Pomimo tego, że sztucznie wytworzone materiały są coraz częściej wykorzystywane w przemyśle i życiu codziennym, nie można jeszcze odmówić użycia metali. Posiadają unikalną kombinację właściwości, a stopy pozwalają zmaksymalizować ich potencjał. W jakich obszarach jest produkcja i wykorzystanie metali?
Charakterystyka grupy elementów
Metale są rozumiane jako zestaw nieorganicznych związków chemicznych o charakterystycznych właściwościach. Zazwyczaj obejmują one:
- wysoka przewodność cieplna;
- ciągliwość, względna łatwość obróbki;
- stosunkowo wysoka temperatura topnienia;
- dobre przewodnictwo elektryczne;
- charakterystyczny „metaliczny” połysk;
- rola środka redukującego w reakcjach;
- wysoka gęstość.
Oczywiście nie wszystkie pierwiastki z tej grupy mają wszystkie te właściwości, na przykład rtęć jest płynna w temperaturze pokojowej, gal topi się pod wpływem ciepła ludzkich rąk, a bizmutu trudno nazwać plastikiem. Ale ogólnie wszystkie te cechy można prześledzić w całości metali.
Klasyfikacja wewnętrzna
Metale są warunkowo podzielone na kilka kategorii, z których każda łączy elementy, które są najbliżej siebie pod względem różnych parametrów. Wyróżnia się następujące grupy:
- alkaliczne - 6;
- ziemia alkaliczna - 4;
- przejściowy - 38;
- światło - 7;
- półmetale - 7;
- lantanowce - 14+1;
- aktynowce - 14+1;
Spośród grup są jeszcze dwie: beryl i magnez. Tak więc w tej chwili ze wszystkich odkrytych pierwiastków 94 naukowców przypisuje metalom.
Dodatkowo warto wspomnieć, że istnieją inne klasyfikacje. Według nich osobno rozważa się metale szlachetne, metale z grupy platynowców, metale potransformacyjne, ogniotrwałe, żelazne i nieżelazne itp. Takie podejście ma sens tylko w niektórych celach, dlatego wygodniej jest zastosować ogólnie przyjętą klasyfikację.
Historia paragonów
Ludzkość przez cały swój rozwój była ściśle związana z przetwarzaniem i wykorzystaniem metali. Oprócz tego, że są najczęstszymi elementami, można je było przerabiać na różne produkty tylko za pomocą obróbki mechanicznej. Ponieważ nie było umiejętności pracy z rudą, początkowo chodziło tylko o użycie samorodków. Początkowo był to miękki metal, który dał swoją nazwę epoce miedzi, która zastąpił kamień. W tym okresie opracowano metodę kucia na zimno. W niektórych cywilizacjach możliwe stało się wytapianie. Stopniowo ludzie opanowali kolorowaniemetale takie jak złoto, srebro, cyna.
Później epoka brązu zastąpiła epokę miedzi. Trwało to około 20 tysiącleci i stało się punktem zwrotnym dla ludzkości, ponieważ w tym okresie stało się możliwe uzyskanie stopów. Następuje stopniowy rozwój metalurgii, udoskonalane są metody pozyskiwania metali. Jednak w wiekach 13-12. pne mi. doszło do tzw. upadku brązu, który zapoczątkował epokę żelaza. Było to prawdopodobnie spowodowane wyczerpaniem się rezerw cyny. A odkryte wówczas ołów i rtęć nie mogły zastąpić brązu. Więc ludzie musieli rozwinąć produkcję metali z rud.
Następny okres nie trwał długo – mniej niż tysiąclecie, ale pozostawił jasny ślad w historii. Pomimo tego, że żelazo było znane znacznie wcześniej, prawie nigdy nie było używane ze względu na swoje wady w porównaniu z brązem. Ponadto ten ostatni był znacznie łatwiejszy do pozyskania, a wytop rudy był bardziej pracochłonny. Faktem jest, że rodzime żelazo jest dość rzadkie, więc nie dziwi fakt, że porzucanie brązu było tak powolne.
Znaczenie umiejętności wydobycia metalu
Podobnie do tego, jak przodek człowieka stworzył narzędzie, przywiązując ostry kamień do kija, przejście do nowego materiału okazało się równie imponujące. Głównymi zaletami wyrobów metalowych były łatwość wykonania i naprawy. Kamień nie posiada plastyczności i ciągliwości, dzięki czemujakakolwiek broń z niego mogła być wykonana tylko od nowa, nie można jej było naprawić.
Tak więc przejście na stosowanie metali doprowadziło do dalszego ulepszania narzędzi, pojawienia się nowych artykułów gospodarstwa domowego, ozdób, które wcześniej były niemożliwe do wykonania. Wszystko to dało impuls do postępu technologicznego i położyło podwaliny pod rozwój metalurgii.
Nowoczesne metody
Jeśli w starożytności ludzie byli zaznajomieni tylko z pozyskiwaniem metali z rud lub mogli zadowalać się samorodkami, to obecnie istnieją inne sposoby. Stały się możliwe dzięki rozwojowi chemii. W ten sposób pojawiły się dwa główne kierunki:
- Pirometalurgia. Rozpoczął swój rozwój wcześniej i wiąże się z wysokimi temperaturami wymaganymi do obróbki materiału. Nowoczesna technologia w tym zakresie pozwala również na zastosowanie plazmy.
- Hydrometalurgia. Ten kierunek zajmuje się ekstrakcją pierwiastków z rud, odpadów, koncentratów itp. Za pomocą wody i odczynników chemicznych. Np. metoda polegająca na produkcji metali metodą elektrolizy jest niezwykle powszechna, a metoda nawęglania jest również dość popularna.
Istnieje inna interesująca technologia. Dzięki niemu możliwe stało się pozyskiwanie metali szlachetnych o wysokiej czystości i przy minimalnych stratach. Chodzi o wyrafinowanie. Proces ten jest jednym z rodzajów rafinacji, czyli stopniowego oddzielania zanieczyszczeń. Np. w przypadku złota stosuje się nasycenie stopu chlorem, a platynę rozpuszcza się wkwasy mineralne, a następnie izolacja odczynnikami.
Nawiasem mówiąc, pozyskiwanie metali przez elektrolizę jest najczęściej stosowane, jeśli wytapianie lub odzyskiwanie nie jest ekonomicznie opłacalne. Tak właśnie dzieje się z aluminium i sodem. Istnieją również bardziej innowacyjne technologie, które umożliwiają pozyskiwanie metali nieżelaznych nawet z dość ubogich rud bez znacznych kosztów, ale o tym porozmawiamy nieco później.
Informacje o stopach
Większość metali znanych w starożytności nie zawsze spełniała pewne potrzeby. Korozja, niewystarczająca twardość, kruchość, kruchość, kruchość – każdy element w czystej postaci ma swoje wady. Dlatego konieczne stało się znalezienie nowych materiałów łączących zalety znanych, czyli znalezienie sposobów na otrzymywanie stopów metali. Obecnie istnieją dwie główne metody:
- Przesyłanie. Stop zmieszanych składników jest schładzany i krystalizowany. To właśnie ta metoda umożliwiła uzyskanie pierwszych próbek stopów: brązu i mosiądzu.
- Naciśnięcie. Mieszanina proszków jest poddawana działaniu wysokiego ciśnienia, a następnie spiekana.
Dalsze ulepszenia
W ostatnich dziesięcioleciach najbardziej obiecująca jest produkcja metali przy użyciu biotechnologii, głównie z pomocą bakterii. Wydobywanie miedzi, niklu, cynku, złota i uranu z surowców siarczkowych stało się już możliwe. Naukowcy mają nadzieję, że uda im się połączyć mikroorganizmy z takimi procesami, jak ługowanie, utlenianie, sorpcja i wytrącanie. Ponadto jest to niezwykle ważneproblem głębokiego oczyszczania ścieków, w tym też starają się znaleźć rozwiązanie, które wiąże się z udziałem bakterii.
Aplikacja
Bez metali i stopów życie w formie, w jakiej jest obecnie znane ludzkości, byłoby niemożliwe. Wieżowce, samoloty, naczynia, lustra, urządzenia elektryczne, samochody i wiele innych istnieją tylko dzięki odległemu przejściu ludzi z kamienia na miedź, brąz i żelazo.
Ze względu na ich wyjątkową przewodność elektryczną i cieplną, metale są wykorzystywane w przewodach i kablach do wielu różnych celów. Złoto służy do tworzenia styków nieutleniających. Ze względu na swoją wytrzymałość i twardość, metale znajdują szerokie zastosowanie w budownictwie i do budowy szerokiej gamy konstrukcji. Inny obszar zastosowania ma charakter instrumentalny. Do produkcji części roboczej, na przykład części tnącej, często stosuje się stopy twarde i specjalne rodzaje stali. Wreszcie metale szlachetne są wysoko cenione jako materiał na biżuterię. Jest więc mnóstwo zastosowań.
Ciekawe metale i stopy
Wykorzystanie tych elementów jest tak powszechne i ma tak długą historię, że nie dziwi fakt, że pojawiają się różne ciekawe sytuacje. One i tylko kilka interesujących faktów należy przedstawić na końcu:
- Aluminium było wysoko cenione przed jego powszechnym zastosowaniem. Z tego materiału wykonane zostały sztućce, którymi Napoleon III przyjmował gości, i były przedmiotemduma monarchy.
- Nazwa platyna w języku hiszpańskim oznacza „srebro”. Element otrzymał tak niepochlebną nazwę ze względu na stosunkowo wysoką temperaturę topnienia, a co za tym idzie niemożność używania go przez długi czas.
- W swojej najczystszej postaci złoto jest miękkie i łatwo zarysować je paznokciem. Dlatego jest on stapiany ze srebrem lub miedzią do wyrobu biżuterii.
- Istnieją stopy o ciekawej właściwości termosprężystości, to jest efektu pamięci kształtu. Po odkształceniu, a następnie podgrzaniu wracają do swojego pierwotnego stanu.
