Модерният човек е заобиколен от различни метали в ежедневието си. Повечето от артикулите, които използваме, съдържат тези химикали. Всичко това се случи, защото хората намериха различни начини за получаване на метали.
Какво са метали
Неорганичната химия се занимава с тези ценни за хората вещества. Получаването на метали позволява на човек да създава все по-съвършени технологии, които подобряват живота ни. Какво са те? Преди да разгледаме общите методи за получаване на метали, е необходимо да разберем какви са те. Металите са група от химични елементи под формата на прости вещества с характерни свойства:
• топлинна и електрическа проводимост;
• висока пластичност;
• блясък.
Човек може лесно да ги различи от други вещества. Характерна особеност на всички метали е наличието на специален блясък. Получава се чрез отразяване на падащите светлинни лъчи върху повърхност, която не ги пропуска. Блясъкът е обща характеристика на всички метали, но е най-силно изразен в среброто.
ВключеноКъм днешна дата учените са открили 96 такива химични елемента, въпреки че не всички от тях са признати от официалната наука. Те са разделени на групи в зависимост от характерните им свойства. Следните метали са изолирани по този начин:
• алкална – 6;
• алкална земя – 6;
• преходен – 38;
• светлина – 11;
• полуметали – 7;
• Лантаниди – 14;
• актиниди – 14.
Получаване на метали
За да направите сплав, първо трябва да получите метал от естествена руда. Самородни елементи са тези вещества, които се срещат в природата в свободно състояние. Те включват платина, злато, калай, живак. Те се отделят от примесите механично или с помощта на химически реагенти.
Други метали се добиват чрез обработка на техните съединения. Те се намират в различни вкаменелости. Рудите са минерали и скали, които включват метални съединения под формата на оксиди, карбонати или сулфиди. За получаването им се използва химическа обработка.
Методи за получаване на метали:
• намаляване на оксидите с въглища;
• получаване на калай от калай камък;
• топене на желязна руда;
• изгаряне на серни съединения в специални пещи.
За да се улесни извличането на метали от рудни скали, към тях се добавят различни вещества, наречени флюси. Те помагат за премахване на нежелани примеси като глина, варовик, пясък. В резултат на този процес се получават топими съединения,наречена шлака.
При наличие на значително количество примеси, рудата се обогатява преди топенето на метала, като се отстранява голяма част от ненужните компоненти. Най-широко използваните методи за това лечение са флотация, магнит и гравитация.
Алкални метали
Масовото производство на алкални метали е по-сложен процес. Това се дължи на факта, че те се срещат в природата само под формата на химични съединения. Тъй като те са редуциращи агенти, тяхното производство е съпроводено с високи енергийни разходи. Има няколко начина за извличане на алкални метали:
• Литият може да се получи от неговия оксид във вакуум или чрез електролиза на стопилка от неговия хлорид, образуван при обработката на сподумен.
• Натрият се извлича чрез калциниране на сода с въглища в плътно затворени тигели или чрез електролиза на хлоридна стопилка с добавяне на калций. Първият метод е най-отнемащ време.
• Калият се получава чрез електролиза на стопилка на неговите соли или чрез преминаване на натриеви пари през неговия хлорид. Образува се и от взаимодействието на разтопен калиев хидроксид и течен натрий при температура от 440 ° C.
• Цезий и рубидий се добиват чрез редуциране на техните хлориди с калций при 700–800 °C или цирконий при 650 °C. Получаването на алкални метали по този начин е изключително енергоемко и скъпо.
Разлики между метали и сплави
Принципно ясна граница между металите и техните сплави на практика не съществува, тъй като дори най-чистите, прости вещества иматизвестно количество примеси. И така, каква е разликата между тях? Почти всички метали, използвани в промишлеността и в други сектори на националната икономика, се използват под формата на сплави, получени целенасочено чрез добавяне на други компоненти към основния химичен елемент.
Сплави
Технологията се нуждае от разнообразие от метални материали. В същото време чистите химични елементи практически не се използват, тъй като нямат свойствата, необходими за хората. За нашите нужди сме измислили различни начини за получаване на сплави. Този термин се отнася до макроскопски хомогенен материал, който се състои от 2 или повече химични елемента. В този случай в сплавта преобладават металните компоненти. Това вещество има своя собствена структура. В сплавите се разграничават следните компоненти:
• основа, състояща се от един или повече метали;
• малки добавки от модифициращи и легиращи елементи;
• неотстранени примеси (технологични, естествени, произволни).
Металните сплави са основният конструктивен материал. В технологиите има повече от 5000 от тях.
Видове сплави
Въпреки голямото разнообразие от сплави, тези на основата на желязо и алуминий са от най-голямо значение за хората. Те са най-често срещаните в ежедневието. Видовете сплави са различни. Освен това те са разделени по няколко критерия. Така че се използват различни методи за производство на сплави. Според този критерий те се делят на:
• Изпълнение, коетополучен чрез кристализация на стопилка на смесени компоненти.
• Прах, създаден чрез пресоване на смес от прахове и след това синтероване при висока температура. Освен това, често компонентите на такива сплави са не само прости химични елементи, но и техните различни съединения, като титанови или волфрамови карбиди в твърди сплави. Добавянето им в определени количества променя свойствата на металните материали.
Методите за получаване на сплави под формата на готов продукт или заготовка се разделят на:
• леярна (силумин, чугун);
• ковано (стомана);
• прах (титан, волфрам).
Видове сплави
Методите за получаване на метали са различни, докато материалите, направени благодарение на тях, имат различни свойства. В твърдо агрегатно състояние сплавите са:
• Хомогенен (еднороден), състоящ се от кристали от един и същи тип. Те често се наричат еднофазни.
• Хетерогенен (хетерогенен), наречен многофазен. Когато се получат, за основа на сплавта се взема твърд разтвор (матрична фаза). Съставът на хетерогенните вещества от този тип зависи от състава на неговите химични елементи. Такива сплави могат да съдържат следните компоненти: твърди разтвори на междинни и заместващи вещества, химични съединения (карбиди, интерметалиди, нитриди), кристалити на прости вещества.
Свойства на сплав
Независимо от това какви методи за получаване на метали и сплави се използват, техните свойства се определят изцяло от кристалнитефазова структура и микроструктура на тези материали. Всеки от тях е различен. Макроскопските свойства на сплавите зависят от тяхната микроструктура. Във всеки случай те се различават от характеристиките на техните фази, които зависят единствено от кристалната структура на материала. Макроскопската хомогенност на хетерогенните (многофазни) сплави се получава в резултат на равномерно разпределение на фазите в металната матрица.
Най-важното свойство на сплавите е заваряемостта. В противен случай те са идентични с металите. И така, сплавите имат топло- и електрическа проводимост, пластичност и отразяваща способност (блясък).
Разновидности на сплави
Различните методи за получаване на сплави са позволили на човека да изобрети голям брой метални материали с различни свойства и характеристики. Според предназначението си те се разделят на следните групи:
• Структурни (стомана, дуралуминий, чугун). Тази група включва и сплави със специални свойства. Така че те се отличават с присъща безопасност или свойства срещу триене. Те включват месинг и бронз.
• За изливащи лагери (бабит).
• За електрическо отопление и измервателно оборудване (нихром, манганин).
• За производството на режещи инструменти (победа).
В производството хората използват и други видове метални материали, като топими, топлоустойчиви, устойчиви на корозия и аморфни сплави. Магнитите и термоелектриците (телуриди и селениди на бисмут, олово, антимон и други) също са широко използвани.
Железни сплави
Практически цялото изтопено желязо на Земята е насочено към производството на прости и легирани стомани. Използва се и при производството на желязо. Железните сплави са придобили своята популярност поради факта, че имат свойства, които са полезни за хората. Те са получени чрез добавяне на различни компоненти към прост химичен елемент. Така че, въпреки факта, че различни сплави на желязо се произвеждат на базата на едно вещество, стоманите и чугуните имат различни свойства. В резултат на това те намират различни приложения. Повечето стомани са по-твърди от чугуна. Различни методи за получаване на тези метали ви позволяват да получите различни степени (марки) на тези железни сплави.
Подобряване на свойствата на сплавта
Чрез сливане на определени метали и други химични елементи могат да се получат материали с подобрени характеристики. Например, границата на провлачване на чистия алуминий е 35 MPa. При получаване на сплав на този метал с мед (1,6%), цинк (5,6%), магнезий (2,5%), тази цифра надвишава 500 MPa.
Чрез комбиниране на различни пропорции на различни химикали могат да се получат метални материали с подобрени магнитни, термични или електрически свойства. Основна роля в този процес играе структурата на сплавта, която е разпределението на нейните кристали и вида на връзките между атомите.
Стомана и желязо
Тези сплави се получават чрез комбиниране на желязо и въглерод (2%). При производството на легирани материали те се добавятникел, хром, ванадий. Всички обикновени стомани са разделени на типове:
• нисковъглерод (0,25% въглерод), използван за различни структури;
• Високо въглерод (повече от 0,55%), предназначен за режещи инструменти.
Различни класове легирани стомани се използват в машиностроенето и други продукти.
Сплавта от желязо с въглерод, чийто процент е 2-4%, се нарича чугун. Този материал също съдържа силиций. Различни продукти с добри механични свойства се отливат от чугун.
Цветни метали
Освен желязото, други химични елементи също се използват за направата на различни метални материали. В резултат на тяхното комбиниране се получават цветни сплави. В живота на хората материалите, базирани на:, са намерили най-голяма употреба
• Мед, наречена месинг. Съдържат 5-45% цинк. Ако съдържанието му е 5-20%, тогава месингът се нарича червен, а ако 20-36% - жълт. Има сплави на мед със силиций, калай, берилий, алуминий. Наричат се бронзови. Има няколко вида от тези сплави.
• Олово, което е обикновена спойка (третник). В тази сплав 2 части калай падат върху 1 част от този химикал. Лагерите се произвеждат с помощта на бабит, който е сплав от олово, калай, арсен и антимон.
• Алуминий, титан, магнезий и берилий, които са леки цветни сплави с висока якост и отлични механичнисвойства.
Методи за получаване
Основни методи за получаване на метали и сплави:
• Леярна, в която се втвърдява хомогенна смес от различни стопени компоненти. За получаване на сплави се използват пирометалургични и електрометалургични методи за получаване на метали. В първия вариант топлинната енергия, получена в процеса на изгаряне на горивото, се използва за нагряване на суровината. Пирометалургичният метод произвежда стомана в мартенови пещи и чугун в доменни пещи. При електрометалургичния метод суровините се нагряват в индукционни или електродъгови пещи. В същото време суровината се омекотява много бързо.
• Прах, в който праховете от неговите компоненти се използват за направата на сплавта. Благодарение на пресоването им се придава определена форма и след това се синтероват в специални пещи.
