Бронебойные пули, сопла ракетных двигателей и буровые коронки для прорезания твердых пород — это лишь некоторые из продуктов, сделанных из вольфрама, одного из самых твердых и жаропрочных элементов во Вселенной. Что это за элемент вольфрам (wolframium) и каковы его свойства.
Вольфрам, как и большинство других металлических элементов, не встречается в природе в виде блестящих кусочков металла. Его необходимо химически изолировать от других соединений, в данном случае природного минерала вольфрамита. Вот почему символ вольфрама в периодической таблице Менделеева — это буква W, что сокращенно от «вольфрам». Название вольфрам по-шведски означает «тяжелый камень», что указывает на сверхъестественную плотность и вес элемента. Его атомный номер (число 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 3422 градуса по Цельсию и не закипает, пока температура не достигнет 5555 градусов Цельсия, что соответствует температуре фотосферы солнца.
Для сравнения, железо имеет температуру плавления 1538 градусов по Цельсию, а золото превращается в жидкость при температуре всего 1064,18 градусов по Цельсию.
Все металлы имеют относительно высокие температуры плавления, потому что их атомы удерживаются вместе прочными металлическими связями. Металлические связи настолько сильны, потому что они разделяют электроны на весь трехмерный массив атомов. Вольфрам дольше других металлов из-за необычной прочности и направленности его металлических связей.
Почему это важно? Подумайте об Эдисоне, который работал над нитью для лампы накаливания. Ему нужен был материал, который не только излучает свет, но и не тает 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 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 потоки ракетного топлива.
Почему вольфрам такой тяжелый
Плотность различных элементов отражает размер составляющих их атомов. Чем ниже элемент в периодической таблице, тем крупнее и тяжелее атомы.
Более тяжелые элементы, такие как вольфрам, имеют больше протонов и нейтронов в ядре и больше электронов на орбите вокруг ядра. Это означает, что вес одного атома значительно увеличивается при переходе 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/см3), а железо почти на треть меньше (7,9 г/см3).
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 США якобы экспериментировали с идеей под названием «Проект Тор», которая должна была сбрасывать связку 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. Оказалось, что 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 объединяется 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.
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 применение 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 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 сделано 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 изготавливается из карбида вольфрама.
- Ювелирная промышленность изготавливает кольца из карбида вольфрама.
