Тугоплавкие металлы: от рения до вольфрама

Тугоплавкие металлы выделяются в отдельную категорию по признаку минимальной температуры плавления – от +200 °С. Кроме этого, все подобные металлы относятся к редкоземельным, то есть их процентное содержание в земной коре крайне мало – 2-3 %. Их сложно обрабатывать в чистом виде, но значение в сплавах сложно переоценить. Например, именно благодаря тугоплавким металлам работают лампы накаливания.

Причина устойчивости к сверхвысокой температуре кроется в структуре атомов, электроны на их орбитах расположены очень близко друг к другу. Тугоплавкие металлы также устойчивы к деформации. Подробнее о свойствах и применении тугоплавких металлов читайте в нашем материале.

Получение тугоплавких металлов

Тугоплавкие металлы проявляют высокую химическую активность, легко взаимодействуя с другими элементами. Это осложняет их добычу, так как металлы этой группы редко сохраняются в чистом виде.

При добыче элементов этой группы сначала получают металл в виде порошка, применяя специальное оборудование. На сегодняшний день нет технологий, позволяющих эффективно добывать металлы из группы тугоплавких, отделяя их от примесей. Химические соединения тугоплавких металлов отличаются нестабильностью, что осложняет их применение в промышленности и снижает качество конечной продукции.

Методы добычи тугоплавких металлов

В основном, все методики получения тугоплавких металлов основаны на так называемой порошковой металлургии. После получения исходного материала в виде порошка из него методом химического восстановления водородом выделяется нужный металл. Далее получают гексафторид металла и уже из него выделяют металл в чистом виде.

Плавление тугоплавких металлов в виде порошка производят в специальных печах, после чего металл проковывают (протягивают) в проволоку или листы. Помимо нагрева, специальное оборудование попутно прессует металл, придавая ему необходимую форму. Все операции из-за высокой химической активности сырья проходят в защитной среде из инертных газов.

Сферы применения тугоплавких металлов

Тугоплавкие металлы широко используются в промышленности:

1. Как легирующие добавки при выплавке стали.
2. В станкостроении, машиностроении и в производстве автомобилей.
3. В производстве комплектующих для электротехники – электродов, нитей накаливания и других жаростойких деталей.
4. В самолетостроении при производстве реактивных двигателей.
5. В военной промышленности, особенно при производстве ракет.
6. В производство особо прочных сплавов для снарядов, элементов брони военной техники и другой военной продукции от оружия до защитного снаряжения.
7. В производстве красок, огнестойких покрытий и еще многих областях производства.
8. В атомной энергетике, где оборудование работает в экстремальных температурных режимах. Применение металлов из группы тугоплавких позволяет обеспечить стабильную и безопасную эксплуатацию АЭС.

Свойства рения (Re)

Рений расположился на 75-й позиции в периодической таблице химических элементов. По тугоплавкости из металлов в чистом виде (речь не идет о сплавах) уступает только вольфраму. При стандартных условиях он обладает плотной структурой и серебристым цветом. Месторождения рения найдены по всему миру, но первоначально его открыли в Германии, своим названием металл обязан реке Рейн.

Официальной датой открытия этого элемента считают 1925 год, когда Уолтер Ноддак обнаружил элемент, существование которого задолго до этого предсказывал Менделеев. В 1928 году Ида Тэкке и Отто Берг смогли получить из молибденовой руды килограмм рения, затратив при этом на каждый грамм полученного вещества более 650 г сырья.

Физические свойства:

• При плотности 21 г/см3 рений стоит на 4-м месте по твердости.
• Рений плавится при температуре +3200 °С, а закипает при +5600 °С.
• Чистый рений в порошке пластичен, однако по мере обработки его твердость начинает резко расти. Этот металл легко выдерживает многократные нагревы и охлаждения, не теряя своей прочности.
• По удельному сопротивлению рений вне конкуренции в своей группе.

Рений применяют:

• Для создания покрытий, защищающих металл от коррозии и механических повреждений. Однако покрытия на основе сплавов рения в разы дороже хромовых.;
• В химической промышленности – им покрывают внутренние стенки емкостей для хранения кислот.
• В качестве добавки в жаропрочных сплавах.
• При строительстве ракет и самолетов в качестве легирующей добавки, а также для создания жаропрочного покрытия на поверхности турбинных лопаток или сопел двигателей.

В целом рений относительно мало применяют в промышленности из-за его редкости и дороговизны.

Причины востребованности тантала (Ta)

Этот металл занимает 73-ю позицию в периодической системе элементов. При стандартных условиях тантал представляет собой серебристый металл, иногда с голубоватым оттенком, который ему придает оксидная пленка. В 1802 году шведский ученый А. Г. Экеберг обнаружил тантал в двух образцах породы: из Швеции и Финляндии. В чистом виде металл смогли получить только через 42 года. Отсюда название – в честь мифического героя, которого боги обрекли на вечные страдания.

Почти через 100 лет после открытия Экеберга немецкий исследователь Болтон выделил пластичную форму этого металла.

Физические свойства:

• температура плавления тантала +3000 °С, а кипения +5500 °С;
• при сравнимой с золотом пластичности тантал обладает очень высокой плотностью – порядка 17 г/см3;
• тантал отлично поглощает газ и при нагреве до +800 °С способен поглотить 740 объемов газа;
• при охлаждении до температуры ниже 4,5 К тантал переходит в сверхпроводящее состояние;
• тантал – парамагнетик при температуре до -3420 °С, при более низкой температуре он становится ферромагнетиком.

Главные месторождения танталовой руды расположены во Франции, Египте и Таиланде. В земной коре процентное содержание этого редкого металла составляет 0,0002 %. Один килограмм тантала стоит в среднем около 250 долларов США. Если же речь идет об очищенном до 99,9 % металле, его цена превышает 4000 $.

Применение тантала в промышленности:

• компонент антикоррозионных и жаростойких покрытий;
• устойчивые к воздействию агрессивных химических агентов предметы лабораторной посуды;
• теплообменники атомных электростанций (тантал не вступает в реакцию с парами цезия);
• сверхпроводящие стержни в криотронах.

В последние годы тантал нашел еще одно необычное применение. Благодаря способности этого элемента образовывать на поверхности прочную и красивую радужную оксидную пленку, этот металл полюбили ювелиры.

Для того чтобы получить 1 тонну чистого (от 80 %) тантала, понадобится переработать около 3 000 тонн породы.

Тугоплавкий металл Ниобий (Nb)

Занимающий 41-ю позицию в периодической таблице Менделеева ниобий выделил из колумбита в начале XIX века англичанин Хэтчет. На первых порах ниобий посчитали вариантом тантала, так как эти два металла очень похожи. В 1844 году исследователь из Германии Генрих Розе, назвал металл в честь любимой дочки.

Добыча ниобия из руды происходит в три этапа: вскрытие концентрата, разделение ниобия и тантала и химическое восстановление чистого ниобия. В промышленности используют карботермическую, алюмотермическую и натрийтермическую технологии добычи ниобия из руды. Все изотопы ниобия, кроме одного, радиоактивны. Взаимодействие человека с пылью металла приводит к раздражению слизистых, отравлению и даже параличу конечностей в тяжелых случаях.

Области применения ниобия:

• легирующая добавка в стали, применяемые в авиапромышленности;
• легирующая добавка в сплавах цветных металлов;
• изготовление сверхпроводящей проволоки для криотронов;
• изготовление электролитических конденсаторов высокой удельной теплоемкости;
• чеканка памятных монет.

Сферы применения молибдена (Мо)

Честь открытия этого тугоплавкого металла принадлежит шведскому ученому Карлу Шееле, который в 1778 году, прокаливая молибденовую кислоту, получил триоксид молибдена. Металлический молибден в виде порошка в 1817 году получил Йенс Якоб Берцелиус путем восстановления оксида водородом. Молибден представляет собой мягкий пластичный металл серебристо-белого цвета. Земная кора по оценкам ученых содержит 3×10−4 % молибдена.

Физические свойства:

• мягкий пластичный металл с твердостью по шкале Мооса 4.5 балла;
• парамагнетик;
• крайне низкий коэффициент теплового расширения;
• температура плавления +2 600 °С, кипения +4 650 °С.

Крупнейшие современные месторождения молибдена – в США, Канаде, Мексике, Австралии, Норвегии, России и Чили. Крупные запасы молибдена (7 % от мировых) найдены в Армении.

Применение молибдена:

• в качестве легирующей добавки при выплавке жаропрочных нержавеющих сталей;
• катализатором реакций в химической промышленности;
• в качестве компонента зеркал газодинамических лазеров;
• как нагревательный элемент в высокотемпературных вакуумных печах.

Самый тугоплавкий металл Вольфрам (W)

В группе тугоплавких металлов лидирует вольфрам. Поспорить с ним в термостойкости может только один неметаллический элемент таблицы Менделеева – углерод. В периодической системе вольфраму принадлежит 74-я позиция. Название металла, в переводе означающее «волчья пена», досталось ему от минерала вольфрамита, который затруднял выплавку олова, превращая руду в шлак. Вольфрам был открыт в 1783 году братьями Элюар, по другой версии честь открытия принадлежит Карлу Шееле.

Физические особенности свойств вольфрама:

• блестящий металл, сероватого оттенка;
• температура плавления +3400 °С, а кипения + 5 555 °С;
• плотность 19,25 г/см3, что делает его одним из наиболее плотных элементов;
• парамагнетик;
• твердость 7,5 баллов по шкале Мооса;
• пластичен, хорошо куется, протягивается в нити или пластинки.

Вольфрам отличается высокой устойчивостью к коррозии. В раскаленном до красного свечения состоянии этот металл медленно образует оксидную пленку.

Применение вольфрама:

• как легирующая добавка для жаропрочных и жаростойких сталей;
• в качестве легирующей добавки в лучших сортах инструментальных сталей;
• электроды для дуговой аргоновой сварки;
• нагревательные элементы в вакуумных печах сопротивления;
• защита от ионизирующего излучения.

Килограмм этого тугоплавкого металла продают по цене 110 долларов США. Металл низкой пробы, загрязненный примесями, можно приобрести за 70 $.