Ο σύγχρονος άνθρωπος περιβάλλεται από διάφορα μέταλλα στην καθημερινότητά του. Τα περισσότερα από τα είδη που χρησιμοποιούμε περιέχουν αυτές τις χημικές ουσίες. Όλα αυτά συνέβησαν επειδή οι άνθρωποι βρήκαν διάφορους τρόπους για να αποκτήσουν μέταλλα.
Τι είναι τα μέταλλα
Η ανόργανη χημεία ασχολείται με αυτές τις πολύτιμες ουσίες για τους ανθρώπους. Η απόκτηση μετάλλων επιτρέπει σε ένα άτομο να δημιουργεί όλο και πιο τέλεια τεχνολογία που βελτιώνει τη ζωή μας. Τι είναι? Πριν εξετάσουμε τις γενικές μεθόδους για την απόκτηση μετάλλων, είναι απαραίτητο να κατανοήσουμε τι είναι. Τα μέταλλα είναι μια ομάδα χημικών στοιχείων με τη μορφή απλών ουσιών με χαρακτηριστικές ιδιότητες:
• θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα;
• υψηλή ολκιμότητα;
• γκλίτερ.
Ένα άτομο μπορεί εύκολα να τα ξεχωρίσει από άλλες ουσίες. Ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα όλων των μετάλλων είναι η παρουσία μιας ιδιαίτερης λάμψης. Λαμβάνεται ανακλώντας τις προσπίπτουσες ακτίνες φωτός σε μια επιφάνεια που δεν τις μεταδίδει. Η λάμψη είναι μια κοινή ιδιότητα όλων των μετάλλων, αλλά είναι πιο έντονη στο ασήμι.
ΕνεργόΜέχρι σήμερα, οι επιστήμονες έχουν ανακαλύψει 96 τέτοια χημικά στοιχεία, αν και δεν αναγνωρίζονται όλα από την επίσημη επιστήμη. Χωρίζονται σε ομάδες ανάλογα με τις χαρακτηριστικές τους ιδιότητες. Τα ακόλουθα μέταλλα απομονώνονται με αυτόν τον τρόπο:
• αλκαλικό – 6;
• αλκαλική γη – 6;
• μεταβατικό – 38;
• φως – 11;
• ημιμέταλλα – 7;
• Λανθανίδες – 14;
• ακτινίδες – 14.
Λήψη μετάλλων
Για να φτιάξετε ένα κράμα, πρέπει πρώτα να λάβετε μέταλλο από φυσικό μετάλλευμα. Εγγενή στοιχεία είναι εκείνες οι ουσίες που βρίσκονται στη φύση σε ελεύθερη κατάσταση. Αυτά περιλαμβάνουν πλατίνα, χρυσό, κασσίτερο, υδράργυρο. Διαχωρίζονται από τις ακαθαρσίες μηχανικά ή με τη βοήθεια χημικών αντιδραστηρίων.
Άλλα μέταλλα εξορύσσονται με την επεξεργασία των ενώσεων τους. Βρίσκονται σε διάφορα απολιθώματα. Τα μεταλλεύματα είναι ορυκτά και πετρώματα, τα οποία περιλαμβάνουν μεταλλικές ενώσεις με τη μορφή οξειδίων, ανθρακικών αλάτων ή σουλφιδίων. Για την απόκτησή τους χρησιμοποιείται χημική επεξεργασία.
Μέθοδοι λήψης μετάλλων:
• αναγωγή οξειδίων με άνθρακα;
• λήψη κασσίτερου από τσίγκινη πέτρα;
• τήξη σιδηρομεταλλεύματος;
• καύση θειούχων ενώσεων σε ειδικούς φούρνους.
Για να διευκολυνθεί η εξόρυξη μετάλλων από μεταλλευτικά πετρώματα, προστίθενται σε αυτά διάφορες ουσίες που ονομάζονται ροές. Βοηθούν στην απομάκρυνση των ανεπιθύμητων ακαθαρσιών όπως άργιλος, ασβεστόλιθος, άμμος. Ως αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας, λαμβάνονται εύτηκτες ενώσεις,που ονομάζεται σκωρία.
Με την παρουσία σημαντικής ποσότητας ακαθαρσιών, το μετάλλευμα εμπλουτίζεται πριν από την τήξη του μετάλλου αφαιρώντας μεγάλο μέρος των περιττών συστατικών. Οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες μέθοδοι για αυτή τη θεραπεία είναι η επίπλευση, η μαγνητική και η βαρύτητα.
Αλκαλιμέταλλα
Η μαζική παραγωγή αλκαλιμετάλλων είναι μια πιο περίπλοκη διαδικασία. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι βρίσκονται στη φύση μόνο με τη μορφή χημικών ενώσεων. Δεδομένου ότι είναι αναγωγικοί παράγοντες, η παραγωγή τους συνοδεύεται από υψηλό ενεργειακό κόστος. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι εξαγωγής αλκαλιμετάλλων:
• Το λίθιο μπορεί να ληφθεί από το οξείδιό του σε κενό ή με ηλεκτρόλυση ενός τήγματος του χλωριούχου του, που σχηματίζεται κατά την επεξεργασία του σποδουμενίου.
• Το νάτριο εξάγεται με φρύξη σόδας με άνθρακα σε καλά κλεισμένα χωνευτήρια ή με ηλεκτρόλυση τήγματος χλωρίου με προσθήκη ασβεστίου. Η πρώτη μέθοδος είναι η πιο χρονοβόρα.
• Το κάλιο λαμβάνεται με ηλεκτρόλυση ενός τήγματος των αλάτων του ή με διέλευση ατμών νατρίου μέσω του χλωριούχου του. Σχηματίζεται επίσης από την αλληλεπίδραση λιωμένου υδροξειδίου του καλίου και υγρού νατρίου σε θερμοκρασία 440 ° C.
• Το καίσιο και το ρουβίδιο εξορύσσονται με αναγωγή των χλωριδίων τους με ασβέστιο στους 700–800 °C ή ζιρκόνιο στους 650 °C. Η απόκτηση αλκαλικών μετάλλων με αυτόν τον τρόπο είναι εξαιρετικά ενεργοβόρα και δαπανηρή.
Διαφορές μεταξύ μετάλλων και κραμάτων
Ένα θεμελιωδώς σαφές όριο μεταξύ μετάλλων και κραμάτων τους πρακτικά δεν υπάρχει, αφού ακόμη και οι πιο αγνές, απλούστερες ουσίες έχουνκάποια ποσότητα ακαθαρσιών. Ποια είναι λοιπόν η διαφορά μεταξύ τους; Σχεδόν όλα τα μέταλλα που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία και σε άλλους τομείς της εθνικής οικονομίας χρησιμοποιούνται με τη μορφή κραμάτων που λαμβάνονται σκόπιμα με την προσθήκη άλλων συστατικών στο κύριο χημικό στοιχείο.
Κράματα
Η τεχνολογία χρειάζεται μια ποικιλία από μεταλλικά υλικά. Ταυτόχρονα, τα καθαρά χημικά στοιχεία πρακτικά δεν χρησιμοποιούνται, καθώς δεν έχουν τις απαραίτητες ιδιότητες για τους ανθρώπους. Για τις ανάγκες μας, έχουμε εφεύρει διαφορετικούς τρόπους για να αποκτήσουμε κράματα. Αυτός ο όρος αναφέρεται σε ένα μακροσκοπικά ομοιογενές υλικό που αποτελείται από 2 ή περισσότερα χημικά στοιχεία. Σε αυτή την περίπτωση, τα μεταλλικά στοιχεία κυριαρχούν στο κράμα. Αυτή η ουσία έχει τη δική της δομή. Στα κράματα διακρίνονται τα ακόλουθα συστατικά:
• βάση που αποτελείται από ένα ή περισσότερα μέταλλα;
• μικρές προσθήκες τροποποιητικών και κραματικών στοιχείων;
• μη αφαιρούμενες ακαθαρσίες (τεχνολογικές, φυσικές, τυχαίες).
Τα κράματα μετάλλων είναι το κύριο δομικό υλικό. Στην τεχνολογία, υπάρχουν περισσότερα από 5000 από αυτά.
Τύποι κραμάτων
Παρά την ποικιλία κραμάτων, αυτά που βασίζονται σε σίδηρο και αλουμίνιο έχουν τη μεγαλύτερη σημασία για τους ανθρώπους. Είναι τα πιο κοινά στην καθημερινή ζωή. Τα είδη των κραμάτων είναι διαφορετικά. Επιπλέον, χωρίζονται σύμφωνα με διάφορα κριτήρια. Έτσι χρησιμοποιούνται διάφορες μέθοδοι κατασκευής κραμάτων. Σύμφωνα με αυτό το κριτήριο, χωρίζονται σε:
• Καστ, πουλαμβάνεται με κρυστάλλωση τήγματος μικτών συστατικών.
• Σκόνη, που δημιουργείται με συμπίεση μείγματος σκονών και στη συνέχεια πυροσυσσωμάτωση σε υψηλή θερμοκρασία. Επιπλέον, συχνά τα συστατικά τέτοιων κραμάτων δεν είναι μόνο απλά χημικά στοιχεία, αλλά και διάφορες ενώσεις τους, όπως καρβίδια τιτανίου ή βολφραμίου σε σκληρά κράματα. Η προσθήκη τους σε ορισμένες ποσότητες αλλάζει τις ιδιότητες των μεταλλικών υλικών.
Οι μέθοδοι για τη λήψη κραμάτων με τη μορφή τελικού προϊόντος ή ακατέργαστου υλικού χωρίζονται σε:
• χυτήριο (σιλουμίνιο, χυτοσίδηρος);
• σφυρήλατο (χάλυβες);
• σκόνη (τιτάνιο, βολφράμιο).
Τύποι κραμάτων
Οι μέθοδοι λήψης μετάλλων είναι διαφορετικές, ενώ τα υλικά που κατασκευάζονται χάρη σε αυτά έχουν διαφορετικές ιδιότητες. Στη στερεά κατάσταση συσσωμάτωσης, τα κράματα είναι:
• Ομοιογενής (ομοιόμορφη), που αποτελείται από κρυστάλλους του ίδιου τύπου. Συχνά αναφέρονται ως μονοφασικές.
• Ετερογενής (ετερογενής), που ονομάζεται πολυφασική. Όταν ληφθούν, ως βάση του κράματος λαμβάνεται ένα στερεό διάλυμα (φάση μήτρας). Η σύνθεση των ετερογενών ουσιών αυτού του τύπου εξαρτάται από τη σύνθεση των χημικών στοιχείων του. Τέτοια κράματα μπορεί να περιέχουν τα ακόλουθα συστατικά: στερεά διαλύματα διάμεσου και υποκατάστασης, χημικές ενώσεις (καρβίδια, διαμεταλλίδια, νιτρίδια), κρυσταλλίτες απλών ουσιών.
Ιδιότητες κράματος
Ανεξάρτητα από τις μεθόδους λήψης μετάλλων και κραμάτων που χρησιμοποιούνται, οι ιδιότητές τους καθορίζονται πλήρως από το κρυσταλλικόδομή φάσης και μικροδομή αυτών των υλικών. Κάθε ένα από αυτά είναι διαφορετικό. Οι μακροσκοπικές ιδιότητες των κραμάτων εξαρτώνται από τη μικροδομή τους. Σε κάθε περίπτωση, διαφέρουν από τα χαρακτηριστικά των φάσεων τους, που εξαρτώνται αποκλειστικά από την κρυσταλλική δομή του υλικού. Η μακροσκοπική ομοιογένεια των ετερογενών (πολυφασικών) κραμάτων προκύπτει ως αποτέλεσμα της ομοιόμορφης κατανομής των φάσεων στη μεταλλική μήτρα.
Η πιο σημαντική ιδιότητα των κραμάτων είναι η συγκολλησιμότητα. Διαφορετικά, είναι πανομοιότυπα με τα μέταλλα. Έτσι, τα κράματα έχουν θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα, ολκιμότητα και ανακλαστικότητα (γυαλάδα).
Ποικιλίες κραμάτων
Διαφορετικές μέθοδοι λήψης κραμάτων επέτρεψαν στον άνθρωπο να εφεύρει μεγάλο αριθμό μεταλλικών υλικών με διαφορετικές ιδιότητες και χαρακτηριστικά. Ανάλογα με το σκοπό τους χωρίζονται στις ακόλουθες ομάδες:
• Δομικό (χάλυβας, ντουραλουμίνιο, χυτοσίδηρος). Αυτή η ομάδα περιλαμβάνει επίσης κράματα με ειδικές ιδιότητες. Έτσι διακρίνονται από εγγενείς ιδιότητες ασφάλειας ή κατά της τριβής. Αυτά περιλαμβάνουν ορείχαλκο και μπρούτζο.
• Για ρουλεμάν έκχυσης (babbit).
• Για ηλεκτρικό εξοπλισμό θέρμανσης και μέτρησης (νικρώμιο, μαγγανίνη).
• Για την παραγωγή κοπτικών εργαλείων (win).
Στην παραγωγή, οι άνθρωποι χρησιμοποιούν επίσης άλλους τύπους μεταλλικών υλικών, όπως εύτηκτα, ανθεκτικά στη θερμότητα, ανθεκτικά στη διάβρωση και άμορφα κράματα. Οι μαγνήτες και τα θερμοηλεκτρικά (τελουρίδια και σεληνίδια του βισμούθιου, ο μόλυβδος, το αντιμόνιο και άλλα) χρησιμοποιούνται επίσης ευρέως.
Κράματα σιδήρου
Πρακτικά όλος ο σίδηρος που λιώνει στη Γη κατευθύνεται στην παραγωγή απλών και κραματοποιημένων χάλυβων. Χρησιμοποιείται επίσης στην παραγωγή σιδήρου. Τα κράματα σιδήρου έχουν κερδίσει τη δημοτικότητά τους λόγω του γεγονότος ότι έχουν ιδιότητες που είναι ευεργετικές για τον άνθρωπο. Προέκυψαν με την προσθήκη διαφόρων συστατικών σε ένα απλό χημικό στοιχείο. Έτσι, παρά το γεγονός ότι διάφορα κράματα σιδήρου κατασκευάζονται με βάση μια ουσία, οι χάλυβες και οι χυτοσίδηροι έχουν διαφορετικές ιδιότητες. Ως αποτέλεσμα, βρίσκουν μια ποικιλία εφαρμογών. Οι περισσότεροι χάλυβες είναι πιο σκληροί από τον χυτοσίδηρο. Διάφορες μέθοδοι για τη λήψη αυτών των μετάλλων σας επιτρέπουν να αποκτήσετε διαφορετικές ποιότητες (μάρκες) αυτών των κραμάτων σιδήρου.
Βελτιώστε τις ιδιότητες του κράματος
Με τη σύντηξη ορισμένων μετάλλων και άλλων χημικών στοιχείων, μπορούν να ληφθούν υλικά με βελτιωμένα χαρακτηριστικά. Για παράδειγμα, η αντοχή διαρροής του καθαρού αλουμινίου είναι 35 MPa. Όταν λαμβάνεται ένα κράμα αυτού του μετάλλου με χαλκό (1,6%), ψευδάργυρο (5,6%), μαγνήσιο (2,5%), αυτό το ποσοστό υπερβαίνει τα 500 MPa.
Με το συνδυασμό διαφορετικών αναλογιών διαφορετικών χημικών ουσιών, μπορούν να ληφθούν μεταλλικά υλικά με βελτιωμένες μαγνητικές, θερμικές ή ηλεκτρικές ιδιότητες. Τον κύριο ρόλο σε αυτή τη διαδικασία παίζει η δομή του κράματος, που είναι η κατανομή των κρυστάλλων του και ο τύπος των δεσμών μεταξύ των ατόμων.
Χάλυβες και σίδερα
Αυτά τα κράματα λαμβάνονται με συνδυασμό σιδήρου και άνθρακα (2%). Στην παραγωγή κραματοποιημένων υλικών προστίθενταινικέλιο, χρώμιο, βανάδιο. Όλοι οι συνηθισμένοι χάλυβες χωρίζονται σε τύπους:
• χαμηλού άνθρακα (0,25% άνθρακα) που χρησιμοποιείται για διάφορες δομές, • Υψηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα (πάνω από 0,55%) σχεδιασμένο για εργαλεία κοπής.
Διαφορετικές ποιότητες κραματοποιημένων χάλυβων χρησιμοποιούνται στη μηχανολογία και σε άλλα προϊόντα.
Το κράμα του σιδήρου με άνθρακα, το ποσοστό του οποίου είναι 2-4%, ονομάζεται χυτοσίδηρος. Αυτό το υλικό περιέχει επίσης πυρίτιο. Διάφορα προϊόντα με καλές μηχανικές ιδιότητες χυτεύονται από χυτοσίδηρο.
Μη σιδηρούχα μέταλλα
Εκτός από το σίδηρο, χρησιμοποιούνται και άλλα χημικά στοιχεία για την κατασκευή διαφόρων μεταλλικών υλικών. Ως αποτέλεσμα του συνδυασμού τους, λαμβάνονται μη σιδηρούχα κράματα. Στη ζωή των ανθρώπων, τα υλικά που βασίζονται σε:έχουν βρει τη μεγαλύτερη χρήση
• Χαλκός, που ονομάζεται ορείχαλκος. Περιέχουν 5-45% ψευδάργυρο. Εάν η περιεκτικότητά του είναι 5-20%, τότε ο ορείχαλκος ονομάζεται κόκκινος, και εάν 20-36% - κίτρινος. Υπάρχουν κράματα χαλκού με πυρίτιο, κασσίτερο, βηρύλλιο, αλουμίνιο. Ονομάζονται μπρούτζοι. Υπάρχουν διάφοροι τύποι αυτών των κραμάτων.
• Μόλυβδος, που είναι μια κοινή συγκόλληση (tretnik). Σε αυτό το κράμα, 2 μέρη κασσίτερου πέφτουν σε 1 μέρος αυτής της χημικής ουσίας. Τα ρουλεμάν παράγονται χρησιμοποιώντας babbitt, το οποίο είναι ένα κράμα μολύβδου, κασσίτερου, αρσενικού και αντιμονίου.
• Αλουμίνιο, τιτάνιο, μαγνήσιο και βηρύλλιο, τα οποία είναι ελαφριά μη σιδηρούχα κράματα με υψηλή αντοχή και εξαιρετική μηχανικήιδιότητες.
Μέθοδοι απόκτησης
Κύριες μέθοδοι για τη λήψη μετάλλων και κραμάτων:
• Χυτήριο, στο οποίο στερεοποιείται ένα ομοιογενές μείγμα διαφορετικών λιωμένων συστατικών. Για τη λήψη κραμάτων, χρησιμοποιούνται πυρομεταλλουργικές και ηλεκτρομεταλλουργικές μέθοδοι λήψης μετάλλων. Στην πρώτη παραλλαγή, η θερμική ενέργεια που λαμβάνεται κατά τη διαδικασία της καύσης καυσίμου χρησιμοποιείται για τη θέρμανση της πρώτης ύλης. Η πυρομεταλλουργική μέθοδος παράγει χάλυβα σε φούρνους ανοιχτής εστίας και χυτοσίδηρο σε υψικάμινους. Με την ηλεκτρομεταλλουργική μέθοδο οι πρώτες ύλες θερμαίνονται σε επαγωγικούς ή ηλεκτρικούς φούρνους. Ταυτόχρονα, η πρώτη ύλη μαλακώνει πολύ γρήγορα.
• Σκόνη, στην οποία χρησιμοποιούνται σκόνες των συστατικών της για την παρασκευή του κράματος. Χάρη στο πάτημα, τους δίνεται ένα συγκεκριμένο σχήμα και στη συνέχεια πυροσυσσωματώνονται σε ειδικούς φούρνους.
