О необычных свойствах металлов рассказали в Пермском Политехе

День металлурга в 2024 россияне отмечают 21 июля. Ученые Пермского Политеха рассказали, какой металл самый распространенный, который из них не утонет в воде, где удастся встретить титан, можно ли потрогать обедненный уран, что опаснее — вдохнуть или проглотить ртуть, есть ли ее безопасный аналог и какой элемент не существует в чистом виде.

Алюминий — самый распространенный металл на Земле

Более 8% массы всей земной коры приходится на алюминий. Металл находится на третьем месте по популярности химических элементов нашей планеты, уступая лишь кислороду (49%) и кремнию (25%).

— Алюминий не отличается прочностью, но ценится за маленький удельный вес и низкую плотность. Она составляет  всего 2,7 граммов на кубический сантиметр. Для сравнения: у стали —7,8. Поэтому сплавы с добавлением этого металла особенно легкие (за исключением литиевых), — рассказывает Юрий Симонов, доктор технических наук, заведующий кафедрой металловедения, термической и лазерной обработки металлов ПНИПУ.

Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью за счет тонкой и прочной пленки оксида алюминия, которая образуется на поверхности металла. Еще одна отличительная черта — высокая (вторая после меди) электропроводность. Все эти свойства позволяют активно использовать алюминий и его сплавы в авиастроении, электротехнической промышленности, производстве кабелей, посуды.

Что делает титан в зефире и белилах?

В обычных условиях титан представляет собой легкий металл серебристого цвета. Обладает высокой прочностью, низкой электропроводностью и совсем не магнитится. К тому же титан устойчив к воздействию кислот, морской воды и не разлагается с выделением ядовитых веществ. Все эти свойства позволяют использовать металл в медицине, например, для изготовления брекет-систем и штифтов для имплантации.

— Еще одно применения титана в стоматологии — керамические коронки. Из оксида керамики этого металла получаются самые крепкие искусственные зубы. Их преимущество также в том, что материал инертен и не вступает в реакцию с другими веществами, например, пищей, — добавляет Николай Углев, кандидат химических наук, доцент кафедры химических технологий ПНИПУ.

Но самое распространенное применение титана — в качестве красителя. На основе этого металла получают исключительный светлый пигмент, белее снега. Диоксид титана широко используется в производстве красок. Из добытой руды извлекают чистый металл, затем обрабатывают в несколько этапов, пока не получают нужное соединение. Вещество обжигают при высоких температурах, что позволяет изменить его структуру и свойства. В результате создают краситель.
Благодаря универсальности титана пигмент используют в производстве красок, пластиков, косметики, текстиля, печатных материалов. Добавляют краситель в лекарства, зубные пасты, жевательные резинки, зефир, мороженое, сухое молоко.

— Важное свойство титана — умение поглощать водород, поскольку металл отличается активностью. Это происходит, когда титан находится в контакте с водородом при высоких температурах. Интенсивное взаимодействие титана с водородом начинается при 600 градусах Цельсия, в то время как сплавы с алюминием постепенно наращивают объем поглощенного газа вместе с увеличением температуры. Водород может проникать в структуру титана и образовывать своеобразные сплавы с ним, — рассказывает ученый-химик ПНИПУ.
С одной стороны, смесь титана с водородом улучшает механические свойства титана, такие как прочность и устойчивость к разрушению. С другой стороны, большое количество поглощенного водорода может вызвать хрупкость материала, что нежелательно.

Уран лучше не трогать руками ближайшие 4,5 млрд лет

Этот элемент самый радиоактивный на планете. В природе встречается всего три его изотопа. Более 99% залежей приходится на уран-238 (число означает атомную массу конкретного вида). В его состав входит уран-235.

— Радиоактивность элемента обусловлена взаимодействием ядра с электронами на ближнем к нему уровне. Ядро как бы захватывает отрицательно заряженные частицы, приводят их в возбужденное состояние. Когда электрон возвращается на свою позицию, вещество излучает радиацию в виде альфа-, бета-, гамма-частиц. Период полураспада (когда вещество теряет 50% своей радиоактивности) урана-238 — 4,5 млрд лет, изотопа 235 — 891 млн лет, — рассказывает Эргаш Нуруллаев, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры прикладной физики Пермского Политеха.

Человек научился использовать это свойство урана во благо для получения большого количества энергии. Ядро состоит из протона (положительно заряженной частицы) и нейтрона (частицы нейтрального заряда). Сила их взаимодействия — ядерная сила — удерживает их вместе. Чтобы разрушить эту связь, на уран-235 воздействуют медленными нейтронами. Деление ядра путем создания цепной реакции позволяет получить огромное количество энергии.

Цепная реакция — лавинообразное появление нейтронов при делении ядра урана-235 под воздействием медленных нейтронов. Для нее необходимо создать условия. Во-первых, массовое число элемента должно быть нечетным. Но природный уран содержит крайне малое количество изотопа 235 — 0,7%. Поэтому его получают из урана-238 путем обогащения. Во-вторых, коэффициент размножения нейтронов при делении должен быть больше 1. Это значит, что в следующей реакции деления должно получиться больше нейронов, чем в предыдущей. В-третьих, необходимо подобрать критическую массу — наименьший объем урана, при котором возможно деление. И чем больше урана-235 мы получим, тем меньше энергии понадобится на его деление, что выгоднее.

Эти условия объясняют, почему природный уран не делится самовольно. В результате цепной реакции выделяется огромное количество энергии. Для сравнения: при распаде 1 грамма урана выделяется энергия, эквивалентная сгоранию 3 тонн угля или 2,5 тонн бензина. 

Этот процесс лежит в основе атомной бомбы и АЭС. Разница между ними заключается в том, что в первом случае реакция не контролируется, выброс энергии приводит к катастрофическим разрушениям. Во втором случае энергию преобразовывают в электрическую.

Часто говорят, что свежедобытый уран достаточно безвреден, поэтому можно подержать его в руках. Однако радиационное излучение смертельно опасно для человека, и даже необработанный уран его распространяет. То же самое касается обедненного урана, который отработал свое в АЭС. Его утилизируют согласно строгим правилам в специальных могильниках, изолированных со всех сторон толстым слоем бетона.

Литий — в два раза легче воды

Литий — самый легкий металл в таблице Менделеева. Его плотность равна 0,53 грамма на кубический сантиметр, в то время как показатель воды — 1,028. Получается, что кусочек лития будет плавать на поверхности жидкости. К тому же это очень мягкий металл, который получится разрезать даже кухонным ножом или раскатать в фольгу.

— Литиевые сплавы легче тех, что содержат только алюминий. Как правило, эти два металла вместе образуют самые легкие металлические материалы. Они используются в качестве конструкционных сплавов в авиа- и ракетостроении. Самое популярное применение лития сейчас — в батарейках и аккумуляторах. Поскольку эта сфера сейчас активно развивается, в мире идет жесткая борьба за  литиевые месторождения, — отмечает Юрий Симонов.

Этот металл имеет значимый электрохимический потенциал, что делает его одним из самых активных металлов. Это дает возможность создавать на его основе батареи и аккумуляторы с очень высокой плотностью энергии при минимальных размерах и массе.

Выпить ртуть и остаться в живых?

— Ртуть люди используют с древности. Очень часто ее применяли в медицинских целях, веря в то, что этот металл поможет при разных болезнях. Например, при болезнях желудка, глаз, кожи. Зачастую такое приводило лишь к плачевному результату — общему отравлению. Так и в случае с разбитым ртутным градусником последствия могут быть неблагоприятные. Всему виной испарение ртути, усиливающееся с повышением температуры окружающей среды. Испаряться металл начинает при +18 градусах Цельсия, при этом скорость процесса составляет 10 микрограмм в час, — рассказывает Александр Юрченко, старший преподаватель кафедры металловедения, термической и лазерной обработки металлов ПНИПУ.

При попадании на кожу ртутных шариков возникает аллергическая реакция, от которой человек не умирает, но чувствует недомогание некоторое время. Тело покрывается красными пятнами, появляется температура. Поэтому, если разбился градусник, необходимо предупредить нагревание территории, где это случилось, и избегать попадания ртути на одежду и тем более кожу.

Проглатывание ртути является не таким критическим процессом для человека, как вдыхание ее паров. В жидком состоянии она не так опасна. Если человек каким-то образом потребит небольшое количество ртути, то смертельного вреда своему организму не нанесет. Проглоченный металл выводится из организма естественным путем в течение нескольких дней. Но бесследно это не происходит, общее состояние будет нестабильным, пострадавший испытает тошноту, головную боль, слабость.

Галлий — еще один жидкий металл

У этого металла низкая температура плавления — около 30 °С. Этим свойством он очень похож на ртуть. Основное отличие заключается в низкой токсичности галлия. Малые частицы этого металла при контакте с кожей не приносят вреда.

— В настоящий момент самым лучшим примером использования галлия в повседневной жизни является градусник. Он выполняет функцию ртути: увеличивается в объеме при нагревании, а шкала показывает температуру тела. Стоит добавить, что в градусниках используется не чистый металл, а смесь из галлия, индия и олова. И если случайно разбить такой градусник, опасности не будет, — добавляет Александр Юрченко.

Помимо этого, галлий служит исходным компонентом для синтеза полупроводниковых соединений, широко используемых в современной высокочастотной и сверхвысокочастотной технике. Высокочистый металл является компонентом соединений арсенида галлия и нитрида галлия — основных материалов опто- и микроэлектроники. Он также входит в состав полупроводниковых соединений для солнечных элементов и матриц дисплеев. Такие материалы используются для производства мобильных телефонов, суперкомпьютеров, волоконно-оптических линий связи.

Калий не встречается в природе в чистом виде

— Это крайне активный щелочной металл, который вступает во взаимодействие практически со всем, чего касается. Он начинает быстро окисляться при контакте с водой. Поэтому в природе его можно найти только в составе химических соединений — оксидов, гидроксидов, солей. В черной металлургии этот элемент не используют и убирают из руды как примесь, — объясняет Юрий Симонов.

Сохранить калий в чистом виде — непростая задача. Поскольку в открытой атмосфере и стабильном состоянии он находиться не может, необходимо помещать его в вакуумные капсулы.

Калиевые соединения повсеместно используются в виде удобрений. Его поступление усиливает фотосинтез у растений, улучшает их устойчивость к болезням. Калий необходим культурам, чтобы справляться со стрессом, причиненным засухой, засолением, наводнением или травоядными животными.

Гадолиний — магнит или нет?

— Этот металл интересен тем, что в температурных условиях до +17°С является сильным магнитным веществом — ферромагнетиком. Его внутреннее магнитное поле многократно превосходит внешнее. По этому параметру гадолиний сравним, например, с железом и никелем. Однако при комнатной температуре, в отличие от других металлов, гадолиний теряет свою ферромагнитность. При нагревании его атомы начинают колебаться и перемещаться, что приводит к снижению магнитных свойств. Эту критическую отметку называют температурой или точкой Кюри, — объясняет Александр Юрченко.

Для сравнения: железо теряет свои магнитные свойства при 770°C, никель — 354°C, а кобальт становится парамагнетиком при 1115°C. Кстати, у соли гадолиния (например, хлорида) отметка Кюри еще ниже и составляет -272 градусов Цельсия.

Гадолиний используется в магнитно-резонансной томографии в качестве контрастирующего вещества. Он вводится человеку в виде солей металла. Кроме того, его применяют в устройствах магнитного охлаждения, которые необходимы для изучения низкотемпературных свойств жидкого гелия, квантовых явлений в твердых телах, феноменов ядерной физики.