Происхождение и использование термина

Тяжелость встречающихся в природе металлов, таких как золото , медь и железо, могла быть замечена еще в доисторические времена и, в свете их пластичности , привела к первым попыткам изготовления металлических украшений, инструментов и оружия. Все металлы, открытые с тех пор до 1809 года, имели относительно высокую плотность; их тяжесть считалась исключительно отличительным критерием.

С 1809 года были выделены легкие металлы, такие как натрий, калий и стронций . Их низкая плотность бросила вызов общепринятому мнению, и было предложено называть их металлоидами (что означает «напоминающие металлы по форме или внешнему виду»). Это предложение было проигнорировано; новые элементы были признаны металлами, а затем термин «металлоид» использовался для обозначения неметаллических элементов, а позднее — элементов, которые было трудно описать как металлы или неметаллы.

Термин «тяжелый металл» впервые был использован в 1817 году, когда немецкий химик Леопольд Гмелин разделил элементы на неметаллы, легкие и тяжелые металлы. Легкие металлы имели плотность 0,860–5,0 г / см 3 ; тяжелые металлы 5.308–22.000. Позднее этот термин стал ассоциироваться с элементами с высоким атомным весом или высоким атомным номером. Иногда его используют как синонимы с термином « тяжелый элемент» . Например, обсуждая историю ядерной химии , Маги отмечает, что когда-то считалось, что актиниды представляют новую группу переходных тяжелых элементов, в то время как Сиборг и его сотрудники «отдавали предпочтение . серии тяжелых металлов, подобных редкоземельным элементам . » . Однако в астрономии тяжелый элемент — это любой элемент тяжелее водорода и гелия .

Критика

В 2002 году шотландский токсиколог Джон Даффус проанализировал определения, использованные за предыдущие 60 лет, и пришел к выводу, что они настолько разнообразны, что фактически лишают этот термин смысла. Наряду с этим открытием, статус тяжелых металлов для некоторых металлов иногда ставится под сомнение на том основании, что они слишком легкие, или участвуют в биологических процессах, или редко представляют опасность для окружающей среды. Примеры включают скандий (слишком легкий); ванадий в цинк (биологические процессы); и родий , индий и осмий (слишком редко).

Популярность

Несмотря на сомнительное значение, термин « тяжелый металл» регулярно появляется в научной литературе. Исследование 2010 года показало, что он все чаще используется и, похоже, стал частью языка науки. Считается, что это приемлемый термин, учитывая его удобство и известность, если он сопровождается строгим определением. Двойники тяжелых металлов, легких металлов , упоминаются Обществом минералов, металлов и материалов как «алюминий, магний , бериллий , титан, литий и другие химически активные металлы».

Биологическая роль

Для определенных биологических процессов требуются следовые количества некоторых тяжелых металлов, в основном в период 4. Это железо и медь ( перенос кислорода и электронов ); кобальт ( сложные синтезы и клеточный метаболизм ); цинк ( гидроксилирование ); ванадий и марганец ( регуляция или функционирование ферментов ); хром ( утилизация глюкозы ); никель ( рост клеток ); мышьяк (метаболический рост у некоторых животных и, возможно, у людей) и селен ( антиоксидантное действие и выработка гормонов ). Периоды 5 и 6 содержат меньше основных тяжелых металлов, что согласуется с общей закономерностью, согласно которой более тяжелые элементы, как правило, менее распространены, а более дефицитные элементы с меньшей вероятностью будут необходимы с точки зрения питания. В период 5 , молибден необходим для катализа в окислительно — восстановительных реакциях; кадмий используется некоторыми морскими диатомовыми водорослями с той же целью; и олово может потребоваться для роста некоторых видов. В период с 6 , вольфрама требует некоторого архей и бактерий для метаболических процессов . Дефицит любого из этих 4–6 основных тяжелых металлов может повысить восприимчивость к отравлению тяжелыми металлами (наоборот, избыток также может иметь неблагоприятные биологические эффекты ). В среднем в теле человека 70 кг содержится около 0,01% тяжелых металлов (

7 г, что эквивалентно весу двух сушеных горошек, с содержанием железа 4 г, цинка 2,5 г и свинца 0,12 г, включая три основных компонента) 2. % легких металлов (

1,4 кг, вес бутылки вина) и почти 98% неметаллов (в основном вода ).

Было обнаружено, что некоторые несущественные тяжелые металлы обладают биологическим действием. Галлий , германий (металлоид), индий и большинство лантаноидов могут стимулировать метаболизм, а титан способствует росту растений (хотя он не всегда считается тяжелым металлом).

Токсичность

Часто считается, что тяжелые металлы очень токсичны или вредны для окружающей среды. Некоторые из них являются токсичными, а некоторые другие токсичны только в том случае, если их принимать в избытке или встречаться в определенных формах. Вдыхание некоторых металлов в виде мелкой пыли или, чаще всего, в виде паров, также может вызвать состояние, называемое лихорадкой от дыма металла .

Экологические тяжелые металлы

Хром, мышьяк, кадмий, ртуть и свинец обладают наибольшим потенциалом причинения вреда из-за их широкого использования, токсичности некоторых их комбинированных или элементарных форм и их широкого распространения в окружающей среде. Шестивалентный хром , например, очень токсичен, как и пары ртути и многие соединения ртути. Эти пять элементов имеют сильное сродство с серой; в организме человека они обычно связываются через тиоловые группы (–SH) с ферментами, отвечающими за контроль скорости метаболических реакций. Образовавшиеся связи сера-металл препятствуют правильному функционированию задействованных ферментов; здоровье человека ухудшается, иногда со смертельным исходом. Хром (в его шестивалентной форме) и мышьяк являются канцерогенами ; кадмий вызывает дегенеративное заболевание костей ; а ртуть и свинец повреждают центральную нервную систему .

Свинец является наиболее распространенным загрязнителем тяжелых металлов. Уровни в водной среде индустриальных обществ, по оценкам, в два-три раза выше, чем доиндустриальные уровни. В качестве компонента тетраэтилсвинца , (CH
₃ CH
₂ )
₄ Pb , он широко использовался в бензине в 1930-1970-е годы. Хотя к 1996 году использование этилированного бензина в Северной Америке в значительной степени прекратилось, в почвах рядом с дорогами, построенными до этого времени, сохраняется высокая концентрация свинца. Более поздние исследования продемонстрировали статистически значимую корреляцию между уровнем использования этилированного бензина и насильственными преступлениями в Соединенных Штатах; с учетом 22-летнего лага (для среднего возраста жестоких преступников) кривая насильственных преступлений практически повторяет кривую воздействия свинца.

Другие тяжелые металлы, известные своей потенциально опасной природой, обычно как токсичные загрязнители окружающей среды, включают марганец (поражение центральной нервной системы); кобальт и никель (канцерогены); медь, цинк, селен и серебро ( эндокринные нарушения, врожденные нарушения или общие токсические эффекты у рыб, растений, птиц или других водных организмов); олово, как оловоорганическое (поражение центральной нервной системы); сурьма (подозреваемый канцероген); и таллий (поражение центральной нервной системы).

Важные в питательном отношении тяжелые металлы

Тяжелые металлы, необходимые для жизни, могут быть токсичными, если их принимать в избытке; некоторые имеют особенно токсичные формы. Пятиокись ванадия (V ₂ O ₅ ) канцерогена для животных и при вдыхании вызывает повреждение ДНК . Пурпурный перманганат- ион MnO —
₄ является печень и почки яд. Употребление более 0,5 грамма железа может вызвать сердечную недостаточность; такие передозировки чаще всего возникают у детей и могут привести к смерти в течение 24 часов. Карбонил никеля (Ni (CO) ₄ ) в концентрации 30 частей на миллион может вызвать дыхательную недостаточность, повреждение мозга и смерть. Употребление грамма или более сульфата меди (CuSO ₄ ) может быть фатальным; выжившие могут остаться с серьезным повреждением органов. Более пяти миллиграммов селена очень токсичны; это примерно в десять раз больше рекомендуемой максимальной суточной дозы в 0,45 миллиграмма; длительное отравление может иметь паралитические эффекты.

Другие тяжелые металлы

Некоторые другие несущественные тяжелые металлы имеют одну или несколько токсичных форм. Почечная недостаточность и летальные исходы были зарегистрированы в результате приема диетических добавок германия (всего от 15 до 300 г, потребляемых в течение периода от двух месяцев до трех лет). Воздействие четырехокиси осмия (OsO ₄ ) может вызвать необратимое повреждение глаз и может привести к дыхательной недостаточности и смерти. Соли индия токсичны при проглатывании более нескольких миллиграммов и влияют на почки, печень и сердце. Цисплатин (PtCl ₂ (NH ₃ ) ₂ ), который является важным лекарством, используемым для уничтожения раковых клеток , также является ядом для почек и нервов. Соединения висмута при приеме в избытке могут вызвать повреждение печени; нерастворимые соединения урана, а также опасное излучение, которое они излучают, могут вызвать необратимое повреждение почек.

Источники воздействия

Тяжелые металлы могут ухудшать качество воздуха, воды и почвы и впоследствии вызывать проблемы со здоровьем у растений, животных и людей, когда они становятся концентрированными в результате промышленной деятельности. Общие источники тяжелых металлов в этом контексте включают горнодобывающие и промышленные отходы; выбросы транспортных средств; моторное масло; топливо, используемое на судах и тяжелой технике; строительные работы; удобрения; пестициды; краски ; красители и пигменты; ремонт; незаконное размещение строительного мусора и строительного мусора; мусорный контейнер с открытым верхом; сварка, пайка и пайка; обработка стекла; бетонные работы; ; дорожные работы; использование вторсырья; Металлические проекты своими руками; сжигание кузнечной бумаги ; открытое сжигание мусора в сельской местности; загрязненная система вентиляции; пищевые продукты, загрязненные окружающей средой или упаковкой; вооружение; свинцово-кислотные батареи ; площадка по переработке электронных отходов; и обработанная древесина ; старение инфраструктуры водоснабжения ; и микропластик, плавающий в Мировом океане. Недавние примеры загрязнения тяжелыми металлами и рисков для здоровья включают возникновение болезни Минамата в Японии (1932–1968; судебные процессы продолжаются с 2016 года); Bento Rodrigues дамба бедствие в Бразилии, высокие уровни содержания свинца в питьевой воды , подаваемой жителям Флинт , штат Мичиган, на северо-востоке Соединенных Штатов и 2015 Гонконг тяжелых металлов в питьевой воды инцидентов .

Формирование, численность, возникновение и добыча

0,000 001 частей на миллион)

Тяжелые металлы вплоть до железа (в периодической таблице) в основном производятся посредством звездного нуклеосинтеза . В этом процессе более легкие элементы от водорода до кремния претерпевают последовательные реакции синтеза внутри звезд, выделяя свет и тепло и образуя более тяжелые элементы с более высокими атомными номерами.

Более тяжелые тяжелые металлы обычно не образуются таким образом, поскольку реакции синтеза с участием таких ядер будут потреблять, а не выделять энергию. Скорее, они в значительной степени синтезируются (из элементов с более низким атомным номером) путем захвата нейтронов , причем двумя основными режимами этого повторяющегося захвата являются s-процесс и r-процесс . В s-процессе (s означает «медленный») сингулярные захваты разделены годами или десятилетиями, что позволяет менее стабильным ядрам бета-распад , в то время как в r-процессе («быстром») захваты происходят быстрее, чем ядра могут распадаться. Следовательно, s-процесс идет более или менее ясным путем: например, стабильные ядра кадмия-110 последовательно бомбардируются свободными нейтронами внутри звезды до тех пор, пока они не образуют ядра кадмия-115, которые являются нестабильными и распадаются с образованием индия-115 (который почти стабильный, с периодом полураспада В 30 000 раз старше Вселенной). Эти ядра захватывают нейтроны и образуют нестабильный индий-116, который распадается с образованием олова-116 и так далее. Напротив, в r-процессе такого пути нет. S-процесс останавливается на висмуте из-за коротких периодов полураспада следующих двух элементов, полония и астатина, которые распадаются на висмут или свинец. R-процесс настолько быстр, что может пропустить эту зону нестабильности и перейти к созданию более тяжелых элементов, таких как торий и уран.

Тяжелые металлы конденсируются на планетах в результате звездной эволюции и процессов разрушения. Звезды теряют большую часть своей массы, когда она выбрасывается в конце своей жизни, а иногда и после этого в результате слияния нейтронных звезд , тем самым увеличивая содержание элементов тяжелее гелия в межзвездной среде . Когда гравитационное притяжение заставляет эту материю объединяться и коллапсировать, образуются новые звезды и планеты .

Земная кора состоит примерно из 5% тяжелых металлов по весу, из которых 95% составляет железо. Остальные 95% корки составляют легкие металлы (

75%). Несмотря на их общий дефицит, тяжелые металлы могут концентрироваться в экономически извлекаемых количествах в результате горообразования , эрозии или других геологических процессов .

Тяжелые металлы встречаются в основном в виде литофилов (любящие породу) или халькофилы (любящие руду). Литофильные тяжелые металлы — это в основном элементы f-блока и более реактивные из элементов d-блока . Они имеют сильное сродство к кислороду и в основном существуют в виде силикатных минералов с относительно низкой плотностью . Халькофильные тяжелые металлы — это в основном менее реакционноспособные элементы d-блока, а также металлы и металлоиды периода 4-6 p-блока . Обычно они находятся в (нерастворимых) сульфидных минералах . Будучи более плотными, чем литофилы и, следовательно, погружаясь ниже в кору во время ее затвердевания, халькофилы, как правило, менее многочисленны, чем литофилы.

Напротив, золото — сидерофил или элемент, любящий железо. Он не образует легко соединений ни с кислородом, ни с серой. Во время формирования Земли , как наиболее благородный (инертный) из металлов, золото погрузилось в ядро из-за своей склонности к образованию металлических сплавов с высокой плотностью. Следовательно, это относительно редкий металл. Некоторые другие (менее) благородные тяжелые металлы — молибден, рений , металлы платиновой группы ( рутений , родий, палладий , осмий, иридий и платина), германий и олово — могут считаться сидерофилами, но только с точки зрения их первичного присутствия. в Земле (ядро, мантия и кора), а точнее в коре. В остальном эти металлы встречаются в коре в небольших количествах, главным образом в виде халькофилов (в меньшей степени в их естественной форме ).

Концентрации тяжелых металлов под коркой, как правило, выше, причем большинство из них находится в основном в железо-кремний-никелевом ядре. Платина , например, составляет приблизительно 1 часть на миллиард корки, тогда как ее концентрация в ядре считается почти в 6000 раз выше. Недавние предположения предполагают, что уран (и торий) в ядре может генерировать значительное количество тепла, которое движет тектоникой плит и (в конечном итоге) поддерживает магнитное поле Земли .

Вообще говоря, за некоторыми исключениями, литофильные тяжелые металлы могут быть извлечены из их руд с помощью электрической или химической обработки , в то время как халькофильные тяжелые металлы получают путем обжига сульфидных руд для получения соответствующих оксидов, а затем их нагревания для получения сырых металлов. Радий встречается в количествах, слишком малых для того, чтобы его можно было экономично добывать, и вместо этого он получается из отработанного ядерного топлива . Халькофильные металлы платиновой группы (МПГ) в основном встречаются в небольших (смешанных) количествах с другими халькофильными рудами. Руды , вовлеченные необходимость быть плавили , жареные, а затем выщелачивают с серной кислотой с получением остатка PGM. Это химически очищается, чтобы получить отдельные металлы в их чистых формах. По сравнению с другими металлами МПГ дороги из-за их редкости и высокой стоимости производства.

Золото, сидерофил, обычно извлекается путем растворения руды, в которой оно обнаружено, в растворе цианида . Золото образует дицианоаурат (I), например: 2 Au + H ₂ O + ½ O ₂ + 4 KCN → 2 K [Au (CN) ₂ ] + 2 KOH . В смесь добавляется цинк, который, будучи более активным, чем золото, вытесняет золото: 2 K [Au (CN) ₂ ] + Zn → K ₂ [Zn (CN) ₄ ] + 2 Au. Золото выпадает из раствора в виде шлама, отфильтровывается и плавится.

Свойства по сравнению с легкими металлами

Некоторые общие физико-химические свойства легких и тяжелых металлов сведены в таблицу. К сравнению следует относиться с осторожностью, поскольку термины «легкий металл» и «тяжелый металл» не всегда имеют однозначное определение. Также физические свойства твердости и прочности на разрыв могут широко варьироваться в зависимости от чистоты, размера зерна и предварительной обработки.

Эти свойства позволяют относительно легко отличить легкий металл, такой как натрий, от тяжелого металла, такого как вольфрам, но различия становятся менее четкими на границах. Легкие структурные металлы, такие как бериллий, скандий и титан, обладают некоторыми характеристиками тяжелых металлов, например более высокими температурами плавления; постпереходные тяжелые металлы, такие как цинк, кадмий и свинец, обладают некоторыми характеристиками легких металлов, такими как относительно мягкость, более низкая температура плавления и образование в основном бесцветных комплексов.

Использует

Тяжелые металлы присутствуют практически во всех аспектах современной жизни. Железо может быть наиболее распространенным, поскольку на него приходится 90% всех очищенных металлов. Платина может быть наиболее распространенной, поскольку считается, что она содержится в 20% всех потребительских товаров или используется для ее производства.

Некоторые общие применения тяжелых металлов зависят от общих характеристик металлов, таких как электропроводность и отражательная способность, или общих характеристик тяжелых металлов, таких как плотность, прочность и долговечность. Другие варианты использования зависят от характеристик конкретного элемента, например, от их биологической роли в качестве питательных веществ или ядов или от некоторых других конкретных атомных свойств. Примеры таких атомных свойств включают: частично заполненные d- или f-орбитали (во многих переходных, лантаноидных и актинидных тяжелых металлах), которые делают возможным образование окрашенных соединений; способность большинства ионов тяжелых металлов (таких как платина, церий или висмут) находиться в различных степенях окисления и, следовательно, действовать как катализаторы; плохо перекрывающиеся 3d или 4f орбитали (в железе, кобальте и никеле или в тяжелых металлах лантаноидов от европия до тулия ), которые вызывают магнитные эффекты; и высокие атомные номера и плотность электронов, которые лежат в основе их приложений в ядерной науке. Типичные виды использования тяжелых металлов можно в общих чертах разделить на следующие шесть категорий.

В зависимости от веса или плотности

Некоторые виды использования тяжелых металлов, в том числе в спорте, машиностроении , военных боеприпасах и ядерной науке , основаны на их относительно высокой плотности. При подводном плавании свинец используется в качестве балласта ; в скачках с гандикапом каждая лошадь должна иметь определенный вес свинца, основанный на факторах, включая прошлые выступления, чтобы уравнять шансы различных участников. В гольфе вставки из вольфрама, латуни или меди в клюшках на фервее и утюги снижают центр тяжести клюшки , облегчая подбрасывание мяча в воздух; а мячи для гольфа с вольфрамовым сердечником обладают лучшими летными характеристиками. При ловле нахлыстом тонущие лески имеют покрытие из ПВХ, заделанное вольфрамовым порошком, поэтому они тонут с необходимой скоростью. В легкоатлетическом спорте, стальные шары , используемые в метании молота и толкание событие заполнены свинцом, чтобы достичь минимального веса требуется в соответствии с международными правилами. Вольфрам использовался в шарах для метания молотов по крайней мере до 1980 г .; минимальный размер шара был увеличен в 1981 году, чтобы устранить необходимость в том, что в то время было дорогим металлом (в три раза дороже других молотов), доступным не во всех странах. Вольфрамовые молоты были настолько плотными, что слишком глубоко проникали в дерн.

В машиностроении тяжелые металлы используются для балласта лодок, самолетов и автомобилей; или в балансировочных грузах на колесах и коленчатых валах , гироскопах , гребных винтах и центробежных муфтах в ситуациях, когда требуется максимальный вес в минимальном пространстве (например, в часовых механизмах ).

Чем выше плотность снаряда, тем эффективнее он может пробить тяжелый броневой лист . Os , Ir , Pt и Re . стоят дорого . U предлагает привлекательное сочетание высокой плотности, разумной стоимости и высокой вязкости разрушения.

AM Russell, KL Lee
Соотношение структура – ​​свойство
в цветных металлах (2005, стр. 16)

В военных боеприпасах вольфрам или уран используются в броне и бронебойных снарядах , а также в ядерном оружии для повышения эффективности (путем отражения нейтронов и кратковременной задержки расширения реагирующих материалов). В 1970-х годах было обнаружено , что тантал более эффективен, чем медь, в кумулятивном заряде и противобронированном оружии, образующемся во взрывоопасных формах, из- за его более высокой плотности, что обеспечивает большую концентрацию силы и лучшую деформируемость. Менее токсичные тяжелые металлы , такие как медь, олово, вольфрам и висмут, и, вероятно, марганец (а также бор , металлоид) заменили свинец и сурьму в зеленых пулях, используемых некоторыми армиями и в некоторых боеприпасах для развлекательной стрельбы. Высказывались сомнения в безопасности (или экологичности ) вольфрама.

Поскольку более плотные материалы поглощают больше радиоактивных выбросов, чем более легкие, тяжелые металлы полезны для защиты от излучения и для фокусировки пучков излучения в линейных ускорителях и радиотерапевтических установках.

На основе прочности или долговечности

Прочность или долговечность тяжелых металлов, таких как хром, железо, никель, медь, цинк, молибден, олово, вольфрам и свинец, а также их сплавов, делает их полезными для изготовления артефактов, таких как инструменты, оборудование, бытовая техника , посуда, трубы, железнодорожные пути , здания и мосты, автомобили, замки, мебель, корабли, самолеты, монеты и украшения. Они также используются в качестве легирующих добавок для улучшения свойств других металлов. Из двух дюжин элементов, которые использовались в монетизированной мировой чеканке монет, только два, углерод и алюминий, не являются тяжелыми металлами. В ювелирных изделиях используются золото, серебро и платина, а также (например) никель, медь, индий и кобальт в цветном золоте . Недорогие украшения и детские игрушки могут быть в значительной степени изготовлены из тяжелых металлов, таких как хром, никель, кадмий или свинец.

Медь, цинк, олово и свинец являются металлами более слабыми механически, но обладают полезными антикоррозийными свойствами. Хотя каждый из них вступает в реакцию с воздухом, образующаяся патина из различных солей меди, карбоната цинка , оксида олова или смеси оксида , карбоната и сульфата свинца придает ценные защитные свойства . Поэтому медь и свинец используются, например, в качестве кровельных материалов ; цинк действует как антикоррозийное средство в оцинкованной стали ; и олово служит той же цели для стальных банок .

Технологичность и коррозионная стойкость железа и хрома повышаются за счет добавления гадолиния ; сопротивление ползучести никеля улучшается при добавлении тория. Теллур добавляют в медь ( теллур-медь ) и стальные сплавы для улучшения их обрабатываемости; и сделать его более твердым и кислотостойким.

Биологические и химические

В биоцидных эффектах некоторых тяжелых металлов известны с глубокой древности. Платина, осмий, медь, рутений и другие тяжелые металлы, включая мышьяк, используются в противораковых препаратах или показали потенциал. Сурьма (антипротозойные), висмут ( противоязвенные ), золото ( противоартритные ) и железо ( противомалярийные ) также важны в медицине. Медь, цинк, серебро, золото или ртуть используются в антисептических составах; небольшие количества некоторых тяжелых металлов используются для контроля роста водорослей, например, в градирнях . В зависимости от предполагаемого использования в качестве удобрений или биоцидов агрохимикаты могут содержать тяжелые металлы, такие как хром, кобальт, никель, медь, цинк, мышьяк, кадмий, ртуть или свинец.

Выбранные тяжелые металлы используются в качестве катализаторов при переработке топлива (например, рений), производстве синтетического каучука и волокна (висмут), устройствах контроля выбросов (палладий) и в самоочищающихся печах (где оксид церия (IV) в стенках такие духовки помогают окислять углеродистые остатки готовки). В химии мыла тяжелые металлы образуют нерастворимые мыла, которые используются в консистентных смазках , сушилках для краски и фунгицидах (кроме лития, щелочных металлов и ионов аммония, образующих растворимое мыло).

Расцветка и оптика

Цвета стекла , керамической глазури , красок , пигментов и пластмасс обычно получают путем включения тяжелых металлов (или их соединений), таких как хром, марганец, кобальт, медь, цинк, селен, цирконий , молибден, серебро, олово, празеодим , неодим , эрбий , вольфрам, иридий, золото, свинец или уран. Краски для тату могут содержать тяжелые металлы, такие как хром, кобальт, никель и медь. Высокая отражательная способность некоторых тяжелых металлов важна при создании зеркал , включая точные астрономические инструменты . Отражатели фар основаны на превосходной отражательной способности тонкой пленки родия.

Электроника, магниты и освещение

Тяжелые металлы или их соединения можно найти в электронных компонентах , электродах , проводке и солнечных панелях, где они могут использоваться как проводники, полупроводники или изоляторы. Порошок молибдена используется в чернилах для печатных плат . Титановые аноды с покрытием из оксида рутения (IV) используются для промышленного производства хлора . Домашние электрические системы, по большей части, имеют медный провод из-за его хороших проводящих свойств. Серебро и золото используются в электрических и электронных устройствах, особенно в контактных переключателях , в результате их высокой электропроводности и способности противостоять или минимизировать образование примесей на их поверхностях. Полупроводники теллурид кадмия и арсенид галлия используются для производства солнечных батарей. Оксид гафния , изолятор, используется в качестве регулятора напряжения в микрочипах ; оксид тантала , другой изолятор, используется в конденсаторах в мобильных телефонах . Тяжелые металлы использовались в батареях более 200 лет, по крайней мере, с тех пор, как Вольта изобрел свои гальванические батареи из меди и серебра в 1800 году. Прометий , лантан и ртуть — другие примеры, обнаруженные соответственно в атомных , никель-металлогидридных и кнопочных элементах. батареи.

Магниты сделаны из тяжелых металлов, таких как марганец, железо, кобальт, никель, ниобий, висмут, празеодим, неодим, гадолиний и диспрозий . Неодимовые магниты — это самый мощный из имеющихся на рынке постоянных магнитов . Они являются ключевыми компонентами, например, дверных замков автомобилей, стартеров , топливных насосов и электрических стеклоподъемников .

Тяжелые металлы используются в освещении , лазерах и светодиодах (светодиодах). Плоские дисплеи содержат тонкую пленку электропроводящего оксида индия и олова . В работе люминесцентного освещения используются пары ртути. Рубиновые лазеры генерируют темно-красные лучи, возбуждая атомы хрома; лантаноиды также широко используются в лазерах. Галлий, индий и мышьяк; а медь, иридий и платина используются в светодиодах (последние три — в органических светодиодах ).

Ядерная

Ниши тяжелых металлов с высокими атомными номерами встречаются в диагностической визуализации , электронной микроскопии и ядерной науке. В диагностической визуализации тяжелые металлы, такие как кобальт или вольфрам, составляют анодные материалы рентгеновских трубок . В электронной микроскопии тяжелые металлы, такие как свинец, золото, палладий, платина или уран, используются для создания проводящих покрытий и для введения электронной плотности в биологические образцы путем окрашивания , отрицательного окрашивания или вакуумного осаждения . В ядерной науке ядра тяжелых металлов, таких как хром, железо или цинк, иногда выстреливают по другим мишеням из тяжелых металлов для производства сверхтяжелых элементов ; тяжелые металлы также используются в качестве мишеней для расщепления для производства нейтронов или радиоизотопов, таких как астат (в последнем случае используются свинец, висмут, торий или уран).

7 самых тяжелых элементов на Земле | По атомной массе

Вы знали, что изначально в таблице Менделеева содержалась нулевая группа, в которой наравне с инертными газами стоял эфир? Хотя сегодня не об этом. 10 млн долларов – именно в такую сумму оценивается 1 грамм самого редкого в мире металла калифорния. Второе место по редкости, соответственно, и по цене, занимает осмий.

Кроме того, он еще и самый тяжелый металл в мире, хотя некоторые ученые считают, что эту позицию должен занимать иридий.

Какой металл самый тяжелый?

Чтобы определить, что тяжелее, надо сравнить атомный вес и посмотреть, что обладает более высокой плотностью. По этим показателям на сегодняшний день самыми тяжелыми считаются осмий и уступающий ему на доли кубических сантиметров иридий. Представьте: кубик осмия с восьмисантиметровыми сторонами весит почти 12 кг!

Предлагаю взглянуть на фото самого тяжелого металла:

Красавцы, не правда?

Топ-10 самых тяжелых металлов в мире

Предлагаю ознакомиться с элементами согласно их рейтингу.

Тантал

Считается редким и не очень тяжелым металлом, он обладает плотностью 16,65 г/см³. Его используют хирурги – он практически не поддается разрушению и ржавчине, легок в обработке.

Плотность урана – 19,07 г/см³. Его основное отличие от собратьев – природная радиоактивность. В процессе трансформации, которые претерпевают атомы урана, вещество превращается в другой излучающий элемент. Цепочка превращений состоит из 14 этапов, один из них – преобразование в радий, последняя стадия – образование свинца. Правда, для полного перехода урана в свинец понадобится не один миллиард лет.

Вольфрам

Вольфрам (19,25 г/см³) в шутку называют идеальным кандидатом для подделки золотых слитков. Это самый тугоплавкий материал, температура плавления приближена к фотосфере Солнца – 3422 °C. Поэтому он лучше всего подходит для спиралей в лампах накаливания.

Золото

Плотность золота – 19,3 г/см³. Мягкое, тягучее, обладающее хорошей тепло- и электрической проводимостью, оно не боится химического воздействия. Золото находится не только на поверхности Земли. В 5 раз больше его содержится в ядре планеты.

Плутоний

Этот элемент – одна из ступеней радиоактивного преобразования урана. В недрах планеты он тоже есть, но в мизерных количествах. Плотность его составляет 19,7 г/см³. Из-за своей радиоактивности плутоний всегда теплый, при этом плохо проводит ток и тепло.

Нептуний

Это еще одно детище урана, полученное в ходе ядерных реакций. Плотность – 20,25 грамм на кубический сантиметр. Нептуний довольно мягкий и ковкий материал, который медленно вступает в реакцию с воздухом и водой.

Рений

Рений – еще один тугоплавкий, ковкий, стойкий к окислению элемент. Температура плавления – 2000 °C. В общей сложности мировые запасы элемента составляют примерно 17 000 тонн. Плотность рения – 21,03 г/см³. Его используют в медицине, ювелирном деле, вакуумной технике, электронных приборах и металлургии.

Платина

Платина – хоть и не самый тяжелый металл, но довольно близок к этому – 21,45 г/см³. Она используется не только ювелирами, но и хирургами, специалистами в области инвестиций, в химической и стекольной промышленности, автомобильном деле, биомедицине и электронике. Платина исключительно вынослива, а изделия из нее трудно поцарапать. Этот элемент встречается в 30 раз реже золота.

Осмий

Плотность 22,6 г/см³ – самый тяжелый в мире металл, он твердый, но довольно ломкий. Как его ни нагревай, свой блеск и серо-голубоватый оттенок он не потеряет ни при каких условиях. Его трудно обрабатывать, в основном залегает в местах падения метеоритов.

Иридий

Разница между иридием и осмием по плотности – в сотых частях грамма. Иридий тугоплавкий, относится к редким, драгоценным. Не взаимодействует с кислотами, воздухом и водой. Применяется для контроля сварочных швов, а в палеонтологии и геологии используется в качестве индикатора слоя, сформировавшегося после падения метеорита.

Свинец и золото — самые тяжелые металлы

Так уж сложилось, что многие из нас считают свинец и золото самыми тяжелыми металлами. И лишь немногие вспоминают о существовании более тяжелых элементов, та­ких как осмий или платина, однако свинец все равно ставится в один ряд с этими веществами.

А может ли свинец претен­довать на звание тяжелейшего вещества на Земле? Нет, не может, его плотность слишком мала для этого, но обо всем по порядку.

Каждое вещество имеет определенную плотность, то есть отношение массы к занимаемому этой массой объему. И чем больше массы вещества «помещается» в определенный объем пространства, тем это вещество плотнее. Мы можем определить плотность по тяжести — чем плотнее вещество, тем оно тяжелее на ощупь. Интересно, что разброс плотностей веществ в нашем мире огромен — от сотни граммов до двух с лишним десятков тонн в одном кубическом метре. Но нас сейчас интересуют тяжесть золота и свинца, а также их положение на шкале плотности всех известных нам элементов.

Если составить список металлов согласно их плотности (рас­сматриваются металлы, так как именно они (за редким ис­ключением) являются самыми плотными среди всех веществ), то первые десять позиций будут следующими (начиная с самого тяжелого): осмий (22,61 г/см3), иридий (22,57 г/см3), платина (21,46 г/см3), рений (21,02 г/см3), нептуний (20,45 г/см3), плуто­ний (19,84 г/см3), золото (19,28 г/см3), вольфрам (19,25 г/см3), уран (18,95 г/см3) и тантал (16,65 г/см3).

А где же свинец?! Он находится почти на двадцатой строчке нашего списка, так как его плотность —11,34 г/см3 — в два раза меньше, чем плотность самых тяжелых металлов. А чтобы понять, насколько эти метал­лы тяжелы, можно вспомнить, что кубический сантиметр сосны, березы, липы или осины имеет массу около половины грамма — почти в 50 раз меньше, чем самые плотные из металлов!

В списке указано, что самым плотным металлом является осмий, а с небольшим отставанием за ним следует иридий, и этой точки зрения сейчас придерживается официальная наука. Однако необходимо внести некоторую ясность, так как плот­ность этих двух металлов в значительной степени зависит от того, как проводить измерения.

Каждый элемент во Вселенной состоит из нескольких изото­пов — совершенно одинаковых по химическим свойствам ато­мов, отличающихся лишь внутренним строением ядра и мас­сой. В ядрах изотопов одного элемента (в переводе с греческого изотопы — «занимающие одно место»: isos — «одинаковый» и topos — «место») находится одинаковое количество протонов, а вот число нейтронов может изменяться. Именно из-за разного количества нейтронов меняется и плотность изотопов одного вещества, эта разница ничтожна, но при больших объемах может быть весьма ощутима. Например, у того же осмия на­считывается 7 изотопов, среди которых один является радио­активным.

В связи с этим необходимо оговаривать, в каких пропорциях в данном элементе находятся различные его изотопы. В частно­сти, 1 кг металлического осмия содержит в себе около 410 грам­мов осмия-192, 264 грамма осмия-190, 161 грамм осмия-189, 133 грамма осмия-188, 16,4 грамма осмия-187, 15,9 грамма осмия-186 и сотые доли грамма осмия-184. У иридия ситуация иная, так как известны всего два его естественных изотопа, по­этому 1 кг этого металла состоит из 627 граммов иридия-193 и 373 граммов иридия-191. Однако такое соотношение разных изотопов в одном образце наблюдается не всегда, поэтому и воз­никают проблемы с точным измерением плотности.

Это наглядно прослеживается на примере измерения плот­ностей осмия и иридия и их соперничества на звание самого тяжелого металла. Можно сказать, что плотность обоих металлов в среднем равна 26,2 г/см3, однако эти показатели могут менять­ся от 22,57 г/см3 (иридий) и 22,61 г/см3 (осмий) до 22,65 г/см3 (снова иридий). Такой разброс как раз и определяется наличием в измеряемых образцах более легких или более тяжелых изо­топов.

Однако существуют металлы, обладающие гораздо большей плотностью, чем осмий или иридий. Хотя термин «существуют» к ним подходит слабо: эти элементы получены искусственно на ускорителях, а в природе их нет. Точные значения плотностей самых тяжелых из искусственных элементов неизвестны, потому что все они нестабильны (распадаются за время от несколь­ких часов до долей секунд), а некоторые из них были получены в количестве двух-трех ядер! Поэтому приведенные ниже плотно­сти металлов являются очень приближенными и вычисленными лишь по косвенным данным.

Сиборгий (элемент № 106 в таблице Менделеева) получен в 1974 году в США; предполагают, что его плотность равна 35 г/см3. Мейтнерий (элемент № 109) синтезирован в 1982 году в Германии, по расчету, его плотность также достигает 35 г/см3. Борий (элемент № 107) сначала получен в 1976 году в СССР, а по­вторно в 1981 году в Германии. Его плотность должна достигать 37 г/см3. Дубний (элемент № 105) открыт в 1970 году в СССР, его плотность должна составлять 39 г/см3. Хассий (элемент № 108) синтезирован в 1984 году в Германии, по примерным расчетам, он должен обладать плотностью около 41 г/см3. О плотностях других искусственных элементов, полученных за последние годы, пока говорить не приходится, ведь даже ученые затрудняются хотя бы примерно оценить этот параметр.

Пока на Земле не существует более плотных веществ, чем осмий или иридий. Однако в космическом пространстве есть объ­екты, плотность которых в сотни, тысячи и миллионы раз больше. Например, вещество белых карликов (угасающих звезд, размеры которых близки к размерам Земли) может обладать плотностью от 100 кг до 1000 тонн на кубический сантиметр! Это обсто­ятельство в 1862 году поразило научную общественность (имен­но в этом году был открыт первый белый карлик — Сириус В), а объяснение этого факта было найдено лишь в 30-х годах про­шлого века.

Однако и эта плотность — не предел. Вещество нейтронных звезд обладает плотностью, превышающей 300-500 миллионов тонн на кубический сантиметр! Это даже больше, чем плот­ность атомных ядер. Но самой большой плотностью должны обладать черные дыры — в их центрах плотность стремится к бесконечности, хотя при тех условиях, что теоретически долж­ны наблюдаться в черных дырах, нельзя говорить ни о времени, ни о пространстве, ни о плотности в нашем понимании смысла этих слов…

Предыдущая статья: У человека нет ни одного органа Следующая статья: Вода кипит при 100 градусах

Характеристики самого плотного металла

Ученые сошлись во мнении, что, несмотря на практически одинаковую плотность, иридий совсем чуть-чуть уступает самому тяжелому металлу. Однако полностью физико-химические свойства этих двух элементов пока не изучены.

Редкостью и трудозатратностью добычи обусловлена стоимость осмия – в среднем от $15 000 за грамм. Он внесен в группу платиновых и условно считается благородным, однако название металла противоречит статусу: по-гречески «осме» значит «запах». Из-за высокой химической активности осмий пахнет смесью чеснока или редьки с хлором.

Температура плавления самого тяжелого металла – 3033 °C, а кипит он при 5012 °C.

Застывая из расплава, осмий образует красивые кристаллы с интересным сине- или серебристо-голубым отливом. Но, несмотря на красоту, для изготовления драгоценных аксессуаров он не подходит, так как не обладает свойствами, необходимыми ювелирам: ковкостью и пластичностью.

Элемент ценен только из-за особой прочности. Сплавы, в которые добавляют совсем малые дозы самого тяжелого металла, становятся невероятно износостойкими. Обычно им покрывают узлы, подвергающиеся постоянному трению.

История открытия

1803—1804 годы стали для самого тяжелого металла поворотными: именно в это время его открытие проходило практически в условиях соревнований.

Сначала английский химик Смитсон Теннант и его ассистент Уильям Хайд Уолластон, совершившие не одно важное открытие, обнаружили в процессе эксперимента с платиновыми рудами и азотной и соляной кислотами необычный осадок с характерным запахом и поделились своей находкой с другими.

Далее эстафету перехватили французские ученые Антуан де Фуркруа и Луи-Николя Воклен и на основе предыдущих и своих собственных исследований заявили об обнаружении нового элемента. Название ему дали «птен», что значит «летучий», так как в результате опытов они получали летучий черный дым.

Однако и Теннант не спал: он продолжал свои исследования и не упускал из виду опыты французов. В итоге Смитсон добился более конкретных результатов и в официальном документе, отправленном Лондонскому королевскому обществу, указал, что разделил птен на два родственных элемента: иридий («радуга») и осмий («запах»).

Где применяют

Список сфер применения довольно обширен: авиация, военная и ракетная техника, аэрокосмическая промышленность, медицина. Хотя производители оружия уже задумываются, чем можно заменить самый тяжелый в мире металл, так как осмий слишком трудно обрабатывать.

Почти половина мировых запасов самого тяжелого металла отдана на нужды химической промышленности. Им окрашивают живые ткани под микроскопом, обеспечивая их сохранность. Кроме того, его применяют как краситель при росписи фарфора.

Изотопы самого тяжелого металла используют для изготовления тары для хранения ядерных отходов.

А еще этот элемент используется для изготовления элитных «вечных» авторучек и часов «Ролекс».

Места природного залегания

В чистом виде осмий обнаружить практически нереально. Обычно этот тяжелый элемент встречается в соединении с иридием. Вещество содержится в месторождениях платиновых руд и на месте падения или в самих попавших на Землю метеоритах.

Что тяжелее — 1 кг ваты или 1 кг железа?

Когда этот вопрос задают маленьким детям, которым еще недоступно понятие массы, они просто игнорируют тот факт, что масса объектов одинакова, и более тяжелым назначают более плотный объект. Потому что очевидно: «железо тяжелое», а «вата лёгкая».

Когда этот же вопрос задают ученикам старшей школы и людям постарше, спрашивающий пытается уличить испытуемого в том, что тот всё еще не вышел из детского возраста. Иногда это и правда так. Но часто и сами спрашивающие не отдают себе отчета в том, что, узнав в начальной школе понятие массы, они все еще не разделяют понятия массы и веса.

Так сложилось, что в быту (и в физике XIX века) масса синонимична весу. Но, вместе с тем, масса и вес — понятия разные.

• Масса — это скалярная величина, определяющая меру инертности тела, зависящая от его плотности. В то время как вес — это сила, давящая на опору или натягивающая подвес, векторная величина. Масса измеряется в килограммах (кг). Вес измеряется в Ньютонах (Н).

Проведем мысленный эксперимент. Заменим в условии задачи вату на дерево (*) и представим взвешивание обоих объектов в какой-нибудь плотной среде. Например, в масле или в воде. Очевидно, что вес одинаковых по массе объектов будет различен, в силу того, что на объекты в разной степени будет действовать выталкивающая сила — Fa. В соответствии с законом Архимеда выталкивающая сила Fa = pgV, где p — плотность среды, кг/м3; g — ускорение свободного падения, м/с2; V — объём части тела, погружённого в среду, м3.

Г. Маззучелли, «Архимед с криком „Эврика“ бежит к царю», 1737 г. Фото: ru.wikipedia.org

(* Замена нужна, в первую очередь для наглядности, т.к. большинству людей легче представить поведение в воде дерева, чем ваты. Но это не единственная причина. Есть еще, как минимум одна, о которой речь пойдёт позже.)

Очевидно, что разной плотности объекты, обладающие одинаковой массой, будут иметь разный объем и, как следствие, разную выталкивающую силу Fa, что, в свою очередь, приведет к разному весу объектов, т.к. выталкивающая сила противоположна по направлению силе тяжести.

Закон Архимеда применим не только к жидкостям, но и к газам.

В задаче ничего не сказано о среде, в которой производится взвешивание. Но мы понимаем, что в большинстве случаев спрашивающий имеет в виду взвешивание в условиях земной атмосферы на поверхности Земли. Кто-то может сказать, что воздух недостаточно плотная среда и его влиянием можно пренебречь. Но, во-первых, в условии задачи ничего не говорится о точности взвешивания. Во-вторых, воздух является достаточно плотной средой для того, например, чтобы удерживать самолет Ан-225 «Мрия» с грузоподъёмностью более 250 тонн. Поэтому не будем его влияние преуменьшать. Но обратимся учебнику «Занимательная физика». Книга 1. Глава 5. Свойства жидкостей и газов, где Яков Перельман в главе «ТОННА ДЕРЕВА И ТОННА ЖЕЛЕЗА» всё уже за нас посчитал. (ссылка на книгу: https://allforchildren.ru/sci/perelman1−58.php)

Яков Исидорович Перельман Фото: ru.wikipedia.org

«…тонна дерева занимает гораздо больший объем, нежели тонна железа (раз в 15), … Так как тонна железа занимает объем в 1/8 куб. м, а тонна дерева — около 2 куб. м, то разность в весе вытесняемого ими воздуха должна составлять около 2,5 кг».

Таким образом, разница между 1 кг дерева и 1 кг железа составит примерно 25 граммов. Очевидно, что если вместо дерева будет вата, то эта разница возрастет. Много это или мало — решать вам.

Но значит ли это, что железо будет весить больше дерева? Голосом Майкла Стивенса из «Vsauce»: «Не-е-ет!»

Точнее, не всегда. Перельман оперирует понятием «истинный вес»:

«Каждое тело в воздухе „теряет“ из своего веса столько, сколько весит вытесненный телом объем воздуха. Дерево и железо тоже, конечно, теряют в воздухе часть своего веса. Чтобы получить истинные их веса, нужно потерю прибавить. Следовательно, истинный вес дерева в нашем случае равен 1 тонне + вес воздуха в объеме дерева; истинный вес железа равен 1 тонне + вес воздуха в объеме железа».

Речь о том, что различают истинный вес — вес тела, измеренный в вакууме, и кажущийся вес (англ. apparent weight).

Таким образом, если мы говорим именно об «истинном весе», мы должны были бы сказать:

«истинный вес того дерева, которое в воздухе весит тонну, больше истинного веса того железа, которое весит в воздухе также одну тонну» (Я. Перельман).

Тут важно понимать, что пример, который приводит Перельман — это отчасти шутка, цель которой перевернуть ситуацию таким образом, чтобы уже не вы, но задающий вопрос оказался в неудобном положении.

«Общеизвестен шуточный вопрос: что тяжелее — тонна дерева или тонна железа? Не подумавши, обыкновенно отвечают, что тонна железа тяжелее, вызывая дружный смех окружающих. Шутники, вероятно, еще громче рассмеются, если им ответят, что тонна дерева тяжелее, чем тонна железа».

В строгом смысле по законам физики этот ответ можно считать верным. Но действительно ли, задавая вопрос, что тяжелее — «N-ная масса дерева или N-ная масса железа?», мы имеем в виду их «истинный вес»? Нет. Как правило, нас как раз интересует «кажущийся вес» (apparent weight). Например, мы купаемся в море и нас интересует, что нам легче будет поднять в воде: объем массы железа или такой же объем массы дерева — это «apparent weight».

Некоторые физики и вовсе считают, что понятие «вес» в физике не является необходимым. Если вес — это сила, то достаточно просто понятия «сила», а такое понятие, как «вес», является избыточным

В.Г. Зубов. Механика. М.: Наука, 1978., § 71, с. 176: «В механике понятие веса является совершенно лишним. Но так как это слово простое, привычное, то им часто пользуются».

Не будем углубляться в терминологию. Нам достаточно того, что наш «вес» соответствует термину «apparent weight» в англоязычных источниках, а «weight» — нашей «силе тяжести».

Нам, в рамках решения нашей задачи, важно понимать следующее:

1. Следует различать такие понятия, как «масса» и «вес».
2. Тела одинаковой массы, но разной плотности не будут весить одинаково в плотной среде.
3. Следует различать такие понятия, как «истинный вес» (вес в вакууме) и «кажущийся вес» (вес с учетом влияния среды).

Но если вы думаете, что здесь (наши полномочия — всё!) наши злоключения заканчиваются, то нет. Помните, когда мы меняли вату на дерево, то указали только одну причину, почему это делаем? Пришло время поговорить и о следующей.

Если в данной задаче мы используем для сравнения такие материалы как, например, пух (вата в меньшей степени, но и ваты это тоже касается), перед нами встает необходимость различать, такие понятия, как «насыпная плотность» и «плотность материала». Плотность одной пушинки и плотность горы пуха — понятия не тождественные. Вата, конечно, имеет какую-то определенную плотность. Но в обсуждении этой темы я постоянно сталкивался с размышлениями о том, до какого объема можно ужимать вату, чтобы это все еще могло называться ватой? Чтобы подобных дискуссий избежать, проще отказаться от ваты, заменив ее, например, деревом.

Но и это не всё! С железом тоже не всё однозначно. Дело в том, что если взвешивание мы проводим на Земле, то нужно учитывать, что наша планета — это огромный магнит. И магнитное поле Земли по-разному будет влиять на металл и на дерево.

Гравитационные аномалии Земли по данным проекта «GRACE» Фото: ru.wikipedia.org

Также можно, например, вспомнить о том, что ускорение свободного падения (g) — разное в разных частях планеты (разница на полюсах и экваторе может составлять 0,04 м/с²). Также можно заявить, что мы не учитываем скорость вращения Земли и центробежные силы, при этом возникающие. Не учитываем высоту над уровнем моря или геометрию взвешиваемых объектов, которая тоже может иметь значение. Лист железа можно раскатать в фольгу большой площади, а вату (или дерево) оформить в высокий цилиндр. Атмосферный столб будет воздействовать на объекты с разной геометрией по-разному. Все эти (и не только эти) факторы действительно имеют место, мы помним о них, но пренебрегаем ими, как незначительными.

Давайте на этом все-таки остановимся. Если вы дочитали до этого места — вы мой герой!

Хотелось бы отметить, что это, пожалуй, самая полная и развернутая попытка ответить на вынесенный в заголовок вопрос. Все вышеизложенные точки зрения, разумеется, есть в разных статьях и учебниках по физике и механике, но такого, чтобы кто-то попытался собрать все это в отдельную статью, я не нашел.

Представим себя на месте очередной девочки Вики, которая не может ответить на вопрос: «Что тяжелее — 1 кг ваты или 1 кг железа?»

Оказавшись на месте Вики, как нам отвечать? Да, в принципе, как угодно!

1. Можно отвечать, что вопрос поставлен не настолько корректно, чтобы на него вообще можно было однозначно ответить. Не оговорены условия, при которых должно происходить взвешивание и точность измерений.
2. Можем отвечать, что 1 кг железа и 1 кг ваты будут весить одинаково, т.к. влияние условий и среды настолько незначительны, что ими можно пренебречь. (Да, это не всегда справедливо. Но мы же помним, что конкретные условия взвешивания и точность измерений в вопросе не оговариваются.)
3. Можем отвечать, что вата будет тяжелей, если речь идет об «истинном весе», и давать вопрошающим ссылку на учебник Я. Перельмана.
4. Можем отвечать, что железо тяжелей, если речь идет о «кажущемся весе» (apparent weight), и давать ссылку, например, на эту статью.
5. Или же можете ошарашить спрашивающего встречным вопросом: «До какого предела можно, например, ужимать вату? И если ужать вату так, что её плотность превысит плотность железа, будет ли это считаться?»

Суть, думаю, вы поняли. Любой из предложенных ответов будет правильным. Главное, чтобы вы смогли доказать — почему.

К активным металлам относятся. Самый активный металл

Наиболее химически активные металлы стоят в ряду активности до водорода, причем, чем левее расположен металл, тем он активнее. Металлы, занимающие в ряду активности, место после водорода считаются неактивными.

Алюминий представляет собой серебристо-белого цвета. Основные физические свойства алюминия – легкость, высокая тепло- и электропроводность. В свободном состоянии при пребывании на воздухе алюминий покрывается прочной пленкой оксида Al2O3, которая делает его устойчивым к действию концентрированных кислот.

Положение в таблице Менделеева

Металлические свойства элементов ослабевают слева направо в периодической таблице Менделеева. Поэтому наиболее активными считаются элементы I и II групп.

Рис. 1. Активные металлы в таблице Менделеева.

Все металлы являются восстановителями и легко расстаются с электронами на внешнем энергетическом уровне. У активных металлов всего один-два валентных электрона. При этом металлические свойства усиливаются сверху вниз с возрастанием количества энергетических уровней, т.к. чем дальше электрон находится от ядра атома, тем легче ему отделиться.

Наиболее активными считаются щелочные металлы:

• литий;
• натрий;
• калий;
• рубидий;
• цезий;
• франций.

К щелочноземельным металлам относятся:

• бериллий;
• магний;
• кальций;
• стронций;
• барий;
• радий.

Узнать степень активности металла можно по электрохимическому ряду напряжений металлов. Чем левее от водорода расположен элемент, тем более он активен. Металлы, стоящие справа от водорода, малоактивны и могут взаимодействовать только с концентрированными кислотами.

Рис. 2. Электрохимический ряд напряжений металлов.

К списку активных металлов в химии также относят алюминий, расположенный в III группе и стоящий левее водорода. Однако алюминий находится на границе активных и среднеактивных металлов и не реагирует с некоторыми веществами при обычных условиях.

Это интересно: Что называют ветром и от чего зависит его сила? Какова главная причина образования ветра?

Что мы узнали?

К активным металлам относятся элементы I и II групп – щелочные и щелочноземельные металлы, а также алюминий. Их активность обусловлена строением атома – немногочисленные электроны легко отделяются от внешнего энергетического уровня. Это мягкие лёгкие металлы, быстро вступающие в реакцию с простыми и сложными веществами, образуя оксиды, гидроксиды, соли. Алюминий находится ближе к водороду и для его реакции с веществами требуются дополнительные условия – высокие температуры, разрушение оксидной плёнки.

ХимияЗакон постоянства состава вещества – практическое значение, формула (химия 8 класс)

Положение активных металлов в таблице Менделеева

К активным металлам относятся три группы элементов:

• щелочные металлы;
• щелочноземельные металлы;
• алюминий.

Щелочные металлы находятся в первой группе таблицы Менделеева, то есть занимают в ней крайнее левое положение. В частности щелочными металлами являются:

• литий (Li);
• натрий (Na);
• калий (K);
• рубидий (Rb);
• цезий (Cs);
• франций (Fr).

Щелочноземельные металлы находятся во второй группе, то есть правее щелочных металлов. К ним относятся:

• бериллий (Be);
• магний (Mg);
• кальций (Ca);
• стронций (Sr);
• барий (Ba);
• радий (Ra).

Активные металлы в таблице Менделеева
В целом активные металлы отличаются тем, что имеют один или два валентных электрона, поэтому они легко отдают эти электроны в ходе химических реакций, выступая в качестве восстановителей. Степень активности металла можно оценить по его расположению в электрохимическом ряде активности металлов. Чем левее там находится металл, тем сильнее выражены его восстановительные свойства. Крайнее левое положение в ряде занимает литий. В вот крайне правое положение в ряду занимает золото, именно поэтому оно почти не окисляется кислотами.

Электрохимический ряд напряжений металлов

Алюминий – это так называемый постпереходный металл, по своим свойствам он находится где-то между активными и среднеактивными металлами. Разные ученые придерживаются различного мнения о том, стоит ли считать алюминий активным металлом.

Активные металлы не встречаются в природе в чистом виде, так как они быстро вступают в химические реакции с другими элементами. Чаще всего в природе они присутствуют в виде оксидов. Например, даже если алюминий получен в чистом виде, то на воздухе он быстро покрывается оксидной пленкой.

Литий

При внесении уточнений и рассмотрения наиболее электрохимически активного элемента становится очевидно, что лидирующее положение в плане активности займет литий. Название данного элемента переводится как «камень» – связано это с тем, что он был обнаружен в петалите (минерал). Металл, обладающий серебристым цветом, тонет в воде, но уверенно держится на поверхности керосина. По электрохимической активности данный элемент превосходит все остальные щелочные элементы, вытесняя другие металлы при химических реакциях. Это главное свойство лития является определяющим для остальных его характеристик.

Литий является очень важным элементом для нормального функционирования всего организма человека, но необходим он в маленьких дозах. При повышенной концентрации лития в организме человека может произойти отравление, пониженное же его содержание может привести к психической нестабильности человека. В некоторых напитках литий даже позиционировался, как превосходное средство от похмельного синдрома. Возможно, это не лишено смысла, и литий действительно помогает справиться с недомоганием после принятия спиртных напитков, однако употреблять его в повышенных дозах не рекомендуется в силу вышеуказанных причин.

Свойства

Активные металлы отличаются мягкостью (можно разрезать ножом), лёгкостью, невысокой температурой плавления.

Основные химические свойства металлов представлены в таблице.

– 2K + 2HMnO4 → 2KMnO4 + H2

– 2Na + 2H2O → 2NaOH + H2; – 2NaOH + CuCl2 → Cu(OH)2↓ + 2NaCl

Активные металлы легко вступают в реакции, поэтому в природе находятся только в составе смесей – минералов, горных пород.

Рис. 3. Минералы и чистые металлы.

История открытия

Его открытие принадлежит немецким исследователям Р. Бунзену и Г. Кирхгофу. Уже тогда ученые интересовались, какие металлы активные, а какие — нет. В 1860 году исследователи изучали состав воды из Дюркгеймского водохранилища. Делали они это при помощи спектрального анализа. В образце воды ученые обнаружили такие элементы, как стронций, магний, литий, кальций.

Затем они решили проанализировать каплю воды при помощи спектроскопа. Тогда они и увидели две ярко-голубые линии, находящиеся недалеко друг от друга. Одна из них по своему положению практически совпадала с линией металла стронция. Ученые решили, что выявленное ими вещество является неизвестным и отнесли его к группе щелочных металлов.

В том же году Бунзен написал письмо своему коллеге-фотохимику Г. Роско, в котором рассказывал об этом открытии. А официально о цезии было сообщено 10 мая 1860 года на заседании ученых Берлинской академии. Через шесть месяцев Бунзен смог выделить около 50 граммов хлороплатинита цезия. Ученые переработали 300 тонн минеральной воды и выделили порядка 1 кг хлорида лития в качестве побочного продукта, чтобы в конечном счете получить самый активный металл. Это говорит о том, что цезия в минеральных водах содержится очень мало.

Сложность получения цезия постоянно толкает ученых на поиск содержащих его минералов, одним из которых является поллуцит. Но извлечение цезия из руд всегда оказывается неполным, в процессе эксплуатации цезий очень быстро рассеивается. Это делает его одним из самых труднодоступных веществ в металлургии. В земной коре, к примеру, содержится 3,7 граммов цезия на одну тонну. А в одном литре морской воды лишь 0,5 мкг вещества представляют собой самый активный металл. Это приводит к тому, что извлечение цезия является одним из самых трудоемких процессов.

Использование цезия

Этот металл используется для изготовления различных фотоэлементов. А также соединения цезия применяются в специальных отраслях оптики — в изготовлении инфракрасных приборов, Цезий используют в изготовлении прицелов, которые позволяют заметить технику и живую силу врага. Также его применяют для изготовления особых металлогалогенных ламп.

Но этим не исчерпывается круг его применения. На основе цезия был создан также ряд медицинских препаратов. Это лекарства для лечения дифтерии, язвенных болезней, шоков и шизофрении. Как и соли лития, соли цезия обладают нормотимическими свойствами — или, попросту, способны стабилизировать эмоциональный фон.

Железо и его соединения

Железо – металл серого цвета. В чистом виде оно довольно мягкое, ковкое и тягучее. Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня – 3d 6 4s 2 . В своих соединениях железо проявляет степени окисления «+2» и «+3».

Металлическое железо реагирует с водяным паром, образуя смешанный оксид (II, III) Fe 3 O 4:

3Fe + 4H 2 O (v) ↔ Fe 3 O 4 + 4H 2

На воздухе железо легко окисляется, особенно в присутствии влаги (ржавеет):

3Fe + 3O 2 + 6H 2 O = 4Fe(OH) 3

Как и другие металлы железо вступает в реакции с простыми веществами, например, галогенами (1), растворяется в кислотах (2):

Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2 (2)

Железо образует целый спектр соединений, поскольку проявляет несколько степеней окисления: гидроксид железа (II), гидроксид железа (III), соли, оксиды и т.д. Так, гидроксид железа (II) можно получить при действии растворов щелочей на соли железа (II) без доступа воздуха:

FeSO 4 + 2NaOH = Fe(OH) 2 ↓ + Na 2 SO 4

Гидроксид железа (II) растворим в кислотах и окисляется до гидроксида железа (III) в присутствии кислорода.

Соли железа (II) проявляют свойства восстановителей и превращаются в соединения железа (III).

Оксид железа (III) нельзя получить по реакции горения железа в кислороде, для его получения необходимо сжигать сульфиды железа или прокаливать другие соли железа:

4FeS 2 + 11O 2 = 2Fe 2 O 3 +8SO 2

2FeSO 4 = Fe 2 O 3 + SO 2 + 3H 2 O

Соединения железа (III) проявляют слабые окислительные свойства и способны вступать в ОВР с сильными восстановителями:

2FeCl 3 + H 2 S = Fe(OH) 3 ↓ + 3NaCl

Производство чугуна и стали

Стали и чугуны – сплавы железа с углеродом, причем содержание углерода в стали до 2%, а в чугуне 2-4%. Стали и чугуны содержат легирующие добавки: стали– Cr, V, Ni, а чугун – Si.

Выделяют различные типы сталей, так, по назначению выделяют конструкционные, нержавеющие, инструментальные, жаропрочные и криогенные стали. По химическому составу выделяют углеродистые (низко-, средне- и высокоуглеродистые) и легированные (низко-, средне- и высоколегированные). В зависимости от структуры выделяют аустенитные, ферритные, мартенситные, перлитные и бейнитные стали.

Стали нашли применение во многих отраслях народного хозяйства, таких как строительная, химическая, нефтехимическая, охрана окружающей среды, транспортная энергетическая и другие отрасли промышленности.

В зависимости от формы содержания углерода в чугуне — цементит или графит, а также их количества различают несколько типов чугуна: белый (светлый цвет излома из-за присутствия углерода в форме цементита), серый (серый цвет излома из-за присутствия углерода в форме графита), ковкий и жаропрочный. Чугуны очень хрупкие сплавы.

Области применения чугунов обширны – из чугуна изготавливают художественные украшения (ограды, ворота), корпусные детали, сантехническое оборудование, предметы быта (сковороды), его используют в автомобильной промышленности.

Где используется

Использование металла отражает тенденции развития технологий.

Традиционные отрасли

До недавнего времени главными сферами применения металла были ядерная отрасль и металлургия:

• Литий идет на стержни для реакторов. Жидкий изотоп служит теплоносителем в ядерных реакторах. Из него получают тритий.
• Металлургией используются сплавы, улучшающие характеристики продукта: прочность, устойчивость к коррозии, пластичность.
• Это также стекла, задерживающие часть ультрафиолета, керамика, пигмент для окрашивания тканей, ингредиент косметических препаратов.

Нитрат лития создает огни салюта красного цвета.

Литий в сплавах с другими металлами – новое поколение материалов для авиации, космонавтики, оборонпрома.

Новые сферы

Сегодня главные потребители сырья – IT-сфера и автопром нового поколения. Речь о литиевых аккумуляторах для гаджетов (айфоны, ноутбуки, планшеты) и электрокаров. В первую очередь автомобилей корпорации Илона Маска Tesla.

Литий-ионный аккумулятор

Для создания батареи на одну Tesla требуется 63 кг чистого (99,5%) лития.

К 2023 году поставить производство электромобилей на поток намерены автогиганты США, Японии, Европы (Audi, Ford, Honda, Mercedes, BMW, другие). Годовая потребность в металле составит 96-98 тысяч тонн.

Источник https://ru.abcdef.wiki/wiki/Heavy_metals

Источник https://zpu-tmb.ru/cvetnye-metally-i-splavy/kakoj-samyj-tyazhelyj-metall.html

Источник https://kuban-stan.ru/pro-metally/samyj-aktivnyj-metall.html