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:
- Следует различать такие понятия, как «масса» и «вес».
- Тела одинаковой массы, но разной плотности не будут весить одинаково в плотной среде.
- 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!
- 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.
- 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.)
- Можем отвечать, что вата будет тяжелей, если речь идет об «истинном весе», и давать вопрошающим ссылку на учебник Я. Перельмана.
- Можем отвечать, что железо тяжелей, если речь идет о «кажущемся весе» (apparent weight), и давать ссылку, например, на эту статью.
- 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.
Источник