Omul modern este înconjurat de diverse metale în viața de zi cu zi. Majoritatea articolelor pe care le folosim conțin aceste substanțe chimice. Toate acestea s-au întâmplat deoarece oamenii au găsit o varietate de modalități de a obține metale.
Ce sunt metalele
Chimia anorganică se ocupă de aceste substanțe valoroase pentru oameni. Obținerea metalelor permite unei persoane să creeze o tehnologie din ce în ce mai perfectă care ne îmbunătățește viața. Ce sunt ei? Înainte de a lua în considerare metodele generale de obținere a metalelor, este necesar să înțelegem care sunt acestea. Metalele sunt un grup de elemente chimice sub formă de substanțe simple cu proprietăți caracteristice:
• conductivitate termică și electrică;
• ductilitate mare;
• sclipici.
O persoană le poate distinge cu ușurință de alte substanțe. O trăsătură caracteristică a tuturor metalelor este prezența unei străluciri speciale. Se obține prin reflectarea razelor de lumină incidente pe o suprafață care nu le transmite. Strălucirea este o proprietate comună a tuturor metalelor, dar este cel mai pronunțată în argint.
ActivatPână în prezent, oamenii de știință au descoperit 96 de astfel de elemente chimice, deși nu toate sunt recunoscute de știința oficială. Ele sunt împărțite în grupuri în funcție de proprietățile lor caracteristice. Următoarele metale sunt izolate în acest fel:
• alcalin – 6;
• alcalino-pământos – 6;
• tranzitorie – 38;
• lumină – 11;
• semimetale – 7;
• Lantanide – 14;
• actinide – 14.
Obținerea metalelor
Pentru a face un aliaj, trebuie mai întâi să obțineți metal din minereu natural. Elementele native sunt acele substanțe care se găsesc în natură în stare liberă. Acestea includ platina, aurul, staniul, mercurul. Acestea sunt separate de impurități mecanic sau cu ajutorul reactivilor chimici.
Alte metale sunt extrase prin prelucrarea compușilor lor. Se găsesc în diverse fosile. Minereurile sunt minerale și roci, care includ compuși metalici sub formă de oxizi, carbonați sau sulfuri. Pentru obținerea acestora se utilizează procesare chimică.
Metode de obținere a metalelor:
• reducerea oxizilor cu cărbune;
• obținerea staniului din piatră de tablă;
• topirea minereului de fier;
• arderea compușilor de sulf în cuptoare speciale.
Pentru a facilita extragerea metalelor din rocile de minereu, acestora li se adauga diverse substante numite fluxuri. Ele ajută la îndepărtarea impurităților nedorite precum argila, calcarul, nisipul. Ca rezultat al acestui proces, se obțin compuși fuzibili,numit zgură.
În prezența unei cantități semnificative de impurități, minereul este îmbogățit înainte de topirea metalului prin îndepărtarea unei mari părți a componentelor inutile. Cele mai utilizate metode pentru acest tratament sunt flotația, magnetică și gravitațională.
Metale alcaline
Producerea în masă a metalelor alcaline este un proces mai complex. Acest lucru se datorează faptului că se găsesc în natură numai sub formă de compuși chimici. Deoarece sunt agenți reducători, producția lor este însoțită de costuri mari cu energia. Există mai multe moduri de extragere a metalelor alcaline:
• Litiul poate fi obținut din oxidul său în vid sau prin electroliza unei topituri a clorurii sale, formată în timpul procesării spodumenului.
• Sodiul este extras prin calcinarea sodei cu cărbune în creuzete bine închise sau prin electroliza unei topituri de clorură cu adaos de calciu. Prima metodă este cea mai consumatoare de timp.
• Potasiul se obține prin electroliza unei topituri a sărurilor sale sau prin trecerea vaporilor de sodiu prin clorura sa. De asemenea, se formează prin interacțiunea hidroxidului de potasiu topit și a sodiului lichid la o temperatură de 440 ° C.
• Cesiul și rubidiul sunt extrase prin reducerea clorurilor lor cu calciu la 700–800 °C sau zirconiu la 650 °C. Obținerea metalelor alcaline în acest mod este extrem de consumatoare de energie și costisitoare.
Diferențe între metale și aliaje
O graniță fundamental clară între metale și aliajele lor practic nu există, deoarece chiar și cele mai pure și mai simple substanțe auo anumită cantitate de impurități. Deci, care este diferența dintre ele? Aproape toate metalele utilizate în industrie și în alte sectoare ale economiei naționale sunt folosite sub formă de aliaje obținute intenționat prin adăugarea altor componente la elementul chimic principal.
aliaje
Tehnologia are nevoie de o varietate de materiale metalice. În același timp, elementele chimice pure nu sunt practic utilizate, deoarece nu au proprietățile necesare oamenilor. Pentru nevoile noastre, am inventat diferite moduri de a obține aliaje. Acest termen se referă la un material omogen macroscopic care constă din 2 sau mai multe elemente chimice. În acest caz, componentele metalice predomină în aliaj. Această substanță are propria sa structură. În aliaje, se disting următoarele componente:
• bază constând din unul sau mai multe metale;
• mici adaosuri de elemente de modificare și de aliere;
• impurități neeliminate (tehnologice, naturale, aleatorii).
Aliajele metalice sunt principalul material structural. În tehnologie, există peste 5000 dintre ele.
Tipuri de aliaje
În ciuda unei asemenea varietăți de aliaje, cele pe bază de fier și aluminiu sunt de cea mai mare importanță pentru oameni. Sunt cele mai comune în viața de zi cu zi. Tipurile de aliaje sunt diferite. Mai mult, ele sunt împărțite după mai multe criterii. Deci se folosesc diverse metode de fabricare a aliajelor. Conform acestui criteriu, acestea sunt împărțite în:
• Distribuție, careobţinut prin cristalizarea topiturii componentelor amestecate.
• Pulbere, creată prin presarea unui amestec de pulberi și apoi sinterizarea la temperatură ridicată. Mai mult decât atât, adesea componentele unor astfel de aliaje nu sunt doar elemente chimice simple, ci și diferiții lor compuși, cum ar fi carburile de titan sau tungsten din aliaje dure. Adăugarea lor în anumite cantități modifică proprietățile materialelor metalice.
Metode de obținere a aliajelor sub formă de produs finit sau semifabricat se împart în:
• turnătorie (siliciu, fontă);
• forjat (oțel);
• pulbere (titan, tungsten).
Tipuri de aliaje
Metodele de obținere a metalelor sunt diferite, în timp ce materialele realizate datorită acestora au proprietăți diferite. În stare solidă de agregare, aliajele sunt:
• Omogen (uniform), format din cristale de același tip. Ele sunt adesea denumite monofazate.
• Eterogen (eterogen), numit multifazic. Când sunt obținute, o soluție solidă (faza matriceală) este luată ca bază a aliajului. Compoziția substanțelor eterogene de acest tip depinde de compoziția elementelor sale chimice. Astfel de aliaje pot conține următoarele componente: soluții solide interstițiale și de substituție, compuși chimici (carburi, intermetalizi, nitruri), cristaliți de substanțe simple.
Proprietăți ale aliajului
Indiferent de ce metode de obținere a metalelor și aliajelor sunt folosite, proprietățile lor sunt complet determinate de cristalinstructura de fază și microstructura acestor materiale. Fiecare dintre ele este diferit. Proprietățile macroscopice ale aliajelor depind de microstructura lor. În orice caz, ele diferă de caracteristicile fazelor lor, care depind numai de structura cristalină a materialului. Omogenitatea macroscopică a aliajelor eterogene (multifază) se obține ca urmare a unei distribuții uniforme a fazelor în matricea metalică.
Cea mai importantă proprietate a aliajelor este sudarea. În caz contrar, sunt identice cu metalele. Deci, aliajele au conductivitate termică și electrică, ductilitate și reflectivitate (lustru).
Soiuri de aliaje
Diferitele metode de obținere a aliajelor au permis omului să inventeze un număr mare de materiale metalice cu proprietăți și caracteristici diferite. În funcție de scopul lor, acestea sunt împărțite în următoarele grupuri:
• Structurale (oțel, duraluminiu, fontă). Această grupă include și aliajele cu proprietăți speciale. Deci se disting prin siguranță intrinsecă sau proprietăți anti-frecare. Acestea includ alamă și bronz.
• Pentru turnarea rulmenților (babbit).
• Pentru încălzire electrică și echipamente de măsurare (nicrom, manganin).
• Pentru producția de scule de tăiere (win).
În producție, oamenii folosesc și alte tipuri de materiale metalice, cum ar fi aliajele fuzibile, rezistente la căldură, rezistente la coroziune și amorfe. Magneții și termoelectricii (telururi și seleniduri de bismut, plumb, antimoniu și altele) sunt, de asemenea, folosiți pe scară largă.
Aliaje de fier
Practic tot fierul topit pe Pământ este direcționat către producția de oțeluri simple și aliate. Este folosit și în producția de fier. Aliajele de fier și-au câștigat popularitatea datorită faptului că au proprietăți care sunt benefice pentru oameni. Ele au fost obținute prin adăugarea diferitelor componente unui element chimic simplu. Deci, în ciuda faptului că diferite aliaje de fier sunt realizate pe baza unei substanțe, oțelurile și fontele au proprietăți diferite. Drept urmare, ei găsesc o varietate de aplicații. Majoritatea oțelurilor sunt mai dure decât fonta. Diverse metode de obținere a acestor metale vă permit să obțineți diferite grade (mărci) ale acestor aliaje de fier.
Îmbunătățiți proprietățile aliajului
Prin topirea anumitor metale și alte elemente chimice, se pot obține materiale cu caracteristici îmbunătățite. De exemplu, limita de curgere a aluminiului pur este de 35 MPa. La obținerea unui aliaj al acestui metal cu cupru (1,6%), zinc (5,6%), magneziu (2,5%), această cifră depășește 500 MPa.
Combinând diferite proporții de diferite substanțe chimice, se pot obține materiale metalice cu proprietăți magnetice, termice sau electrice îmbunătățite. Rolul principal în acest proces este jucat de structura aliajului, care este distribuția cristalelor sale și tipul de legături dintre atomi.
Oțeluri și fiare de călcat
Aceste aliaje sunt obținute prin combinarea fierului și carbonului (2%). În producția de materiale aliate, acestea sunt adăugatenichel, crom, vanadiu. Toate oțelurile obișnuite sunt împărțite în tipuri:
• cu conținut scăzut de carbon (0,25% carbon) utilizat pentru diferite structuri;
• Cu conținut ridicat de carbon (mai mult de 0,55%) conceput pentru unelte de tăiere.
În inginerie mecanică și alte produse sunt utilizate diferite clase de oțeluri aliate.
Aliajul fierului cu carbon, al cărui procent este de 2-4%, se numește fontă. Acest material conține și siliciu. Diverse produse cu proprietăți mecanice bune sunt turnate din fontă.
Metale neferoase
Pe lângă fier, la fabricarea diferitelor materiale metalice se mai folosesc și alte elemente chimice. Ca urmare a combinarii lor se obtin aliaje neferoase. În viața oamenilor, materialele bazate pe:au găsit cea mai mare utilizare
• Cupru, numit alamă. Conțin 5-45% zinc. Dacă conținutul său este de 5-20%, atunci alama se numește roșu, iar dacă 20-36% - galben. Există aliaje de cupru cu siliciu, staniu, beriliu, aluminiu. Se numesc bronzuri. Există mai multe tipuri de aceste aliaje.
• Plumb, care este o lipire obișnuită (tretnik). În acest aliaj, 2 părți de staniu cad pe 1 parte din această substanță chimică. Rulmenții sunt produși folosind babbitt, care este un aliaj de plumb, staniu, arsenic și antimoniu.
• Aluminiu, titan, magneziu și beriliu, care sunt aliaje ușoare neferoase, cu rezistență ridicată și mecanică excelentăproprietăți.
Metode de obținere
Principale metode de obținere a metalelor și aliajelor:
• Turnătorie, în care se solidifică un amestec omogen de diferite componente topite. Pentru obţinerea aliajelor se folosesc metode pirometalurgice şi electrometalurgice de obţinere a metalelor. În prima variantă, energia termică obținută în procesul de ardere a combustibilului este utilizată pentru încălzirea materiei prime. Metoda pirometalurgică produce oțel în cuptoare cu focar deschis și fontă în cuptoare în alte. Prin metoda electrometalurgică, materiile prime sunt încălzite în cuptoare cu inducție sau cu arc electric. În același timp, materia primă se înmoaie foarte repede.
• Pulbere, în care pulberile componentelor sale sunt folosite pentru realizarea aliajului. Datorită presării, li se dă o anumită formă și apoi sunt sinterizate în cuptoare speciale.
