Бронебойные пули, сопла ракетных двигателей и сверла для прорезания твердой породы - это лишь некоторые из продуктов, изготовленных из вольфрама, одного из самых твердых и термостойких элементов во вселенной.
Вольфрам, как и большинство других металлических элементов, не встречается в природе в виде блестящего куска металла. Его необходимо химически изолировать от других соединений, в данном случае от природного минерала вольфрамита. Вот почему символ вольфрама в периодической таблице - не T, а W, что является сокращением от «wolfram». Название «вольфрам» по-шведски означает «тяжелый камень», отсылка к сверхъестественной плотности и весу элемента. Его атомный номер (количество протонов в ядре его атома) равен 74, а его атомный вес (средневзвешенное значение встречающихся в природе изотопов) равен 183.84.
Паре испанских химиков (и братьев), Хуану Хосе и Фаусто Эльхуяру, приписывают открытие вольфрама в 1783 году, когда они впервые выделили серовато-белый металл из вольфрамита.
Самая высокая температура плавления всех металлов
Одним из наиболее впечатляющих и полезных свойств вольфрама является его высокая температура плавления, самая высокая из всех металлических элементов. Чистый вольфрам плавится при колоссальных 6 192 градусах по Фаренгейту (3 422 градуса по Цельсию) и не будет кипеть, пока температура не достигнет 10 030 по Фаренгейту (5 555 по Цельсию), что равно температуре фотосферы Солнца.
Железо, для сравнения, имеет температуру плавления 2 800 градусов по Фаренгейту (1 538 градусов по Цельсию), а золото превращается в жидкость всего при 1 947,52 градуса по Фаренгейту (1 064,18 градуса по Цельсию).
Все металлы имеют относительно высокие температуры плавления, потому что их атомы удерживаются вместе прочными металлическими связями, говорит Джон Ньюсэм, химик и материаловед, с которым мы связались через Американское химическое общество. Металлические связи настолько сильны, потому что они делят электроны между всем трехмерным массивом атомов. Ньюсам говорит, что вольфрам дольше других металлов из-за необычной прочности и направленности его металлических связей.
" Почему это важно?" - спрашивает Ньюсам. «Вспомните, как Эдисон работал над нитью накаливания для лампы накаливания. Ему нужен был материал, который не только излучал бы свет, но и не плавился бы от тепла».
Эдисон экспериментировал с множеством различных материалов накаливания, включая платину, иридий и бамбук, но именно другому американскому изобретателю, Уильяму Кулиджу, приписывают создание вольфрамовых нитей накала, используемых в большинстве лампочек на протяжении 20-го века.
Высокая температура плавления вольфрама имеет и другие преимущества, например, когда он смешивается в виде сплава с такими материалами, как сталь. Вольфрамовые сплавы покрывают секции ракет и ракет, которые должны выдерживать огромные температуры, в том числе сопла двигателей, которые выбрасывают взрывные потоки ракетного топлива.
Почему вольфрам такой тяжелый
Плотность различных элементов является отражением размера составляющих их атомов. Чем ниже вы окажетесь в периодической таблице, тем крупнее и тяжелее будут атомы.
«Более тяжелые элементы, такие как вольфрам, имеют больше протонов и нейтронов в ядре и больше электронов на орбитах вокруг ядра», - говорит Ньюсам. «Это означает, что вес одного атома значительно увеличивается, когда вы спускаетесь вниз по периодической таблице».
С практической точки зрения, если вы держите кусок вольфрама в одной руке, а такой же объем серебра или железа в другой руке, вольфрам будет намного тяжелее. В частности, плотность вольфрама составляет 19,3 грамма на кубический сантиметр. Серебро, для сравнения, имеет примерно половину плотности вольфрама (10,5 г/см3), а железо - почти треть плотности (7,5 г/см3).9 г/см3).
Высокая плотность вольфрама может быть преимуществом в некоторых приложениях. Его часто используют в бронебойных пулях, например, из-за его плотности и твердости. Военные также используют вольфрам для изготовления так называемого «кинетического бомбардировочного» оружия, которое стреляет вольфрамовым стержнем, как бортовой таран, чтобы пробить стены и броню танка.
Во время холодной войны ВВС якобы экспериментировали с идеей под названием «Проект Тор», которая должна была сбрасывать с орбиты связку 20-футовых (6-метровых) вольфрамовых стержней на вражеские цели. Эти так называемые «жезлы от Бога» поразили бы с разрушительной силой ядерного оружия, но без ядерных осадков. Оказывается, стоимость запуска тяжелых стержней в космос была непомерно высокой.
Только алмазы тверже карбида вольфрама
Чистый вольфрам не так уж и тверд - его можно разрезать ручной пилой, - но когда вольфрам соединяется с небольшим количеством углерода, он превращается в карбид вольфрама, одно из самых твердых и прочных веществ на Земле.
«Когда вы помещаете небольшое количество углерода или других металлов в вольфрам, это фиксирует структуру и предотвращает ее легкую деформацию», - говорит Ньюсэм.
Карбид вольфрама настолько тверд, что его можно резать только алмазами, и даже в этом случае алмазы работают только в том случае, если карбид вольфрама не полностью отвержден. Карбид вольфрама в три раза прочнее стали, может служить до 100 раз дольше, чем сталь в высокоабразивных условиях, и обладает самой высокой прочностью на сжатие из всех кованых металлов, что означает, что он не будет вмятин или деформируется при сжатии с огромной силой..
Самое распространенное применение карбида вольфрама - и конечный пункт назначения большей части добытого вольфрама на планете - это специализированные инструменты, особенно сверла. Любое сверло для резки металла или твердой породы должно выдерживать высокие уровни трения, не затупляясь и не ломаясь. Только алмазные сверла тверже карбида вольфрама, но и намного дороже.
Другое интересное использование вольфрама
Твердость, плотность и термостойкость вольфрама делают его идеальным для многих нишевых применений:
- Электронные микроскопы испускают поток электронов из специального наконечника излучателя, сделанного из вольфрама.
- Большинство сварных швов между металлом и стеклом выполняются из вольфрама, потому что вольфрам расширяется и сжимается с той же скоростью, что и боросиликатное стекло, наиболее распространенный вид стекла.
- Шипы на гусеницах снегоходов сделаны из вольфрамовых сплавов.
- Дротики профессионального класса изготавливаются из вольфрама («Wolfram Infinity» на 97 процентов состоит из вольфрама).
- В шариковых ручках шарик часто делается из карбида вольфрама.
- Ювелирная промышленность изготавливает кольца из карбида вольфрама.
Вот это сложно
Фальсификаторы давно выяснили, что плотность вольфрама почти такая же, как у золота, и иногда пытаются выдать позолоченные слитки вольфрама за чистый золотой слиток.
Часто задаваемые вопросы
Вольфрам прочнее стали?
Вольфрам намного прочнее стали. Его часто используют для изготовления режущих инструментов, потому что он очень твердый.