Способи отримання металів. Види сплавів. Отримання лужних металів

Сучасна людина у своєму повсякденному житті оточений різними металами. У більшості предметів, якими ми користуємося, присутні ці хімічні речовини. Це все сталося тому, що люди знайшли різноманітні способи отримання металів.

Що таке метали

Цими цінними для людей речовинами займається неорганічна хімія. Отримання металів дозволяє людині створювати все більш досконалу техніку, удосконалює наше життя. Що ж вони собою являють? Перш ніж розглянути загальні способи отримання металів, необхідно розібратися, якими вони бувають. Метали являють собою групу хімічних елементів у вигляді простих речовин, що володіє характерними властивостями:

• тепло- і електропроводностью-

• високою пластічностью-

• блиском.

Людина легко може відрізнити їх від інших речовин. Характерною рисою всіх металів є наявність особливого блиску. Він виходить завдяки відображенню падаючих променів світла на що не пропускає їх поверхню. Блиск - це загальна властивість всіх металів, але найяскравіше воно проявляється у срібла.

На сьогоднішній день вченими відкрито 96 таких хімічних елементів, хоча ще не всі з них визнані офіційною наукою. Їх розбивають на групи залежно від притаманних їм характерних властивостей. Так виділяють наступні метали:

• лужні - 6

• лужноземельні - 6

• перехідні - 38-

• легені - 11-

• напівметали - 7

• лантаноїди - 14-

• Актиноїди - 14.

Отримання металів

Для того щоб виготовити сплав, необхідно в першу чергу отримати метал з природної руди. Самородні елементи - це ті речовини, які знаходяться в природі у вільному стані. До них відноситься платина, золото, олово, ртуть. Їх відокремлюють від домішок механічно або за допомогою хімічних реагентів.

Решта метали добувають шляхом обробки їх сполук. Вони містяться в різних копалин. Руда - це мінерали та гірські породи, до складу яких входять з`єднання металів у вигляді оксидів, карбонатів або сульфідів. Для їх отримання використовують хімічну обробку.

Методи отримання металів:

• відновлення оксидів углем-

• отримання олова з олов`яного каменю-

• виплавка чавуну з залізної руди-

• обпалення сірчистих сполук в спеціальних печах.

Для полегшення добування металів з рудних порід до них додають різні речовини, які називаються флюсами. Вони допомагають видаляти небажані домішки, такі як глина, вапняк, пісок. В результаті цього процесу виходять легкоплавкі сполуки, звані шлаками.

При наявності значної кількості домішок руду перед виплавкою металу збагачують шляхом видалення великої частини непотрібних компонентів. Найбільш широко застосовувані способи даної обробки - флотація, магнітний та гравітаційний спосіб.

Лужні метали

Масове отримання лужних металів - більш складний процес. Це обумовлено тим, що вони зустрічаються в природі тільки у вигляді хімічних сполук. Оскільки вони є відновниками, їх отримання супроводжується високими енергетичними затратами. Існує кілька способів добування лужних металів:

• Літій можна отримати з його оксиду в вакуумі або шляхом електролізу розплаву його хлориду, що утворюється при переробці сподумена.

• Натрій добувають шляхом прожарювання соди з вугіллям у щільно закритих тиглях або електролізом розплаву хлориду з додаванням кальцію. Перший спосіб найбільш трудомісткий.

• Калій отримують електролізом розплаву його солей або, пропускаючи пари натрію через його хлорид. Також він утворюється при взаємодії розплавленого гідроксиду калію і рідкого натрію при температурі 440 ° С.

• Цезій і рубідій добувають за допомогою відновлення їх хлоридів кальцієм при 700-800 ° С або цирконієм при 650 ° С. Отримання лужних металів таким способом є вкрай енергоємним і дорогим.

Відмінності між металами і сплавами

Принципово чіткої межі між металами і їх сплавами практично не існує, оскільки навіть самі чисті, прості речовини мають якусь частку домішок. Так в чому ж відмінність між ними? Практично всі метали, використовувані в промисловості і в інших галузях народного господарства, використовуються у вигляді сплавів, отриманих цілеспрямовано шляхом додавання до основного хімічному елементу інших компонентів.

Сплави

Техніка потребує різноманітних металевих матеріалах. При цьому чисті хімічні елементи практично не застосовуються, оскільки вони не володіють необхідними для людей властивостями. Для своїх потреб ми винайшли різні способи отримання сплавів. Під цим терміном мається на увазі макроскопически однорідний матеріал, який складається з 2 або декількох хімічних елементів. При цьому в сплаві переважають металеві компоненти. Ця речовина має свою структуру. У сплавах розрізняють такі складові:

• основа, що складається з одного або декількох металів-

• малі добавки модифікують і легуючих елементів-

• невидалені домішки (технологічні, природні, випадкові).

Саме сплави металів є основним конструкційним матеріалом. У техніці їх налічують понад 5000.

Види сплавів

Незважаючи на таке різноманіття сплавів, найбільше значення для людей грають ті, основу яких складає залізо і алюміній. Саме вони найчастіше зустрічаються в повсякденному житті. Види сплавів бувають різними. Причому їх поділяють за кількома критеріями. Так застосовуються різні способи виготовлення сплавів. За даним критерієм їх поділяють на:

• Литі, які отримані шляхом кристалізації розплаву змішаних компонентів.

• Порошкові, створені за допомогою пресування суміші порошків і наступного спікання при високій температурі. Причому найчастіше компонентами таких сплавів є не тільки прості хімічні елементи, але і їх різні сполуки, такі як карбіди титану або вольфраму в твердих сплавах. Їх додавання в тих чи інших кількостях змінює властивості металевих матеріалів.

Способи отримання сплавів у вигляді готового виробу або заготовки поділяють на:

• ливарні (силумін, чавун) -

• деформуються (сталі) -

• порошкові (титан, вольфрам).

Типи сплавів

Способи отримання металів бувають різними, при цьому і виготовлені завдяки їм матеріали володіють різними властивостями. У твердому агрегатному стані сплави бувають:

• гомогенний (однорідними), що складаються з кристалів одного типу. Їх часто називають однофазними.

• гетерогенності (неоднорідності), іменовані багатофазними. При їх отриманні в якості основи сплаву береться твердий розчин (матрична фаза). Склад гетерогенних речовин такого типу залежить від складу його хімічних елементів. У таких сплавах можуть бути наступні компоненти: тверді розчини впровадження і заміщення, хімічні сполуки (карбіди, інтерметалліді, нітриди), кристаліти простих речовин.

Властивості сплавів

Незалежно від того, які способи отримання металів і сплавів використовуються, їх властивості повністю визначаються кристалічною структурою фаз та мікроструктурою цих матеріалів. У кожного з них вони різні. Макроскопічні властивості сплавів залежать від їх мікроструктури. Вони в будь-яких випадках відрізняються від характеристик їх фаз, що залежать виключно від кристалічної структури матеріалу. Макроскопічна однорідність гетерогенних (багатофазних) сплавів виходить в результаті рівномірного розподілу фаз в матриці металу.

Найважливішою властивістю сплавів вважається свариваемость. В іншому вони ідентичні металам. Так, сплави мають тепло- і електропровідністю, пластичністю і відбивною здатністю (блиском).

Різновиди сплавів

Різні способи отримання сплавів дозволили людині винайти велика кількість металевих матеріалів, що володіють різними властивостями і характеристиками. За своїм призначенням вони діляться на такі групи:

• Конструкційні (сталь, дюралюміній, чавун). До даної групи належать і сплави зі спеціальними властивостями. Так вони відрізняються Іскробезпека або антифрикційними властивостями. До них відносяться латуні і бронзи.

• Для заливки підшипників (бабіт).

• Для електронагрівальної та вимірювальної апаратури (ніхром, манганин).

• Для виробництва ріжучих інструментів (переможе).

У виробництві люди використовують і інші види металевих матеріалів, таких як легкоплавкі, жароміцні, корозійностійкі і аморфні сплави. Також широке застосування знаходять магніти і термоелектрики (телуриду і селеніди вісмуту, свинцю, сурми та інші).

Залізні сплави

Практично всі виплавляють на Землі залізо направляється на виробництво простих і легованих сталей. Також воно використовується у виробництві чавуну. Сплави заліза отримали свою популярність завдяки тому, що мають корисними для людини властивостями. Вони були отримані в результаті додавання до простого хімічному елементу різних компонентів. Так, незважаючи на те, що різні сплави заліза виготовляються на основі однієї речовини, стали і чавуни мають різні властивості. Завдяки цьому вони знаходять різні сфери застосування. Більшість сталей твердіше чавуну. Різні методи отримання цих металів дозволяють отримувати різні сорти (марки) цих сплавів заліза.

Поліпшення властивостей сплавів

Завдяки сплавлению деяких металів та інших хімічних елементів можна отримати матеріали з поліпшеними характеристиками. Так, наприклад, межа плинності чистого алюмінію складає 35 МПа. При отриманні сплаву цього металу з міддю (1,6%), цинком (5,6%), магнієм (2,5%) цей показник перевищує 500 МПа.

Завдяки з`єднанню в різних співвідношеннях різних хімічних речовин можна отримати металеві матеріали з поліпшеними магнітними, термічними або електричними властивостями. Головну роль у цьому процесі відіграє структура сплаву, що представляє собою розподіл його кристалів і тип зв`язків між атомами.

Сталі й чавуни

Ці сплави виходять шляхом з`єднання заліза і вуглецю (2%). При виробництві легованих матеріалів до них додаються нікель, хром, ванадій. Всі звичайні стали поділяють на види:

• малоуглеродистая (0,25% вуглецю) використовується для виготовлення різних конструкцій-

• високовуглецева (більше 0,55%) призначена для виробництва ріжучих інструментів.

Різні марки легованих сталей застосовуються в машинобудуванні та іншої продукції.

Сплав заліза з вуглецем, процентний вміст якого становить 2-4%, називається чавуном. До складу цього матеріалу входить і кремній. З чавуну відливають різні вироби, що володіють хорошими механічними властивостями.

Кольорові метали

Крім заліза, для виготовлення різних металевих матеріалів використовуються й інші хімічні елементи. В результаті їх з`єднання отримують кольорові метали. У житті людей найбільше застосування знайшли матеріали на основі:

• Меди, звані латунями. Вони містять 5-45% цинку. Якщо його вміст становить 5-20%, то латунь називається червоною, а якщо 20-36% - жовтою. Існують сплави міді з кремнієм, оловом, берилієм, алюмінієм. Вони називаються бронзами. Є кілька видів таких сплавів.

• Свинцю, що представляють собою звичайний припій (третнік). У цьому сплаві на 1 частина даного хімічної речовини припадає 2 частини олова. При виробництві підшипників застосовується баббит, який являє собою сплав свинцю, олова, миш`яку і сурми.

• Алюмінію, титану, магнію та берилію, що представляють собою легкі кольорові метали, що володіють високою міцністю і відмінними механічними властивостями.

Способи отримання

Основні способи отримання металів і сплавів:

• Ливарний, при якому відбувається затвердіння однорідної суміші різних розплавлених компонентів. Для отримання сплавів використовують пірометалургійних і електрометалургійний методи отримання металів. При першому варіанті для розігріву сировини використовують теплову енергію, отриману в процесі згоряння палива. Пірометаллургічним методом отримують сталі в мартенівських печах і чавуни в домнах. При електрометалургійному способі сировину нагрівають в індукційних або дугових електричних печах. При цьому сировину расславляется дуже швидко.

• Порошковий, при якому для виготовлення сплаву використовуються порошки його компонентів. Завдяки пресуванню їм надають певну форму, а потім спікають в спеціальних печах.