Бронебойные пули, сопла ракетных двигателей и буровые коронки для прорезания твердых горных пород - это лишь некоторые из продуктов, изготовленных из вольфрама, одного из самых твердых и жаропрочных элементов во Вселенной.
Вольфрам, как и большинство других металлических элементов, не встречается в природе как блестящий кусок металла. Его необходимо химически изолировать от других соединений, в данном случае природного минерала вольфрамита. Вот почему символ вольфрама в периодической таблице Менделеева - это не буква Т, а буква W, что сокращенно от «вольфрам». Название вольфрам по-шведски означает «тяжелый камень», что указывает на сверхъестественную плотность и вес элемента. Его атомный номер (количество протонов в ядре его атома) составляет 74, а его атомный вес (средневзвешенное значение его встречающихся в природе изотопов) составляет 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 точка плавления из всех металлов
Одним из самых впечатляющих и полезных свойств вольфрама является его высокая температура плавления, самый высокий из всех металлических элементов. Чистый вольфрам плавится при колоссальной температуре 6192 градусов по Фаренгейту (3422 градуса по Цельсию) и не закипит, пока температура не достигнет 10 030 F (5555 градусов Цельсия), что соответствует температуре фотосферы Солнца.
Железо, для сравнения , имеет температуру плавления 2800 градусов по Фаренгейту (1538 градусов по Цельсию), а золото превращается в жидкость при температуре всего 1947,52 градусов по Фаренгейту (1064,18 градусов по Цельсию).
«Все металлы имеют относительно высокие температуры плавления, потому что их атомы удерживаются вместе прочными металлическими связями», - говорит Джон Ньюсэм, химик и ученый-материаловед, с которым мы связались через Американское химическое общество . Металлические связи настолько сильны, потому что они разделяют электроны на весь трехмерный массив атомов. Newsam говорит, что вольфрам дольше других металлов из-за необычной прочности и направленности его металлических связей.
"Почему это важно?" - спрашивает Newsam. «Подумайте об Эдисоне, который работал над нитью для лампы накаливания. Ему нужен был материал, который не только излучает свет, но и не плавится от тепла».
Эдисон экспериментировал с множеством различных материалов накаливания, включая платину, иридий и бамбук , но это был другой американский изобретатель, Уильям Кулидж, которому приписывают создание вольфрамовых волокон, 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 наносятся на секции ракет и ракет, которые должны выдерживать сильнейшее нагревание, включая сопла двигателей, которые выбрасывают взрывные струи ракетного топлива.
Почему вольфрам такой тяжелый
Плотность различных элементов отражает размер составляющих их атомов. Чем ниже вы попадаете в периодической таблице, тем крупнее и тяжелее атомы.
«Более тяжелые элементы, такие как вольфрам, содержат больше протонов и нейтронов в ядре и больше электронов на орбите вокруг ядра», - говорит Ньюзэм. «Это означает, что вес одного атома значительно увеличивается по мере того, как вы переходите по таблице Менделеева».
На практике, если вы держите кусок вольфрама в одной руке и такой же объем серебра или железа в другой, вольфрам будет намного тяжелее. В частности, плотность вольфрама составляет 19,3 грамма на кубический сантиметр. Для сравнения, серебро примерно вдвое меньше вольфрама (10,5 г / см 3 ), а железо почти на треть плотнее (7,9 г / см 3 ).
Плотность вольфрама может быть преимуществом в определенных областях применения. 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 из вольфрамового стержня, как воздушный таран, чтобы пробивать стены и броню танка.
Во время холодной войны ВВС якобы экспериментировали с идеей под названием « Проект Тор», которая должна была сбрасывать связку 20-футовых (6-метровых) вольфрамовых стержней с орбиты на вражеские цели. Эти так называемые «стержни от Бога» имели бы разрушительную силу ядерного оружия, но без ядерных осадков. Оказывается, запуск тяжелых стержней в космос обходился слишком дорого.
Только алмазы тверже карбида вольфрама
Чистый вольфрам не так уж и тверд - вы можете разрезать его ножовкой, - но когда вольфрам соединяется с небольшим количеством углерода, он становится карбидом вольфрама, одним из самых твердых и твердых веществ на Земле.
«Когда вы добавляете небольшое количество углерода или других металлов в вольфрам, он фиксирует структуру и предотвращает ее легкую деформацию», - говорит Ньюсэм.
Карбид вольфрама настолько твердый, что его можно огранить только алмазами , и даже тогда алмазы работают, только если карбид вольфрама не полностью отвержден. Карбид вольфрама в три раза более жесткий, чем сталь, может служить до 100 раз дольше, чем сталь в сильно абразивных условиях, и имеет самую большую прочность на сжатие среди всех кованых металлов, что означает, что он не вмятины и не деформируется при сжатии с огромной силой. .
Наиболее распространенное использование карбида вольфрама - и конечный пункт назначения большей части добываемого на планете вольфрама - это специализированные инструменты, особенно буровые коронки. 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 они намного дороже.
Другие полезные способы применения вольфрама
Твердость, плотность и термостойкость вольфрама делают его идеальным для множества нишевых применений:
- Электронные микроскопы выстреливают поток электронов из специального наконечника эмиттера, 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 снегохода изготовлены из вольфрамовых сплавов.
- Дротики профессионального уровня 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.
Теперь это сложно
Фальшивомонетчики давно выяснили, что вольфрам почти такой же плотный, как золото , и иногда пытаются выдать позолоченные слитки вольфрама за слитки чистого золота.
