Współczesny człowiek jest otoczony różnymi metalami w swoim codziennym życiu. Większość używanych przez nas przedmiotów zawiera te chemikalia. Stało się tak, ponieważ ludzie znaleźli różne sposoby na pozyskiwanie metali.
Co to są metale
Chemia nieorganiczna zajmuje się tymi cennymi dla ludzi substancjami. Pozyskiwanie metali pozwala człowiekowi tworzyć coraz doskonalsze technologie, które poprawiają nasze życie. Czym oni są? Przed rozważeniem ogólnych metod otrzymywania metali konieczne jest zrozumienie, czym one są. Metale to grupa pierwiastków chemicznych w postaci prostych substancji o charakterystycznych właściwościach:
• przewodnictwo cieplne i elektryczne;
• wysoka ciągliwość;
• brokat.
Osoba może łatwo odróżnić je od innych substancji. Cechą charakterystyczną wszystkich metali jest obecność specjalnego blasku. Uzyskuje się ją poprzez odbijanie padających promieni świetlnych na powierzchnię, która ich nie przepuszcza. Połysk jest powszechną właściwością wszystkich metali, ale najbardziej widoczny jest w srebrze.
Wł. Do tej pory naukowcy odkryli 96 takich pierwiastków chemicznych, chociaż nie wszystkie z nich są uznawane przez oficjalną naukę. Dzieli się je na grupy w zależności od ich charakterystycznych właściwości. W ten sposób wyodrębniane są następujące metale:
• alkaliczne – 6;
• ziemia alkaliczna – 6;
• przejściowy – 38;
• jasny – 11;
• półmetale – 7;
• Lantanowce – 14;
• aktynowce – 14.
Pozyskiwanie metali
Aby wytworzyć stop, musisz najpierw uzyskać metal z naturalnej rudy. Pierwiastki rodzime to te substancje, które występują w naturze w stanie wolnym. Należą do nich platyna, złoto, cyna, rtęć. Oddziela się je od zanieczyszczeń mechanicznie lub za pomocą odczynników chemicznych.
Inne metale są wydobywane poprzez przetwarzanie ich związków. Można je znaleźć w różnych skamielinach. Rudy to minerały i skały, które zawierają związki metali w postaci tlenków, węglanów lub siarczków. Do ich uzyskania stosuje się obróbkę chemiczną.
Metody pozyskiwania metali:
• redukcja tlenków węglem;
• zdobywanie cyny z cynowego kamienia;
• wytapianie rudy żelaza;
• spalanie związków siarki w specjalnych piecach.
Aby ułatwić wydobywanie metali ze skał rudnych, dodaje się do nich różne substancje zwane topnikami. Pomagają usunąć niechciane zanieczyszczenia takie jak glina, wapień, piasek. W wyniku tego procesu powstają związki topliwe,zwany żużlem.
W obecności znacznej ilości zanieczyszczeń, ruda jest wzbogacana przed przetopieniem metalu poprzez usunięcie dużej części zbędnych składników. Najczęściej stosowanymi metodami tej obróbki są flotacja, magnetyczność i grawitacja.
Metale alkaliczne
Masowa produkcja metali alkalicznych jest procesem bardziej złożonym. Wynika to z faktu, że w naturze występują one jedynie w postaci związków chemicznych. Ponieważ są reduktorami, ich produkcji towarzyszą wysokie koszty energii. Istnieje kilka sposobów ekstrakcji metali alkalicznych:
• Lit można uzyskać z jego tlenku w próżni lub przez elektrolizę stopionego jego chlorku, powstałego podczas przetwarzania spodumenu.
• Sód jest ekstrahowany przez kalcynację sody z węglem w szczelnie zamkniętych tyglach lub przez elektrolizę stopionego chlorku z dodatkiem wapnia. Pierwsza metoda jest najbardziej czasochłonna.
• Potas jest otrzymywany przez elektrolizę stopionej soli lub przepuszczanie pary sodu przez chlorek. Powstaje również w wyniku oddziaływania stopionego wodorotlenku potasu i ciekłego sodu w temperaturze 440°C.
• Cez i rubid są wydobywane poprzez redukcję ich chlorków za pomocą wapnia w temperaturze 700–800 °C lub cyrkonu w temperaturze 650 °C. Pozyskiwanie w ten sposób metali alkalicznych jest niezwykle energochłonne i kosztowne.
Różnice między metalami a stopami
Zasadniczo wyraźna granica między metalami i ich stopami praktycznie nie istnieje, ponieważ nawet najczystsze i najprostsze substancjepewna ilość zanieczyszczeń. Więc jaka jest między nimi różnica? Prawie wszystkie metale stosowane w przemyśle i innych sektorach gospodarki narodowej są wykorzystywane w postaci stopów celowo otrzymywanych przez dodanie innych składników do głównego pierwiastka chemicznego.
Stopy
Technologia wymaga różnorodnych materiałów metalowych. Jednocześnie praktycznie nie stosuje się czystych pierwiastków chemicznych, ponieważ nie mają one właściwości niezbędnych dla ludzi. Na nasze potrzeby wymyśliliśmy różne sposoby otrzymywania stopów. Termin ten odnosi się do makroskopowo jednorodnego materiału, który składa się z 2 lub więcej pierwiastków chemicznych. W tym przypadku w stopie przeważają składniki metalowe. Ta substancja ma swoją własną strukturę. W stopach rozróżnia się następujące składniki:
• podstawa składająca się z jednego lub więcej metali;
• małe dodatki pierwiastków modyfikujących i stopowych;
• nieusunięte zanieczyszczenia (technologiczne, naturalne, losowe).
Głównym materiałem konstrukcyjnym są stopy metali. W technologii jest ich ponad 5000.
Rodzaje stopów
Pomimo takiej różnorodności stopów, te oparte na żelazie i aluminium mają największe znaczenie dla ludzi. Są najczęstsze w życiu codziennym. Rodzaje stopów są różne. Co więcej, są one podzielone według kilku kryteriów. Stosuje się więc różne metody wytwarzania stopów. Zgodnie z tym kryterium dzieli się je na:
• Obsada, któraotrzymany przez krystalizację ze stopu zmieszanych składników.
• Proszek, stworzony przez sprasowanie mieszanki proszków, a następnie spiekanie w wysokiej temperaturze. Ponadto często składnikami takich stopów są nie tylko proste pierwiastki chemiczne, ale także ich różne związki, takie jak węgliki tytanu czy wolframu w stopach twardych. Ich dodatek w określonych ilościach zmienia właściwości materiałów metalicznych.
Metody otrzymywania stopów w postaci gotowego produktu lub półfabrykatu dzielą się na:
• odlewnia (silumin, żeliwo);
• kute (stal);
• proszek (tytan, wolfram).
Rodzaje stopów
Metody otrzymywania metali są różne, a wykonane dzięki nim materiały mają inne właściwości. W stanie skupienia w stanie stałym stopy to:
• Jednorodny (jednorodny), składający się z kryształów tego samego typu. Często określa się je jako jednofazowe.
• Heterogeniczny (heterogeniczny), zwany wielofazowym. Po ich uzyskaniu, jako bazę stopu przyjmuje się roztwór stały (fazę matrycy). Skład niejednorodnych substancji tego typu zależy od składu ich pierwiastków chemicznych. Stopy takie mogą zawierać następujące składniki: stałe roztwory międzywęzłowe i substytucyjne, związki chemiczne (węgliki, międzymetalidy, azotki), krystality substancji prostych.
Właściwości stopu
Bez względu na to, jakie metody otrzymywania metali i stopów są stosowane, ich właściwości są całkowicie zdeterminowane przezstruktura fazowa i mikrostruktura tych materiałów. Każdy z nich jest inny. Makroskopowe właściwości stopów zależą od ich mikrostruktury. W każdym razie różnią się one od właściwości swoich faz, które zależą wyłącznie od struktury krystalicznej materiału. Makroskopowa jednorodność stopów niejednorodnych (wielofazowych) uzyskiwana jest w wyniku równomiernego rozkładu faz w osnowie metalowej.
Najważniejszą właściwością stopów jest spawalność. W przeciwnym razie są identyczne z metalami. Tak więc stopy mają przewodność cieplną i elektryczną, plastyczność i współczynnik odbicia (połysk).
Odmiany stopów
Różne metody otrzymywania stopów pozwoliły człowiekowi na wynalezienie dużej liczby materiałów metalicznych o różnych właściwościach i właściwościach. Zgodnie z przeznaczeniem są one podzielone na następujące grupy:
• Konstrukcyjne (stal, duraluminium, żeliwo). Do tej grupy należą również stopy o specjalnych właściwościach. Wyróżniają się więc samoistnym bezpieczeństwem lub właściwościami przeciwciernymi. Należą do nich mosiądz i brąz.
• Do odlewania łożysk (babbit).
• Do elektrycznego ogrzewania i urządzeń pomiarowych (nichrom, manganina).
• Do produkcji narzędzi skrawających (win).
W produkcji ludzie używają również innych rodzajów materiałów metalowych, takich jak stopy topliwe, żaroodporne, odporne na korozję i stopy amorficzne. Szeroko stosowane są również magnesy i termoelektryki (telurydy i selenki bizmutu, ołowiu, antymonu i inne).
Stopy żelaza
Praktycznie całe żelazo wytopione na Ziemi jest kierowane do produkcji stali prostych i stopowych. Wykorzystywany jest również w produkcji żelaza. Stopy żelaza zyskały popularność dzięki temu, że mają właściwości korzystne dla człowieka. Zostały one uzyskane przez dodanie różnych składników do prostego pierwiastka chemicznego. Tak więc, pomimo tego, że różne stopy żelaza powstają na bazie jednej substancji, stale i żeliwa mają różne właściwości. Dzięki temu znajdują różnorodne zastosowania. Większość stali jest twardsza niż żeliwo. Różne metody otrzymywania tych metali pozwalają na uzyskanie różnych gatunków (marek) tych stopów żelaza.
Poprawa właściwości stopu
Dzięki łączeniu niektórych metali i innych pierwiastków chemicznych można uzyskać materiały o ulepszonych właściwościach. Na przykład granica plastyczności czystego aluminium wynosi 35 MPa. Przy otrzymywaniu stopu tego metalu z miedzią (1,6%), cynkiem (5,6%), magnezem (2,5%), liczba ta przekracza 500 MPa.
Łącząc różne proporcje różnych chemikaliów, można uzyskać materiały metalowe o ulepszonych właściwościach magnetycznych, termicznych lub elektrycznych. Główną rolę w tym procesie odgrywa struktura stopu, czyli rozkład jego kryształów oraz rodzaj wiązań między atomami.
Stal i żelazka
Te stopy są otrzymywane przez połączenie żelaza i węgla (2%). W produkcji materiałów stopowych dodaje się jenikiel, chrom, wanad. Wszystkie zwykłe stale są podzielone na typy:
• niskoemisyjny (0,25% węgla) stosowany do różnych konstrukcji;
• Wysokowęglowy (ponad 0,55%) przeznaczony do narzędzi skrawających.
Różne gatunki stali stopowych są używane w inżynierii mechanicznej i innych produktach.
Stop żelaza z węglem, którego zawartość procentowa wynosi 2-4%, nazywany jest żeliwem. Ten materiał zawiera również krzem. Różne produkty o dobrych właściwościach mechanicznych są odlewane z żeliwa.
Metale nieżelazne
Oprócz żelaza inne pierwiastki chemiczne są również używane do wytwarzania różnych materiałów metalowych. W wyniku ich połączenia otrzymuje się stopy metali nieżelaznych. W życiu ludzi największe zastosowanie znalazły materiały oparte na:
• Miedź, zwana mosiądzem. Zawierają 5-45% cynku. Jeśli jego zawartość wynosi 5-20%, to mosiądz nazywa się czerwonym, a jeśli 20-36% - żółtym. Istnieją stopy miedzi z krzemem, cyną, berylem, aluminium. Nazywane są brązami. Istnieje kilka rodzajów tych stopów.
• Ołów, który jest powszechnym lutem (tretnik). W tym stopie na 1 część tej substancji chemicznej przypada 2 części cyny. Łożyska produkowane są z babbittu, który jest stopem ołowiu, cyny, arsenu i antymonu.
• Aluminium, tytan, magnez i beryl, które są lekkimi stopami metali nieżelaznych o wysokiej wytrzymałości i doskonałych właściwościach mechanicznychwłaściwości.
Metody pozyskiwania
Główne metody otrzymywania metali i stopów:
• Odlewnia, w której krzepnie jednorodna mieszanina różnych stopionych składników. Do otrzymywania stopów stosuje się pirometalurgiczne i elektrometalurgiczne metody otrzymywania metali. W pierwszym wariancie do ogrzewania surowca wykorzystywana jest energia cieplna uzyskana w procesie spalania paliwa. Metodą pirometalurgiczną wytwarza się stal w piecach martenowskich oraz żeliwo w wielkich piecach. Metodą elektrometalurgiczną surowce nagrzewane są w indukcyjnych lub elektrycznych piecach łukowych. Jednocześnie surowiec jest bardzo szybko zmiękczany.
• Proszek, w którym proszki jego składników są używane do wytworzenia stopu. Dzięki prasowaniu otrzymują określony kształt, a następnie są spiekane w specjalnych piecach.
