15 самых плотных материалов на Земле | Объёмная плотность
Плотность (точнее, объемная массовая плотность) вещества — это его масса в единице объема (обозначается в кг/м3). Это уникальное физическое свойство объекта, показывающее, насколько плотно упаковано вещество в данном объекте.
Твердые материалы, такие как железо и платина, имеют плотно упакованные частицы. В жидкостях частицы обладают способностью проскальзывать друг мимо друга, а газы состоят из частиц, свободно перемещающихся во всех направлениях.
В космическом пространстве самым плотным объектом, известным человечеству, является нейтронная звезда. Плотность этих удивительных небесных объектов составляет от 3,7×1017 до 5,9×1017 килограммов на метр кубический, что в 2,6×1014-4,1×1014 раз плотнее нашего Солнца.
Для сравнения: масса одной чайной ложки вещества нейтронной звезды составляет около 6,5×1012, что почти в 1000 раз больше массы Великой пирамиды Гизы.
А что же Земля? Что является самым плотным материалом на Земле и почему они важны? Давайте узнаем.
15. Молибден
Плотность: 10,28 г/см3
Возможно, вы впервые слышите об элементе под названием молибден. Начнем с того, что он относится к группе переходных металлов с атомным номером 42. В природе он не встречается в чистом металлическом виде, а существует только в окислительных состояниях в различных минералах.
Большинство соединений молибдена имеют высокие температуры плавления и низкую растворимость в воде. Они широко используются в сплавах, электродах и катализаторах.
Молибден широко используется в стали, поскольку он повышает прочность, твердость и вязкость сплава.
Он также используется в качестве катализатора при переработке нефти. В биохимии он используется в качестве бактериального катализатора для разрушения молекулярного азота атмосферы.
А поскольку молибден способен выдерживать очень высокие температуры, не размягчаясь и не расширяясь, он также используется для изготовления деталей самолетов и ракет, промышленных двигателей и электрических контактов.
14. Серебро
Плотность: 10,49 г/см3
Плотность серебра почти в два раза меньше плотности золота, то есть один грамм серебра по объему почти в два раза больше одного грамма золота. Хотя серебро не так впечатляюще, как золото или платина, оно обладает многими необычными свойствами.
Например, серебро обладает самой высокой теплопроводностью, электропроводностью и отражательной способностью по сравнению с другими металлами. Оно встречается в земной коре в свободном состоянии в виде элементов или в минералах, таких как хлораргирит и аргентит.
С исторических времен серебро ценилось как один из важнейших минералов на Земле, что сохранилось и по сей день. Из него изготавливают не только валюту, но и украшения, посуду, а также современные электронные изделия, например солнечные батареи.
Обладая высокой тепло- и электропроводностью, он широко используется в электронной промышленности для создания проводников и покрытий.
13. Свинец
Плотность: 11,34 г/см3
Свинец имеет самый высокий атомный номер среди всех стабильных веществ и плотнее большинства распространенных материалов. Он мягкий и ковкий, имеет относительно низкую температуру плавления. На Земле свинец является одним из распространенных элементов наряду с серой.
Высокая атомная масса свинца и плотно упакованная гранецентрированная кубическая структура обеспечивают его плотность 11,34 грамма на кубический сантиметр, что выше, чем у таких распространенных металлов, как медь, железо и цинк.
В настоящее время общепризнанным фактом является то, что свинец был известен человеку еще до 6000 г. до н.э. и, вероятно, использовался для выплавки металлов. Древние египтяне первыми стали использовать свинец в качестве потребительского продукта. Древние китайцы, напротив, использовали его в качестве валюты.
В XXI веке свинец играет важную роль во многих отраслях промышленности (в том числе в строительстве) благодаря своей высокой плотности и исключительной устойчивости к коррозии.
Эти свойства используются во многих областях. Свинец используется в качестве барьера для поглощения звука, вибрации и излучения. А поскольку он не имеет собственных резонансных частот, его применяют в качестве звукопоглощающего слоя в полах, потолках и стенах звуковых студий.
12. Торий
Плотность: 11,7 г/см3
Торий, названный в честь норвежского бога грома Тора, представляет собой умеренно сильный радиоактивный металл, известные изотопы которого нестабильны. Этот радиоактивный металл естественного происхождения встречается в воде, горных породах и почве.
В земной коре он распространен примерно в три раза больше, чем уран. Возможно, торий в земной коре дает больше неиспользованной энергии, чем уран и ископаемое топливо вместе взятые. Большая часть внутреннего тепла Земли объясняется наличием тория и урана.
По данным Всемирной ядерной ассоциации, крупнейшими запасами тория в мире обладает Индия, за ней следуют Бразилия, Австралия и США.
Хотя торий тверже других радиоактивных материалов, таких как плутоний и уран, он менее плотный, чем оба. Его свойства зависят от степени содержания примесей в образце. Наиболее распространенной примесью является диоксид тория — даже самые чистые образцы содержат около 0,1% диоксида.
Сегодня торий используется для повышения прочности магния, контроля размера зерна вольфрама в электрических лампах, покрытия вольфрамовой проволоки в электроприборах, изготовления жаропрочной керамики. Кроме того, построено множество ториевых реакторов для замены урана в ядерных реакторах.
11. Родий
Плотность: 12,41 г/см3
Родий, открытый в начале 1800-х годов английским химиком Уильямом Волластоном, известен своей исключительной коррозионной стойкостью и химической инертностью.
Это одно из самых редких веществ в земной коре, его содержание составляет 0,0002 части на миллион. Эта редкость влияет на его цену на рынке, а также на его использование в коммерческих целях.
Хотя большое количество родия извлекается из платины и других элементов платиновой группы, по крайней мере один из его изотопов (103 Rh) встречается в природе. Удивительно, но он был обнаружен и в некоторых сортах картофеля, причем его концентрация варьировалась от 0,8 до 30 частей на миллион.
По сравнению с платиной он имеет меньшую плотность и более высокую температуру плавления. На него не действуют многие кислоты (в том числе азотная), но он слабо растворяется в водной среде.
В настоящее время он используется в основном в качестве катализатора в TWC или трехходовых каталитических нейтрализаторах (системах контроля выхлопа) бензиновых и дизельных двигателей, так как они позволяют минимизировать выбросы оксидов азота и диоксида азота.
В ядерных реакторах родиевые детекторы используются для определения уровня нейтронного потока. Его также легируют палладием и платиной для повышения твердости и коррозионной стойкости.
10. Ртуть
Плотность: 13,53 г/см3
Ртуть – довольно интересный элемент таблицы Менделеева. Это один из двух твердых элементов, переходящих в жидкое состояние при обычной комнатной температуре и давлении, второй — бром. Ее температура плавления и кипения составляет -38,8 °C и 356,7 °C.
Плотность ртути примерно в 13,5 раз выше, чем у воды, поэтому небольшое количество ртути кажется удивительно тяжелым. А поскольку она обладает высоким поверхностным натяжением, то образует на стекле почти сферические шарики. При переходе из жидкого состояния в твердое она изменяет объем почти на 4% (с 13,69 г/см3 до 14,184 г/см3).
В связи с тем, что ртуть расширяется и сжимается в зависимости от температуры, она используется в манометрах, барометрах, термометрах, сфигмоманометрах, поплавковых клапанах и различных других устройствах. Однако использование ртути в тонометрах и термометрах в значительной степени прекращено из-за ее токсичности.
Сегодня она используется в основном в электронике и производстве промышленных химикатов. Так, газообразная ртуть используется в люминесцентных лампах, хлорид ртути (II) служит катализатором при производстве поливинилхлорида (ПВХ), а твердый сульфид ртути (II) применяется в качестве пигмента в резине, пластмассе и красках.
9. Тантал
Плотность: 16,69 г/см3
Ранее известный как тантал, относится к группе тугоплавких металлов, составляющих незначительную часть различных видов сплавов. Он плотный, ковкий, обладает высокой электро- и теплопроводностью.
Твердый тантал имеет телесно-центрированную кубическую кристаллическую структуру с модулем Юнга 186 ГПа и пределом текучести 331 МПа. Несмотря на высокую твердость металла, он известен своим антикоррозионным свойством — даже при температурах ниже 150 °C тантал не реагирует с агрессивной водной средой (смесью азотной и соляной кислот).
По весу он составляет 1-2 части на миллион в земной коре. Обычно он встречается в таких минералах, как колумбит, танталит и колтан.
Он твердый, редкий и очень устойчивый к коррозии, что делает его идеальным материалом для высокопроизводительных конденсаторов. Он также используется в хирургических инструментах и имплантатах благодаря своей способности напрямую соединяться с твердыми тканями человеческого тела.
Более того, он использовался NASA для защиты компонентов космических аппаратов "Вояджер-1", "Вояджер-2" и других от космического излучения. Благодаря впечатляющей стойкости к окислению и высокой температуре плавления он используется для изготовления деталей вакуумных печей, корпусов клапанов и термокожухов.
Кроме того, он иногда используется в часах элитных марок, в том числе Panerai, Omega, Hublot и Journe.
8. Уран
Плотность: 19,1 г/см3
Как и торий, уран слабо радиоактивен. В природе он встречается в виде трех изотопов: урана-238, урана-235 и менее распространенного урана-234. В небольших концентрациях он встречается в горных породах, воде и почве, а в промышленных масштабах его добывают из ураносодержащих минералов, таких как уранинит.
Впервые существование этого элемента было обнаружено в 1789 году, однако его радиоактивные свойства были открыты только в 1896 году Эженом-Мельхиором Пелиго, а практическое использование впервые было осуществлено в 1934 году после реализации Манхэттенского проекта.
Этот металл плотнее свинца и тантала, но несколько менее плотен, чем золото и вольфрам. Благодаря своим уникальным свойствам он широко используется в высокоплотных пенетраторах в военном секторе.
Обедненный уран (менее радиоактивный) может быть сплавлен с другими металлами, такими как молибден или титан, что позволяет использовать его в качестве защитного материала для хранения и транспортировки радиоактивных веществ.
Хотя обедненный уран менее радиоактивен, он достаточно плотен, чтобы задерживать излучения от таких мощных источников, как радий. А поскольку его можно легко обрабатывать и отливать по относительно низкой цене, он предпочтительнее аналогичных плотных материалов.
7. Вольфрам
Плотность: 19,25 г/см3
Вольфрам получают из таких редких минералов, как шеелит и вольфрамит. Впервые он был определен как элемент в 1781 году, а в 1783 году классифицирован как металл.
Вольфрам имеет самую высокую температуру плавления (за исключением углерода), самую высокую прочность на разрыв и самую высокую температуру кипения среди всех известных элементов. Если чистый монокристаллический вольфрам пластичен и поддается резке более твердыми металлами, то поликристаллический вольфрам по своей природе хрупок и трудно поддается обработке.
Наиболее распространенные области его применения - рентгеновские трубки, нити накаливания ламп, сварочные электроды, радиационная защита и сверхпрочные сплавы. Некоторые соединения вольфрама используются в качестве катализаторов для получения промышленных химикатов.
В последнее время вольфрам стал популярен в индустрии 3D-печати. Карбид вольфрама используется для изготовления сопел 3D-принтеров. Его высокая теплопроводность и износостойкость повышают качество печати абразивными нитями.
Кроме того, металлический вольфрам используется в ювелирных изделиях как альтернатива платине или золоту. Поскольку он тверже и вызывает меньше аллергических реакций, чем золотые сплавы, из него можно изготавливать кольца, ожерелья и браслеты с матовой отделкой.
В настоящее время крупнейшим производителем вольфрама является Китай (66 тыс. метрических тонн в год), далее следуют Вьетнам (4,5 тыс. метрических тонн) и Россия (2,4 тыс. метрических тонн).
6. Золото
Плотность: 19,30 г/см3
Золото - один из самых драгоценных, популярных и востребованных материалов на Земле. На протяжении всей истории человечества оно использовалось для изготовления ювелирных изделий, монет и других предметов искусства.
Согласно различным исследованиям, золото возникло в результате нуклеосинтеза сверхновых звезд и столкновения нейтронных звезд в далеком космосе.
На Земле оно встречается в природных породах, образовавшихся миллиарды лет назад. В основном оно встречается в виде мельчайших (микроскопических) частиц, вкрапленных в породу, обычно вместе с сульфидными минералами или кварцем. В океанах Земли также содержится очень небольшое количество золота - на один миллиард метрических тонн океанской воды в Атлантике и северной части Тихого океана приходится примерно десять граммов золота.
Поскольку золото обладает высоким сопротивлением и электропроводностью, оно используется для изготовления электрических разъемов для всех типов компьютеризированных устройств. Оно также используется для производства цветного стекла, реставрации зубов и экранирования инфракрасных лучей.
Как и у всех других металлов, плотность золота уменьшается при нагревании. При температуре чуть ниже температуры плавления (1064 °C) его плотность уменьшается до 18,31 г/см3. При температуре чуть выше этой отметки плотность расплавленного золота уменьшается до 17,19 г/см3.
Задумывались ли вы когда-нибудь, почему при покупке ювелирных изделий вам всегда достается нечистое золото? Да потому, что чистое (24 карата) золото мягкое. Чтобы сделать его более прочным и долговечным, в него добавляют другие металлы, такие как медь и серебро, поэтому в процессе обработки оно становится нечистым.
Когда золото сплавляют с другими металлами, общая плотность сплава уменьшается. 18-каратное золото с равным содержанием меди и серебра имеет плотность 15,4 г/см3, а 9-каратное - 11 г/см3.
По данным Statista, в США в шахтах находится около 3 тыс. метрических тонн запасов золота. Наибольшая доля мировых запасов золота в шахтах приходится на Австралию. На ее долю приходится 11 000 метрических тонн золота, за ней следует Россия (6 800 метрических тонн).
5. Плутоний
Плотность: 19,85 г/см3
Плутоний - самый плотный радиоактивный элемент на Земле. Впервые он был выделен в лаборатории Калифорнийского университета в 1940 году, когда исследователи взорвали уран-238 в огромном циклотроне.
Всего у плутония семь аллотропов, плотность которых колеблется от 16 до 18,6 г/см3.
В отличие от большинства элементов периодической таблицы, плотность плутония при плавлении увеличивается на 2,5%. Однако плотность расплавленного плутония уменьшается с ростом температуры. Вблизи точки плавления он обладает относительно высокой вязкостью и поверхностным натяжением по сравнению с другими металлами.
В крупных масштабах этот смертоносный элемент впервые был использован в Манхэттенском проекте - значительное количество плутония было использовано для взрыва ядерного заряда (названного "Толстяк") в Нагасаки (Япония). После Второй мировой войны его применение ограничилось производством коммерческой ядерной энергии.
Сегодня около 35% энергии, вырабатываемой на атомных электростанциях, приходится на плутоний. Он образуется в ядерных реакторах из урана-238 как побочный продукт.
Изотоп плутония-238, в частности, выделяет огромное количество тепловой энергии при низком уровне нейтронного и гамма-излучения. Один килограмм плутония-238 может выделять почти 570 Вт тепла. Именно поэтому он используется для питания критически важных устройств, которые должны работать без обслуживания 50-70 лет, например, космических аппаратов.
4. Рений
Плотность: 21,2 г/см3
Рений, названный в честь реки Рейн в Германии, был открыт тремя немецкими учеными в 1925 году. Он имеет самую высокую температуру кипения, за исключением углерода и вольфрама. Он также имеет самую высокую температуру кипения и третью по величине температуру плавления среди всех стабильных элементов - 5596 °C.
Будучи одним из самых плотных элементов на Земле, он имеет гексагональную, плотноупакованную кристаллическую структуру. При нормальной температуре и давлении он не реагирует с азотной, соляной, серной кислотами, водной средой и щелочами.
Рений не встречается в природе в свободном виде. Он извлекается из порфировых молибденовых месторождений и других минералов, как правило, в очень низких концентрациях, в среднем 0,001 части на миллион.
Как и другие металлы платиновой группы, рений относится к драгоценным элементам Земли, а его сплавы уникальны, имеют высокие температуры плавления и впечатляющие механические свойства.
Благодаря этим уникальным свойствам рениевые сплавы используются в выхлопных соплах и турбинных лопостях реактивных двигателей. Он также используется в качестве катализатора изомеризации и гидрирования. Кроме того, молибден-рениевые и вольфрам-рениевые сплавы используются в нагревательных элементах, сварочных стержнях, полупроводниках, металлических покрытиях и рентгеновских анодах.
3. Платина
Плотность: 21,45 г/см3
Платина - один из самых редких земных металлов со средним содержанием 5 мкг на килограмм. Она встречается в земной коре в виде самородных месторождений, а также в некоторых медно-никелевых рудах.
Этот элемент также является одним из наименее реакционноспособных металлов и демонстрирует отличную коррозионную стойкость даже при высоких температурах. Поскольку он не вступает в реакцию с другими материалами при высоких температурах и давлении, его часто находят в виде самородной платины.
Хотя на нее не действуют вода и воздух, она растворяется в горячей концентрированной серной и фосфорной кислотах, а также в горячей водной среде.
Несмотря на плотность, чистая платина мягкая и легко повреждается (как и золото). Поэтому ее упрочняют, смешивая с другими металлами - палладием, рутением, родием, иридием. Например, сплав платины с рутением имеет яркий блеск и не тускнеет.
Кроме ювелирных изделий, платина используется в устройствах контроля выхлопов автомобилей, стоматологическом оборудовании, лабораторной технике, электродах, катализаторах, турбинных двигателях.
Около 80% всего объема платины производится в ЮАР. Ежегодно страна производит 130 метрических тонн. Россия занимает далеко не последнее место, ее годовой объем производства составляет 19 метрических тонн.
2. Иридий
Плотность: 22,56 г/см3
Иридий - второй по плотности и один из самых редких элементов в земной коре. Он был открыт в 1803 г. в остатках платиновых руд английским химиком Смитсоном Теннантом.
Он имеет два стабильных изотопа, встречающихся в природе: Иридий-191 и Иридий-193. Кроме того, на сегодняшний день синтезировано более 37 радиоизотопов.
Иридий также обладает самой высокой коррозионной стойкостью среди всех металлов, даже при экстремальных температурах около 2000 °C. При нормальной температуре и давлении на него не действуют ни щелочи, ни кислоты, ни большинство сильных химических веществ. Эти свойства делают иридий ценным переходным металлом.
Поскольку иридий в восемь раз прочнее и в шесть раз тверже платины, он используется в основном для изготовления высокоэффективных свечей зажигания. Если медные свечи зажигания могут прослужить 20 000 км, платиновые электроды имеют ресурс около 100 000 км, то иридиевые свечи зажигания могут прослужить на 25% дольше.
Иридий также может использоваться в качестве электродов для производства хлора (в хлорно-щелочном процессе) и в качестве тиглей для перекристаллизации полупроводников при высоких температурах.
Кроме того, современные технологии производства дисплеев, в частности OLED-экраны, используют соединения иридия для получения светлых и ярких цветов.
1. Осмий
Плотность: 22,59 г/см3
Осмий - самый плотный из встречающихся на Земле элементов природного происхождения. Он также относится к числу самых редких элементов, составляя 50 частей на триллион в земной коре.
Этот серо-белый металл по плотности вдвое превосходит свинец. Он очень твердый и хрупкий, имеет самую высокую температуру плавления среди всех элементов (после углерода, вольфрама и рения). Модуль объемной упругости осмия чрезвычайно высок - от 395 до 462 ГПа, что сравнимо с модулем упругости алмаза.
Благодаря этим свойствам осмий трудно поддается механической обработке, формообразованию, даже при высоких температурах.
Хотя чистый осмий в природе не встречается, его самородные сплавы встречаются с платиновыми металлами. Впервые он был обнаружен в 1803 году Смитсоном Теннантом. Он обнаружил элемент вместе с иридием в остатках платиновых руд, нерастворимых в царской водке.
Из-за чрезвычайной токсичности и летучести оксида осмия этот элемент редко используется в чистом виде. Обычно его сплавляют с другими металлами платиновой группы для применения в условиях повышенного износа. Из таких сплавов изготавливают наконечники для перьевых ручек, электрические контакты, шарниры приборов.