Можно разрезать ножом и съесть: о необычных свойствах металлов рассказали в Пермском Политехе

Дейн Динер. Не разбрызган

В 2024 году россияне будут отмечать День металлурга 21 июля. Ученые Пермского политехнического университета рассказывают, какие металлы наиболее распространены, какие не тонут в воде, где найти титан, можно ли контактировать с обедненным ураном и что опаснее — вдыхать или проглатывать ртуть? аналог и какой элемент не существует в чистом виде.

Алюминий — самый распространенный металл на Земле

Более 8% всей массы земной коры состоит из алюминия. По популярности химических элементов на Земле металлы занимают третье место после кислорода (49%) и кремния (25%).

— Алюминий не отличается особой прочностью, но ценится за малый удельный вес и малую плотность. Всего 2,7 грамма на кубический сантиметр. Для сравнения: сталь имеет значение -7,8. Поэтому сплавы с добавкой этого металла особенно легкие (за исключением лития), говорит Юрий Симонов, кандидат технических наук, заведующий кафедрой металлургии, термической и лазерной обработки ПНИПУ.

Алюминий обладает высокой устойчивостью к коррозии благодаря тонкой и прочной пленке оксида алюминия, которая образуется на поверхности металла. Еще одной отличительной особенностью является высокая (уступающая только меди) электропроводность. Все эти свойства позволяют активно использовать алюминий и его сплавы в авиастроении, электротехнической промышленности, производстве кабелей и посуды.

Что делает титан в зефире и белилах?

В обычных условиях титан представляет собой светлый серебристый металл. Он обладает высокой прочностью, низкой проводимостью и совершенно немагнитен. Кроме того, титан устойчив к кислотам и морской воде, не разлагается и не выделяет токсичных веществ. Все эти свойства делают металл полезным в медицине, например, при изготовлении стентов и штифтов для имплантатов.

— Еще одно применение титана в стоматологии — изготовление керамических коронок. Из керамических оксидов этого металла получаются самые прочные искусственные зубы. Их преимущество еще и в том, что материал инертен и не вступает в реакцию с другими веществами, например с пищевыми продуктами, добавляет доцент кафедры химико-технологии ПНИПУ, кандидат химических наук Николай Углев.

Но чаще всего титан используется в качестве красителя. На основе этого металла получают особые светлые пигменты белее снега. Диоксид титана широко используется в производстве красок. Чистые металлы извлекаются из добытой руды, а затем обрабатываются в несколько стадий до получения нужного соединения. Вещество обжигают при высоких температурах, в результате чего изменяются его структура и свойства. В результате были получены красители.

Благодаря универсальности титана пигмент можно использовать в производстве красок, пластмасс, косметики, текстиля и печатной продукции. Красители добавляют в лекарства, зубную пасту, жевательную резинку, зефир, мороженое и сухое молоко.

— Важным свойством титана является его способность поглощать водород из-за реакционной природы металла. Это происходит, когда титан вступает в контакт с водородом при высоких температурах. Сильное взаимодействие титана с водородом начинается при 600 градусах Цельсия, а алюминиевые сплавы постепенно увеличивают объем поглощаемого газа по мере повышения температуры. Химики ПНИПУ утверждают, что водород способен проникать в структуру титана и образовывать с ним уникальный сплав.

С одной стороны, смесь титана и водорода улучшает механические свойства титана, такие как прочность и устойчивость к разрушению. С другой стороны, большое количество поглощенного водорода может привести к тому, что материал станет хрупким, что нежелательно.

Уран лучше не трогать руками ближайшие 4,5 млрд лет

Этот элемент является самым радиоактивным элементом на Земле. В природе встречается всего три изотопа. Более 99% месторождения составляет уран-238 (цифра указывает на массу конкретного типа атома). Содержит уран-235.

— Радиоактивность элемента обусловлена ​​взаимодействием ядра с ближайшими к нему электронами. Ядра, по-видимому, улавливают отрицательно заряженные частицы и переводят их в возбужденное состояние. Когда электроны возвращаются на свои места, вещество испускает излучение в виде альфа-, бета- и гамма-частиц. Период полураспада урана-238 (когда вещество теряет 50% своей радиоактивности) составляет 4,5 миллиарда лет, а период полураспада изотопа 235 — 891 миллион лет. — рассказал Эргаш Нуруллаев, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры прикладной физики Пермского политехнического университета.

Люди научились использовать это свойство урана для получения большого количества энергии. Ядро состоит из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (нейтрально заряженных частиц). Сила, с которой они взаимодействуют, — ядерная сила — удерживает их вместе. Чтобы разорвать эту связь, уран-235 подвергается воздействию медленных нейтронов. Ядерное деление производит большое количество энергии, создавая цепную реакцию.

Цепная реакция представляет собой лавину нейтронов, возникающую при делении ядер урана-235 под действием медленных нейтронов. Для этого необходимо создать условия. Во-первых, массовое число элемента должно быть нечетным. А вот природный уран содержит очень небольшое количество изотопа 235 — 0,7%. Поэтому его получают путем обогащения урана-238. Во-вторых, коэффициент размножения нейтронов при делении должен быть больше 1. Это означает, что следующая реакция деления должна произвести больше нейронов, чем предыдущая. В-третьих, необходимо выбрать критическую массу — наименьший объем урана, при котором возможно деление. Чем больше урана-235 мы получим, тем меньше энергии потребуется для его деления и, следовательно, тем выше прибыль.

Эти условия объясняют, почему природный уран не делится самопроизвольно. Результатом цепной реакции является выделение большого количества энергии. Для сравнения: энергия, выделяющаяся при распаде 1 грамма урана, эквивалентна сжиганию 3 тонн угля или 2,5 тонн бензина.

Этот процесс лежит в основе атомной бомбы и атомных электростанций. Разница между ними в том, что в первом случае реакция неконтролируема и выделение энергии может привести к катастрофическому ущербу. Во втором случае энергия преобразуется в электрическую.

Часто говорят, что недавно добытый уран безвреден и его можно передать в руки.

Обратите внимание: Цифровая диктатура в Китае. У миллионов людей слишком мало шансов иметь возможность жить нормальной жизнью.

Однако радиация смертельна для человека, и даже сырой уран может распространять радиацию. То же самое касается и обедненного урана, который уже давно используется на атомных электростанциях. С ним обращаются по строгим правилам на специальном кладбище, изолированном со всех сторон толстым слоем бетона.

Литий — в два раза легче воды

Литий – самый легкий металл периодической таблицы элементов. Ее плотность составляет 0,53 грамма на кубический сантиметр, а плотность воды – 1,028. Оказывается, на поверхности жидкости плавает кусок лития. Кроме того, это очень мягкий металл, который можно даже резать кухонным ножом или свернуть в фольгу.

— Литиевые сплавы легче, чем сплавы, состоящие только из алюминия. Обычно эти два металла вместе образуют самые легкие металлические материалы. Их используют в качестве конструкционных сплавов в авиа- и ракетостроении. Сегодня наиболее популярное применение лития — в батареях и аккумуляторах. Конкуренция за месторождения лития ожесточена во всем мире, поскольку в настоящее время эта территория находится в стадии активной разработки. - отметил Юрий Симонов.

Этот металл обладает значительным электрохимическим потенциалом, что делает его одним из наиболее активных металлов. Это позволяет изготавливать на его основе батареи и аккумуляторы с очень высокой плотностью энергии, минимальными размерами и весом.

Выпить ртуть и остаться в живых?

— Люди использовали ртуть с древних времен. Его часто используют в медицинских целях, ведь считается, что этот металл помогает лечить различные недуги. Например, при заболеваниях желудка, глаз, кожи. Зачастую это приводит лишь к плачевным результатам – массовому отравлению. Аналогично, если ртутный термометр разобьется, последствия могут быть пагубными. Это связано с увеличением испарения ртути при повышении температуры окружающей среды. Александр Юрченко, старший преподаватель кафедры металлургии, термической и лазерной обработки металлов ПНИПУ, рассказал, что металл начинает испаряться при +18 градусах Цельсия, при скорости обработки 10 микрограмм в час.

При попадании ртутных шариков на кожу возникает аллергическая реакция, при которой человек не умирает, но какое-то время будет чувствовать себя некомфортно. На теле появляются красные пятна и появляются симптомы лихорадки. Поэтому, если градусник разобьется, необходимо беречь разбитое место от тепла и избегать попадания ртути на одежду, особенно на кожу.

Для человека проглатывание ртути не так важно, как вдыхание ртутных паров. В жидком виде он не так опасен. Если человек каким-либо образом проглотит небольшое количество ртути, это не нанесет фатального вреда его организму. Поступившие в организм металлы естественным образом выводятся из организма в течение нескольких дней. Но это не бесследно. Как правило, ситуация будет нестабильной, и у пострадавшего возникнут такие симптомы, как тошнота, головная боль и слабость.

Галлий — еще один жидкий металл

Этот металл имеет очень низкую температуру плавления – около 30°С. Это свойство очень похоже на ртуть. Основное отличие состоит в том, что галлий менее токсичен. Мелкие частицы этого металла не причиняют вреда при попадании на кожу.

— Безусловно, лучший пример использования галлия в повседневной жизни — это термометры. Он имеет функцию ртути: расширяется при нагревании, а шкала отображает температуру тела. Стоит добавить, что в термометре используется не чистый металл, а смесь галлия, индия и олова. Нет никакой опасности, если вы случайно разобьете такой термометр. - добавил Александр Юрченко.

Кроме того, галлий является исходным компонентом для синтеза полупроводниковых соединений, широко используемых в современной высокочастотной и микроволновой технике. Этот металл высокой чистоты входит в состав соединений арсенида и нитрида галлия, которые являются ключевыми материалами в оптоэлектронике и микроэлектронике. Он также содержится в полупроводниковых соединениях в солнечных элементах и ​​матрицах дисплеев. Такие материалы используются при производстве мобильных телефонов, суперкомпьютеров и оптоволоконных линий связи.

Калий не встречается в природе в чистом виде

"Это чрезвычайно реакционноспособный щелочной металл, который взаимодействует практически со всем, с чем соприкасается. Он начинает быстро окисляться при контакте с водой. Поэтому в природе его можно найти только в химических соединениях - оксидах, гидроксидах, соли. Юрий Симонов объясняет, что в черной металлургии этот элемент не используется, а удаляется из руды в виде примеси.

Хранить калий в чистом виде – задача непростая. Поскольку он не может находиться в открытой атмосфере и в стабильном состоянии, его необходимо поместить в вакуумную капсулу.

Соединения калия широко используются в виде удобрений. Его прием может улучшить фотосинтез растений и повысить устойчивость растений к болезням. Сельскохозяйственным культурам необходим калий, чтобы справиться со стрессом, вызванным засухой, засолением, наводнениями или травоядными животными.

Гадолиний — магнит или нет?

- Этот металл интересен тем, что при температуре до +17°С он представляет собой сильномагнитное вещество - ферромагнетик. Его внутреннее магнитное поле во много раз превышает внешнее магнитное поле. По этому параметру гадолиний сравним с такими продуктами, как железо и никель. Однако, в отличие от других металлов, гадолиний теряет свои ферромагнитные свойства при комнатной температуре. При нагревании его атомы начинают вибрировать и двигаться, в результате чего магнетизм уменьшается. Александр Юрченко поясняет, что эта критическая точка называется температурой или точкой Кюри.

Для сравнения: железо теряет магнетизм при 770°С, никель теряет магнетизм при 354°С, а кобальт становится парамагнитным при 1115°С. Между прочим, соли гадолиния, такие как хлорид, имеют нижнюю точку Кюри -272 градуса Цельсия.

Гадолиний используется в качестве контрастного вещества при магнитно-резонансной томографии. Его вводят людям в виде солей металлов. Кроме того, он используется в устройствах магнитного охлаждения, необходимых для изучения низкотемпературных свойств жидкого гелия, квантовых явлений в твердых телах и явлений ядерной физики.

[Моя] Наука Физика Металлы Уран Титан Ртуть (химический элемент) Алюминий Ученый Длинная статья 4

Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.

Источник статьи: Можно разрезать ножом и съесть: о необычных свойствах металлов рассказали в Пермском Политехе.

• На этом снимке, сделанном космическим телескопом Хаббл NASA/ESA, изображена карликовая неправильная галактика NGC 5238, расположенная в 14,5 миллионах световых лет от Земли в созвездии Гончие Псы
• OptoGPT, новый инструмент искусственного интеллекта, основанный на архитектуре больших языковых моделей, позволяет практически мгновенно предсказывать структуры многослойных оптических пленок для широкого спектра применения