Отримання металів та їх застосування

Незважаючи на те що все частіше в промисловості та побуті використовуються штучно створені матеріали, відмовитися від застосування металів поки не представляється можливим. Вони володіють унікальним поєднанням властивостей, а сплави дозволяють максимально використовувати їх потенціал. У яких областях відбувається отримання і застосування металів?

Характеристика групи елементів

Під металами розуміють сукупність неорганічних хімічних речовин, що володіють характерними властивостями. Як правило, вони включають наступне:

• висока теплопроводность;
• пластичність, відносна легкість механічної обробки;
• порівняно висока температура плавленія;
• хороша електропроводность;
• характерний "металевий" блеск;
• роль відновника в реакціях;
• висока щільність.

Зрозуміло, не всі елементи цієї групи володіють всіма цими властивостями, наприклад, ртуть при кімнатній температурі рідка, галій плавиться від тепла людських рук, а вісмут навряд чи можна назвати пластичним. Але загалом і в цілому всі ці риси простежуються в сукупності металів.

Внутрішня класифікація

Метали умовно ділять на кілька категорій, кожна з яких об`єднує елементи, найбільш близькі один одному за різними параметрами. Розрізняють такі групи:

• лужні - 6
• лужноземельні - 4;
• перехідні - 38;
• легкі - 7
• напівметали - 7
• лантаноїди - 14 + 1;
• Актиноїди - 14 + 1;

Поза груп залишається ще два: берилій і магній. Таким чином, на даний момент з усіх відкритих елементів 94 вчені відносять до металів.

Крім того, варто згадати, що є й інші класифікації. Згідно з ними, окремо розглядаються благородні, метали платинової групи, постпереходного, тугоплавкі, чорні і кольорові і т. д. Такий підхід має сенс лише за певних цілях, так що зручніше використовувати загальноприйняту класифікацію.

Історія отримання

Людство протягом всього свого розвитку було тісно пов`язане з обробкою та використанням металів. Крім того що вони виявилися найбільш поширеними елементами, з них можна було виготовляти різні вироби лише за допомогою механічної обробки. Оскільки навичок роботи з рудою ще не було, спочатку мова йшла лише про використання самородків. Спочатку це був м`який метал, що дав назву мідному віку, котрий змінив кам`яний. У цей період був розроблений метод холодного кування. У деяких цивілізаціях стала можливою виплавка. Поступово люди освоїли отримання кольорових металів, таких як золото, срібло, олово.

Пізніше на зміну мідному прийшов бронзовий вік. Він тривав приблизно 20 тисячоліть і став переломним моментом для людства, оскільки саме в цей період стало можливим отримувати сплави. Відбувається поступовий розвиток металургії, удосконалюються способи отримання металів. Однак у 13-12 ст. до н. е. стався так званий бронзовий колапс, який поклав початок залізного віку. Це імовірно сталося через виснаження запасів олова. А свинець і ртуть, відкриті в цей час, не змогли стати заміною бронзі. Так що людям належало розвивати одержання металів з руд.

Наступний період тривав відносно недовго - менше тисячоліття, але залишив яскравий слід в історії. Незважаючи на те що залізо було відомо набагато раніше, воно майже не застосовувалося через своїх недоліків у порівнянні з бронзою. Також останню було набагато простіше отримати, в той час як виплавка руди була більш трудомістким заняттям. Вся справа в тому, що самородне залізо зустрічається досить рідко, так що не дивно, що відмова від бронзи відбувався настільки повільно.

Значення навичок виділення металів

За аналогією з тим, як предок людини вперше виготовив знаряддя праці, прив`язавши гострий камінь до палиці, перехід до нового матеріалу виявився настільки ж грандіозний. Основні переваги металевих виробів полягали в тому, що їх було легше зробити, а також існувала можливість лагодження. Камінь же не володіє пластичністю і ковкість, так що будь-які знаряддя з нього можна було зробити тільки заново, відремонтувати їх не виходило.

Таким чином, саме перехід до використання металів привів до подальшого вдосконалення знарядь праці, появи нових предметів побуту, прикрас, виготовити які було раніше неможливо. Все це дало поштовх технічному прогресу і заклало фундамент для розвитку металургії.

Сучасні методи

Якщо в давнину людям було знайоме лише отримання металів з руд, або вони могли задовольнятися самородками, то в даний час існують і інші способи. Вони стали можливими завдяки розвитку хімії. Таким чином, з`явилося два основних напрямки:

• Пірометалургія. Вона почала свій розвиток раніше і пов`язана з високими температурами, необхідними для обробки матеріалу. Сучасні технології в цій галузі дозволяють також використання плазми.
• Гідрометалургія. Цей напрямок займається вилученням елементів з руд, відходів, концентратів і т. Д. За допомогою води і хімічних реактивів. Наприклад, вкрай поширений спосіб, що передбачає отримання металів електролізом, також досить популярний метод цементації.

Є і ще одна цікава технологія. Отримання дорогоцінних металів високої чистоти і з мінімальними втратами стало можливо саме завдяки їй. Мова про аффінажу. Цей процес - один з видів рафінування, тобто поступового відділення домішок. Наприклад, у випадку з золотом використовується насичення розплаву хлором, а платину розчиняють в мінеральних кислотах з подальшим виділенням реагентами.

До речі, отримання металів електролізом найчастіше застосовується, якщо виплавка або відновлення економічно невигідні. Саме так відбувається з алюмінієм і натрієм. Є й більш інноваційні технології, які роблять можливих отримання кольорових металів навіть з досить бідних руд без значних витрат, але мова про це піде трохи пізніше.

Про сплавах

Велика частина металів, відомих в давнину, не завжди відповідала деяким потребам. Корозія, недостатня твердість, ламкість, крихкість, недовговічність - у кожного елемента в чистому вигляді є свої недоліки. Тому стало необхідно знайти нові матеріали, що поєднують у собі переваги відомих, тобто знайти способи отримання сплавів металів. На сьогоднішній день існує два основні методи:

• Лиття. Розплав змішаних компонентів охолоджується і кристалізується. Саме цей спосіб дозволив отримати перші зразки сплавів: бронзу і латунь.
• Пресування. Суміш порошків піддається високому тиску, а потім спікається.

Подальше вдосконалення

В останні десятиліття найбільш перспективним здається отримання металів із застосуванням біотехнологій, в першу чергу за допомогою бактерій. Вже стало можливим витяг з сульфидного сировини міді, нікелю, цинку, золота, урану. Вчені сподіваються підключити мікроорганізми до таких процесів, як вилуговування, окислення, сорбції та осадження. Крім того, вкрай актуальною є проблема очищення глибоких стічних вод, для неї теж намагаються знайти рішення, що передбачає участь бактерій.

Застосування

Без металів і сплавів було б неможливе життя в тому вигляді, в якому вона зараз відома людству. Висотні будинки, літаки, посуд, дзеркала, електроприлади, автомобілі та багато іншого існує лише завдяки далекому переходу людей від каменя до міді, бронзі та залозу.

Через свою виняткову електро- і теплопровідності метали використовуються в проводах і кабелях самого різного призначення. Золото застосовується для виготовлення неокісляющуюся контактів. Завдяки своїй міцності і твердості метали широко використовуються в будівництві та для отримання самих різних конструкцій. Ще одна область застосування - інструментальна. Для виготовлення робочої, наприклад, ріжучої частини часто використовуються тверді сплави і спеціальні види сталі. Нарешті, благородні метали високо цінуються як матеріал для ювелірних виробів. Так що областей застосування предостатньо.

Цікаве про металах і сплавах

Використання цих елементів настільки широко і має таку довгу історію, що не дивно виникнення різних курйозних ситуацій. Їх і просто пару цікавих фактів і варто навести наостанок:

• До свого широкого розповсюдження алюміній дуже цінувався. Столові прилади, якими при прийомі гостей користувався Наполеон III, були виготовлені саме з цього матеріалу і були предметом гордості монарха.
• Назва платини в перекладі з іспанської означає "серебрішко". Таке невтішне ім`я елемент отримав у зв`язку з відносно високою температурою плавлення і, отже, неможливістю впродовж довгого часу його застосовувати.
• У чистому вигляді золото м`яке, і його легко можна подряпати нігтем. Саме тому для виготовлення прикрас його сплавляють з сріблом або міддю.
• Існують сплави з цікавим властивістю термопружності, тобто ефектом "пам`яті" форми. При деформації і наступному нагріванні вони повертаються до початкового стану.