Materials Handbook

François Cardarelli

Materials HandbookA Concise Desktop Reference

3rd Edition

ISBN 978-3-319-38923-3 ISBN 978-3-319-38925-7 (eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-319-38925-7

Library of Congress Control Number: 2018940467

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Printed on acid-free paper

This Springer imprint is published by the registered company Springer International Publish-ing AG, part of Springer Nature.The registered company address is: Gewerbestrasse 11, 6330 Cham, Switzerland

François Cardarelli, President & OwnerElectrochem Technologies & Materials Inc.2037 Aird avenue, Suite 201Montréal (QC) H1V 2V9, Canadawww.electrochem-technologies.com

Email: contact@electrochem-technologies.com contact@francoiscardarelli.ca

Dedication for the First EditionThe Materials Handbook: A Concise Desktop Reference is dedicated to my father, Antonio, and my mother, Claudine, to my sister, Elsa, and to my spouse Louise St Amour for their love and support. I want also to express my thanks to my two parents and my uncle Consalvo Cardarelli, which in close collaboration have pro-vided valuable financial support when I was a teenager to contribute to my first fully equipped geological and chemical laboratory and to my personal compre-hensive scientific library. This was the starting point of my strong and extensive interest in both science and technology, and excessive consumption of scientific and technical literature.

Dedication for the Third EditionMaterials Handbook: A Concise Desktop Reference is dedicated to my father, Antonio, and my mother, Claudine, to my sister, Elsa, to my two nieces, Chiara Lucia and Venezia Elena, and to my great friend Louise St-Amour for their love and support.

François Cardarelli

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Introduction

Despite the wide availability of several comprehensive series in materials sciences and metallurgy, it is difficult to find grouped properties on metals and alloys, traditional and advanced ceramics, refractories, polymers and elastomers, composites, minerals and rocks, soils, woods, cement, and building materials in a single-volume source book.

The purpose of this practical and concise reference book is to provide materials scientists, metallurgists, engineers, chemists, and physicists as well as academic staff, technicians, and students working in a broad range of scientific and technical fields with key scientific and technical material properties and data.

The classes of materials described in this new edition of Materials Handbook are:1. Metals and their alloys2. Ferroalloys3. Semiconductors4. Superconductors5. Magnetic materials6. Dielectrics and insulators7. Miscellaneous electrical materials (e.g., resistors, thermocouples, and industrial

electrode materials)8. Ceramics, refractories, and glasses9. Polymers and elastomers10. Minerals, ores, and gemstones11. Rocks and meteorites12. Soils and fertilizers13. Timbers and woods14. Cement and concrete15. Building materials16. Fuels, propellants, and explosives17. Nuclear materials18. Composites19. Gases20. Liquids21. Food materials, resins, and oils

Particular emphasis is placed on the properties of the most common industrial ma-terials in each class. The physical and chemical properties usually listed for each material are as follows:1. Physical (e.g., density, viscosity, surface tension)2. Mechanical (e.g., elastic moduli, Poisson ratio, yield and tensile strength, hard-

ness, fracture toughness)3. Thermal (e.g., melting point and boiling point, thermal conductivity, specific

heat capacity, coefficients of thermal expansion, spectral emissivities)4. Electrical (e.g., resistivity, relative permittivity, loss tangent factor)

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5. Magnetic (e.g., magnetization, permeability, retentivity, coercivity, Hall constant)6. Optical (e.g., refractive indices, reflective index, dispersion, transmittance)7. Electrochemical (e.g., Nernst standard electrode potential, Tafel slopes, specific

capacity, overpotential)8. Miscellaneous (e.g., relative abundances, electron work function, thermal neu-

tron cross section, Richardson constant, activity, corrosion rate, flammability limits)

This third edition also includes a new chapter dedicated entirely to occupational health and safety issues of materials.

Finally, detailed appendices provide additional information (e.g., properties of the chemical elements, figures for identification of metal cations, thermochemical data, crystal field theory, crystallographic calculations, corrosion resistance toward molten salts and liquid metals, high-temperature oxidation resistance tables, radioactivity calculations, and prices of metals, industrial minerals, and commodities), and an extensive bibliography completes this comprehensive guide. The comprehensive index and handy format of the book enable the reader to locate and extract relevant information quickly and easily. Figures and tables are all referenced, and tabs are used to denote the different sections of the book. It must be emphasized that the information presented here is taken from several scientific and technical sources and has been meticulously checked, and every care has been taken to select the most reliable data.

IntroductionVIII

Author Biography

Dr. François Cardarelli Born in Paris (France), February 17, 1966 Canadian and French citizen

Academic Background- Ph.D., chemical engineering (Université Paul Sabatier, Toulouse, France, 1996)- Postgraduate degree (diplôme d’études approfondies) in electrochemistry (Uni-versité Pierre et Marie Curie, Paris, 1992)- M.Sc. (maîtrise), physical chemistry (Université Pierre et Marie Curie, Paris, France, 1991)- B.Sc. (licence), physical chemistry (Université Pierre et Marie Curie, Paris, France, 1990)- Diplôme d’études supérieures techniques credits in nuclear sciences and tech-nologies (Conservatoire National des Arts et Métiers, Paris, France, 1988)- Associate degree (diplôme d’études universitaires générales B) in geophysics and geology (Université Pierre et Marie Curie, Paris, France, 1987)- Baccalaureate C (mathematics, physics, and chemistry) (CNED, Versailles, France, 1985)

Fields of Professional ActivityThe author has worked in the following areas (in chronological order) since 1990:1. Research scientist in the Laboratory of Electrochemistry (Université Pierre et

Marie Curie, Paris, France) for the development of a nuclear detector device for electrochemical experiments involving radiolabeled compounds

2. Research scientist at the Institute of Marine Biogeochemistry (CNRS and École Normale Supérieure, Paris, France) for the environmental monitoring of heavy-metal pollution by electroanalytical techniques

3. Research scientist for the preparation by electrochemistry in molten salts of tantalum protective thin coatings for the chemical-process industries (sponsored by Electricité de France)

4. Research scientist for the preparation and characterization of iridium-based industrial electrodes for oxygen evolution in acidic media in the Laboratory of Electrochemical Engineering (Université Paul Sabatier, Toulouse, France)

5. Registered consultant in chemical and electrochemical engineering (Toulouse, France)

6. Battery product leader in the technology department of ARGOTECH Produc-tions, Boucherville (Quebec), Canada, in charge of electric-vehicle, stationary, and oil-drilling applications of lithium polymer batteries

7. Materials expert and industrial electrochemist in the lithium department of ARGOTECH Productions, involved in both the metallurgy and processing of lithium metal anodes and the recycling of spent lithium polymer batteries

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8. Materials expert and industrial electrochemist in the technology department of AVESTOR, Boucherville (Quebec), Canada, in charge of all strategic raw materials used the fabrication of lithium polymer batteries and in charge of the recycling process for spent lithium batteries

9. Principal chemist (materials) in the technology department of Rio Tinto Iron and Titanium, Sorel–Tracy (Quebec), Canada, working on the electrowinning of titanium metal from titania-rich slags and on other novel electrochemical processes

10. Principal electrochemist at Materials and Electrochemical Research, Tuscon (Arizona, USA), working on the electrowinning of titanium metal powder from composite anodes and other materials-related projects

11. Recycling Manager, 5N Plus, Ville Saint-Laurent (Quebec), Canada, in charge of the recycling of end-of-life thin-film photovoltaic solar panels and the hydro-metallurgical recovery of tellurium and cadmium values.

12. Since 2010, President and owner of the company Electrochem Technologies & Materials Inc., based in Montreal (Quebec), Canada, manufacturing mixed metal oxide industrial electrodes and producing tantalum, niobium, tungsten and rare earth fine chemicals and inventing, developing, and commercializing novel electrochemical and chemical technologies for electrowinning iron and iron-rich alloys and recovering sulfuric acid from industrial wastes and efflu-ents containing ferrous sulfate, for the pyrometallurgical and hydrometallurgical production of tantalum and niobium oxides from ores and concentrates, and for the recycling of rare earth oxides from spent fluorescent lamps.

Author BiographyX

Acknowledgements

Acknowledgements for the First EditionMr. Nicholas Pinfield (engineering editor, London), Mr. Jean-Étienne Mittelmann (editor, Paris), Mrs. Alison Jackson (editorial assistant, London), and Mr. Nicolas Wilson (senior production controller, London) are gratefully acknowledged for their valued assistance, patience, and advice.

Acknowledgements for the Second Edition Mr. Anthony Doyle (senior engineering editor), and Mr. Oliver Jackson (engineering editor), and Mr. Nicolas Wilson (editorial coordinator) are gratefully acknowledged for their valued assistance, patience, and advice.

Acknowledgements for the Third EditionAnthony Doyle (senior engineering editor) and Oliver Jackson (engineering editor) are gratefully acknowledged for their valued assistance, patience, and advice all these years.Mrs. Sorina Moosdorf (project manager at le-tex publishing services GmbH) who supervised the production of the 2nd and 3rd edition yielding a superb book format.Dr. Stuart Evans copy editor who performed a thorough reading of the manuscript bringing legitimate comments.

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Units Policy

In this book the only units of measure used for describing physical quantities and properties of materials are those recommended by the Système International d’Unités (SI). For accurate conversion factors between these units and non-SI units (e.g., cgs, fps, imperial, and US customary), please refer to the reference book by the same author:

Cardarelli, F. (2005) Encyclopaedia of Scientific Units, Weights, and Measures. Their SI Equivalences and Origins. Springer, London. ISBN 978-1-85233-682-1.

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Contents

1 Properties of Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1 Physical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1.1 Mass Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1.2 Theoretical Density or X-ray Density of Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1.3 Apparent, Bulk, and Tap Densities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.1.4 Specific Weight. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.1.5 Specific Gravity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.1.6 Buoyancy and Archimedes’ Principle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.1.7 Pycnometers for Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.1.8 Density of Mixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.2 Mechanical Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.2.1 Stress and Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.2.2 Strain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.2.3 Elastic Moduli and Hooke’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.2.4 The Stress–Strain Curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.2.5 Strain Hardening Exponent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.2.6 Hardness. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.2.7 Resilience and Modulus of Resilience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.2.8 Toughness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.2.9 Maximum Allowable Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.2.10 Fracture Toughness. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.2.11 Brittleness Indices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201.2.12 Grindability Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221.2.12.1 Comminution Energy Laws. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221.2.12.2 Bond Work Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231.2.12.3 Bond’s Standard Ball Mill Grindability Test. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231.2.12.4 Rules of Thumb and Energy Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241.2.13 Abrasion Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241.2.14 Flow Properties and Angle of Repose of Particulate Solids . . . . . . . . . . . . . . . . 251.2.15 Creep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301.2.16 Ductile–Brittle Transition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311.2.17 Fatigue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311.2.18 Tribological and Lubricating Properties of Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321.2.18.1 Static Friction Coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321.2.18.2 Sliding Friction Coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321.2.19 Ashby’s Mechanical Performance Indices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331.2.20 Order of Magnitude of Mechanical Properties of Solid Materials. . . . . . . . . . . 331.3 Acoustical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341.3.1 Velocity of Sound in Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341.3.2 Sound Intensity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371.3.3 Attenuation of Sound at a Given Distance from a Source. . . . . . . . . . . . . . . . . . 371.3.4 Damping Capacity of Solids and Loss Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

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1.4 Thermal Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391.4.1 Molar and Specific Heat Capacities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391.4.2 Coefficients of Thermal Expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401.4.3 Volume Expansion on Melting. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411.4.4 Thermal Shock Resistance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411.4.5 Heat Transfer Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421.4.6 Thermal Conductivity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421.4.7 Thermal Diffusivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431.4.8 Thermal Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441.4.9 Black Body, and Spectral Emissivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441.4.10 Variations of Emissivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451.4.11 Monochromatic Emissive Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451.4.12 Stefan–Boltzmann Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451.4.13 Irradiance, Emissive Power, and Kirchhoff’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451.4.14 Wien’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461.4.15 Solar Irradiance and Solar Constant. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461.4.16 Absolute and Relative Air Mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471.4.17 Zenithal Distance, and Inclination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471.4.18 Solar Spectrum and Spectral Solar Irradiance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491.4.19 Solar Emissivities and Albedo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501.4.20 Concentration of Sunlight. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501.4.21 Solar Energy Conversion Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511.4.22 Temperature and Latent Enthalpies of Fusion, Vaporization,

and Sublimation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521.4.23 Newton’s Law of Cooling and Newton’s Law for the Cooling Rate . . . . . . . . . . 541.4.24 Order of Magnitude of Thermophysical Properties of Materials . . . . . . . . . . . . 551.5 Optical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 581.5.1 Index of Refraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 581.5.2 Total Reflection and Critical Angle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591.5.3 Specific and Molar Refraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 601.5.4 Molar Refraction of Mixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 601.5.5 Refractivity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 611.5.6 Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 611.5.7 Coefficient of Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 611.5.8 Abbe Number . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 621.5.9 Temperature Dependence of the Refractive Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 621.5.10 Anisotropic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 621.5.11 Birefringence. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 631.5.12 Albedo and Reflective Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 631.5.13 Calculation of Refractive Index by Double Linear Interpolation . . . . . . . . . . . . 641.5.14 Circular Dichroism and Biot’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 641.5.15 Electromagnetic Radiation Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 651.5.16 Order of Magnitude of Optical Properties of Transparent Materials . . . . . . . . 661.5.17 Macroscopic Absorption of Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 661.5.17.1 Damping Constant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 661.5.17.2 First Absorption Law or Bouger’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

ContentsXIV

1.5.17.3 Second Absorption Law or Beer–Lambert Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 681.5.17.4 Absorbance or Optical Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 691.5.18 Microscopic Absorption and Emission Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 691.5.19 Einstein Coefficients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 711.5.19.1 Einstein Coefficient of Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 711.5.19.2 Einstein Coefficient of Spontaneous Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 711.5.19.3 Einstein Coefficient of Stimulated Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 721.5.19.4 Relation Between Einstein Coefficients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 731.5.19.5 Relations Between Einstein Coefficients and Extinction Coefficients . . . . . . . 741.5.20 Luminescence. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 741.5.20.1 Excitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 741.5.20.2 Internal Conversion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 741.5.20.3 Fluorescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 751.5.20.4 Intersystem Crossing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 751.5.20.5 Delayed Fluorescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 751.5.20.6 Phosphorescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 761.6 Other Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 761.6.1 Biocompatibility. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 761.6.2 Electronegativity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 771.6.3 Chemical Abstract Registry Number . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 801.7 Dimensionless Analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 801.7.1 The Vashy–Buckingham π theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 801.7.2 The Rayleigh Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 821.7.3 Dimensionless Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 831.8 Fundamental Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 901.9 Conversion Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 921.10 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 951.10.1 Mathematics and Statistics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 951.10.2 Units and Conversion Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 961.10.3 Physics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 961.10.4 Physical Chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 971.10.5 Engineering Fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 971.10.6 General Handbooks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 971.10.7 Mechanical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 981.10.8 Electrical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 981.10.9 Thermal Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 981.10.10 Metallurgy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 981.10.11 Materials Science . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

2 Ferrous Metals and Their Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1012.1 Iron and Steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1022.1.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1022.1.2 Phase Transitions and Allotropism of Iron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1082.1.3 Metallographic Etchants for Iron and Steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1102.1.4 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1102.1.5 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

XVContents

2.1.6 Major Steel-Producing Countries and Producers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1142.1.7 Mining and Mineral Dressing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1142.1.8 Ironmaking and Steelmaking. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1172.1.9 Pure Iron Grades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1202.1.10 The Iron–Carbon and Iron–Cementite Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1202.1.11 Cast Irons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1252.1.11.1 Gray Cast Iron or Graphitic Iron. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1262.1.11.2 White Cast Iron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1262.1.11.3 Malleable Cast Irons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1272.1.11.4 Ductile (Nodular) Cast Irons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1272.1.11.5 High-Silicon Cast Irons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1272.1.12 Carbon Steels (C–Mn Steels). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1272.1.12.1 Plain Carbon Steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1282.1.12.2 Low-Alloy Steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1352.1.12.3 Cast Steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1392.1.13 Stainless Steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1472.1.13.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1472.1.13.2 Classification of Stainless Steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1472.1.13.3 Martensitic Stainless Steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1482.1.13.4 Ferritic Stainless Steels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1522.1.13.5 Austenitic Stainless Steels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1522.1.13.6 Duplex Stainless Steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1562.1.13.7 Precipitation-Hardening Stainless Steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1562.1.13.8 Cast Heat-Resistant Stainless Steels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1562.1.13.9 Processing and Melting Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1622.1.13.10 Simplified Selection of Stainless Steels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1622.1.13.11 Stainless Steel Application Guidelines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1632.1.14 High-Strength Low-Alloy Steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1632.1.15 Ultrahigh-Strength Steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1682.1.16 Tool and Machining Steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1702.1.17 Maraging Steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1732.1.18 Iron-Based Superalloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1782.1.19 Iron Powders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1802.1.19.1 Water-Atomized Iron Powders. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1802.1.19.2 Gas-Atomized Iron Powders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1802.1.19.3 Sponge-Reduced Iron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1812.1.20 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1812.2 Nickel and Nickel Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1822.2.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1822.2.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1832.2.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1832.2.4 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1852.2.5 Nickel Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1862.2.6 Nickel Alloys and Superalloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1902.2.7 Nickel–Titanium Shape Memory Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1902.2.7.1 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1902.2.7.2 Fundamental. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

ContentsXVI

2.2.7.3 Shape Memory Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2012.2.7.4 Superelasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2012.2.7.5 Fabrication. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2022.2.8 Major Nickel Producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2022.3 Cobalt and Cobalt Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2022.3.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2022.3.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2042.3.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2042.3.4 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2052.3.4.1 Cobalt as a By-product of Nickel Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2052.3.4.2 Electrowinning of Cobalt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2062.3.5 Properties of Cobalt Alloys and Superalloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2062.3.6 Corrosion Resistance of Stellite Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2072.3.7 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2102.3.8 Major Cobalt Producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2102.4 Manganese and Manganese-Based Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2102.4.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2102.4.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2112.4.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2112.4.4 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2152.4.4.1 Mining and Beneficiation of Manganese Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2152.4.4.2 Preparation of Pure Manganese Metal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2152.4.4.3 Ferromanganese and Silicomanganese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2182.4.5 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2192.4.5.1 Metallurgical Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2192.4.5.2 Nonmetallurgical Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2192.4.6 Major Manganese Producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2202.5 Ferroalloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2202.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2202.5.2 Ferroalloy Types and Grades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2222.5.3 Industrial Production Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2222.5.4 Physical Properties and Chemical Reactivity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2222.5.5 Major Producing Countries and Producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2222.5.6 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2222.5.7 Prices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2352.5.8 Carbon and Graphite Electrodes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2352.5.9 Electrotechnology of Arc Smelting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2382.5.9.1 Total Power and Thermal Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2382.5.9.2 Specific Energy Consumption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2382.5.9.3 Alternating Current. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2382.5.9.4 Effective (Root Mean Square) or Average (Mean) Current and Voltage . . . . . 2392.5.9.5 Form and Amplitude Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2402.5.9.6 Basic Alternating Current RLC Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2412.5.9.7 Impedance of RLC Circuits in Series and Parallel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2412.5.9.8 Apparent, Active (True), and Reactive Powers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2412.5.9.9 Three-Phase Current. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2442.5.9.10 Electric Furnace Operating Characteristics and Power–Current Curves . . . . . 244

XVIIContents

2.5.10 Reactance Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2452.5.10.1 Furnace Power Supply and Transformers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2452.5.10.2 Ampacity or Maximum Carrying Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2472.5.11 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248

3 Common Nonferrous Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2493.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2503.2 Aluminum and Aluminum Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2503.2.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2503.2.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2563.2.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2573.2.4 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2583.2.4.1 The Bayer Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2583.2.4.2 The Hall–Héroult Process for Electrowinning Aluminum . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2613.2.4.3 Secondary Aluminum Production and Recycling of Aluminum Drosses . . . . 2623.2.5 Properties of Aluminum Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2633.2.5.1 Aluminum Alloy Standard Designations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2633.2.5.2 Wrought Aluminum Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2653.2.5.3 Cast Aluminum Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2653.2.6 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2653.2.7 Major Aluminum Producers and Dross Recyclers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2713.2.8 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2723.3 Copper and Copper Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2733.3.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2733.3.2 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2743.3.3 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2753.3.4 Properties of Copper Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2763.3.4.1 Unified Numbering System Copper-Alloy Designation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2763.3.4.2 Wrought Copper Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2763.3.4.3 Cast Copper Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2763.3.5 Major Copper Producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2843.3.6 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2843.4 Zinc and Zinc Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2843.4.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2843.4.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2863.4.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2863.4.4 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2863.4.4.1 Beneficiation of Zinc Ore. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2863.4.4.2 The Roasting Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2873.4.4.3 Mercury Removal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2883.4.4.4 Hydrometallurgical Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2903.4.4.5 Pyrometallurgical Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2913.4.4.6 Treatment of Ferrite Residue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2913.4.5 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2933.4.6 Properties of Zinc Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2953.5 Lead and Lead Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

ContentsXVIII

3.5.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2953.5.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2993.5.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2993.5.4 Beneficiation and Mineral Dressing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2993.5.5 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2993.5.6 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3013.5.7 Properties of Lead Alloys. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3013.5.8 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3043.6 Tin and Tin Alloys. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3043.6.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3043.6.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3053.6.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3063.6.4 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3073.6.4.1 Mining and Beneficiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3073.6.4.2 Processing and Smelting. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3073.6.5 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3093.6.6 Properties of Tin Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3093.7 Low Melting Point or Fusible Alloys. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3093.7.1 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309

4 Less Common Nonferrous Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3174.1 Alkali Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3184.1.1 Lithium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3184.1.1.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3184.1.1.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3254.1.1.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3274.1.1.4 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3294.1.1.5 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3364.1.1.6 Lithium Mineral and Chemical Prices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3384.1.1.7 Lithium Mineral, Lithium Carbonate, and Lithium Metal Producers . . . . . . . . 3384.1.1.8 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3394.1.2 Sodium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3404.1.2.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3404.1.2.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3424.1.2.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3424.1.2.4 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3424.1.2.5 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3434.1.2.6 Transport, Storage, and Safety. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3434.1.2.7 Major Producers of Sodium Metal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3454.1.2.8 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3454.1.3 Potassium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3464.1.3.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3464.1.3.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3474.1.3.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3474.1.3.4 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3474.1.3.5 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3474.1.3.6 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348

XIXContents

4.1.4 Rubidium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3484.1.4.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3484.1.4.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3494.1.4.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3494.1.4.4 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3494.1.4.5 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3494.1.4.6 Major Rubidium Producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3504.1.4.7 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3504.1.5 Cesium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3504.1.5.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3504.1.5.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3504.1.5.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3514.1.5.4 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3514.1.5.5 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3514.1.5.6 Cesium Metal Producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3524.1.5.7 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3524.1.6 Francium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3524.2 Alkaline Earth Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3524.2.1 Beryllium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3534.2.1.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3534.2.1.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3594.2.1.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3594.2.1.4 Mining and Mineral Dressing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3594.2.1.5 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3594.2.1.6 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3604.2.1.7 Major Beryllium Metal Producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3614.2.1.8 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3614.2.2 Magnesium and Magnesium Alloys. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3614.2.2.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3614.2.2.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3624.2.2.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3634.2.2.4 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3644.2.2.5 Properties of Magnesium Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3684.2.2.6 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3684.2.2.7 Recycling of Magnesium Scrap and Drosses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3684.2.2.8 Major Magnesium Metal Producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3684.2.2.9 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3684.2.3 Calcium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3684.2.3.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3684.2.3.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3754.2.3.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3754.2.3.4 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3754.2.3.5 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3764.2.3.6 Calcium Metal Producers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3774.2.3.7 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378

ContentsXX

4.2.4 Strontium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3784.2.4.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3784.2.4.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3784.2.4.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3784.2.4.4 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3784.2.4.5 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3794.2.5 Barium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3794.2.5.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3794.2.5.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3794.2.5.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3794.2.5.4 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3804.2.5.5 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3804.2.6 Radium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3804.2.6.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3804.2.6.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3804.2.6.3 Natural Occurrence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3814.2.6.4 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3814.2.6.5 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3814.3 Refractory Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3814.3.1 General Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3814.3.1.1 Common Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3814.3.1.2 Corrosion Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3824.3.1.3 Cleaning, Descaling, Pickling, and Etching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3824.3.1.4 Machining of Pure Reactive and Refractory Metals. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3824.3.1.5 Pyrophoricity of Refractory Metals. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3824.3.2 Titanium and Titanium Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3944.3.2.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3944.3.2.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3964.3.2.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3974.3.2.4 Mining and Mineral Dressing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4014.3.2.5 Titanium Slag and Slagging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4024.3.2.6 Synthetic Rutiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4044.3.2.7 Titanium Dioxide (Titania) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4094.3.2.8 Titanium Sponge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4114.3.2.9 Ferrotitanium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4194.3.2.10 Titanium Metal Ingot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4204.3.2.11 Titanium Metal Powder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4224.3.2.12 Commercially Pure Titanium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4254.3.2.13 Titanium Alloys. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4284.3.2.14 Corrosion Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4304.3.2.15 Titanium Metalworking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4494.3.2.16 Titanium Machining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4504.3.2.17 Titanium Joining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4504.3.2.18 Titanium Etching, Descaling, and Pickling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4514.3.2.19 Titanium Anodizing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4514.3.2.20 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452

XXIContents

4.3.2.21 Major Producers of Titanium Metal Sponge and Ingot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4534.3.2.22 World and International Titanium Conferences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4534.3.2.23 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4534.3.3 Zirconium and Zirconium Alloys. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4574.3.3.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4574.3.3.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4594.3.3.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4604.3.3.4 Mining and Mineral Dressing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4604.3.3.5 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4614.3.3.6 Zirconium Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4634.3.3.7 Corrosion Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4634.3.3.8 Zirconium Machining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4634.3.3.9 Industrial Uses and Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4664.3.3.10 Zirconium Metal Producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4664.3.3.11 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4684.3.4 Hafnium and Hafnium Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4684.3.4.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4684.3.4.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4694.3.4.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4694.3.4.4 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4704.3.4.5 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4704.3.4.6 Major Hafnium Metal Producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4704.3.4.7 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4704.3.5 Vanadium and Vanadium Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4704.3.5.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4704.3.5.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4724.3.5.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4724.3.5.4 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4734.3.5.5 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4764.3.5.6 Major Vanadium Producers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4774.3.5.7 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4774.3.6 Niobium and Niobium Alloys. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4784.3.6.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4784.3.6.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4794.3.6.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4794.3.6.4 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4804.3.6.5 Properties of Niobium Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4824.3.6.6 Niobium Metalworking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4824.3.6.7 Niobium Machining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4834.3.6.8 Niobium Joining and Welding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4864.3.6.9 Niobium Cleaning, Pickling, and Etching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4864.3.6.10 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4874.3.6.11 Major Producers of Niobium Metal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4884.3.6.12 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4884.3.7 Tantalum and Tantalum Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4904.3.7.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4904.3.7.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491

ContentsXXII

4.3.7.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4934.3.7.4 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4944.3.7.5 Properties of Tantalum Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5024.3.7.6 Tantalum Metalworking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5024.3.7.7 Tantalum Machining. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5044.3.7.8 Tantalum Joining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5044.3.7.9 Tantalum Cleaning and Degreasing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5054.3.7.10 Tantalum Cladding and Coating Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5064.3.7.11 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5104.3.7.12 Major Tantalum Metal Producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5104.3.7.13 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5104.3.8 Chromium and Chromium Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5134.3.8.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5134.3.8.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5144.3.8.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5144.3.8.4 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5154.3.8.5 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5184.3.8.6 Major Chromite and Ferrochrome Producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5184.3.8.7 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5194.3.9 Molybdenum and Molybdenum Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5204.3.9.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5204.3.9.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5204.3.9.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5214.3.9.4 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5214.3.9.5 Properties of Molybdenum Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5234.3.9.6 Molybdenum Metalworking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5234.3.9.7 Molybdenum Joining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5254.3.9.8 Molybdenum Machining. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5264.3.9.9 Molybdenum Cleaning, Etching, and Pickling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5284.3.9.10 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5294.3.9.11 World Molybdenum Metal Producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5294.3.9.12 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5294.3.10 Tungsten and Tungsten Alloys. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5294.3.10.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5294.3.10.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5344.3.10.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5354.3.10.4 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5354.3.10.5 Properties of Tungsten Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5364.3.10.6 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5364.3.10.7 Major Tungsten Metal and Hardmetal Producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5364.3.10.8 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5364.3.11 Rhenium and Rhenium Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5364.3.11.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5364.3.11.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5424.3.11.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5424.3.11.4 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543

XXIIIContents

4.3.11.5 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5444.3.11.6 Rhenium Metal Producers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5444.4 Noble and Precious Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5444.4.1 Silver and Silver Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5484.4.1.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5484.4.1.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5484.4.1.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5484.4.1.4 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5494.4.1.5 Silver Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5504.4.1.6 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5504.4.1.7 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5524.4.2 Gold and Gold Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5524.4.2.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5524.4.2.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5544.4.2.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5554.4.2.4 Mineral Dressing and Mining. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5554.4.2.5 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5564.4.2.6 Determination of Gold by Fire Assay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5584.4.2.7 Gold Alloys. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5604.4.2.8 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5604.4.2.9 Major Gold Producers and Suppliers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5604.5 Platinum Group Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5604.5.1 General Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5604.5.2 Natural Occurrence, Chief Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5634.5.3 Common Physical and Chemical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5644.5.4 The Six Platinum Group Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5644.5.4.1 Ruthenium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5644.5.4.2 Rhodium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5704.5.4.3 Palladium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5714.5.4.4 Osmium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5724.5.4.5 Iridium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5734.5.4.6 Platinum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5734.5.5 Platinum Alloys. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5754.5.6 Corrosion Resistance of Platinum Group Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5754.5.6.1 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5804.5.6.2 Major Producers and Suppliers of Platinum Group Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . 5804.5.7 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5804.6 Rare Earth Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5804.6.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5804.6.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5834.6.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5894.6.4 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5934.6.5 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5984.6.6 Recycling Rare Earths from Phosphors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6004.6.7 Major Producers and Suppliers of Rare Earths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6054.6.8 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 605

ContentsXXIV

4.6.9 Scandium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6054.6.9.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6054.6.9.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6054.6.9.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6064.6.9.4 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6074.6.9.5 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6074.6.9.6 Scandium Metal and Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6084.7 Uranides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6084.7.1 Uranium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6084.7.1.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6084.7.1.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6144.7.1.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6144.7.1.4 Mineral Dressing and Mining. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6164.7.1.5 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6164.7.1.6 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6224.7.1.7 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6234.7.2 Thorium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6244.7.2.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6244.7.2.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6244.7.2.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6254.7.2.4 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6254.7.2.5 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6294.7.2.6 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6294.7.3 Plutonium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6304.7.3.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6304.7.3.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6324.7.3.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6324.7.3.4 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6324.8 Minor Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6324.8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6324.8.2 Cadmium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6414.8.2.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6414.8.2.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6414.8.2.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6424.8.2.4 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6434.8.2.5 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6454.8.2.6 Major Cadmium Producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6454.8.2.7 Toxicity, Health, and Safety. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6454.8.2.8 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6464.8.3 Mercury. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6464.8.3.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6464.8.3.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6494.8.3.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6494.8.3.4 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6514.8.3.5 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6524.8.3.6 Major Mercury Producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6524.8.3.7 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 652

XXVContents

4.8.4 Gallium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6534.8.4.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6534.8.4.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6544.8.4.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6554.8.4.4 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6554.8.4.5 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6564.8.4.6 Major Primary, Crude, and Refined Gallium Producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6574.8.4.7 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6574.8.5 Indium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6594.8.5.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6594.8.5.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6614.8.5.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6614.8.5.4 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6614.8.5.5 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6624.8.5.6 Major Producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6624.8.5.7 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6624.8.6 Thallium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6644.8.6.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6644.8.6.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6664.8.6.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6664.8.6.4 Industrial Preparation and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6674.8.6.5 Major Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6674.8.6.6 Major Producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6674.8.6.7 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6694.8.7 Selenium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6694.8.7.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6694.8.7.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6714.8.7.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6714.8.7.4 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6724.8.7.5 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6754.8.7.6 Major Selenium Producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6754.8.7.7 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6754.8.8 Tellurium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6764.8.8.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6764.8.8.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6774.8.8.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6784.8.8.4 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6794.8.8.5 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6804.8.8.6 Major Tellurium Producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6804.8.8.7 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6804.8.9 Arsenic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6824.8.9.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6824.8.9.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6834.8.9.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6834.8.9.4 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6844.8.9.5 Major Arsenic Producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 686

ContentsXXVI

4.8.9.6 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6864.8.9.7 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6864.8.10 Antimony . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6874.8.10.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6874.8.10.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6884.8.10.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6894.8.10.4 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6894.8.10.5 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6904.8.10.6 Major Antimony Producers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6904.8.10.7 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6904.8.11 Bismuth. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6914.8.11.1 General Description and Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6914.8.11.2 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6934.8.11.3 Natural Occurrence, Minerals, and Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6934.8.11.4 Processing and Industrial Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6934.8.11.5 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6944.8.11.6 Major Bismuth Producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6954.8.11.7 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 695

5 Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6975.1 Band Theory of Bonding in Crystalline Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6985.2 Electrical Classification of Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6985.3 Semiconductor Classes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7005.3.1 Intrinsic or Elemental Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7005.3.2 Doped Extrinsic Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7005.3.3 Compound Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7015.3.4 Grimm–Sommerfeld Rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7025.4 Concentrations of Charge Carriers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7025.5 Transport Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7045.5.1 Electromigration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7045.5.2 Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7055.5.3 Hall Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7055.6 Physical Properties of Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7065.7 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7065.8 Common Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7065.8.1 Silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7065.8.2 Germanium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7155.8.3 Boron. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7175.8.4 Other Semiconductors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7185.9 Semiconductor Wafer Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7195.9.1 Monocrystal Growth. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7195.9.2 Wafer Production. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7205.10 The p–n Junction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7225.11 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723

XXVIIContents

6 Superconductors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7256.1 Description and General Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7266.2 Superconductor Types. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7276.2.1 Type I Superconductors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7276.2.2 Type II Superconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7276.2.3 High-critical-temperature Superconductors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7306.2.4 Organic Superconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7306.3 Basic Theory. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7316.4 Meissner–Ochsenfeld Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7326.5 History . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7336.6 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7346.7 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 735

7 Magnetic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7377.1 Magnetic Physical Quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7387.1.1 Magnetic Field Strength and Magnetomotive Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7387.1.2 Magnetic Flux Density and Magnetic Induction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7397.1.3 Magnetic Flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7407.1.4 Magnetic Dipole Moment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7417.1.5 Magnetizability, Magnetization, and Magnetic Susceptibility. . . . . . . . . . . . . . 7427.1.6 Magnetic Force Exerted on a Material. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7447.1.7 Magnetic Force Exerted by Magnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7457.1.8 Magnetic Energy Density Stored . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7457.1.9 Electromagnet Calculations and Air Gaps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7457.1.10 Magnetoresistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7477.1.11 Magnetostriction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7477.1.12 Magnetocaloric Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7487.1.13 SI and CGS Units Used in Electromagnetism. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7517.2 Classification of Magnetic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7517.2.1 Diamagnetic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7537.2.2 Paramagnetic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7557.2.3 Ferromagnetic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7557.2.4 Antiferromagnetic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7567.2.5 Ferrimagnetic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7597.3 Ferromagnetic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7597.3.1 B–H Magnetization Curve and Hysteresis Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7597.3.2 Eddy-Current Losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7617.3.3 Induction Heating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7627.3.4 Soft Ferromagnetic Materials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7627.3.5 Hard Magnetic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7637.3.6 Magnetic Shielding and Materials Selection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7677.4 Industrial Applications of Magnetic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7737.5 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 773

ContentsXXVIII

8 Insulators and Dielectrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7778.1 Physical Quantities of Dielectrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7788.1.1 Permittivity of Vacuum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7788.1.2 Permittivity of a Medium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7788.1.3 Relative Permittivity and Dielectric Constant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7788.1.4 Capacitance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7798.1.5 Temperature Coefficient of Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7798.1.6 Charging and Discharging a Capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7798.1.7 Capacitance of a Parallel-Electrode Capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7808.1.8 Capacitance of Other Capacitor Geometries. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7808.1.9 Electrostatic Energy Stored in a Capacitor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7808.1.10 Electric Field Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7818.1.11 Electric Flux Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7818.1.12 Microscopic Electric Dipole Moment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7818.1.13 Polarizability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7828.1.14 Macroscopic Electric Dipole Moment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7828.1.15 Polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7828.1.16 Electric Susceptibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7838.1.17 Dielectric Breakdown Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7838.1.18 Dielectric Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7848.1.19 Dielectric Losses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7848.1.20 Loss Tangent or Dissipation Factor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7848.1.21 Dielectric Heating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7858.2 Physical Properties of Insulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7858.2.1 Insulation Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7858.2.2 Volume Electrical Resistivity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7868.2.3 Temperature Coefficient of Electrical Resistivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7868.2.4 Surface Electrical Resistivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7878.2.5 Leakage Current. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7888.2.6 SI and CGS Units Used in Electricity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7898.3 Dielectric Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7898.3.1 Electronic Polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7898.3.2 Ionic Polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7898.3.3 Dipole Orientation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7918.3.4 Space Charge Polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7928.3.5 Effect of Frequency on Polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7928.3.6 Frequency Dependence of the Dielectric Losses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7928.4 Dielectric Breakdown Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7938.4.1 Electronic Breakdown or Corona Mechanism. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7938.4.2 Thermal Discharge or Thermal Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7938.4.3 Internal Discharge or Intrinsic Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7948.5 Electrostriction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7948.6 Piezoelectricity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7948.7 Ferroelectrics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7948.8 Aging of Ferroelectrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 796

XXIXContents

8.9 Classification of Industrial Dielectrics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8008.9.1 Class I Dielectrics or Linear Dielectrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8008.9.2 Class II Dielectrics or Ferroelectrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8008.10 Selected Properties of Insulators and Dielectric Materials . . . . . . . . . . . . . 8018.11 Faraday’s Triboelectric Series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8058.12 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 805

9 Miscellaneous Electrical Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8079.1 Thermocouple Materials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8089.1.1 The Seebeck Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8089.1.2 Thermocouple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8109.1.3 Properties of Common Thermocouple Materials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8109.2 Resistors and Thermistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8119.2.1 Electrical Resistivity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8119.2.2 Temperature Coefficient of Electrical Resistivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8149.3 Electron-Emitting Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8169.4 Photocathode Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8219.5 Secondary Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8219.6 Electrolytes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8219.7 Electrode Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8249.7.1 Electrode Materials for Batteries and Fuel Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8249.7.2 Intercalation Compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8249.7.3 Electrode Materials for Electrolytic Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8309.7.3.1 Industrial Cathode Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8329.7.3.2 Industrial Anode Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8349.7.4 Electrodes for Corrosion Protection and Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8619.7.4.1 Cathodes for Anodic Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8629.7.4.2 Anodes for Cathodic Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8629.7.5 Electrode Suppliers and Manufacturers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8629.8 Electrochemical Galvanic Series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8699.9 Selected Standard Electrode Potentials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8699.10 Reference Electrodes Potentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8699.11 Ampacity or Maximum Carrying Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8769.11.1 Maximum Frequency for Penetration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8779.11.2 Maximum Current and Cable Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8789.11.3 Fusing Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 881

10 Ceramics, Refractories, and Glasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88310.1 Introduction and Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88410.2 Raw Materials for Ceramics, Refractories, and Glasses . . . . . . . . . . . . . . . . . 88410.2.1 Silica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88410.2.1.1 Quartz, Quartzite, and Silica Sand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88510.2.1.2 Diatomite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88510.2.1.3 Fumed Silica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88710.2.1.4 Silica Gels and Sol–Gel Silica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88710.2.1.5 Precipitated Silica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 887

ContentsXXX

10.2.1.6 Microsilica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88710.2.1.7 Vitreous or Amorphous Silica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88810.2.2 Aluminosilicates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88810.2.2.1 Fireclay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88910.2.2.2 China Clay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89010.2.2.3 Ball Clay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89010.2.2.4 Other Refractory Clays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89110.2.2.5 Andalusite, Kyanite, and Sillimanite. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89110.2.2.6 Mullite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89210.2.3 Bauxite and Aluminas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89310.2.3.1 Bauxite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89310.2.3.2 Alumina Hydrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89610.2.3.3 Transition Aluminas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89810.2.3.4 Calcined Alumina. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89910.2.3.5 Tabular Alumina. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90010.2.3.6 White Fused Alumina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90110.2.3.7 Brown Fused Alumina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90110.2.3.8 Electrofused Alumina–Zirconia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90210.2.3.9 High-Purity Alumina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90210.2.4 Limestone and Lime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90210.2.5 Dolomite and Doloma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90310.2.5.1 Dolomite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90310.2.5.2 Calcined and Dead Burned Dolomite (Doloma). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90410.2.6 Magnesite and Magnesia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90510.2.6.1 Magnesite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90510.2.6.2 Caustic Seawater and Calcined Magnesia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90610.2.6.3 Dead Burned Magnesia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90710.2.6.4 Electrofused Magnesia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90710.2.6.5 Seawater Magnesia Clinker. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90710.2.7 Titania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90810.2.7.1 Rutile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90810.2.7.2 Anatase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90910.2.7.3 Brookite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90910.2.7.4 Anosovite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91110.2.7.5 Titanium Sesquioxide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91110.2.7.6 Titanium Monoxide or Hongquiite. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91110.2.7.7 Titanium Hemioxide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91210.2.7.8 Andersson–Magnéli Phases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91210.2.8 Zircon and Zirconia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91210.2.8.1 Zircon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91210.2.8.2 Zirconia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91410.2.9 Carbon and Graphite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91710.2.9.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91710.2.9.2 Natural Occurrence and Mining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91810.2.9.3 Industrial Preparation and Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92110.2.9.4 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 921

XXXIContents

10.2.10 Silicon Carbide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92110.2.10.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92110.2.10.2 Industrial Preparation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92310.2.10.3 Grades of Silicon Carbide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92410.2.11 Properties of Raw Materials Used in Ceramics, Refractories, and Glasses . . . 92510.3 Traditional Ceramics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92510.4 Refractories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92610.4.1 Classification of Refractories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92710.4.2 Properties of Refractories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92810.4.3 Major Refractory Manufacturers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93110.5 Advanced Ceramics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93110.5.1 Silicon Nitride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93110.5.1.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93110.5.1.2 Industrial Preparation and Grades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93310.5.2 Silicon Aluminum Oxynitride. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93310.5.3 Boron Carbide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93410.5.3.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93410.5.3.2 Industrial Preparation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93510.5.3.3 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93510.5.4 Boron Nitride. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93510.5.4.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93510.5.4.2 Industrial Preparation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93510.5.4.3 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93610.5.5 Titanium Diboride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93610.5.5.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93610.5.5.2 Industrial Preparation and Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93610.5.5.3 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93710.5.6 Tungsten Carbides and Hardmetal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93710.5.6.1 Description and General Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93710.5.6.2 Industrial Preparation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93810.5.6.3 Industrial Applications and Uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93810.5.7 Ultrahigh-Temperature Refractory Materials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93910.5.8 Practical Data for Ceramists and Refractory Engineers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94010.5.8.1 Temperature of Color . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94010.5.8.2 Pyrometric Cone Equivalents. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94010.6 Standards for Testing Refractories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94010.7 Properties of Pure Ceramics (Borides, Carbides, Nitrides, Silicides,

and Oxides) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94710.8 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94710.8.1 Traditional and Advanced Ceramics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94710.8.2 Refractories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98810.9 Glasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98810.9.1 Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98810.9.2 Physical Properties of Glasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98910.9.3 Glassmaking Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98910.9.4 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 997

ContentsXXXII

10.10 Proppants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99710.10.1 Fracturing Techniques in Oil Well Production. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99710.10.1.1 Hydraulic Fracturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99810.10.1.2 Pressure Acidizing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99810.10.1.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99910.10.2 Proppant and Frac Fluid Selection Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99910.10.2.1 Proppant Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99910.10.2.2 Frac Fluids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99910.10.2.3 Properties and Characterization of Proppants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100010.10.2.4 Classification of Proppant Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100010.10.2.5 Production of Synthetic Proppants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100010.10.2.6 Properties of Commercial Proppants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100510.10.2.7 Proppant Market . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100510.10.2.8 Proppant Producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100510.10.3 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1012

11 Polymers and Elastomers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101311.1 Fundamentals and Definitions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101411.1.1 Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101411.1.2 Additives and Fillers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101411.1.3 Polymerization and Polycondensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101611.2 Properties and Characteristics of Polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101711.2.1 Molar Mass and Relative Molar Mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101711.2.2 Average Degree of Polymerization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101711.2.3 Number-, Mass- and z-Average Molar Masses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101811.2.4 Glass Transition Temperature. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101911.2.5 Structure of Polymers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102011.3 Classification of Plastics and Elastomers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102011.4 Thermoplastics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102011.4.1 Naturally Occurring Resins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102011.4.1.1 Rosin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102011.4.1.2 Shellac. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102111.4.2 Cellulosics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102211.4.2.1 Cellulose Nitrate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102211.4.2.2 Cellulose Acetate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102311.4.2.3 Cellulose Propionate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102311.4.2.4 Cellulose Xanthate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102411.4.2.5 Alkylcelluloses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102411.4.3 Casein Plastics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102411.4.4 Coumarone-Indene Plastics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102511.4.5 Polyolefins or Ethenic Polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102511.4.5.1 Polyethylene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102511.4.5.2 Polypropylene. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102711.4.5.3 Polybutylene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102711.4.6 Polymethylpentene. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1027

XXXIIIContents

11.4.7 Polyvinyl Plastics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102811.4.7.1 Polyvinyl Chloride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102811.4.7.2 Chlorinated Polyvinyl Chloride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102811.4.7.3 Polyvinyl Fluoride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102811.4.7.4 Polyvinyl Acetate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102811.4.8 Polyvinylidene Plastics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102911.4.8.1 Polyvinylidene Chloride. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102911.4.8.2 Polyvinylidene Fluoride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102911.4.9 Styrenics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102911.4.9.1 Polystyrene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102911.4.9.2 Acrylonitrile-Butadiene-Styrene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103011.4.10 Fluorinated Polyolefins (Fluorocarbons). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103011.4.10.1 Polytetrafluoroethylene. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103111.4.10.2 Fluorinated Ethylene-Propylene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103111.4.10.3 Perfluorinated Alkoxy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103211.4.10.4 Polychlorotrifluoroethylene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103211.4.10.5 Ethylene-Chlorotrifluoroethylene Copolymer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103211.4.10.6 Ethylene-Tetrafluoroethylene Copolymer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103211.4.11 Acrylics and Polymethyl Methacrylate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103211.4.12 Polyamides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103311.4.13 Polyaramids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103311.4.14 Polyimides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103411.4.15 Polyacetals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103411.4.16 Polycarbonates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103411.4.17 Polysulfone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103511.4.18 Polyphenylene Oxide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103511.4.19 Polyphenylene Sulfide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103511.4.20 Polybutylene Terephthalate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103611.4.21 Polyethylene Terephthalate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103611.4.22 Polydiallyl Phthalate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103611.5 Thermosets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103611.5.1 Aminoplastics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103611.5.2 Phenolics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103711.5.3 Acrylonitrile-Butadiene-Styrene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103811.5.4 Polyurethanes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103811.5.5 Furan Plastics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103811.5.6 Epoxy Resins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103911.6 Rubbers and Elastomers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103911.6.1 Natural Rubber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103911.6.2 trans-Polyisoprene Rubber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104011.6.3 Polybutadiene Rubber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104011.6.4 Styrene-Butadiene Rubber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104011.6.5 Nitrile Rubber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104111.6.6 Butyl Rubber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104111.6.7 Chloroprene Rubber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104111.6.8 Chlorosulfonated Polyethylene. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104211.6.9 Polysulfide Rubber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1042

ContentsXXXIV

11.6.10 Ethylene-Propylene Rubbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104211.6.11 Silicone Rubber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104211.6.12 Fluoroelastomers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104311.7 Physical Properties of Polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104411.8 Gas Permeability of Polymers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106911.9 Chemical Resistance of Polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106911.10 International Union of Pure and Applied Chemistry Acronyms

of Polymers and Elastomers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108511.11 Plastics Identification Chart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108511.12 Economic Data on Polymers and Related Chemical Intermediates . . . . . 108511.12.1 Average Prices of Polymers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108511.12.2 Production Capacities, Prices, and Major Producers

of Polymers and Chemical Intermediates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108511.13 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1085

12 Minerals, Ores, and Gemstones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109312.1 Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109412.2 Mineralogical, Physical, and Chemical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110012.2.1 Mineral Names . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110012.2.2 Chemical Formula and Theoretical Chemical Composition . . . . . . . . . . . . . . . . 110112.2.3 Crystallographic Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110112.2.4 Habit or Crystal Form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110212.2.5 Color . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110312.2.6 Diaphaneity or Transmission of Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110412.2.7 Luster. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110412.2.8 Cleavage and Parting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110412.2.9 Fracture. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110512.2.10 Streak. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110512.2.11 Tenacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110512.2.12 Density and Specific Gravity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110612.2.13 Mohs Hardness. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110612.2.14 Optical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110712.2.15 Static Electricity and Magnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111112.2.16 Luminescence. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111112.2.17 Piezoelectricity and Pyroelectricity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111112.2.18 Play of Colors and Chatoyancy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111112.2.19 Radioactivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111212.2.20 Miscellaneous Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111212.2.21 Chemical Reactivity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111212.2.22 Pyrognostic Tests or Fire Assays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111212.2.22.1 The Flame Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111312.2.22.2 The Fusibility Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111312.2.22.3 The Reduction on Charcoal Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111712.2.22.4 Tests with Cobalt Nitrate and Sulfur Iodide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111712.2.22.5 The Closed Tube Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111712.2.22.6 The Open Tube Test. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111912.2.22.7 Bead Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1120

XXXVContents

12.2.23 Heavy-Media or Sink-Float Separations in Mineralogy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112112.2.23.1 Selection of Dense Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112212.2.23.2 Common Heavy Liquids Used in Mineralogy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112312.3 Strunz Classification of Minerals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112312.4 Dana’s Classification of Minerals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112312.5 Gemstones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112312.5.1 Diamond. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112712.5.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112712.5.1.2 Diamond Types. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113012.5.1.3 Diamond: Physical and Chemical Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113112.5.1.4 Diamond: Origins and Occurrence. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113312.5.1.5 Industrial Applications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113412.5.1.6 Diamond Prices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113512.5.1.7 Treatments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113512.5.1.8 Diamond Shaping and Valuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113512.5.2 Beryl Gem Varieties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113612.5.2.1 Emerald. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113712.5.2.2 Aquamarine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113912.5.2.3 Morganite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113912.5.2.4 Heliodor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114012.5.2.5 Goshenite. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114012.5.3 Corundum Gem Varieties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114012.5.3.1 Ruby. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114112.5.3.2 Sapphire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114212.5.4 Synthetic Gemstones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114312.5.4.1 Synthesis from Melts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114312.5.4.2 Synthesis from Solutions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114412.5.4.3 Diamond Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114512.6 International Mineralogical Association (iMA) Acronyms

of Rock-Forming Minerals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114612.7 Mineral and Gemstone Properties Table . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114612.8 Mineral Synonyms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129312.9 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130512.9.1 Crystallography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130512.9.2 Optical Mineralogy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130612.9.3 Mineralogy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130712.9.4 Industrial Minerals. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130912.9.5 Ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131012.9.6 Gemstones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131112.9.7 Heavy Liquids and Mineral Dressing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1312

13 Rocks and Meteorites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131313.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131413.2 Structure of Earth’s Interior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131413.3 Different Types of Rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1318

ContentsXXXVI

13.4 Igneous Rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131913.4.1 Classification of Igneous Rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132013.4.1.1 Crystal Morphology and Dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132013.4.1.2 Mineralogy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132013.4.1.3 Coloration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132213.4.2 Texture of Igneous Rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132313.4.3 Chemistry of Igneous Rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132513.4.4 General Classification of Igneous Rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132513.4.5 Vesicular and Pyroclastic Igneous Rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133413.4.6 CIPW Norm Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133413.5 Sedimentary Rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134313.5.1 Sediments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134413.5.2 Residual Sedimentary Rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134513.5.3 Detritic or Clastic Sedimentary Rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134513.5.4 Chemical Sedimentary Rocks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134713.5.5 Biogenic Sedimentary Rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134713.5.6 Chemical Composition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134813.6 Metamorphic Rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134813.6.1 Classification of Metamorphic Rocks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135013.6.2 Metamorphic Grade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135313.6.3 Metamorphic Facies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135313.7 Ice. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135313.8 Meteorites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135513.8.1 Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135513.8.2 Modern Classification of Meteorites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135513.8.3 Tektites, Impactites, and Fulgurites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136213.9 Properties of Common Rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136713.10 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1367

14 Soils and Fertilizers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136914.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137014.2 History . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137014.3 Pedogenesis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137114.3.1 Weathering and Alteration of Minerals and Clay Formation . . . . . . . . . . . . . . . 137114.3.2 Incorporation of Organic Matter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137214.3.3 Mass Transfer Between Horizons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137314.3.3.1 Descending Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137314.3.3.2 Ascending Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137314.4 Soil Morphology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137414.4.1 Major Horizons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137414.4.2 Transitional Horizons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137414.4.3 Subdivisions of Master Horizons. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137414.5 Soil Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137914.5.1 Horizon Boundaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137914.5.2 Coloration of Soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138014.5.3 Soil Texture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1381

XXXVIIContents

14.5.4 Soil Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138514.5.5 Consistency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138814.5.6 Mass–Volume Relationships. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138814.5.7 Roots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139014.5.8 Acidity (pH) and Effervescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139014.6 Soil Taxonomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139114.6.1 USDA Classification of Soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139114.6.2 FAO Classification of Soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139514.6.3 French Classification of Soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139514.6.4 ASTM Civil Engineering Classification of Soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139514.7 Soil Identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139514.8 ISO and ASTM Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140714.9 Physical Properties of Common Soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141014.10 Fertilizers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141014.10.1 Nitrogen Fertilizers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141214.10.2 Phosphorus Fertilizers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141414.10.3 Potassium Fertilizers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141414.10.4 Fertilizer Consumption Versus Crop and Bioethanol Yields . . . . . . . . . . . . . . . . 141414.10.5 Role of Micronutrients in Soils. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141414.11 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1418

15 Cements, Concrete, Building Stones, and Construction Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1421

15.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142215.1.1 Nonhydraulic Cements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142215.2 Portland Cement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142315.2.1 History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142315.2.2 Raw Materials for Portland Cement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142415.2.3 Processing of Portland Cement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142415.2.4 Portland Cement Chemistry. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142515.2.5 Portland Cement Nomenclature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142815.3 Aggregates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142815.3.1 Coarse Aggregates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143115.3.2 Fine Aggregates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143115.4 Mineral Admixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143115.5 Mortars and Concrete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143215.5.1 Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143215.5.2 Degradation Processes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143315.6 Ceramics for Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143415.7 Building Stones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143415.7.1 Limestones and Dolomites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143415.7.2 Sandstones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143415.7.3 Basalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143515.7.4 Granite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143515.8 Properties of Soils for Building Foundations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143515.9 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1438

ContentsXXXVIII

16 Timbers and Woods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144116.1 General Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144216.2 Properties of Woods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144416.2.1 Moisture Content. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144416.2.2 Specific Gravity and Density. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144416.2.3 Drying and Shrinkage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144516.2.4 Mechanical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144616.2.5 Thermal Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144716.2.6 Electrical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144816.2.7 Heating Values and Flammability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144916.2.8 Durability and Decay Resistance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144916.3 Properties of Hardwoods and Softwoods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144916.4 Applications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146316.5 Wood Performance in Various Corrosives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146316.6 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1463

17 Fuels, Propellants, and Explosives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146517.1 Introduction and Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146617.2 Combustion Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146617.2.1 Enthalpy of Combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146617.2.1.1 Stoichiometric Combustion Ratios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146817.2.1.2 Low (Net) and High (Gross) Heating Values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146817.2.1.3 Air Excess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146917.2.1.4 Dulong’s Equations and Other Practical Equations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146917.2.1.5 Adiabatic Flame Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147017.2.1.6 Wobbe Index for Gaseous Fuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147117.3 Solid Fuels: Coals and Cokes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147117.4 Liquid Fuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147417.5 Gaseous Fuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147817.6 Prices of Common Fuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147817.7 Propellants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148217.7.1 Liquid Propellants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148317.7.1.1 Petroleum-Based Propellants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148317.7.1.2 Cryogenic Propellants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148317.7.1.3 Hypergolic Propellants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148517.7.2 Solid Propellants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148517.8 Explosives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148617.9 Chemical Warfare Agents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148717.10 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149517.10.1 Fuels and Combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149517.10.2 Propellants and Explosives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149617.10.3 Chemical Warfare Agents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1496

XXXIXContents

18 Composite Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149718.1 Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149818.2 Properties of Composites. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149818.2.1 Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149918.2.2 Tensile Strength and Elastic Moduli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150118.2.3 Specific Heat Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150218.2.4 Thermal Conductivity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150318.2.5 Thermal Expansion Coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150318.3 Processes for Fabrication of Monofilaments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150318.4 Reinforcement Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150418.4.1 Glass Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150418.4.2 Boron Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150718.4.3 Carbon Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150818.4.4 Polyethylene Fibers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150918.4.5 Polyaramid Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150918.4.6 Ceramic Oxide Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150918.4.7 Silicon Carbide Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150918.5 Polymer Matrix Composites (PMCs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151018.6 Metal Matrix Composites (MMCs). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151118.7 Ceramic Matrix Composites (CMCs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151518.8 Carbon–Carbon Composites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151518.9 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1517

19 Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151919.1 Properties of Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152019.1.1 Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152019.1.2 The Boyle–Mariotte Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152119.1.3 Charles’s and Gay-Lussac’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152219.1.4 The Avogadro–Ampère Law. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152219.1.5 Normal and Standard Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152319.1.6 Equation of State of Ideal Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152319.1.7 Dalton’s Law of Partial Pressure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152419.1.8 Equations of State of Real Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152519.1.8.1 Van der Waals Equation of State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152519.1.8.2 Virial Equation of State. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152619.1.9 Density and Specific Gravity of Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152719.1.10 Barometric Equation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152919.1.11 Isobaric Coefficient of Cubic Expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152919.1.12 Compressibility Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153019.1.13 Isotherms of Real Gases and Critical Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153019.1.14 Critical Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153119.1.15 The Principle of Corresponding States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153219.1.16 Microscopic Properties of Gas Molecules. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153219.1.17 Molar and Specific Heat Capacities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153319.1.18 Dynamic and Kinematic Viscosities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153319.1.19 Solubility of Gases in Liquids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1534

ContentsXL

19.1.20 Gas Permeability of Polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153619.1.21 Dielectric Properties of Gases, Permittivity, and Breakdown Voltage . . . . . . . 153619.1.22 Psychrometry and Hygrometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153919.1.23 Vapor Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154019.1.23.1 Absolute Humidity or Humidity Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154019.1.23.2 Mass Fraction of Water Vapor or Specific Humidity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154119.1.23.3 Relative Humidity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154119.1.23.4 Humid Heat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154219.1.23.5 Humid or Specific Volume. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154219.1.23.6 Dry-Bulb Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154219.1.23.7 Wet-Bulb Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154219.1.23.8 Wet-Bulb Depression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154219.1.23.9 Dew Point Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154219.1.23.10 Specific Enthalpy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154219.1.23.11 Latent Heat of Fusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154319.1.23.12 Latent Heat of Vaporization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154319.1.23.13 Refractivity of Moist Air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154319.1.23.14 Psychrometric Charts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154419.1.23.15 Psychrometric Equations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154419.1.24 Flammability of Gases and Vapors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154419.1.24.1 Flammability Limits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154419.1.24.2 Explosive Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154719.1.24.3 Autoignition Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154719.1.24.4 Ignition Energy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154719.1.24.5 Maximum Explosion Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154719.1.24.6 Maximum Rate of Pressure Rise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154719.1.24.7 Minimum Igniting Current Ratio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154919.1.24.8 Maximum Experimental Safe Gap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154919.1.24.9 High and Low Heating Values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154919.1.25 Toxicity of Gases and Threshold Limit Averages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155119.1.26 Effect of Oxygen Deficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155119.2 Mass Density of Dry Air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155319.3 Steam Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155619.4 Physicochemical Properties of Major Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156719.5 Monographs on Major Industrial Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156719.5.1 Air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156719.5.2 Nitrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156719.5.3 Oxygen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158619.5.4 Hydrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158919.5.5 Methane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159819.5.6 Carbon Monoxide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159919.5.7 Carbon Dioxide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160119.5.8 Helium and Noble Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160219.5.8.1 Neon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160419.5.8.2 Argon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160519.5.8.3 Krypton. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1605

XLIContents

19.5.8.4 Xenon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160519.5.8.5 Radon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160619.6 Halocarbons. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160619.7 Hydrates of Gases and Clathrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160719.8 Materials for Drying and Purifying Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160819.8.1 Drying Agents and Desiccants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160819.8.2 Molecular Sieves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160819.8.3 Getters and Scavengers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160919.9 Producers and Manufacturers of Major Industrial Gases . . . . . . . . . . . . . . . 161519.10 Prices of Commercial Utility Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161519.11 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1615

20 Liquids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161720.1 Properties of Liquids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161820.1.1 Density and Specific Gravity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161820.1.2 Hydrometer Scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161820.1.3 Calculation of Mass Density by Double Linear Interpolation. . . . . . . . . . . . . . . 161920.1.4 Dynamic and Kinematic Viscosities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162020.1.4.1 Shear Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162020.1.4.2 Shear Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162120.1.4.3 Absolute or Dynamic Viscosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162120.1.4.4 Kinematic Viscosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162120.1.4.5 Temperature Dependence of the Dynamic Viscosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162120.1.5 Classification of Fluids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162220.1.6 The Hagen–Poiseuille Equation and Pressure Losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162220.1.6.1 Pressure Drop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162220.1.6.2 Friction Losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162220.1.7 Sedimentation and Free Settling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162520.1.8 Vapor Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162720.1.9 Surface Tension, Wetting, and Capillarity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162720.1.9.1 Surface Tension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162720.1.9.2 Temperature Dependence and Order of Magnitude of Surface Tension . . . . 162920.1.9.3 Parachor and Walden’s Rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163020.1.9.4 Wetting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163020.1.9.5 Contact Angle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163120.1.9.6 Young’s Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163120.1.9.7 Work of Cohesion, Work of Adhesion, and Spreading Coefficient . . . . . . . . . . 163220.1.9.8 Two Liquids and a Solid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163320.1.9.9 Antonoff’s Rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163320.1.9.10 Capillarity and the Young–Laplace Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163320.1.9.11 Jurin’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163420.1.9.12 Measurements of Surface Tension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163520.1.10 Colligative Properties of Nonvolatile Solutes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163620.1.10.1 Raoult’s Law for Boiling Point Elevation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163620.1.10.2 Raoult’s Law and Freezing Point Depression. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163720.1.10.3 Van ’t Hoff Law for Osmotic Pressure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1638

ContentsXLII

20.1.11 Flammability of Liquids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163920.2 Properties of the Most Common Liquids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170820.3 Monographs on Liquids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170820.3.1 Properties of Water and Heavy Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170820.3.2 Mass Density of Pure Water Versus Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171620.3.3 Chemical Composition and Physical Properties of Seawater . . . . . . . . . . . . . . . 171620.3.3.1 Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171620.3.3.2 Chemical Composition of Seawater. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171620.3.3.3 Physical Properties of Seawater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171720.3.4 Properties of Liquid Acids and Bases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171720.3.5 Colligative Properties of Aqueous Solutions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171720.3.6 Properties of Heavy Liquids (Heavy Media). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178020.3.6.1 Dense Halogenated Organic Solvents. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178020.3.6.2 Dense Aqueous Solutions of Inorganic Salts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178020.3.6.3 Low-Temperature Molten Inorganic Salts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178020.3.6.4 Dense Emulsions and Suspensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178320.3.6.5 Paramagnetic Liquid Oxygen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178420.4 Properties of Liquid Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178420.5 Properties of Pure Molten Salts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178420.6 Properties of Molten Salt Eutectic Mixtures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178420.7 Properties of Metal–Metal Halide Molten Mixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178420.8 Properties of Solutions of Alkali Metals in Liquid Ammonia. . . . . . . . . . . . 179220.9 Properties of Heat Transfer Fluids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179320.10 Colloidal and Dispersed Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179520.11 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1795

21 Food Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179721.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179821.2 Nutrients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179821.2.1 Carbohydrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179821.2.1.1 Monosaccharides. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179821.2.1.2 Disaccharides, Trisaccharides and Tetrasacharides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180221.2.1.3 Polysaccharides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180621.2.2 Amino Acids and Proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180621.2.3 Lipids: Fats and Oils. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181121.2.4 Vitamins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181321.2.5 Minerals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181321.2.6 Essential elements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181521.2.7 Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181521.3 Metabolism and Food Caloric Values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181521.3.1 Chemical Energy and Food Caloric Value. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181721.3.2 Metabolic Activity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181721.4 Food Storage Temperature and Freezing Conditions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181821.5 Food Chart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1818

XLIIIContents

21.6 Natural Oils, Fats, Resins, and Waxes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185521.6.1 Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185521.6.2 Selected Properties and Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185521.6.3 Properties of Natural Oils, Fats, Resins, and Waxes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185821.7 Animal and Vegetable Kingdoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185821.8 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1879

22 Nuclear Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188122.1 Atomic Nucleus and Nuclides. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188222.2 Nucleus Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188422.2.1 Mass Default . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188422.2.2 Binding Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188422.2.3 Binding Energy per Nucleon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188522.2.4 Mass Excess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188522.2.5 Packing Fraction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188622.2.6 Stable Nuclides. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188722.3 Nuclear Models. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188822.3.1 Liquid Drop Model and Semiempirical Mass Formula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188822.4 Radioactivity Modes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189122.4.1 Alpha Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189222.4.2 Beta Minus Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189422.4.3 Beta Plus Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189622.4.4 Electron Capture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189822.4.5 Double Beta Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190022.4.6 Gamma Radiation and Internal Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190022.4.7 Neutron and Proton Emissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190022.4.8 Heavy Ion Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190122.4.9 Fission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190122.4.9.1 Spontaneous Fission. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190122.4.9.2 Induced Fission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190222.4.10 Ségré Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190222.5 Radioactivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190222.5.1 Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190222.5.2 Radioactive Decay Modes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190322.5.3 Radioactive Decay Constant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190322.5.4 Radioactive Period or Half-life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190422.5.5 Mean Life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190622.5.6 Activity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190622.5.7 Specific Activity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190822.5.8 Mixed Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190822.5.9 Branched Decay and Partial Activities. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190922.5.10 Chain Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191122.5.11 Two-Body Chain. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191122.5.12 Nonequilibrium (T2 > T1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191422.5.13 Transient Equilibrium (T1 > T2). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191522.5.14 Secular Equilibrium (T1 >> T2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191622.5.15 Three-Body Chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1916

ContentsXLIV

22.5.16 N-Body Chain and Bateman’s Equation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191822.5.17 Activities Decaying During Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191822.5.18 Natural Radioactivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191922.5.18.1 Mononuclidic Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192022.5.18.2 Nuclear Decay Series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192022.5.18.3 Nonseries Primordial Radionuclides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192222.5.18.4 Cosmogenic Radionuclides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192222.5.18.5 NORM and TENORM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192222.5.18.6 Activity Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192322.6 Nuclear Activation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192722.6.1 General Equation with no Existing Products. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192722.6.2 General Equation with Existing Radionuclides Y* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192922.6.3 Nuclear Activation with Decay Chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192922.6.4 Neutron Activation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193022.7 Radiation–Matter Interaction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193022.7.1 Charged Particles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193022.7.1.1 Surface Mass Density of Absorber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193122.7.1.2 Energy Loss per Unit Length, and Linear Energy Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193122.7.1.3 General Bethe–Bloch Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193222.7.1.4 Mass Stopping Power and Bragg’s Rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193222.7.1.5 Particle Penetration and Range. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193322.7.1.6 Alpha Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193422.7.1.7 Electrons and Positrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193422.7.1.8 Protons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193422.7.1.9 Heavy Ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193422.7.1.10 Bremsstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193422.7.1.11 Cherenkov Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193522.7.2 Electromagnetic Radiation, Photons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193522.7.2.1 Attenuation of Photons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193622.7.2.2 Mean Free Path and Half-Thickness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193722.7.2.3 Mass Attenuation Coefficient. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193822.7.2.4 Atomic Absorption Coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193822.7.2.5 Rayleigh (Coherent) Scattering and Thompson Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193922.7.2.6 Photoelectric Effect. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193922.7.2.7 Compton (Incoherent) Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194022.7.2.8 Production of Pairs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194122.7.2.9 Photonuclear Reactions and Photodisintegrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194222.7.3 Neutrons. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194322.8 Radiolysis of Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194322.8.1 Radiochemical Yield or G Value . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194322.8.2 Radiolysis of Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194322.8.3 Fricke’s Dosimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194422.9 Nuclear Radiation Dosimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194522.9.1 Absorbed Dose. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194522.9.2 Dose Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194622.9.3 Dose Equivalent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194622.9.4 Radiation Weighting Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1946

XLVContents

22.9.5 Ionization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194722.10 Nuclear Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194722.10.1 Probability and Nuclear Cross Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194822.10.2 Two Bodies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194822.11 Nuclear Reactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194922.11.1 Spontaneous and Induced Nuclear Fissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194922.11.2 Total Energy Released from Induced Fission. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195122.11.3 Nuclear Fuel Burn-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195222.11.4 Fission Probability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195222.11.5 The Neutron Fission Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195422.11.6 Neutron Flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195622.11.7 Fick’s Law and Neutron Diffusion Coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195622.11.8 Continuity Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195622.11.9 Neutron Diffusion Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195722.11.10 Slowing Down or Moderation of Neutrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195722.11.11 Fermi Age and Thermal Neutron Age . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195822.11.12 Neutron Migration Length and Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195822.11.13 The Neutron Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195922.11.13.1 Neutron Multiplication Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195922.11.13.2 Infinite and Effective Neutron Multiplication Factors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195922.11.13.3 Four-Factor Formula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195922.11.14 Neutron Buckling Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196122.11.15 Neutron Leakage and Critical Size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196122.11.16 Criticality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196122.12 Nuclear Fission Reactors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196222.13 Nuclear Fuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196222.14 Moderator Materials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196422.14.1 Coolants or Heat Transfer Fluids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196522.15 Cladding Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196622.16 Control Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196622.17 Shielding Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196622.18 Properties of Nuclides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196922.19 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1969

23 Materials Occupational Health and Safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200323.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200423.2 Toxic and Poisonous Substances. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200423.2.1 Threshold Limit Value and Recommended Exposure Limits . . . . . . . . . . . . . . . 200423.3 Highly Flammable Liquids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201023.4 Ethers and Organic Peroxides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201223.5 Cryogenic Fluids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201223.5.1 Proper Construction Materials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201323.5.2 Contact Burns and Frostbite. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201423.5.3 Asphyxiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201423.6 Steam Burns. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201423.7 Steam Explosion and Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion

(BLEVE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2015

ContentsXLVI

23.8 Molten Metals, Salts, and Slags . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201523.9 Globally Harmonized System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201623.9.1 GHS Labeling of Chemicals. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201623.9.1.1 Physical Hazards. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201623.9.1.2 Health and Environmental Hazards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202123.9.2 GHS Classification for Dangerous Goods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202623.9.2.1 Class 1: Explosive Substances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202623.9.2.2 Class 2: Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202623.9.2.3 Class 3: Flammable Liquids. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202723.9.2.4 Class 4: Flammable Solids, Substances That Are Spontaneously

Combustible, and Substances That Release Flammable Gases when in Contact with Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2027

23.9.2.5 Class 5: Oxidizing Substances and Organic Peroxides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202723.9.2.6 Class 6: Toxic Substances and Infectious Substances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202823.9.2.7 Class 7: Radioactive Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202823.9.2.8 Class 8: Corrosives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202823.9.2.9 Class 9: Miscellaneous Dangerous Goods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202823.9.3 Risk and Safety Statements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202923.9.4 US Fire Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203523.9.5 Former European Classification and Labeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203523.9.6 Classes of Fires and Extinguishing Agents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203823.10 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2039

Backmatter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2041A Background Data for the Chemical Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2043A.1 Periodic Table of the Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2043A.2 Historical Names of the Chemical Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2043A.3 Unified Numbering System for Metals and Alloys Standard Alphabetical

Designation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2043A.4 Names of Transfermium Elements 101–118 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2043A.5 Selected Physical Properties of the Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2043A.6 Geochemical Classification of the Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2070B Charts for Semimicrochemical Qualitative Identification of Metal

Cations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2071B.1 Group I Cations: Silver Group. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2071B.2 Group II Cations: Copper and Arsenic Divisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2072B.3 Group III Cations: Nickel and Aluminum Divisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2073B.4 Group IV Cations: Calcium Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2074B.5 Group V Cations: Sodium Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2074C NIST Thermochemical Data for Pure Substances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2077D Hydrogen-like Atom Spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2085D.1 Historical Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2085D.2 The Classical Bohr Model for Hydrogen-like Atoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2085D.3 Isotopic Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2090D.4 Structure Fine Constant. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2091D.5 Positronium and Muonium Atoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2091D.6 Spectroscopic Notation and Transition Selection Rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2091

XLVIIContents

D.7 Nomenclature of Atom Electron Energies and X-ray Emission Lines . . . . . . . . 2092D.8 X-ray Emission Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2094D.9 X-ray Energy Levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2097E Crystal Field Theory (CFT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2103E.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2103E.2 Octahedral Crystal Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2104E.3 Tetrahedral Crystal Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2106E.4 Factors Affecting the CFSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2107E.5 The Spectrochemical Series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2108E.6 High-Spin and Low-Spin Octahedral Complexes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2109E.7 Other Crystal Field Splitting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2111E.8 Jahn–Teller Distortion Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2112E.9 Applications of Crystal and Ligand Field Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2112E.10 Orgel Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2113E.11 Tanabe–Sugano Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2114E.12 Nephelauxetic Effect. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2114E.13 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2117F Crystallography and Crystallochemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2119F.1 Direct Space Lattice Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2119F.2 Symmetry Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2119F.3 The Seven Crystal Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2119F.4 Conversion of a Rhombohedral to a Hexagonal Lattice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2121F.5 The 14 Bravais Space Lattices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2121F.6 Characteristics of Close-Packed Arrangements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2123F.7 The 32 Classes of Symmetry. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2123F.8 Strukturbericht Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2125F.9 The 230 Space Groups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2133F.10 Crystallographic Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2141F.11 Interplanar Spacing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2145F.12 Reciprocal Lattice Unit Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2146G Transparent Materials for Optical Windows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2147H Corrosion Resistance of Materials Toward Various Corrosive Media . . . . 2151I Economic Data for Metals, Industrial Minerals, and Electricity . . . . . . . . . 2163I.1 Prices of Pure Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2163I.2 World Annual Production of Commodities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2167I.3 Economic Data for Industrial Minerals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2170I.4 Prices of Electricity in Various Countries. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2179J Astronomical Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2181K Materials Societies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2183L Geological Time Scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2197Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2199Index. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2211

ContentsXLVIII

XLIX

List of Figures

Fig. 1.1 Engineering stress–strain curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10Fig. 1.2 True stress–true strain curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10Fig. 1.3 Deformation parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11Fig. 1.4 Stress–strain curves for metals, ceramics and polymers . . . . . . . . . . . . . . 12Fig. 1.5 Creep behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30Fig. 1.6 An S–N plot. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31Fig. 1.7 Displacement of a solid on a surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32Fig. 1.8 Spectral solar irradiance at AM1.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49Fig. 1.9 Spectral solar irradiance at AM0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50Fig. 1.10 Solid–liquid–gas reversible transformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53Fig. 1.11 Principle of refraction of a light beam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58Fig. 1.12 Refraction in two media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59Fig. 1.13 Total refraction and critical angle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60Fig. 1.14 Jablonski photophysical diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

Fig. 2.1 Structure and principal components of the blast furnace . . . . . . . . . . . . 118Fig. 2.2 Simplified iron–carbon phase diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122Fig. 2.3 Detailed iron–cementite phase diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123Fig. 2.4 Graphical selection of the most common stainless steels . . . . . . . . . . . . 163Fig. 2.5 Plots of u(t), i(t), and p(t) and U, I and vector diagrams . . . . . . . . . . . . . . 239Fig. 2.6 Impedance of series-connected RLC circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242Fig. 2.7 Impedance of parallel-connected RLC circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243Fig. 2.8 Three-phase current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244

Fig. 4.1 Nuclear fuel cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623

Fig. 5.1 Electrical classification of solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 699Fig. 5.2 n-type and p-type semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 701

Fig. 6.1 Superconducting state . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 726

Fig. 7.1 Electromagnet configuration and air gap. mmf magnetomotive force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 746

Fig. 7.2 B–H hysteresis loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 760Fig. 7.3 Hard and soft magnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 761

Fig. 8.1 Loss tangent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 785Fig. 8.2 Equivalent circuit of a dielectric material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 788Fig. 8.3 Ferroelectric hysteresis loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 795

Fig. 9.1 Thermocouple basic circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 808Fig. 9.2 Thermocouples in series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 810

Fig. 10.1 Polymorphs of silica (SiO2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 884Fig. 10.2 Alumina production flowchart. EAF electric arc furnace . . . . . . . . . . . . . 896Fig. 10.3 Polymorphs of zirconia (ZrO2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 914

Fig. 11.1 Molar masses of polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1019Fig. 11.2 Plastics identification chart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1088

List of FiguresL

Fig. 12.1 McKelvey diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1097Fig. 12.2 Major diamond deposits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1134

Fig. 13.1 Structure of Earth’s interior. LVZ low-velocity zone . . . . . . . . . . . . . . . . . 1315Fig. 13.2 The rock cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1318Fig. 13.3 Bowen’s crystallization series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1322Fig. 13.4 Classification of plutonic rocks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1331Fig. 13.5 Classification of ultramafic rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1332Fig. 13.6 Classification of volcanic rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1333

Fig. 14.1 Soil texture ternary diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1384

Fig. 16.1 Detailed wood structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1442Fig. 16.2 Detailed wood structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1443

Fig. 19.1 P–V diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1523Fig. 19.2 V–T diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1523Fig. 19.3 Isotherm of real gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1531Fig. 19.4 Paschen curves for air, nitrogen, and sulfur hexafluoride . . . . . . . . . . . 1538Fig. 19.5 Psychrometric chart in SI units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1545Fig. 19.6 Psychrometric chart in US customary units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1546

Fig. 20.1 Liquid and solid surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1627Fig. 20.2 Soap film . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1628Fig. 20.3 Sessile drop on a solid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1631Fig. 20.4 Wetting angles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1632Fig. 20.5 Jurin’s law and capillary rise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1634

Fig. 22.1 Binding energy per nucleon versus atomic mass number . . . . . . . . . . 1886Fig. 22.2 Liquid drop decays for an isobaric series with odd mass

numbers. EC electron capture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1880Fig. 22.3 Liquid drop decays for a radionuclide with even mass number.

EC electron capture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1891Fig. 22.4 A beta minus spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1895Fig. 22.5 Beta minus energy diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1895Fig. 22.6 Log–log Sargent diagram for a natural beta minus emitter . . . . . . . . . 1896Fig. 22.7 A beta plus spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1899Fig. 22.8 Beta plus energy diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1899Fig. 22.9 Ségré diagram: N = f(Z). EC electron capture, S.F. spontaneous

fission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1902Fig. 22.10 Exponential radioactive decay plot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1905Fig. 22.11 Logarithmic radioactive decay plot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1905Fig. 22.12 Mixed decay plot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1909Fig. 22.13 Branched decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1910Fig. 22.14 Nonequilibrium activity plot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1915Fig. 22.15 Transient equilibrium activity plot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1916Fig. 22.16 Secular equilibrium plot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1917Fig. 22.17 Neutron activation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1927Fig. 22.18 Typical neutron activation plot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1929Fig. 22.19 Photoelectric effect, Compton effect, and electron–positron pair

production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1936Fig. 22.20 Compton effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1940Fig. 22.21 Compton recoil vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1941Fig. 22.22 Pair production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1942

LIList of Figures

Fig. 22.23 Nuclear reaction vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1947Fig. 22.24 Masses of fission products (uranium-235) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1950Fig. 22.25 Neutron-induced nuclear fission cross section spectra . . . . . . . . . . . . . 1953

Fig. A.1 The periodic table. b.p. boiling point, m.p. melting point, n.a. not available . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2044

Fig. B.1 Identification chart for group I cations. PPTN. precipitation . . . . . . . . . 2071Fig. B.2 Identification chart for group II cations. PPTN. precipitation . . . . . . . . 2072Fig. B.3 Identification chart for group III cations. PPTN. precipitation . . . . . . . . 2073Fig. B.4 Identification chart for group IV cations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2074Fig. B.5 Identification chart for group V cations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2075

Fig. E.1 d-electron orbitals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2104Fig. E.2 Octahedral crystal field splitting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2105Fig. E.3 Tetrahedral crystal field splitting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2106Fig. E.4 Low-spin and high-spin configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2110Fig. E.5 Square, tetragonal, and hexagonal crystal field splitting . . . . . . . . . . . 2111Fig. E.6 Orgel diagram for complexes with D ground term . . . . . . . . . . . . . . . . . 2113Fig. E.7 Orgel diagram for complexes with F and P ground terms . . . . . . . . . . . 2114Fig. E.8 Tanabe–Sugano diagrams for d2 and d3 configurations . . . . . . . . . . . . 2115Fig. E.9 Tanabe–Sugano diagrams for d4 and d5 configurations . . . . . . . . . . . . 2115Fig. E.10 Tanabe–Sugano diagrams for d6 and d7 configurations . . . . . . . . . . . . 2116Fig. E.11 Tanabe–Sugano diagrams for d8 configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2116

Fig. F.1 International Union of Crystallography standardized notation for space lattice parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2119

Fig. G.1 Electromagnetic transparency range of optical window materials . . 2150

List of Tables

Table 1.1 Mechanical behavior of solid materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7Table 1.2 Hardness scales for metals and advanced ceramics . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14Table 1.3 Approximative conversion between several hardness scales . . . . . . . . . . 15Table 1.4 Maximum allowable thickness and pressure for high-pressure

cylindrical and spherical shells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19Table 1.5 Mechanical properties and rationalized brittleness indices of

selected mineral and ceramic materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21Table 1.6 Types of energy laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23Table 1.7 Steel ball size distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24Table 1.8 Rules of thumb for extrapolating the work index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25Table 1.9 Abrasiveness and grindability indices of industrial materials . . . . . . . . . 26Table 1.10 Angle of repose of various bulk materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28Table 1.11 Static friction coefficients of selected solids on steel or on

themselves in air and in a vacuum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33Table 1.12 Selected Ashby’s mechanical performance indices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34Table 1.13 Order of magnitude of mechanical properties of selected materials . . 35Table 1.14 Total solar radiation versus solar altitude and azimuth on the

summer solstice (June 21) (λ = 40° N) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48Table 1.15 Total solar radiation versus solar altitude and azimuth on the

winter solstice (December 21) (λ = 40° N) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48Table 1.16 Albedo of natural surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50Table 1.17 Air mass and equilibrium temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51Table 1.18 Concentration ratios, and black body equilibrium temperature

(m = 1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52Table 1.19 Characteristic lengths of bodies with simple geometric shapes . . . . . . . 55Table 1.20 Magnitude of thermophysical properties of selected materials . . . . . . . 56Table 1.21 Electromagnetic radiation spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65Table 1.22 Index of refraction and related quantities of selected

transparent substances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67Table 1.23 Major requirements for biomaterials used for implants,

prosthetic devices, and dental repair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76Table 1.24 Pauling electronegativity [(eV ∙ molecule−1)1/2] of the elements. . . . . . . 78Table 1.25 Percentage of ionic character of a single chemical bond . . . . . . . . . . . . . 79Table 1.26 Matrix of coefficients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81Table 1.27 Matrix of coefficients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83Table 1.28 Dimensionless numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84Table 1.29 Equivalence between duplicate dimensionless numbers . . . . . . . . . . . . . 89Table 1.30 Universal constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90Table 1.31 Most common conversion factors used in materials science and

metallurgy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

Table 2.1 Selected properties of iron, cobalt, nickel, chromium, and manganese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

Table 2.2 Reactions of pure iron metal with acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108Table 2.3 Physical properties of the five iron allotropes at atmospheric

pressure and the high-temperature allotrope. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110Table 2.4 Common metallographic etchants for iron and steels . . . . . . . . . . . . . . . 111Table 2.5 Major iron-ore-producing countries (2014) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

LIII

Table 2.6 Major iron ore producers (2014) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115Table 2.7 Top 11 crude-steel-producing countries (2013) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115Table 2.8 Major crude steel producers (2013) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116Table 2.9 Processes for direct reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119Table 2.10 Pure iron grades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121Table 2.11 Critical arrest points in the iron–carbon phase diagram . . . . . . . . . . . . . 124Table 2.12 Ferrite- and austenite-stabilizing elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125Table 2.13 Classification of cast irons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128Table 2.14 Physical properties of gray cast irons (flake graphite cast irons) . . . . . . 129Table 2.15 Physical properties of nodular and other cast irons . . . . . . . . . . . . . . . . . 130Table 2.16 Properties of alloyed cast irons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131Table 2.17 Carbon steel and low-alloy steel designation (AISI–SAE) . . . . . . . . . . . . . 132Table 2.18 Typical chemical composition of plain carbon steels (wt%) . . . . . . . . . . 136Table 2.19 Typical chemical composition of low-alloy steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140Table 2.20 Physical properties of plain carbon steels and low-alloy steels . . . . . . 143Table 2.21 Classification of stainless steels by microstructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148Table 2.22 Physical properties of martensitic stainless steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149Table 2.23 Physical properties of ferritic stainless steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153Table 2.24 Impact of minor alloying additions on general-purpose stainless

steel 300 series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156Table 2.25 Physical properties of austenitic stainless steels (annealed) . . . . . . . . . 157Table 2.26 Physical properties of duplex stainless steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160Table 2.27 Physical properties of precipitation-hardening stainless steels . . . . . . . 161Table 2.28 Guide for selected stainless steels (corrosion, oxidation,

fabrication, application) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164Table 2.29 Description of selected grades of high-strength low-alloy (HSLA)

steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169Table 2.30 Mechanical properties of high-strength low-alloy steels. . . . . . . . . . . . . 169Table 2.31 AISI designation of tool steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171Table 2.32 Physical properties of tool steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174Table 2.33 Composition and selected physical properties of maraging

steels (ASTM A538) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179Table 2.34 Reactions of nickel metal with acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182Table 2.35 Annual production capacity of major refined nickel producers . . . . . . 184Table 2.36 Description of main nickel-alloy classes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187Table 2.37 Physical properties of commercially pure and high-nickel alloys

(annealed). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189Table 2.38 Selected physical properties of nickel-based alloys and

superalloys (annealed) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191Table 2.39 Properties of 55Ni-45Ti shape memory alloy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201Table 2.40 Major nickel producers (2011) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202Table 2.41 Reactions of cobalt metal with acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203Table 2.42 Cobalt world mine production (2012) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205Table 2.43 Electrowinning of cobalt metal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207Table 2.44 Properties of selected cobalt-based alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208Table 2.45 Uses of selected Stellite grades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212Table 2.46 Major refined cobalt producers (2012) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212Table 2.47 Physical properties of the four manganese allotropes . . . . . . . . . . . . . . . 213Table 2.48 Reactions of pure manganese metal with acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214Table 2.49 Major manganese-producing countries (2014) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216Table 2.50 Major manganese ore and concentrate producers (2014) . . . . . . . . . . . 217Table 2.51 Electrowinning of manganese metal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218Table 2.52 Electrolytic manganese grades (ASTM B601) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218Table 2.53 Industrial uses of manganese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220Table 2.54 Major producers of manganese metal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221

List of TablesLIV

Table 2.55 Commercial ferroalloy types and grades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223Table 2.56 Carbothermic and metallothermic reaction scheme . . . . . . . . . . . . . . . . 223Table 2.57 Ferroalloy production processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224Table 2.58 Selected ferroalloy operating conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225Table 2.59 Physical properties of selected ferroalloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229Table 2.60 Chemical reactivity of selected ferroalloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231Table 2.61 World production and major producing countries/territories and

producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232Table 2.62 Ferroalloy industrial application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233Table 2.63 Ferroalloy prices (2015) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236Table 2.64 Carbon electrode manufacturers and specifications . . . . . . . . . . . . . . . . 237Table 2.65 Electrode consumption versus ferroalloy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237Table 2.66 Alternating current RLC circuit (series) equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241Table 2.67 Apparent, active, and reactive powers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242Table 2.68 Three-phase quantities. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244Table 2.69 Calculation of furnace reactances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246Table 2.70 Windings and U and I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247Table 2.71 Ampacities versus conductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248

Table 3.1 Selected properties of aluminum, copper, zinc, lead, and tin . . . . . . . . 251Table 3.2 Reactions of aluminum metal with acids and bases . . . . . . . . . . . . . . . . . 256Table 3.3 Mineral constituents and chemical composition of bauxite . . . . . . . . . . 258Table 3.4 Digestion conditions for various bauxitic ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259Table 3.5 Annual capacity for major aluminum dross recyclers . . . . . . . . . . . . . . . . 263Table 3.6 Wrought aluminum alloy standard designation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264Table 3.7 Cast aluminum alloy standard designation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264Table 3.8 Aluminum-alloy temper designation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265Table 3.9 Physical properties of selected wrought aluminum alloys . . . . . . . . . . . 266Table 3.10 Physical properties of selected cast aluminum alloys . . . . . . . . . . . . . . . . 268Table 3.11 Applications and uses of selected aluminum alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . 270Table 3.12 Major aluminum metal producers worldwide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271Table 3.13 Major aluminum-dross recyclers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272Table 3.14 Reactions of copper metal with acids and bases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274Table 3.15 Annual production capacity of major copper producers . . . . . . . . . . . . . 275Table 3.16 Copper-alloy categories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277Table 3.17 Physical properties of wrought copper alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278Table 3.18 Physical properties of selected cast copper alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282Table 3.19 Major copper producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284Table 3.20 Reactions of zinc metal with acids and bases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285Table 3.21 Major zinc concentrate mines worldwide (2004) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287Table 3.22 Average chemical composition of zinc concentrate . . . . . . . . . . . . . . . . . 288Table 3.23 Electrowinning of zinc metal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290Table 3.24 Major zinc metal producers worldwide (2002) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292Table 3.25 Major applications and uses of zinc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294Table 3.26 Properties of selected zinc and zinc alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296Table 3.27 Reactions of lead metal with acids and bases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298Table 3.28 Physical properties of selected leads and lead alloys . . . . . . . . . . . . . . . . 302Table 3.29 Reactions of tin metal with acids and bases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305Table 3.30 Major tin-producing countries (2016) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306Table 3.31  Physical properties of selected tin alloys (chillcast) . . . . . . . . . . . . . . . . . 310Table 3.32 Low melting point fusible alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311

Table 4.1 Select physical and chemical properties of five alkali metals . . . . . . . . . 319Table 4.2 Lithium abundances in different geological materials . . . . . . . . . . . . . . . 328Table 4.3 Major producers of lithium mineral concentrates (2016) . . . . . . . . . . . . 329Table 4.4 Comparison of lithium-rich brine deposits worldwide . . . . . . . . . . . . . . . 330

LVList of Tables

Table 4.5 Mass equivalent factors between different intermediate lithium compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330

Table 4.6 Major producers of lithium carbonate (2012) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333Table 4.7 Lithium metal molten-salt electrowinning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334Table 4.8 Specifications of lithium metal grades (weight percent for Li and

parts per million by weight for the other species) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335Table 4.9 Major lithium-metal ingot producers (technical and battery grade) . . 336Table 4.10 Industrial applications and uses of lithium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337Table 4.11 Prices of lithium minerals and chemicals (2015) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338Table 4.12 Major lithium mineral concentrate producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338Table 4.13 Major lithium metal ingot producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339Table 4.14 Sodium molten-salt electrowinning (Downs cells) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343Table 4.15 Industrial applications and uses of sodium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344Table 4.16 Major producers of sodium metal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345Table 4.17 Industrial applications and uses of potassium metal . . . . . . . . . . . . . . . . 348Table 4.18 Major producers of rubidium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350Table 4.19 Cesium major producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352Table 4.20 Selected physical and chemical properties of five alkaline earth

metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354Table 4.21 World beryllium metal producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361Table 4.22 Reactions of magnesium metal with acids and bases . . . . . . . . . . . . . . . 363Table 4.23 Major magnesium metal producers worldwide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366Table 4.24 Standard ASTM designations of magnesium alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369Table 4.25 Physical properties of selected magnesium alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370Table 4.26 Industrial applications and uses of magnesium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373Table 4.27 Major magnesium metal producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374Table 4.28 Comparison between molten-salt electrolysis and

aluminothermic reduction for preparation of calcium metal . . . . . . . . . 376Table 4.29 Major calcium metal producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377Table 4.30 Selected properties of reactive and refractory metals . . . . . . . . . . . . . . . 383Table 4.31 Corrosion rates (µm/year) of refractory metals toward selected

corrosive chemicals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391Table 4.32 Selected etching and descaling procedures for refractory metals . . . . 392Table 4.33 Machining characteristics of pure refractory metals . . . . . . . . . . . . . . . . . 393Table 4.34 Pyrophoric properties of refractory metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394Table 4.35 Material characteristics during progressive weathering of ilmenite . . 400Table 4.36 World economically viable deposits of natural rutile . . . . . . . . . . . . . . . . 401Table 4.37 Major titania slag producers worldwide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403Table 4.38 Typical chemical composition of titania-rich slags . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405Table 4.39 Synthetic rutile producers worldwide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406Table 4.40 Synthetic rutile chemical composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406Table 4.41 Key mass conversion factors between various titanium compounds . 413Table 4.42 Specific-energy-consumption breakdown of Hunter and Kroll

processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417Table 4.43 Commercial titanium sponge specifications (ASTM B299) . . . . . . . . . . . 418Table 4.44 Annual nameplate (2006) and production (2003) capacities of

titanium sponge producers worldwide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419Table 4.45 Properties of commercial ferrotitanium grades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420Table 4.46 Nameplate capacities (2003) of ferrotitanium producers worldwide . 420Table 4.47 Melting techniques for titanium alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421Table 4.48 Nameplate capacity (2003) of titanium metal ingot producers

worldwide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422Table 4.49 Industrial processes for making titanium powder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424Table 4.50 Chemical composition (wt%) of commercially pure (CP) titanium

grades (Ti balance) (ASTM B265-99) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426

List of TablesLVI

Table 4.51 Corresponding designations of commercially pure (CP) titanium in several countries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426

Table 4.52 Selected trade names of commercially pure (CP) titanium . . . . . . . . . . . 426Table 4.53 Physical properties of commercially pure (CP) titanium grades . . . . . . 427Table 4.54 Types of phase stabilizers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429Table 4.55 Chemical composition (wt%) of ASTM titanium alloy grades (Ti

balance) (ASTM B265) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431Table 4.56 Applications of common titanium alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434Table 4.57 Description of common titanium alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435Table 4.58 Mechanical properties of selected titanium alloys (annealed) . . . . . . . 438Table 4.59 Thermal and electrical properties of selected titanium alloys . . . . . . . . 441Table 4.60 Some typical uses of titanium alloys in the chemical-process

industry (CPI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443Table 4.61 Corrosion resistance of titanium alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443Table 4.62 Titanium anodization color versus applied voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . 452Table 4.63 Prices of various titanium feedstocks and products (2006) . . . . . . . . . . . 453Table 4.64 Industrial uses and applications of titanium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454Table 4.65 Titanium metal sponge and metal ingot producers . . . . . . . . . . . . . . . . . 455Table 4.66 World titanium conferences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456Table 4.67 Recent International Titanium Association (ITA) conferences . . . . . . . . . 457Table 4.68 Zircadyne® chemical composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464Table 4.69 Nuclear grades of zirconium (i.e., hafnium-free) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464Table 4.70 Physical properties of zirconium and zirconium alloys. . . . . . . . . . . . . . . 465Table 4.71 Corrosion resistance of zirconium and zirconium alloys . . . . . . . . . . . . . 466Table 4.72 Industrial applications and uses of zirconium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467Table 4.73 Major producers of zirconium metal worldwide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468Table 4.74 Major producers of hafnium metal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471Table 4.75 Major vanadium producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477Table 4.76 Major niobium producers, with ore reserves, cutoff grades, and

annual ferroniobium production (2008) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480Table 4.77 Potential niobium deposits worldwide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481Table 4.78 Preparation of ferroniobium and ferroniobium tantalum . . . . . . . . . . . . 483Table 4.79 Properties of selected niobium and niobium alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . 484Table 4.80 Industrial applications and uses of niobium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487Table 4.81 Major niobium metal producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489Table 4.82 Niobium metal machining and forming facilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489Table 4.83 Major tantalum producers (2013) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495Table 4.84 Ongoing tantalum projects worldwide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497Table 4.85 Tantalum prospects worldwide with estimated reserves (2010) . . . . . . 498Table 4.86 Physical properties of selected tantalum alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503Table 4.87 Industrial applications and uses of tantalum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511Table 4.88 Tantalum Processors and Refiners . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512Table 4.89 Major producers of tantalum metal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512Table 4.90 Tantalum metal machining and forming facilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513Table 4.91 Reactions of chromium metal with acids and bases . . . . . . . . . . . . . . . . . 514Table 4.92 Top ten chromite-ore-producing countries (2012) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515Table 4.93 Selected properties and prices of major ferrochrome grades . . . . . . . . 517Table 4.94 Electrowinning of chromium metal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518Table 4.95 Major industrial applications and uses of chromium . . . . . . . . . . . . . . . . 519Table 4.96 World producers of chromite and ferrochrome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519Table 4.97 Properties of selected molybdenum alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524Table 4.98 Pickling, descaling, and etching procedures for molybdenum

and its alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528Table 4.99 Major industrial applications and uses of molybdenum . . . . . . . . . . . . . 530Table 4.100 World molybdenum metal producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533Table 4.101 Properties of selected tungsten alloys. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 537

LVIIList of Tables

Table 4.102 Major tungsten metal producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 539Table 4.103 Major tungsten carbide and hardmetal producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 539Table 4.104 Selected properties of silver and gold . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545Table 4.105 Reactions of silver metal with acids and bases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549Table 4.106 Top 10 silver producing countries (2014) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550Table 4.107 Properties of selected silver alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551Table 4.108 Reactions of gold metal with acids and bases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553Table 4.109 Top ten gold-producing countries (2014) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556Table 4.110 Exact conversion factors between various mass fraction units

used to report the concentration of gold in ores and concentrates . . . 559Table 4.111 Properties of selected gold alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 561Table 4.112 Major gold producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562Table 4.113 Major suppliers of gold metal and gold alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562Table 4.114 Selected physical and chemical properties of the six platinum

group metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565Table 4.115 Physical properties of selected platinum alloys at 273.15 K

(annealed). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575Table 4.116 Ultimate tensile strength and elongation of platinum alloys at

different temperatures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575Table 4.117 Corrosion rate of platinum in molten salts (after 1 h immersion) . . . . . 576Table 4.118 Eutectics with low melting point metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576Table 4.119 Corrosion properties of platinum group metals in several

aerated corrosive media between 20 and 100 °C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 577Table 4.120 Applications and uses of platinum group metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 581Table 4.121 Major producers of platinum group metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582Table 4.122 Platinum group metal and alloy suppliers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582Table 4.123 Selected physical and chemical properties of rare earths and

lanthanides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584Table 4.124 Selected physical and chemical properties of rare earth oxalates,

oxides, and chlorides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 586Table 4.125 Discovery milestones of the lanthanides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591Table 4.126 Characteristics and chemical composition (wt%) of rare earth

minerals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591Table 4.127 World production and reserves of rare earths (2013) . . . . . . . . . . . . . . . . 593Table 4.128 Future rare earth projects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594Table 4.129 Prices of rare earth oxides (2015) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595Table 4.130 Industrial applications and uses of rare earths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 599Table 4.131 Chemical compounds found in phosphors and mercury-free

residues obtained after the retorting of fluorescent lamps and light bulbs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 601

Table 4.132 Major producers or processor of rare earths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603Table 4.133 Prices of various scandium products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 607Table 4.134 Short-time strength under high temperature of high-strength

thermally nonstrengthened welded aluminum–scandium alloy 01570 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 609

Table 4.135 Properties of high-strength thermally nonstrengthened welded aluminum–scandium alloy 01570 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 609

Table 4.136 Selected properties of thorium, uranium, and plutonium . . . . . . . . . . . 610Table 4.137 Major uranium-producing mines and countries (2009) . . . . . . . . . . . . . 617Table 4.138 Average chemical composition (wt%) of monazite concentrates

from various origins. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 626Table 4.139 Monazite reserves worldwide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 626Table 4.140 Industrial applications and uses of thorium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 629Table 4.141 The six plutonium allotropes and their properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . 631Table 4.142 Classification of scarce and minor metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633Table 4.143 Selected properties of minor metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634

List of TablesLVIII

Table 4.144 Chemical reactions of cadmium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 642Table 4.145 Major industrial applications of cadmium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644Table 4.146 Major cadmium producers (2014) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 645Table 4.147 Chemical reactions of mercury . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 647Table 4.148 Solubility of metals in liquid mercury (25 °C) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 648Table 4.149 Closed famous mercury mining districts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 650Table 4.150 Major mercury-producing countries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 651Table 4.151 Industrial applications of mercury . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 652Table 4.152 Major primary mercury producers worldwide (2015) . . . . . . . . . . . . . . . . 653Table 4.153 Chemical reactions of gallium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654Table 4.154 Major gallium producing countries (2012) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655Table 4.155 Major gallium uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 657Table 4.156 Major primary gallium producers (2012) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 658Table 4.157 Major crude gallium producers (2012) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 658Table 4.158 Major refined gallium producers (2012) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 659Table 4.159 Chemical reactions of indium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 660Table 4.160 Major refined indium producing countries (2010) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 662Table 4.161 Major indium producers (2014) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 663Table 4.162 Chemical reactions of thallium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 665Table 4.163 Electrowinning and refining of thallium metal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 668Table 4.164 Major industrial applications of thallium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 668Table 4.165 Allotropes of selenium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 669Table 4.166 Industrial applications and uses of selenium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674Table 4.167 Major primary selenium producers (2013) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 675Table 4.168 Chemical reactions of tellurium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 677Table 4.169 Industrial applications and uses of tellurium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 681Table 4.170 Allotropes of arsenic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 682Table 4.171 Chemical reactions of arsenic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684Table 4.172 Major arsenic trioxide producing countries (2014) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 685Table 4.173 Major arsenic trioxide producers (2014) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 686Table 4.174 Industrial applications and uses of arsenic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 686Table 4.175 Chemical reactions of antimony metal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 688Table 4.176 Industrial applications of antimony . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 690Table 4.177 Major antimony producers (2012) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 691Table 4.178 Chemical reactions of bismuth metal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 692Table 4.179 Major bismuth-producing countries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 693Table 4.180 Major industrial applications of bismuth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694Table 4.181 Major bismuth metal producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694

Table 5.1 Selected properties of semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 707Table 5.2 Selected applications of semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 711

Table 6.1 Properties of type I superconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 728Table 6.2 Properties of type II superconductors (pure metals) . . . . . . . . . . . . . . . . . 729Table 6.3 Type II superconductors (alloys and compounds) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 729Table 6.4 High-temperature oxide superconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 731

Table 7.1 Magnetoresistive properties of selected materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . 747Table 7.2 Magnetostriction at saturation of selected materials . . . . . . . . . . . . . . . . 749Table 7.3 Selected materials exhibiting a magnetocaloric effect . . . . . . . . . . . . . . 751Table 7.4 Conversion factors between SI units and CGS electromagnetic units . 752Table 7.5 Magnetic susceptibilities and magnetic permeabilities of

diamagnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 754Table 7.6 Properties of ferromagnetic elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 756Table 7.7 Properties of selected ferromagnetic compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . 757Table 7.8 Properties of selected ferromagnetic ferrites and garnets . . . . . . . . . . . 757

LIXList of Tables

Table 7.9 Néel temperature of antiferromagnetic elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 758Table 7.10 Néel temperature of selected antiferromagnetic compounds . . . . . . . . 758Table 7.11 Properties of soft magnetic metals and alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 764Table 7.12 Properties of selected hard magnetic materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 768Table 7.13 Relationships between magnetic materials, magnetic properties,

and applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 774

Table 8.1 Charging and discharging a capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 780Table 8.2 Capacitance of capacitors of different geometries . . . . . . . . . . . . . . . . . . 780Table 8.3 Exact conversion factors between SI units and CGS electrostatic

units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 790Table 8.4 Properties of selected ferroelectric materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 797Table 8.5 Electrical properties of selected insulators and dielectric materials . . 801Table 8.6 Faraday’s electrostatic series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 806

Table 9.1 Thermoelectric power QAB of selected elements and commercial alloys (A) versus pure platinum (B is Pt) for ∆T = 100 °C (mV vs Pt) . . . . 809

Table 9.2 Standard thermocouple types and common uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 811Table 9.3 Physical properties of selected thermocouple materials . . . . . . . . . . . . . 812Table 9.4 NIST polynomial equations for thermocouples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 814Table 9.5 Resistors used in electrical and electronic devices (shunts and

rheostats) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 817Table 9.7 Upper temperature limits (°C) for selected high-temperature

resistors in various furnace atmospheres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 820Table 9.8 Thermoionic properties of selected materials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 820Table 9.9 Photocathode metals and alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 822Table 9.10 Secondary emission characteristics of selected materials . . . . . . . . . . . . 823Table 9.11 Ionic electrical conductivity of various electrolytes . . . . . . . . . . . . . . . . . 825Table 9.12 Electrochemical equivalents of common anode and cathode

materials used in primary and secondary cells (293.15 K and 101.325 kPa) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 827

Table 9.14 Cathode materials for hydrogen (H2) evolution in acidic media . . . . . . 835Table 9.15 Anode materials for oxygen (O2) evolution in acidic media . . . . . . . . . . 837Table 9.16 Anode materials for chlorine (Cl2) evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 839Table 9.17 Practical hydrogen overpotentials (

�H2/V) measured in sulfuric

acid for various cathode materials polarized under various current densities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 841

Table 9.18 Lead and lead-alloy anode composition and electrochemical uses . . . 844Table 9.19 Miscellaneous properties of Ebonex® . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 852Table 9.20 Definition of dimensionally stable anodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 856Table 9.21 Standard potentials for several oxide couples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 857Table 9.22 Cathode materials for anodic protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 862Table 9.23 Sacrificial anode materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 863Table 9.24 Impressed-current anode materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 864Table 9.25 Industrial electrode manufacturers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 866Table 9.26 Galvanic series of metals and alloys in seawater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 869Table 9.27 Selected electrochemical redox reactions and standard

electrode potential E0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 871Table 9.28 Selected reference electrode potentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 875Table 9.29 Ampacities of conductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 877Table 9.30 Ampacities of electrical wire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 879Table 9.31 Biquadratic equations and maximum temperature for

a chemically pure titanium wire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 881Table 9.32 Fusing constants for various metallic conductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 882

List of TablesLX

Table 10.1 Specifications of silica sand as feedstock for selected industrial applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 886

Table 10.2 Mineral constituents and chemical composition of bauxite . . . . . . . . . . 893Table 10.3 Digestion conditions for various bauxitic ores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 894Table 10.4 Alumina hydrates (aluminum hydroxides and oxyhydroxides) . . . . . . . 897Table 10.5 Ten major producers of alumina trihydrate (2002) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 898Table 10.6 Transition aluminas and precursors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 899Table 10.7 Classification of limestones and dolomites based on composition . . . 904Table 10.8 Properties of titanium dioxide polymorphic phases . . . . . . . . . . . . . . . . . 910Table 10.9 Properties of other titanium oxides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 913Table 10.10 Major producers of zirconia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 918Table 10.11 Selected properties of different carbon products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 919Table 10.12 Properties of industrial graphite grades from SGL Carbon . . . . . . . . . . . 920Table 10.13 Selected properties and prices of raw materials used in ceramics

and refractories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 925Table 10.14 Examples of traditional ceramics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 926Table 10.15 Classification of refractory by end user . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 927Table 10.16 Classification of primary refractories by chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . 927Table 10.17 Selected physical properties of refractories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 928Table 10.18 Major manufacturers of refractories worldwide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 932Table 10.19 Properties of selected hardmetals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 938Table 10.20 Ultrahigh-temperature refractory materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 939Table 10.21 Practical color scale for the temperature of an incandescent body . . . 940Table 10.22 Temperature equivalents (°C) of pyrometric cones and

pyrometric cone equivalents (PCE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 941Table 10.23 ASTM standards for testing refractories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 943Table 10.24 ISO standards for testing refractories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 945Table 10.25 Selected physical properties of advanced ceramics (borides,

carbides, nitrides, silicides, and oxides) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 948Table 10.26 Physical properties of selected commercial glasses . . . . . . . . . . . . . . . . . 990Table 10.27 Critical properties for proppants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1001Table 10.28 Major materials used as proppants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1004Table 10.29 Properties of commercial proppants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1006Table 10.30 Worldwide production of proppants (2006) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1010Table 10.31 Ceramic proppant producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1010Table 10.32 Resin-coated sand producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1010Table 10.33 Rounded silica sand producers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1011Table 10.34 Proppant testing laboratories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1011

Table 11.1 Classification of natural and synthetic polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1015Table 11.2 Degree of polymerization and polymer subgroups . . . . . . . . . . . . . . . . 1018Table 11.3 Classification of thermoplastics, thermosets, and elastomers . . . . . . . 1021Table 11.4 Polymer physical properties 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1045Table 11.5 Polymer physical properties 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1055Table 11.6 Polymer physical quantities and ASTM standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1067Table 11.7 Gas permeability coefficients of the most common polymers

(in barrers) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1069Table 11.8 Chemical resistance of polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1070Table 11.9 International Union of Pure and Applied Chemistry acronyms of

polymers and elastomers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1086Table 11.10 Average prices of polymers (2006) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1089Table 11.11 Annual production capacities and prices of polymers and

related chemical intermediates in 2004 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1090

LXIList of Tables

Table 12.1 Common gangue minerals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1095Table 12.2 Standards of disclosure for mineral projects in Canada according

to NI 43-101 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1095Table 12.3 Industrial minerals and rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1097Table 12.4 Crystal habits grouped by the ratio of their longitudinal and

transverse dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1101Table 12.5 Comparison of hardness scales of minerals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1108Table 12.6 Flame coloration tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1114Table 12.7 Von Kobell’s fusibility scale of minerals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1116Table 12.8 Coloration obtained with Co(NO3)2 on charcoal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1116Table 12.9 Coloration obtained with sulfur iodide on plaster of Paris . . . . . . . . . . 1117Table 12.10 Mineral changes during the closed tube test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1118Table 12.11 Gases evolved during the closed tube test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1118Table 12.12 Sublimates during the closed tube test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1119Table 12.13 Open tube test characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1120Table 12.14 Bead test with borax (Na2B4O7·10H2O) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1121Table 12.15 Bead test with microcosmic salt (NaNH4HPO4) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1122Table 12.16 Strunz classification of minerals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1124Table 12.17 Dana’s classification of minerals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1126Table 12.18 Precious and semiprecious gemstones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1128Table 12.19 Classification of major types of diamonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1131Table 12.20 Diamond physical properties and characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1132Table 12.21 Major properties of the gem varieties of beryl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1138Table 12.22 Major properties of the gem varieties of corundum . . . . . . . . . . . . . . . . 1141Table 12.23 International Mineralogical Association acronyms of rock-

forming minerals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1147Table 12.24 Properties of selected minerals in alphabetical order . . . . . . . . . . . . . . 1150

Table 13.1 Principal physical characteristics of Earth’s interior discontinuities . . 1316Table 13.2 Crystal dimensions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1321Table 13.3 Crystal development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1321Table 13.4 Crystal proportions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1321Table 13.5 Crystal external shapes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1321Table 13.6 Mineral composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1322Table 13.7 Crystallization sequence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1323Table 13.8 Minerals according to density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1323Table 13.9 Coloration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1323Table 13.10 Chief textures of igneous rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1324Table 13.11 Crystallinity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1324Table 13.12 Abundance of chemical elements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1326Table 13.13 Acidity (i.e., silica content) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1326Table 13.14 Saturation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1326Table 13.15 Alkalinity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1326Table 13.16 Feldspar index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1326Table 13.17 Average chemical composition of common igneous rocks (wt%) . . . 1327Table 13.18 Deposit depth location . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1329Table 13.19 Simplified classification of igneous rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1330Table 13.20 Common pyroclastic rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1334Table 13.21 Classification of pyroclastic rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1334Table 13.22 Standard minerals and their properties for the calculation of the

CIPW norm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1335Table 13.23 CIPW step-by-step calculation spreadsheet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1337Table 13.24 Main groups of mineral paragenesis of rock-forming minerals in

igneous rocks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1340Table 13.25 Different classes of sedimentary rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1344Table 13.26 Detritic sedimentary rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1345

List of TablesLXII

Table 13.27 Chemical sedimentary rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1346Table 13.28 Carbonaceous sedimentary rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1348Table 13.29 Average chemical composition of sedimentary rocks (wt%) . . . . . . . . 1349Table 13.30 Designation according to protolith type . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1350Table 13.31 Geothermal gradients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1350Table 13.32 Most common types of metamorphic rocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1351Table 13.33 Common metamorphic facies as a function of temperature and

pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1351Table 13.34 Selected physical properties of ice Ih (at 273.15 K) . . . . . . . . . . . . . . . . . 1352Table 13.35 Mohs hardness of ordinary ice with decreasing temperature . . . . . . . 1352Table 13.36 Selected properties of ice polymorphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1353Table 13.37 Modern classification of meteorites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1356Table 13.38 Names of tektites according to geographical location . . . . . . . . . . . . . . 1362Table 13.39 Physical, mechanical, and thermal properties of selected rocks . . . . 1363

Table 14.1 Clay minerals in soils versus initial conditions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1372Table 14.2 Different types of humus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1372Table 14.3 International nomenclature of major soil horizons . . . . . . . . . . . . . . . . . 1375Table 14.4 Subdivisions of master horizons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1376Table 14.5 Diagnostic of subsurface horizons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1377Table 14.6 Classification of horizon boundaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1379Table 14.7 Soil colors related to soil attributes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1381Table 14.8 Redoximorphic and mottle descriptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1382Table 14.9 Particle size classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1382Table 14.10 Soil textures classes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1382Table 14.11 Terminology for rock fragments in soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1385Table 14.12 Modifiers for rock fragments in soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1385Table 14.13 Structure types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1386Table 14.14 Structure grades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1386Table 14.15 Structure sizes (mm) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1387Table 14.16 Abundance, size and shape of pores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1387Table 14.17 Soil consistency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1389Table 14.18 USDA classification of soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1392Table 14.19 FAO classification of soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1396Table 14.20 Commission de Pédologie et de Cartographie des Sols or French

(CPCS) classification of soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1403Table 14.21 ASTM civil engineering classification of soils. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1405Table 14.22 Description of soils for engineering purposes according to

ASTM D2488 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1406Table 14.23 ISO standards for the characterization of soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1407Table 14.24 ASTM standards for the characterization of soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1409Table 14.25 Physical properties of soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1410Table 14.26 Safe bearing loads for different soil foundations (SBL) . . . . . . . . . . . . . 1411Table 14.27 Electrical resistivity of soils and bedrocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1411Table 14.28 Most common NPK fertilizer grades used in agriculture . . . . . . . . . . . . 1412Table 14.29 Nitrogen-rich industrial minerals and synthetic chemicals used

in fertilizers (ordered by decreasing nitrogen content) . . . . . . . . . . . . . 1413Table 14.30 Phosphorus-rich industrial minerals and synthetic chemicals

used in fertilizers (ordered by decreasing phosphorus content) . . . . . 1415Table 14.31 Potassium-rich industrial minerals and synthetic chemicals used

in fertilizers (ordered by decreasing potassium content) . . . . . . . . . . . 1416Table 14.32 Fertilizer consumption, global water footprints, and bioethanol

yields of farm crops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1417Table 14.33 Role of micronutrients in soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1418

LXIIIList of Tables

Table 15.1 Chemical composition of portland cement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1425Table 15.2 Common letter designation of cement oxide components . . . . . . . . . 1426Table 15.3 Common designation of synthetic minerals occurring in

portland cement and after hydration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1427Table 15.4 Portland cement types according to the ASTM C150 . . . . . . . . . . . . . . . 1429Table 15.5 Important characteristics in the selection of aggregates . . . . . . . . . . . 1430Table 15.6 Typical concrete mixtures (wt%) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1432Table 15.7 Maximum allowable water-to-cement ratios (ACI 613) . . . . . . . . . . . . . 1432Table 15.8 Physical, mechanical, and thermal properties of selected

building stones and construction materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1436Table 15.9 Safe bearing load of soils for building foundations . . . . . . . . . . . . . . . . . 1439

Table 16.1 Wood structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1443Table 16.2 Empirical relationships of the type P = K Gn between the

mechanical properties and specific gravity of defect-free hardwoods and softwoods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1447

Table 16.3 High heating value of common woods in the green condition . . . . . . 1449Table 16.4 Properties of selected hardwoods and softwoods (12 wt%

moisture content unless otherwise specified) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1450Table 16.5 Chemical resistance of selected woods toward various chemicals

(at room temperature unless otherwise specified, after being immersed for 1 month and dried for 7 days) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1464

Table 17.1 Classification of fuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1467Table 17.2 Stoichiometric combustion ratios for organic compounds in

pure oxygen and dry air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1469Table 17.3 Thermodynamic properties of combustion products required in

fuel calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1472Table 17.4 Relationships between the terms used to describe the overall

chemical composition of coals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1473Table 17.5 Classification of coals by rank according to ASTM D388 . . . . . . . . . . . . 1475Table 17.6 Selected physical properties of coals and cokes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1476Table 17.7 Selected properties of solid fuels and waste fuels other than coals . . 1476Table 17.8 Selected properties of liquid fuels at 15.66 °C (60 °F) . . . . . . . . . . . . . . . 1477Table 17.9 Combustion-related properties of gaseous fuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1479Table 17.10 Average prices of the most common fuels (2016) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1482Table 17.11 Typical exhaust gas velocities for several rocket propellants . . . . . . . . 1483Table 17.12 Selected liquid propellants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1484Table 17.13 Solid propellants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1486Table 17.14 Common explosive mixture names and compositions . . . . . . . . . . . . . 1487Table 17.15 Properties of selected primary explosives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1488Table 17.16 Properties of selected secondary explosives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1489Table 17.17 Major chemical warfare agents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1492

Table 18.1 Structural classification of composite materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1499Table 18.2 Selected physical and mechanical properties of several

reinforcement fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1505Table 18.3 Polymer matrix composite manufacturing processes . . . . . . . . . . . . . . 1511Table 18.4 Properties of selected polymer matrix composites . . . . . . . . . . . . . . . . . 1512Table 18.5 Major commercial metal matrix composites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1513Table 18.6 Properties of selected metal matrix composites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1514Table 18.7 Properties of selected ceramic matrix composites . . . . . . . . . . . . . . . . . 1516

List of TablesLXIV

Table 19.1 Non-SI units of pressure listed in alphabetical order . . . . . . . . . . . . . . . 1521Table 19.2 Pressure of the standard atmospherepressure in numerous

practical units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1522Table 19.3 Molar volumes of an ideal gas versus T and P (10−3 m3 · mol−1) . . . . . 1522Table 19.4 Normal and standard temperature and pressure conditions . . . . . . . . 1524Table 19.5 Equations of state of real gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1528Table 19.6 Theoretical molar heat capacities of ideal gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1534Table 19.7 Solubility of selected common gases in water

(by increasing solubility) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1535Table 19.8 Dimensions of the permeability coefficients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1537Table 19.9 Gas permeability coefficients of the most common polymers

and quartz glass (in barrers) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1537Table 19.10 Dielectric properties of selected common gases at 293.15 K and

101.325 kPa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1539Table 19.11 Vapor pressure of water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1540Table 19.12 Latent heat of vaporization of water for different temperatures . . . . . 1543Table 19.13 Psychrometric equations (SI units) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1548Table 19.14 Maximum experimental safe gaps (MESG) and minimum igniting

current ratios (MICR) for selected flammable gases according to various standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1550

Table 19.15 Adiabatic flame temperature of selected gaseous fuel–oxidant mixture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1551

Table 19.16 Toxicological and exposure data for hazardous industrial gases . . . . 1552Table 19.17 Effect of oxygen deficiency on biological human behavior . . . . . . . . . 1553Table 19.18 Calculated mass density of dry air (kg/m3) versus temperature

(°C) at 101.325 kPa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1553Table 19.19 Saturated steam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1557Table 19.20 Superheated steam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1559Table 19.21 Properties of gases 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1568Table 19.22 Properties of gases 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1574Table 19.23 Properties of gases 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1580Table 19.24 Chemical composition of dry air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1585Table 19.25 Comparison of specific storage capabilities for hydrogen of

various compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1598Table 19.26 The three crystal structures of gas hydrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1608Table 19.27 Performances and selected properties of drying agents and

desiccants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1610Table 19.28 Selected properties of molecular sieves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1614Table 19.29 Selected properties of getters and scavengers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1614Table 19.30 Major producers of industrial gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1615Table 19.31 Prices of commercial utility gases (2014) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1615

Table 20.1 Hydrometer scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1619Table 20.2 Fluid Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1622Table 20.3 Absolute surface roughness of selected pipe materials . . . . . . . . . . . . . 1624Table 20.4 Hydraulic diameter for various cross sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1625Table 20.5 Terminal velocity from the Stokes equation and the Newton

equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1626Table 20.6 Surface tension of various liquids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1629Table 20.7 Contact angle and wetting conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1633Table 20.8 Pressure drop across liquid–gas interface in various cases . . . . . . . . . . 1634Table 20.9 Capillary rises and meniscus calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1635Table 20.10 Raoult’s ebullioscopic constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1637Table 20.11 Raoult’s cryoscopic constants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1638Table 20.12 Solvent properties 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1640Table 20.13 Solvent properties 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1662Table 20.14 Solvent properties 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1682

LXVList of Tables

Table 20.15 Physical properties of water, heavy water, and superheavy water at room temperature (293.15 K) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1708

Table 20.16 Temperature dependence of selected properties of pure water (1 atm) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1709

Table 20.17 Mass density of pure water (kg/m3) versus temperature (°C) at 101.325 kPa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1710

Table 20.18 Average chemical composition of solids in seawater (S = 35‰) . . . . 1716Table 20.19 Ionic composition of dissolved salts in seawater (S = 35‰) . . . . . . . . . 1717Table 20.20 Selected properties of common liquid chemical reagents . . . . . . . . . 1718Table 20.21 Colligative Properties: CH3COOH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1721Table 20.22 Colligative Properties: HCl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1724Table 20.23 Colligative Properties: HNO3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1727Table 20.24 Colligative Properties: HF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1731Table 20.25 Colligative Properties: H2SO4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1732Table 20.26 Colligative Properties: H3PO4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1737Table 20.27 Colligative Properties: NH4OH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1739Table 20.28 Colligative Properties: NaOH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1741Table 20.29 Colligative Properties: KOH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1745Table 20.30 Colligative Properties: NH4Cl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1749Table 20.31 Colligative Properties: LiCl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1751Table 20.32 Colligative Properties: NaCl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1753Table 20.33 Colligative Properties: KCl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1761Table 20.34 Colligative Properties: MgCl2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1764Table 20.35 Colligative Properties: CaCl2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1766Table 20.36 Colligative Properties: (NH4)2SO4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1768Table 20.37 Colligative Properties: Na2SO4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1770Table 20.38 Colligative Properties: K2SO4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1772Table 20.39 Colligative Properties: MgSO4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1774Table 20.40 Colligative Properties: Na2CO3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1776Table 20.41 Colligative Properties: K2CO3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1778Table 20.42 Density and refractive index of organic heavy media commonly

used in mineralogy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1780Table 20.43 Saturated aqueous solutions made from inorganic salts of heavy

metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1781Table 20.44 Molten salts used as dense media near their melting point . . . . . . . . 1782Table 20.45 Heavy medium industrial suspensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1783Table 20.46 Selected physical properties of liquidliquidmetals metals at the

melting point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1785Table 20.47 Physical properties of selected pure molten salts at the melting

point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1788Table 20.48 Selected properties of molten salt eutectic mixtures . . . . . . . . . . . . . . 1791Table 20.49 Selected properties of metal–metal halide molten mixtures . . . . . . . . 1792Table 20.50 Properties of solutions of alkali metals in liquid ammonia at

−33.5 °C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1792Table 20.51 Properties of selected commercial heat transfer fluids . . . . . . . . . . . . . 1793Table 20.52 Colloidal and dispersed system classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1795

Table 21.1 Monosaccharides (aldoses) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1799Table 21.2 Monosaccharides (ketoses) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1801Table 21.3 Disaccharides (C12H22O11) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1802Table 21.4 Trisaccharides (C18H32O15) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1804Table 21.5 Tetrasaccharides (C24H42O21) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1805Table 21.6 Polysaccharides. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1806Table 21.7 Selected properties of amino acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1807Table 21.8 Saturated and unsaturated carboxylic fatty acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1811Table 21.9 Vitamins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1813

List of TablesLXVI

Table 21.10 Minerals in foods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1814Table 21.11 Essential elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1816Table 21.12 Practical food caloric values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1817Table 21.13 Useful freezing properties of foods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1818Table 21.14 Cold storage temperatures of foods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1819Table 21.15 Food caloric values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1820Table 21.16 Physical properties used for oils, fats, resins, and waxes . . . . . . . . . . . . 1856Table 21.17 Empirical numbers and values for fats and fatty acids . . . . . . . . . . . . . 1856Table 21.18 Properties of oils, fats, resins, and waxes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1859Table 21.19 Life kingdoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1879Table 21.20 Taxonomic classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1879

Table 22.1 Number of stable nuclides versus parity of A, Z, and N . . . . . . . . . . . . . . 1887Table 22.2 Fine structure of the alpha emitter thorium-228 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1893Table 22.3 Naturally occurring pure beta minus emitters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1897Table 22.4 Heavy radionuclides prone to spontaneous fission . . . . . . . . . . . . . . . . . 1901Table 22.5 Mononuclidic elements (isotopes) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1920Table 22.6 The natural and artificial radioactive decay series . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1921Table 22.7 Natural decay series of uranium-238 (4n+2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1921Table 22.8 Natural decay series of uranium-235 (4n+3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1922Table 22.9 Natural decay series of thorium-232 (4n) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1923Table 22.10 Nonseries primordial radionuclides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1924Table 22.11 Major cosmogenic radionuclides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1925Table 22.12 International regulations regarding the definition of radioactive

materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1925Table 22.13 Ionization potential empirical equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1932Table 22.14 Empirical equations for the range of alpha particles and protons

in matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1933Table 22.15 Threshold energy of the Cherenkov effect in pure water

(n20D

 = 1.333) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1935Table 22.16 Classification of X-rays and gamma rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1936Table 22.17 Work function of selected chemical elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1940Table 22.18 G values (heV−1) for various species after 0.1 µs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1944Table 22.19 Radiolysis of water reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1944Table 22.20 Radiation weighting factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1946Table 22.21 Examples of maximum burn-up for various uranium nuclear fuels . . 1952Table 22.22 Most probable nuclear reactions with heavy nuclides as

a function of the incident neutron energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1954Table 22.23 Neutrons flux versus geometry of the source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1957Table 22.24 Geometric buckling for various nuclear reactor shapes . . . . . . . . . . . . . 1961Table 22.25 Criticality parameters for fissile metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1961Table 22.26 Nuclear fission power reactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1962Table 22.27 Nuclear properties of the four fissile heavy nuclides . . . . . . . . . . . . . . . 1963Table 22.28 Neutron absorbing and scattering properties of the lightest

elements (Z < 8) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1964Table 22.29 Thermal neutron (0.025 eV) diffusion properties for common

moderators at 20 °C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1967Table 22.30 Thermophysical properties of reactor coolants (T = 300.15 K) . . . . . . . 1968Table 22.31 Nuclear-grade pyrolytic graphite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1969Table 22.32 Nuclear properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1971

Table 23.1 Selected highly noxious and poisonous inorganic compounds . . . . . 2005Table 23.2 Selected highly hazardous organic compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2009Table 23.3 Selected properties of highly flammable liquids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2011Table 23.4 Cryogenic construction materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2013Table 23.5 Physical risk pictograms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2020

LXVIIList of Tables

Table 23.6 Health hazards pictograms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2024Table 23.7 United Nations nine hazard classes and warning signs . . . . . . . . . . . . . 2025Table 23.8 Risk phrases (individual). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2029Table 23.9 Risk phrases (combined) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2031Table 23.10 Safety phrases (individual) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2033Table 23.11 Safety phrases (combined) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2035Table 23.12 US National Fire Protection Association chemical labeling . . . . . . . . . . 2036Table 23.13 European pictograms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2037Table 23.14 Fire triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2038Table 23.15 Classes of fires and extinguishing agents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2038

Table A.1 Obsolete, historical, and other names of the chemical elements . . . . 2045Table A.2 Unified Numbering System for Metals and Alloys alphabetical

designation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2046Table A.3 Names of transfermium elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2047Table A.4 Properties of the elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2048Table A.5 Geochemical classification of the elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2070

Table C.1 NIST molar thermodynamic properties of pure substances (298.15 K and 100 kPa) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2077

Table D.1 Spectral series for the hydrogen atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2090Table D.2 X-ray emission line nomenclature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2093Table D.3 X-ray emission lines (electronvolts) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2094Table D.4 X-ray energy levels (electronvolts) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2098

Table E.1 First-row transition elements with their ground electronic state . . . . 2104Table E.2 Jørgensen f and g factors for different anions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2108Table E.3 Octahedral complex configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2110

Table F.1 Symmetry element notation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2120Table F.2 Five Platonic regular polyhedrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2120Table F.3 The seven crystal systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2121Table F.4 The 14 Bravais space lattices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2122Table F.5 Characteristics of close-packed-arrangements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2122Table F.6 Schoenflies–Fedorov point group crystal notation . . . . . . . . . . . . . . . . . 2123Table F.7 The 32 classes of symmetry. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2123Table F.8 Strukturbericht designations for pure elementspure elements

(i.e., A type) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2125Table F.9 Strukturbericht designations for binary compoundsbinary

compounds (AX type) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2126Table F.10 Strukturbericht designations for ternary compounds

(A2X or AX2 type) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2128Table F.11 Strukturbericht designations for quaternary

compoundsquaternary compounds (A3X or AX3 type) . . . . . . . . . . . . . . .2129Table F.12 Strukturbericht designations for penternary

compoundscompounds (A4X or AX4 type) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2130Table F.13 Strukturbericht designations for other compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . 2130Table F.14 Triclinic space groups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2133Table F.15 Monoclinic space groups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2133Table F.16 Orthorhombic space groups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2134Table F.17 Tetragonal space groups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2136Table F.18 Trigonal space groups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2138Table F.19 Hexagonal space groups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2138Table F.20 Cubic space groups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2139Table F.21 Cell multiplicity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2143

List of TablesLXVIII

Table F.22 Space latticespace lattice volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2143Table F.23 Plane anglespace lattice between lattice planes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2144Table F.24 General formula for the interplanar spacing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2145Table F.25 Interplanar spacing according to the type of crystalcrystal lattice . . . 2145Table F.26 Definition of the reciprocal lattice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2146

Table G.1 Optical properties of window materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2147

Table H.1 Maximum operating temperature (°C) of metals for handling liquid metals under an inert atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2151

Table H.2 Maximum operating temperature (°C) of ceramics for handling liquid metals under an inert atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2152

Table H.3 Container material for handling molten salts, slags, and fluxes. . . . . . 2153Table H.4 Corrosion properties of materials in hydrochloric acid and

hydrogen chloride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2156Table H.5 Corrosion properties of materials in nitric acid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2158Table H.6 Corrosion properties of materials in hydrofluoric acid and

hydrogen fluoride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2159Table H.7 Corrosion resistance of materials in sulfuric acid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2160Table H.8 Heat- and oxidation-resistant alloys for high-temperature use . . . . . . 2161Table H.9 Resistance of metals and alloys to chlorine gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2161

Table I.1 Prices of pure elements, metals, and some alloys (2014) . . . . . . . . . . . . 2163Table I.2 World annual production of commodities in decreasing order

(2014) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2167Table I.3 Economic data for industrial minerals, ores, fuels, and

commodities (2014) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2170Table I.4 Prices of electricity for selected countries (2004) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2179

Table J.1 Astronomical data for solar planets and Pluto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2181Table J.2 Earth and Moon astronomical data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2182

Table K.1 Materials-related professional societies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2183

LXIXList of Tables