Hva er det letteste metallet? Dens egenskaper og funksjoner. Hvorfor synker ikke jernskip? Metall som ikke synker

Et russisk-amerikansk forskerteam presenterte en revolusjonerende utvikling: ultralett aluminium som ikke synker i vann.

Kjemikere fra det russiske sørlige føderale universitetet og universitetet i Utah (USA) har utviklet en ny ultralett krystallform av aluminium. Den synker ikke i vann og kan påføres i forskjellige områder økonomi og industri. For å lage et nytt materiale ble det brukt en innovativ tilnærming ved bruk av datateknologi. Studien er rapportert av Science Daily.

Professor Alexander Boldyrev fra University of Utah og kolleger fra Sør føderalt universitet omstrukturert vanlig aluminium på molekylært nivå. For dette brukte spesialistene datamodellering og "monterte" et nytt krystallgitter.

Boldyrev forklarer: teamet hans jobbet med et diamantkrystallgitter. Tar strukturen som grunnlag, forskere erstattet hvert karbon aluminium tetraeder.
Resultatet er en ny metastabil form av det letteste aluminiumet. Tettheten – 0,61 gram per kubikkcentimeter (til sammenligning: vanlig aluminium har en tetthet på 2,71 gram per kubikkcentimeter).
Dette betyr at aluminium med en ny krystallinsk form vil flyte på vannoverflaten hvis tetthet er ett gram per kubikkcentimeter.

Denne eiendommen åpner gigantiske muligheter for bruk av et nytt metall - et relativt billig og lett å produsere paramagnetisk motstandsdyktig mot korrosjon. Rombygging, medisin, elektronikk, bilindustri er bare noen av områdene som ultralett aluminium vil finne anvendelse, er forfatterne av arbeidet sikre. Det er sant at de fortsatt må teste nytt materiale under forskjellige forhold, først og fremst - for å sjekke styrken.

Ordet "metall" er ofte assosiert med tyngde. Dette er langt fra tilfelle. Alle metaller har veldig forskjellige egenskaper. Noen av dem er så lette at de ikke en gang synker i vann. Hva er det letteste metallet? Hva er dens egenskaper? La oss finne det ut.

De letteste metaller i verden

Metaller som har lav tetthet kalles lys. Dette er på ingen måte en sjelden forekomst. Stoffer med slike egenskaper utgjør omtrent 20% av massen av jordskorpen. De blir aktivt utvunnet og mye brukt i industrien.

Det letteste metallet er litium. I tillegg til den laveste atommassen, har den også den laveste tettheten, som er to ganger lavere enn for vann. Etter litium er kalium, natrium, aluminium, rubidium, cesium, strontium, etc. Titan, som har høyest styrke blant metaller, er blant dem.

Aluminium har også letthet og styrke. I jordskorpen er den den tredje vanligste. Inntil folk lærte å få det industrielt, var metallet dyrere enn gull. I dag kan man kjøpe et kilo aluminium for rundt $ 2. Den brukes både i rakett og militærindustrien, samt i produksjon av matfolie og kjøkkenartikler.

Litium

Litium er i den første gruppen i det periodiske elementet. Det er nummer 3, etter hydrogen og helium, og har den minste atommassen av alle metaller. Et enkelt stoff - litium, under normale forhold har en sølvhvit farge.

Det er det letteste alkalimetallet med en tetthet på 0,534 g / cm³. På grunn av dette flyter den ikke bare i vann, men også i parafin. Paraffin, bensin, mineraloljer eller petroleumeter brukes vanligvis til lagring. Litium er veldig mykt og smidig og kan enkelt kuttes med en kniv. For å smelte dette metallet må det varmes opp til en temperatur på 180,54 ° C. Det koker bare ved 1340 ° C.

Det er bare to stabile isotoper av metall i naturen: Litium-6 og Litium-7. I tillegg til dem er det 7 kunstige isotoper og 2 atomisomerer. Litium er et mellomprodukt i omdannelsen av hydrogen til helium, og deltar dermed i dannelsen av stjernenergi.

Reaksjoner med litium

Gitt sin alkaliske natur, kan det antas at den er veldig aktiv. Imidlertid er metall det roligste medlemmet i gruppen. Ved normal romtemperatur reagerer litium svakt med oksygen og mange andre stoffer. Den viser sin "stormfulle disposisjon" etter oppvarming, deretter reagerer den med syrer, forskjellige gasser og baser.

I motsetning til andre alkalimetaller reagerer den forsiktig med vann for å danne hydroksid og hydrogen. Det er praktisk talt ingen reaksjon med tørr luft. Men hvis det er vått, reagerer litium sakte med gassene og danner nitrid, karbonat og hydroksid.

Ved visse temperaturer er det letteste metallet aktivt med ammoniakk, etylalkohol, halogener, hydrogen, karbon, silisium og svovel.

Litiumlegeringer

Egenskapene til litium øker de individuelle kvalitetene til metaller, og det er derfor det ofte brukes i legeringer. Dens reaksjon med oksider, hydrogen, sulfider er nyttig. Ved oppvarming danner den uoppløselige forbindelser med dem, som lett kan fjernes fra smeltede metaller ved å rense dem fra disse stoffene.

For å gjøre legeringen motstandsdyktig mot korrosjon og plastisitet, blandes den med magnesium og aluminium. Kobberlegert med den blir tettere og mindre porøs, leder elektrisitet bedre. Det letteste metallet øker hardheten og duktiliteten til bly. Ved å gjøre det øker det smeltepunktet til mange stoffer.

Takket være litium blir metallet sterkt og motstandsdyktig mot ødeleggelse. Imidlertid tynger det dem ikke. Det er derfor legeringer basert på den brukes i romteknikk og luftfart. Hovedsakelig brukes blandinger med kadmium, kobber, skandium og magnesium.

Å være i naturen og mening

Det letteste metallet har omtrent 30 mineraler av seg selv, men bare 5 av dem brukes i industrien: pentalitt, amblygonitt, lepidolit, zinnwalditt og spodumen. I tillegg finnes den i saltvann. Totalt inneholder jordskorpen 0,005% av dette metallet.

Store industrielle reserver av litium finnes på alle kontinenter. Den utvinnes i Brasil, Australia, Sør-Afrika, Canada, USA og andre land. Deretter brukes den i elektronikk, metallurgi, lasermaterialer, kjernekraft og til og med medisin.

I kroppen vår finnes den i lever, blod, lunger, bein og andre organer. Mangel på litium fører til forstyrrelser i nervesystemets og hjernens funksjon. Det øker kroppens motstand mot sykdom, aktiverer aktiviteten til enzymer. Ved hjelp av det bekjemper de Alzheimers sykdom, psykiske lidelser, sklerose og forskjellige avhengigheter.

Toksisitet

Til tross for den viktige biologiske rollen som litium spiller i kroppen vår, kan det være farlig. Det letteste metallet er giftig nok og kan forårsake forgiftning. Ved brenning fremkaller det irritasjon og hevelse i slimhinnene. Hvis et stykke helt metall kommer på dem, skjer det samme.

Litium skal ikke håndteres uten hansker. Det kan lett forårsake forbrenning ved å samhandle med fuktighet i luften eller fuktighet i huden. Du må være enda mer forsiktig med smeltet metall, ettersom dets aktivitet øker betydelig. Når du jobber med det, må du huske at det er alkali. Du kan redusere effekten på huden med vanlig eddik.

I kroppen øker litium immunforsvarets motstand og forbedrer nervesystemets funksjon. Men overskuddet er ledsaget av svimmelhet, døsighet, tap av appetitt. Metallforgiftning fører til redusert libido, muskelsvakhet og vektøkning. I dette tilfellet kan syn, hukommelse forverres og koma kan oppstå. Arbeid alltid med litium med hansker, beskyttelsesdrakt og vernebriller.

Denis Zelenov bidro til å gjennomføre. 10 år.

Om sommeren svømte Denis på Volgo-Don-kanalen. Så på store skipmens de går kanalen, stiger og faller i låskammeret. Og jeg tenkte: hva tillater dem ikke bare å holde seg på vannet, men også å bære tunge laster?

Hvorfor kan skip gå på vann?

Det er flere grunner.

1. Tetthet

Test 1

Vi vet alle at hvis du kaster det i vannet trebrett, så vil den ligge på overflaten, men en metallplate samme størrelse begynner umiddelbart å synke.

Hvorfor skjer dette? Dette bestemmes ikke av gjenstandens vekt, men av dens tetthet. Tetthet er massen av et stoff som finnes i et bestemt volum.

Test 2

Vi tok kuber av samme størrelse 70x40x50 mm fra forskjellige materialer - metall, tre, stein og skum og veide dem. Og vi så at kubene har forskjellige vekter og derfor forskjellige tettheter.

Kubvekt fra:

stein –264gr.,
skum - 3 gr.,
metall - 1020 gr.,
tre - 70 gr.

Fra dette ble det konkludert med at det tetteste materialet i kubene er metall, deretter stein, tre og skum.

Test 3

Hva skjer hvis disse terningene dyppes i vann? Som det kan sees av erfaring druknet stein og metall - dens tetthet er større enn tettheten av vann, men skum og tre ikke - densiteten er mindre enn vannet. Dette betyr at ethvert objekt vil flyte hvis tettheten er mindre enn tettheten av vann.

Derfor må skipet, for å holde det på vannet, være laget slik at dets tetthet er mindre enn vannets. Anta at du lager det av et materiale som har en tetthet som er lavere enn for vann og ikke synker - for eksempel tre. Fra historien vet vi at det var fra tre mennesket først laget flåter, og deretter båter, ved å bruke eiendommen til tre - oppdrift.

I dag ser vi mange skip laget av metall, men de synker ikke. Årsaken er at kroppen deres er fylt med luft. Luft er mye mindre tett enn vann. Skipet danner så å si en total tetthet av luft og metall. Som et resultat blir den gjennomsnittlige tettheten til skipet, sammen med det enorme volumet av luft i skroget, mindre enn tettheten av vann. Derfor synker ikke et tungt skip. La oss bekrefte dette med erfaring.

Test 4

Vi legger et flatt metallplate i vannet - det synker umiddelbart, og ethvert fartøy med sider forblir flytende - det dannes en oppdriftsreserve. Du kan til og med legge en belastning der.

Livreddende utstyr fungerer også: en vest eller en sirkel som brukes av en person. Med deres hjelp er det mulig å holde seg flytende til redningsmennene kommer.

2. Utkastskraft

I tillegg virker en flytende kraft på en kropp nedsenket i vann. På figuren ser vi at trykkrefter virker på kroppen fra alle sider:

Styrker som handler i horisontal retning, dvs. ombord på fartøyet, avbryter hverandre hverandre. Trykket på bunnen - på bunnen, overstiger trykket på toppen. Dette skaper en oppdriftskraft.

Dette ses tydelig fra følgende erfaring.

Opplev 5

En ball med luft inne, nedsenket i vann, flyr ut med kraft.

Dette virker på ballen med en kraftig kraft (Archimedes styrke). Hun holder deretter skipet flytende og lar skipet flyte.

1-Vedlikeholdskrefter; 2-vanntrykk om bord

Hva avhenger oppdriftskraftens virkning?

Den første - dette er på skipets volum og det andre - på tettheten av vannet der skipet flyter. Denne kraften er jo større, jo større er volumet av den nedsenket kroppen. La oss sjekke det med erfaring.

Test 6

Vi legger en liten vekt på det flytende brettet - de synker. Men volumet på en oppblåsbar båt er mye større, og den tåler til og med flere mennesker.

Sekund - Oppdriftskraften endres med økende vanntetthet. Tettheten til vannet kan økes hvis det er sterkt saltet.

La oss bevise dette ved følgende eksperiment.

), sammen med spesialister fra Polytechnic School of Engineering ved New York University, laget en ny metallkompositt som er så lett at den kan flyte på vann og ikke synke.

En kompositt med en magnesiumlegeringsmatrise er det såkalte syntaktiske skummet - en type komposittmateriale laget ved å fylle en metall-, polymer- eller keramisk matrise med hule partikler. I i dette tilfellet Magnesiumlegeringsmatrisen er fylt med hule silisiumkarbidpartikler utviklet av DST. Det vil si at det er en slags metallskum.

Forskere hevder at resultatet er verdens letteste syntaktiske skum med en metallmatrise. "Skum" -strukturen gjør at materialet har en tetthet på 0,92 gram per kubikkcentimeter, som er mindre enn vann, slik at materialet kan holdes på overflaten av væsken og ikke synke.

De ekstremt holdbare silisiumkarbidkulene tåler et trykk på over 1 757,6 kilo kraft per kvadratcentimeter. Slike kuler kan også gi støtmotstand ved å fungere som energidempere.

Hvis du endrer antall kuler som legges til matrisen, kan kompositten få andre egenskaper som kan tilpasses avhengig av formålet med bruken.

I fremtiden kan slikt materiale brukes til bygging av sjøfartøyer som vil forbli flytende selv etter skader på skroget. I tillegg er materialet tett nok til at et fartøy laget av det tåler de tøffe havforholdene.

Materialet kan også skryte av varmebestandighet, noe som gjør det til et levedyktig alternativ til de lette polymermatrisekomposittene som har vært fokus for mye forskning innen i fjor og ble brukt til å lage komponenter til skip og biler (i stedet for tyngre metallbaserte komponenter).

"Dette ny utvikling innen komposittmaterialer er det et veldig lett materiale som igjen vil gjøre det mulig å komme tilbake til produksjon av komponenter av metall, - sier Nikhil Gupta, professor ved Institutt for mekanikk og romfartsteknologi, og medforfatter av studien. "Metallers evne til å motstå høyere temperaturer kan være en stor fordel hvis komponentene er laget for motoren eller må komme i kontakt med eksosgasser."

Blant noen potensielle bruksområder av materialet, ikke bare foringen på bunnen av skipet, men også, ifølge skaperne, vil det være nyttig for fremstilling av bildeler, flytende kjøretøy og rustning for militære kjøretøyer. Det siste eksemplet forklarer hvorfor DST utvikler seg med støtte fra US Army Research Laboratory.

Ifølge utviklerne vil prototyper av enheter fra det nye materialet testes i løpet av de neste tre årene.

For detaljer, se en vitenskapelig artikkel publisert i Journal of Impact Engineering.