масштабного производства алюминий ценился выше золота. Он обладает незначительными парамагнитными свойствами, проводит электрический ток и тепло. Алюминий подвергается механическому воздействию, но не коррозийному. Сплавы на его основе могут похвастаться пластичностью. Этот металл занимает третье место по степени распространенности в земной коре, плавится при +660 градусах.

Алюминий находит применение в черной металлургии, при производстве пиротехники, посуды, столовых приборов, в авиационной промышленности.

Барий

Это щелочноземельный металл, который быстро окисляется на воздухе, реагирует с водой, воспламеняется даже при слабом нагревании. Он активно взаимодействует с разбавленными кислотами. К другим свойствам бария относятся:

Серебристо-белый металл применяется в ядерно-энергетической отрасли, пиротехнике, оптике. В чистом виде барий получили в 1774-ом.

Титан

Металл насыщенного серебристого окраса был открыт в конце восемнадцатого века немецким химиком — выделен из минерала рутила. Образец металлического титана получили лишь в 1825 году. Он характеризуется высокой удельной прочностью и устойчивостью к коррозии. По концентрации титановых руд Россия находится на второй позиции в мире после Китая. К свойствам металла относятся:

пластичность;
хорошая ударная вязкость;
температура плавления, которая составляет +1670 градусов Цельсия.

Титан используется в авиа-, кораблестроении, при производстве трубопроводов, в химической, автомобильной промышленности, при создании вооружения.

Германий

Хрупкий металл стального цвета с четко выраженным блеском. Это твердосплавный элемент, который плавится при +938 градусах Цельсия, кипит при +2850 градусах, является полупроводником. Германий был выделен в 1886 году немецким химиком Клеменсом Винклером. Это аномальное вещество, плотность которого увеличивается при плавлении.

Главные сферы применения германия — волоконная и тепловизорная оптика, электроника, химическая промышленность (в качестве катализаторов).

Галлий

Это мягкий, хрупкий металл стального цвета с синеватым оттенком. Он выделен в 1875 году французским химиком. Галлий плавится при +29,7 градусах Цельсия. Это один из наиболее дорогих металлов, свыше 97 % которого уходит на производство полупроводников. Галлий активно используется в медицине — в онкологии, в качестве антисептика.

Теллур

Хрупкий белый металл с блеском, применяется при производстве свинцовых сплавов. На просвет он выглядит красно-коричневым. Редкое, слегка токсичное вещество было обнаружено в Трансильвании в конце восемнадцатого века. Но выделить его в чистом виде удалось только через 17 лет. При нагревании металл становится пластичным. Он плавится при +448,8 градусах Цельсия.

Теллур широко применяется при создании полупроводников, в процессе вулканизации каучука. Металл используют при изготовлении ламп, специальных марок халькогенидных стекол.

Ванадий

Это пластичный металл средней твердости сине-стального цвета. Ванадий — хороший полупроводник. Он обладает высокими показателями теплоизоляции, отличается:

податливостью;
прочностью (тверже большинства сплавов).

Это редкий тугоплавкий элемент, который был открыт в 1801 году мексиканским профессором минералогии. Но сам ученый назвал его хроматом свинца. В чистом виде из железной руды ванадий был получен только в 1830 году шведским химиком. Этот металл плавится при +1887 градусах Цельсия. Он применяется как легирующая добавка для сталей, для изготовления электроники, сувенирной продукции, в металлургии, автомобильной промышленности, при производстве буровых установок.

Цирконий

Этот металл обладает высокой коррозийной стойкостью. Он встречается в природе в виде четырех стабильных изотопов. Серо-белый блестящий переходный металл отличается химической стойкостью. Он плавится при +1852 градусах Цельсия. Температура плавления составляет 4377 градусов. Цирконий встречается в 140 минералах, но не в самородном виде.

Металл был открыт в 1789 году, а в чистом виде — получен по истечении 35 лет после этого. Цирконий широко используется в авиационной, космической промышленности и медицине.

Это металл, который становится пластичным при 150 градусах Цельсия, а при 210 градусах — может деформироваться. Температура плавления — низкая. Она составляет 418 градусов. Металл характеризуется:

высокой электропроводностью;
химической активностью — сплавляется с щелочами, подвергается воздействию серной кислоты.

Цинк имеет голубовато-серый окрас. Он тускнеет на воздухе и покрывается слоем оксида, имеет пять стабильных изотопов. Этот металл был получен в 1746 году в Германии путем прокалки смеси оксида с углем. Цинк применяется при производстве ювелирных украшений (сплавы добавляются в золото), в автомобилестроении, для защиты металлов от коррозии, при изготовлении аккумуляторов и батареек.

Тугоплавкий, твердый металл с характерным блеском, имеет голубовато-белый окрас. Он царапает стекло, в чистом виде характеризуется пластичностью, отлично поддается механической обработке. При наличии азотно-кислородных примесей становится хрупким. Температура плавления — 1856 градусов Цельсия. Хром — составляющий компонент стали, который повышает ее прочность, закаливаемость, жаростойкость. Он был открыт во Франции в 1797 году. Химик Воклен выделил тугоплавкий металл с примесью карбидов. Используется хром в легированных сталях, в качестве эстетических гальванических покрытий. Он относится к токсичным элементам.

Марганец

Этот серебристо-серый металл напоминает железо. Он обладает незначительными парамагнитными свойствами, медленно окисляется и тускнеет на воздухе. Это твердый и хрупкий металл, который был открыт в 1774 году. Марганец имеет температурные показатели плавления и кипения 1246 и 2061 градус Цельсия соответственно.

Марганец используется для раскисления стали при ее выплавке, в металлургии и химической промышленности. Металл является остродефицитным сырьем в России. Известно лишь несколько месторождений (в Кемеровской области, Красноярском крае).

ТОП-20 самых прочных и крепких металлов

Прочность металла — это его устойчивость к нагрузкам, способность внутренней структуры противостоять внешнему воздействию. Для выявления самого крепкого металла за основу можно взять предел прочности или текучести в МПа. Эти величины показывают, какое усилие нужно приложить для нарушения молекулярных связей в материалах. Чем выше предел прочности, тем крепче металл. Наиболее устойчивые к воздействиям материалы активно применяются в машиностроительной и оборонной промышленности, в самолето-, ракетостроении, в строительстве и при сооружении металлоконструкций, спецтехники для индустриальных комплексов. В нашем ТОП-20 собраны самые крепкие металлы в мире с учетом показателей предела прочности.

Иридий

В России его ставят на одну планку с драгоценными. Иридий входит в платиновую группу. Этот металл открыл в 1803 году британец Теннант. Свое название («радуга» в пер. с греческого) иридий получил из-за красочных солей разных оттенков, которые выпадают в осадок при вступлении в реакции с ним. К особенностям металла относятся:

высокая твердость — иридий является одним из немногих металлов, которые сложно обрабатывать;
плавление материала при + 2466, закипание при +4428 градусах;
сохранение инертности — при подогреве.

Иридий применяется для авиа-, космической промышленности. Без этого материала не обходится изготовление высокопрочных автомобильных деталей.

Рений

Название этого крепкого металла имеет «речное» происхождение. Свое наименование рений получил в честь немецкой реки Рейн. Официально металл был открыт в 1928 году, но только через два года его производство приобрело промышленные масштабы. Рений извлекается из молибденовых руд и обладает следующими свойствами:

тугоплавкость — расплавить металл можно только при +3200 градусах Цельсия;
высокая пластичность;
кипит только при +5600 градусах;
выдерживает много циклов охлаждения и последующего нагрева без потери прочности;
сравнительно высокая плотность — 21 грамм на куб. сантиметр.

Рений используют при сооружении ракет, подготовке высокопрочных сплавов, в электронике и электротехническом оборудовании.

Вольфрам

История этого прочного металла началась в 50-х годах 18 века. Но только в 1780 году он был официально открыт химиками Элюар из Испании. Братья провели ряд исследований элемента и выявили его важнейшие свойства. Крупнейшие залежи металла в виде окисленных соединений базируются в Канаде и США, на территории Казахстана. Из-за высокой прочности этот материал поддается обработке только порошковым методом. Среди свойств выделяются:

термостойкость — плавиться вольфрам начинает при температуре от +2450 градусов;
парамагнетизм;
отличная звукопроводность — 4 300 метров за секунду.

Тугоплавкий металл используют в лампах накаливания, вакуумных системах, в оружейной промышленности. Он незаменим везде, где нужно выдерживать экстремальные температуры.

Серо-белый цирконий обладает повышенной устойчивостью к воздействию кислот, кроме горячей серной, не боится коррозии. Первооткрывателем стал Клапрот в 1789 году. Но лишь через 35 лет после этого металл обнаружили в аморфной среде. Кипит цирконий при +4377 градусах, а плавится — при +1855.

Этот металл встречается в земной коре в виде пяти изотопов — одного радиоактивного и четырех стабильных. Высокая химическая стойкость позволяет эксплуатировать цирконий для изготовления качественной посуды с отличными гигиеническими показателями. Применяется он при производстве хирургических инструментов, протезов.

Молибден

Первооткрывателем молибдена стал Карл Шееле в 1778 году. Но в металлической форме его получили только через три года. В чистом виде молибден был выделен в 1817 году путем восстановления оксида водородом. Крупнейшие месторождения находятся в США, Мексике, Норвегии и Канаде.

Молибден парамагнитен, имеет низкий коэффициент теплового расширения, плавится при 2 620 градусах Цельсия. В природе встречается в виде семи изотопов. Этот металл нужен для легирования сталей, при создании жаростойких сплавов, используется в вакуумных печах в форме нагревательных элементов. Чистый молибден выбирают для лазерного оборудования.

Хром

Этот металл с голубоватым оттенком был получен в 1797 году в форме карбида. Первооткрывателем стал французский химик Воклен. Один из самых твердых элементов сложно назвать редким — его содержание в земной коре превышает 0,03 грамма на тонну от общей массы. Но в чистом виде хром не встречается. Среди свойств выделяются:

парамагнетизм — проявляется при температуре выше +37 градусов Цельсия, антиферромагнитные свойства — при температуре ниже указанного значения;
отсутствие реакции с кислотами — элемент не подвергается их воздействию;
температура плавления — 1857 градусов.

Хром добавляется в легированные стали для увеличения их прочности в два-три раза. Он используется и при окрашивании, нанесении покрытий, производстве тугоплавких материалов, как катализатор в процессе обработки углеводорода.

Этот элемент стал открытием 1791 года — одновременно в Германии и во Франции. Но его выделили в чистом виде только через тринадцать лет в Швеции. В 1940 году после получения патента на восстановление титана из тетрахлорида началось производство металла в промышленных масштабах. Залежами этого металла богаты страны Россия, Канада.

Титан — металл пластичный, но крепкий. Степень его прочности зависит от обработки. Плавится материал при +1700 градусах Цельсия. Используют титан для производства бронированных жилетов и обшивки подводных лодок, при изготовлении трубопроводов и реакторов, медицинских протезов и имплантов. Он добавляется и в легированные стали для упрочнения.

Уран

Это элемент, который слабо вступает в реакции с другими веществами. В чистом виде его удалось выделить лишь в 1840 году. Радиоактивный металл является одним из самых прочных на планете. К его свойствам относятся:

парамагнетизм;
температура плавления +1100 градусов;
большой удельный вес — 18,7 граммов на куб. см.

Уран имеет глянцевую поверхность с бело-серебристым оттенком. Она активно применяется в ядерной энергетике (при производстве топлива), для медицинского синтеза. Используют уран и при подготовке оружия в оборонной промышленности.

Никель

Это отличный катализатор, который обладает высокой прочностью и при повышенных температурных показателях. Никель — пластичный и ковкий ферромагнетик. Он устойчив к коррозии, окислению на воздухе, твердый и вязкий, хорошо полируется. Плавится металл при +1452 градусах Цельсия.

Никель — элемент с серебристо-белым окрасом, который был открыт в 1751 году шведским минерологом Кронстедтом. Из руды ученый выделил зеленый оксид, который в результате был восстановлен до никеля. Сейчас металл широко применяется в промышленности, на его основе делают суперсплавы с высокими эксплуатационными свойствами. Никель используется в монетном деле, при производстве аккумуляторных батарей, медицине. Никелирование защищает поверхности других металлов от коррозии.

Ниобий

Тугоплавкий и устойчивый к ржавлению материал относится к группе металлов. Он имеет серо-серебристый окрас, плавится при +2467 градусах Цельсия. К другим свойствам ниобия относятся:

плотность — 8,57 граммов на кубический сантиметр;
температура кипения — 4742 градуса.

В природе встречается единственный изотоп ниобия. Этот элемент открыли в Британии в начале девятнадцатого века. Он получил название колумбита. Только в 1952 году ниобий официально получил нынешнее обозначение. Месторождения материала находятся в Японии, на Кольском полуострове и в США. Применяется ниобий для изготовления деталей авиационной техники, легирования цветмета, в электронике и вычислительной технике.

Тантал

Металл сочетает серебристый и белый окрас, имеет плотную оксидную пленку. Тантал в чистом виде был получен в 1844 году немцем Розе. Но открыли его еще за сорок лет до этого. Содержание тантала в земной коре — до 0,000002 грамма на тонну от общей массы. Этим обусловлена его высокая цена — больше 250 долларов за грамм. Тантал плавится при температуре свыше +3000 градусов Цельсия, пластичен как золото, но очень крепок, имеет высокую плотность и не боится ржавчины. Он применяется в лабораторной посуде, хирургических инструментах, при создании жаростойких сплавов. Используется тантал и в системах ядерной энергетики, в автомобильной промышленности, электронике.

Железо

Это один из самых распространенных металлов (свыше 90 % в земном ядре), который сам по себе не отличается большой прочностью. Но в комбинации с углеродом и другими компонентами железо образует очень крепкие соединения — к примеру, сталь. К свойствам металла причисляют:

способность намагничиваться;
температуру плавления +1538 градусов Цельсия, закипания — более +2850 градусов;
полиморфизм (четыре кристаллические модификации).

Среди сфер применения железа наиболее распространены машиностроение, сооружение крепежных элементов, производство стройматериалов и металлоконструкций.

Кобальт

Твердый, блестящий, тягучий металл визуально напоминает железо. Кобальт плавится при +1768 градусах Цельсия. Этот металл был открыт в 1735 году, но окончательно его позиционировали в качестве самостоятельного элемента только через 46 лет. Французский химик Макер определил металлургический метод получения кобальта. Кстати, его название происходит от слова «коболд», что означает гном или домовой. При обжиге некоторых кобальтовых минералов выделяются ядовитые окислы мышьяка.

Доля кобальта в земной коре составляет 4-10 % от общей массы. Этот металл используется в атомной промышленности, растениеводстве, при получении магнитов и сплавов повышенной прочности.

Медь

Медь — распространенный, прочный материал, хороший проводник электричества и тепла, компонент металлических сплавов, используемых в ювелирной промышленности. Плавится она при +1083 градусах Цельсия, а закипает — при +2562 градусах. Ковкая пластичная чистая медь имеет розовато-оранжевый окрас. Она подлежит вторичной переработке без потери качества.

Медь находится в тройке лидеров по объему мирового потребления и производства. Она применяется в химической промышленности, при производстве автомобилей и электроприборов, цифровой и бытовой техники, в тензометрических датчиках и монетном деле.

Осмий

Он стал известен в 1803 году благодаря британскому химику Теннанту. Осмий выделили в форме осадка после растворения платины в смеси азотной и соляной кислот. Осмий — металл голубовато-серого цвета, имеющий высокую удельную массу и прочность. Он сохраняет блеск и под воздействием экстремальных температур, Добывают металл в Сибири и на Урале, в США и Колумбии. Тугоплавкий осмий содержится в платиновых минералах и растворах с иридием. В земной коре — 0,007 грамма металла на тонну.

Осмий плавится при +3033 градусах. Это самый плотный элемент на планете (22,6 г/см3). Он почти не применяется в чистом виде — исключительно с легирующими добавками. Металл из платиновой группы широко распространен в ядерной промышленности.

Это легкий металл, имеющий небольшую плотность, малый вес. Он подвергается разным методам обработки — от ковки и прокатки до сварки и штамповки. Открыли магний в 1809 году в Великобритании. Химик Гемфри Дэви получил металл путем электролиза смеси из оксида ртути и магнезии. Температура кипения магния — 1090 градусов, а плавится он при +650 градусах Цельсия. Металл отлично прессуется, прокатывается, поддается резке при высокой чистоте.

Магний используется в качестве огнеупорного материала, при создании ракет в военном деле, в медицине, фотографии, при изготовлении аккумуляторных батарей. Его запасы сосредоточены в Норвегии, США и Китае.

Относительно распространенный металл был открыт французским химиком Вокленом в 1798 году. Его содержание в земной коре достигает четырех граммов на тонну в общей массе. Ключевые месторождения сосредоточены вблизи вулканов — в США, Китае и Казахстане. Бериллий обладает:

высокой упругостью;
максимальной звукопроводимостью — 12,5 метра в секунду;
высокой токсичностью.

Металл обладает канцерогенным действием. Но его успешно эксплуатируют в акустике, ядерной энергетике, при изготовлении лабораторных тиглей, в аэрокосмической технике, при создании вакуумных труб и огнеупорных материалов.

Это один из ключевых элементов для промышленности, самый используемый цветной металл в мире. Земная кора состоит из алюминия на 8 %. Он плавится при +660 градусах. Низкая плотность (всего 2,6 грамма на куб. см), устойчивость к коррозии за счет образования плотных оксидных пленок позволяют эксплуатировать алюминий в аэрокосмической промышленности, при конструировании судов, автомобилей, катеров.

Этот металл относится к группе легких, хорошо проводит тепло и электрический ток. Впервые алюминий был получен в 1825 году датчанином Эрстедом. Позднее другой химик Велер использовал калий для восстановления другого чистого металла.

Кадмий

Кадмий — тягучий и ковкий металл в бело-серебристом окрасе. Он плавится при +321 градусе, а закипает — при 765 градусах Цельсия. В 1817 году немец Штромейер открыл кадмий при исследовании свойств цинковых оксидов. Металл получил название по греческому обозначению руды. Кадмий прочнее олова, но поддается резке ножом. Теряет упругость он при +80 градусах Цельсия.

Кадмий используют при создании солнечных батарей, нанесении антикоррозийных покрытий на иные металлы, при производстве аккумуляторов.

Олово

Сравнительно пластичный металл в белом цвете с серебристым отливом. Он наименее твердый из всех перечисленных материалов. Олово плавится при +232 градусах Цельсия, не окисляется, не ржавеет при комнатной температуре. Особенно часто его используют в сплавах — припоях, где содержание самого металла не превышает 60 %. Вместе с медью олово образует бронзу — один из наиболее ценных материалов.

К сферам применением олова относят электронику, изготовление пищевой тары, производство белой жести, подшипников, трубопроводов.

Легкие металлы – перечень, свойства и польза элементов

В настоящее время такое понятие, как «легкие металлы», отсутствует в номенклатуре ИЮПАК. Таковыми принято называть металлы, имеющие небольшую плотность (как правило до 4,5 г/см3) или вес. Стоит отметить, что в настоящее время существуют такие металлы, которые легко держатся на воде, а некоторые из них имеют вес, в разы меньший пенопласта, но при этом все равно остаются достаточно прочными.

Группа легких металлов, как правило, включает в себя следующие: алюминий, олово, магний, титан, бериллий и литий. Кроме этого, к данной группе металлов часто также добавляют галлий, индий, таллий, висмут и кадмий.

Наиболее важными металлами данной группы с точки зрения технического применения являются алюминий, магний, титан, бериллий. Именно данные металлы служат в качестве основы сплавов. Алюминиевые сплавы являются наиболее значимой и распространенной группой, однако, не смотря на это, для специфического применения также предлагаются и материалы из титана и бериллия.

Что представляют собой

В номенклатуре IUPAC – уважаемой в мире международной организации, курирующей теорию и практику в сфере химии, термин «легкие металлы» отсутствует.

Неофициально к легким металлам относятся вещества с плотностью менее 5 граммов на кубический сантиметр.

Разные списки включают пять – десять позиций.

Самое распространенное деление – по используемости:

На этом основании выделяют пять главных: алюминий, бериллий, магний, титан, литий.
Их дополняет «экзотика»: галлий, индий, висмут, таллий, кадмий.

Вторая группа причисляется к редким металлам.

Редкими эти элементы названы потому, что на практике используются недавно и не так широко, как традиционные материалы.

Литий находится в первой группе периодической таблицы элементов. Он стоит под номером 3, после водорода и гелия, и обладает самой маленькой атомной массой среди всех металлов. Простое вещество – литий, при нормальных условиях имеет серебристо-белый цвет.

Это самый лёгкий щелочной металл с плотностью 0,534 г/см³. Из-за этого он всплывает не только в воде, но и в керосине. Для его хранения обычно используют парафин, газолин, минеральные масла или петролейный эфир. Литий очень мягкий и пластичный, легко режется ножом. Чтобы расплавить этот металл, его нужно нагреть до температуры 180,54 °C. Закипит он только при 1340 °C.

В природе существует только два стабильных изотопа металла: Литий-6 и Литий-7. Кроме них, есть 7 искусственных изотопа и 2 ядерных изомера. Литий является промежуточным продуктом в реакции превращения водорода в гелий, участвуя, таким образом, в процессе образования звёздной энергии.

Классификация

Каждый представитель «легкой» группы относится еще к какому-нибудь сообществу.

Основанием становится не плотность, а другие физико-химические характеристики:

Щелочные элементы – литий.
Щелочноземельные – бериллий, магний.
Цветные металлы – алюминий, титан, магний.
Легкоплавкие – висмут, галлий, кадмий, таллий, индий.
Тугоплавкие – титан, магний.

Каждый химический элемент наделен специфическими свойствами, присущими своей группе.

Сплавы лития

Свойства лития повышают отдельные качества металлов, из-за чего его часто используют в сплавах. Полезной является его реакция с окислами, водородом, сульфидами. При нагревании он образует с ними нерастворимые соединения, которые легко извлечь из расплавленных металлов, очистив их от этих веществ.

Для придания сплаву стойкости к коррозии и пластичности его смешивают с магнием и алюминием. Медь в сплаве с ним становится более плотной и менее пористой, лучше проводит электричество. Самый легкий металл повышает твёрдость и пластичность свинца. При этом он повышает температуру плавления многих веществ.

Благодаря литию металл становится прочным и устойчивым к разрушениям. При этом он не утяжеляет их. Именно поэтому сплавы на его основе применяются в космической инженерии и авиации. Главным образом используются смеси с кадмием, медью, скандием и магнием.

Как представлены в природе

На легкий металлический сегмент приходится пятая часть литосферы (по массе).

Чаще они входят в состав руды либо минерала. Особенно химически сверхактивные элементы, например, литий. Этот самый легкий металл в природе представлен собственными минералами – лепидолитовой слюдой и сподуменом.

Сподумен

Особенности сдачи легких сплавов

В настоящее время физические и юридические лица имеют возможность получить прибыль от сдачи цветмета в специализированные пункты приема. Стоимость лома определяется рядом факторов, среди которых качество материала, чистота его химического состава, категория и прочие параметры. Также имеют значение актуальные расценки на рынке, тарифы конкретной принимающей компании.

Формальная сторона вопроса сдачи любого лома, в том числе легких цветных металлов, имеет свою специфику. Право на такое мероприятие есть у каждого, но реализуется оно по-разному. Например, если сдача цветмета производится юридическим лицом – организацией, предприятием или представителем малого бизнеса (ИП), – то потребуется специальная лицензия. На физических лиц данное требование не распространяется, однако следует учитывать несколько правил:

к приемке допускается только собственный лом (при наличии документов, подтверждающих право на владение);
подлежащий сдаче цветмет должен входить в реестр материалов, принимаемых без лицензии;
сдача лома нелегальным пунктам приема может иметь весьма неприятные последствия в соответствии с действующим законодательством.

Помимо сугубо меркантильного интереса сдача цветных металлов привлекательна с точки зрения экологии, сохранения запасов природных ресурсов. Переработанный лом снова идет на изготовление необходимой продукции, причем производство из вторсырья оказывается дешевле, чем при использовании руды. С учетом того, что потребность промышленности в ломе неуклонно растет, тогда как природные запасы сырья стремительно сокращаются, замкнутый производственный цикл является наиболее рациональным. Таким образом, каждый, кто сдает сдает лом цветмета, не только повышает собственное благосостояние, но и действует во благо общества в целом.

Способы получения

Технологию выплавки легких металлов отработали к середине 19 века.

Для их получения в металлургии используется три способа:

Электролиз расплава солей. То есть аккумуляция на электродах компонентов растворенных либо других веществ. Реакцию запускает электрический ток, пропускаемый через раствор либо расплав электролита.
Металлотермия. Восстановление из их соединений другими, более активными металлами. Процесс проходит при повышенных температурах.
Электротермия. Материал нагревается, затем расплавляется теплом, полученным из электрического тока.

Производство легких элементов – весьма энергоемкий процесс. Поэтому металлургические комбинаты располагают поближе к источникам энергии.

В отличие от тяжелых металлов: их базовые предприятия привязывают к месторождению.

Ценностью легких, особенно цветных металлов, обусловлен второй способ получения – переработка лома.

Свойства легких металлов

Алюминий

Алюминий является металлом, идеально сочетающим в своих характеристиках легкость и прочность. Его первооткрывателем является датский физик Ганс Эрстед, который в 1825 году восстановил хлорид алюминия амальгамой калия при воздействии высоких температур, в результате чего и выделил данный металл.

Имеет характерный серебристо-белый окрас. Плотность металла составляет 2712 кг/м3. Плавится при температуре: 6580С (для технического алюминий) и 6600С (для алюминия высокой чистоты). Удельная теплота плавления алюминия – 390 кДж/кг. Закипает при температуре 2515,80С. Имеет удельную теплоемкость 897Дж/кг*К. Обладает достаточно высокой пластичностью, которая составляет 35% у технического алюминия и 50% у чистого металла.

Первым изделием, для изготовления которого был применен алюминий, стала детская погремушка. Однако, с тех далеких времен, алюминий стал достаточно распространенным материалом. В настоящее время он нашел свое широкое применение во многих сферах человеческой деятельности. Однако, наибольший процент потребления данного металла приходится на упаковочную промышленность, особенно для банок с напитками.

Также следует отметить, что алюминий активно применяется наряду со сталью и в машиностроении. В настоящее время существует огромное множество алюминиевых сплавов, которые отвечают огромному количеству определенных и необходимых требований. Среди данных сплавов можно выделить две основные группы – литейные и деформируемые. Сплавы из каждой группы также можно разделить на те, которые способны дисперсионно твердеть и те, которые не способны. Чтобы материал сделать более прочным применяются:

наклеп;
легирование;
дисперсионное твердение (старение).

Для того, чтобы получить оптимальные характеристики стареющих сплавов, их необходимо подвергнуть измельчению. В связи с этим, для дисперсионного старения деформируемых сплавов используется термообработка. Ее также могут применять с целью повышения прочности.

Среди наиболее важных литейных сплавов стоит выделить Al-Si, которые образуют эвтектическую систему с эвтектической точкой при 11,7% Si и 5770С. Сплавы, имеющие в своем составе содержание Si в пределах 11-13% называют близкими к эвтектическим. Кроме этого, они также известны как силуминовое литье. Стоит отметить, что если охлаждение сплава с содержанием Si 13% осуществляется медленно, то первично выделяющийся твердый раствор Si образует крупные, угловатые, игольчатые кристаллы, что, в свою очередь, чревато ярко выраженной хрупкостью подобных сплавов. Одним словом, такая структура является крайне неблагоприятной. Для того, чтобы подобного не происходило, применяют облагораживание металлов – т.е. добавляют в плавку 0,1% Na. При этом происходит очищение кристаллов кремния, а также их округление и, в конечном итоге, образование тонкодиспергированной эвтектики. Благодаря подмешиванию в сплав натрия происходит снижение эвтектической температуры до 5640С.

Если же сплав охлаждается за относительно короткий промежуток времени, что происходит в кокильном литье, то происходит действие, подобное облагораживанию металлов – сдвиг эвтектической точки при помощи переохлаждения. В результате происходит образование достаточно чистой эвтектической структуры, что избавляет от необходимости облагораживания металлов путем добавления в них натрия.

Деформируемые сплавы имеют в своем составе значительно меньшее количество легирующих элементов и примесей, в отличие от литейных сплавов. Деформируемые сплавы, обычно, отвечают более высоким требованиям. В связи с этим, для их выплавки применяется металлургический алюминий. К нестареющим деформированным сплавам относятся AlMg-сплавы. Они отличаются своей высокой твердостью и прочностью по причине легирования. Данные свойства сохраняются даже при отжиге и сварке.

К высокопрочным сплавам нового поколения относятся Al-Li- сплавы.

Титан

Представляет собой легкий тугоплавкий металл с характерным серебристо-белым цветом. Отличается своей высокой устойчивостью к коррозии. Данным свойством он обязан стабильному пассивированному оксидному слою, который образуется за достаточно короткий промежуток времени при слабых средствах окисления.

Для титановых сплавов характерна высокая жаропрочность, которая может достигать 1200 – 1400Н/мм2. Именно титановые сплавы занимают ячейку между алюминиевыми сплавами и жаропрочными сталями, поскольку могут применятся до температуры 5000С, а также до 10000С при непродолжительном использовании.

Титановый сплав используется для изготовления деталей, которые подвергаются сильной нагрузке, с целью их облегчения. Например, шатуны для высокомощных двигателей изготавливаются именно из титановых сплавов. Это связано с тем, что данный материал обладает идеальным соотношением прочности на разрыв к плотности Rm/p.

Однако, для титановых сплавов характерна достаточно высокая стоимость, что препятствует их широкому применению, в отличие от Al-сплавов.

Титану, как и железу, присуще аллотропное превращение. Титан сохраняет свою гексагональную структуру до температуры 8820С.

Среди наиболее важных легирующих элементов, которыми обогащаются технические титановые сплавы, следует назвать ванадий, олово, молибден, цирконий, ниобий, а также хром и алюминий.

Читайте также: