Легкие по плотности металлы

Легкие металлы

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/см 3 ) 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.

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/м 3 . Плавится при температуре: 658 0 С (для технического алюминий) и 660 0 С (для алюминия высокой чистоты). Удельная теплота плавления алюминия – 390 кДж/кг. Закипает при температуре 2515,8 0 С. 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 577 0 С. 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 564 0 С.

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/мм 2 . Именно титановые сплавы занимают ячейку между алюминиевыми сплавами и жаропрочными сталями, поскольку могут применятся до температуры 500 0 С, а также до 1000 0 С 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 882 0 С.

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

Самый легкий металл

Литий

Представляет собой легкий щелочной металл с характерным серебристо-белым окрасом, обладающий высокой мягкостью и пластичностью. Литий тверже натрия, однако по мягкости ему уступает свинец. Поддается обработке путем прессования и прокатки. В условиях комнатной температуры литий обладает кубической объемноцентрированной решеткой. Кристаллическая решетка относится к пространственной группе Р6₃/mmc.

Литий имеет самые высокие температуры плавления и кипения (180,54 0 С и 1340 0 С соответственно) из всех остальных щелочных металлов, а также самую низкую плотность в условиях комнатной температуры (0,533 г/см 3 , что является практически вдвое меньше, чем плотность воды). Благодаря своей низкой плотности литий может держаться не только на поверхности воды, но и плавать на поверхности керосина.

Литий имеет атом достаточно малых размеров, благодаря чему литий наделен особыми свойствами. Например, смешение лития и натрия возможно осуществить только лишь при температуре ниже 380 0 С. А вот с расплавленным калием, рубидием и цезием литий, в отличие от иных пар щелочных металлов, смешивающихся друг с другом в любых соотношениях, вообще невозможно смешать.

Первооткрывателем лития является шведский химик Иоганн Арфведсон, который в 1817 году выделил литий из минерала петалита.

Использование лития в чистом виде не возможно в связи с активным взаимодействием его с окружающей средой. Литий нашел свое широкое применение в медицине, пищевой, текстильной, силикатной промышленностях. Также его используют во время изготовления пиротехники, термоядерного оружия, оптики. Нередко литий может выступать в роли окислителя. Отдельные его сплавы также применяются в электронике и авиакосмической промышленности.

Кроме лития, также имеют свойство держаться на воде калий и натрий, остальные же металлы из группы легких являются тяжелее воды.

Металлургия легких металлов

Производство легких металлов, как и других, начинается с добычи руд или другого вида сырья. Добыча легких цветных металлов относится к цветной металлургии.

Для производства алюминия используется природное сырье – глинозем, который добывается из бокситов. Кроме этого, также для добычи алюминия могут быть использованы нефелины и алуниты. Производство алюминия имеет два основных этапа – производство глинозема и производство металлического алюминия.

Для производства титана используются титановые руды. На территории России они находятся на 19 месторождениях, семь из которых являются россыпными.

Руды легких металлов, особенно алюминия, в отличие от тяжелых, по содержанию полезного компонента сходны с железной рудой и являются транспортабельными. В связи с этим вполне рациональным является их перевозка на дальние расстояния.

Самые легкие металлы

В представлении большинства людей металл — это плотный и тяжелый материал. Как раз такими характеристиками отличается большинство металлов, но далеко не все. Представьте, что есть металлы и сплавы, по весу сопоставимые с тяжестью воздуха!

Вспоминаем школьные уроки химии и обсуждаем, какие металлы самые легкие и чем объясняются такие необычные свойства.

Самые легкие металлы на планете — какие самые важные

Легкими называют металлы, у которых невысокая плотность. Они высоко ценятся, активно используются в промышленности и составляют около 20% от общей массы земной коры.

ТОП-5 легких металлов:

Самый легкий металл — литий. Это щелочной металл имеет серебристо-белый цвет, у него наименьшая атомная масса и наименьшая плотность, которая в два раза меньше, чем у воды, — 0, 534 г/см3. Литий мягкий и пластичный, режется ножом, находится на третьем месте периодической таблицы после водорода и гелия, у металла более 30 собственных минералов. Температура плавления — +180, 54 градуса. В природе есть два стабильных изотопа лития. Металл всплывает в воде и керосине. Литий редко используется в чистом виде, так как это очень активный элемент, который быстро вступает в реакцию с окружающей средой. К тому же, литий сильно токсичен, поэтому для бытового применения не подходит.
К числу самых легких элементов на планете относится водород — это плотность составляет 0, 0763 г/см3, но так как он не встречается в чистом виде, а только как часть молекулярных соединений, то его не причисляют к категории металлов.
Далее следует калий, после него — алюминий, рубидий, цезий и стронций, магний, титан и другие щелочные металлы. По плотности калий уступает воде — 0, 862 г/см3. У остальных металлов плотность выше, чем у воды. Как и литий, калий вступает в реакцию с водой, поэтому чаще используется в сплавах, а не в чистом виде.
На третьем почетном месте находится алюминий — в земной коре этот элемент достаточно распространен. Алюминий отлично проводит электричество и тепло, не подвержен коррозии, но легко подвергается сгибанию. Сплавы с алюминием пластичны, достаточно прочные, не ржавеют, хорошо свариваются и поддаются резке. Если говорить о самых прочных металлах среди самых легких, то алюминий может занять здесь первое место. Когда люди еще не умели получать этот металл промышленным путем, его цена была выше, чем на золото. Используется алюминий в ракетостроении, военной промышленности.
Титан — химический элемент серебристого цвета с плотностью 4, 5 г/см3. Титан получил статус самого твердого металла, характеризуется высокой антикоррозийной стойкостью, сохраняет исходные характеристики даже при температуре +300 градусов.

Самый легкий искусственный металл

Металлы бывают легче воды, но они всегда тяжелее сплавов. В Калифорнийском университете был разработан уникальный металлический сплав микролаттис — решетка из никелево-фосфорных трубок (металлическая микрорешетка). Хотя составляющие этого сплава имеют обычную плотность, он невероятно легкий. Например, в 100 раз легче пенопласта.

Микролаттис получен искусственно и на 99, 99% состоит из воздуха. В 2021 году его занесли в Книгу рекордов и официально признали самым легким металлом. В основе этого материала лежит металлическая решетка с ячеистой структурой из микропор и полые металлические трубки, пересекающиеся между собой крест-накрест. Каждая трубка в 1000 раз тоньше человеческого волоса — имеет ширину 100 нанометров. Представьте, что если положить кусочек миколаттиса на шапку одуванчика, она не деформируется. Необычная легкость достигается благодаря структуре материала, напоминающей кости живых организмов.

Несмотря на легкость, этот сплав выдерживает большие нагрузки наравне с другими металлами, которые встречаются в природе.

Где используют самые легкие металлы

Используют легчайшие металлы и их сплавы в разных производственных отраслях и во многих проектах. Особенно конструкции из легких металлов востребованы в:

строительстве;
медицине;
металлургии;
текстильной промышленности;
фармацевтике;
ядерной энергетике;
автомобильной и аэрокосмической промышленности.

Сейчас продолжаются исследования по разработке искусственных легчайших металлов, как микролаттис. Вполне вероятно, что в ближайшем будущем появится уникальный по прочности и легкости материал, который превзойдет все известные металлы щелочной группы.

Интересует лазерная резка любых металлов и не только? Обращайтесь в компанию Мос-Лазер!

Физические свойства металлов

Металлическая связь и особенности кристаллического строения обуславливают особые физические свойства металлов.

Металлическая связь основана на обобществлении электронов, входящих в состав атомов металла. Все электроны на внешних энергетических уровнях атомов металлов обобществленные, т.е. принадлежат всем атомам вещества. И эти электроны легко отрываются и попадают на энергетические уровни таких же атомов металлов. Постоянно перемещаясь по кристаллической решетке, электроны компенсируют силы электростатического отталкивания между положительно заряженными ионами и тем самым связывают их в устойчивую металлическую решетку.

Содержимое разработки

9. Физические свойства металлов

Металлическая связь – это связь в металлах и сплавах между атом-ионами посредством обобществленных электронов.

Разобраться в том, какой электрон принадлежал какому атому, просто невозможно, так как все оторвавшиеся электроны становятся общими, соединяясь с ионами. Эти электроны временно образуют атомы, потом снова отрываются и соединяются с другим ионом. Этот процесс продолжается бесконечно. Таким образом, в металлических соединениях атомы непрерывно превращаются в ионы и наоборот.

Именно строением металлической связи обусловлены физические свойства металлов.

К физическим свойствам металлов относятся:

Металлический блеск.

Электропроводность и теплопроводность.

Пластичность.

Высокая плотность и температура плавления.

Рассмотрим каждое из свойств более подробно.

Металлический блеск.

Металлический блеск обусловлен металлической связью между атомами, для которой свойственны обобществленные электроны. Они как раз и испускают под воздействием света свои, вторичные волны излучения, которые мы воспринимаем как металлический блеск.

В порошкообразном состоянии большинство металлов теряют металлический блеск и приобретают серую или черную окраску.

Металлический блеск в порошкообразном состоянии сохраняют алюминий и магний.

Прекрасно отражают свет палладий Pd, ртуть Hg, серебро Ag, медь Cu.

Из алюминия, серебра и палладия, основываясь на их отражательной способности, изготавливают зеркала, в том числе и применяемые в прожекторах.

Электропроводность и теплопроводность.

Все металлы хорошо проводят электрический ток и имеют высокую теплопроводность, также благодаря наличию металлической связи. При нагревании металла, увеличивается скорость движения электронов. Быстро движущиеся по кристаллической решетке электроны выравнивают температуру по всей поверхности металла, проводя тепло. Высокая теплопроводность металлов используется для изготовления из них посуды.

Высокая электропроводность металлов обусловлена направленным движением электронов в кристаллической решетке при воздействии электрического тока. Серебро Ag, медь Cu, золото Au и алюминий Al обладают наибольшей электропроводностью, поэтому медь Cu и алюминий Al используют в качестве материала для изготовления электрических проводов.

Наименьшей электропроводностью обладают марганец Mn, свинец Pb, ртуть Hg и вольфрам W.

Пластичность.

Пластичность – это физической свойство вещества изменять форму под внешним воздействием и сохранять принятую форму после прекращения этого воздействия.

Большинство металлов пластично, так как слои атом-ионов металлов легко смещаются относительно друг друга и между ними не происходит разрыва связи.

Наиболее пластичные металлы – золото Au, серебро Ag, медь Cu. Из золота Au можно изготовить тонкую фольгу толщиной 0,003 мм, которую используют для золочения изделий.

Именно на пластичности металлов основано кузнечное дело и возможность изготавливать различные предметы с помощью механического воздействия на металл.

Все металлы (кроме ртути) при нормальных условиях представляют собой твердые вещества. Твердость металлов различна. Наиболее твердыми являются металлы побочной подгруппы шестой группы Периодической системы Д.И. Менделеева. Наименее твердыми являются щелочные металлы.

По плотности металлы классифицируют на легкие (их плотность от 0,53 до 5 г/см 3 ) и тяжелые (плотность этих металлов от 5 до 22,6 г/см 3 ). Самым легким металлом является литий Li, плотность которого 0,53 г/см 3 . Самыми тяжелыми металлами в настоящее время считают осмий Os и иридий Ir (плотность около 22,6 г/см 3 ).

Температура плавления.

Температура плавления металлов находится в диапазоне от 39 (ртуть Hg) до 3410 о С (вольфрам W). Температура плавления большинства металлов высока, однако некоторые металлы, например, олово Sn и свинец Pl, можно расплавить на электрической плите.

Физические свойства металлов и в настоящее время широко используются в промышленности и электронике.

В технике все металлы делятся на черные, к ним относятся железо и его сплавы, и цветные.

Изделия из различных видов металлов используются повсеместно благодаря их пластичности, но чаще всего в сплавах.

К драгоценным металлам относят золото, серебро, платину и некоторые другие редко встречающиеся металлы.

-75%