47. Металлы и сплавы в технике

В периодической системе из 110 известных элементов 88 – металлы. В XX веке при помощи ядерных реакций были получены радиоактивные металлы, которых не существует в природе. В современной металлургии получают более 60 металлов, на основе которых – 5000 сплавов.

Основой структуры металлов является металлическая связь (кристаллическая решетка из положительных ионов, погруженная в плотный газ подвижных электронов). Она обуславливает физические свойства металлов: пластичность, электропроводность, теплопроводность, металлический блеск.

Пластичность – способность металлов изменять форму, уменьшается в ряду Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn. Fe.

Высокая электропроводность металлов связана с наличием свободных электронов, которые под влиянием даже небольшой разности потенциалов перемещаются от отрицательного полюса к положительному. Лучший проводник электричества – серебро, за ним идут медь, золото, алюминий, железо.

Самый легкий металл – литий (плотность 0,53 г/см3), самый тяжелый – осмий (22,6 г/см3).

Легкие металлы – металлы с плотностью меньше 5 г/см3.

Тяжелые металлы – металлы с плотностью больше 5 г/см3.

Сильно разнятся температуры плавления металлов. Металлы различаются по твердости. Прочность металлической связи влияет на прочность, температуру плавления и твердость металлов.

Сплавы – системы, в состав которых входят два или более металлов, реже могут входить неметаллы (углерод, кремний, бор). Все сплавы на основе железа (чугун, сталь), в том числе и само железо называют черными металлами. Все остальные – цветные металлы (дуралюмин, латунь).

Компоненты, входящие в состав сплава:

1) механическая смесь (между простыми веществами без взаимодействия);

2) химические соединения (вещества в сплаве, вступающие во взаимодействие);

3) твердые растворы (вещества взаиморастворяющиеся);

4) промежуточные соединения.

В расплавленном состоянии большая часть металлов при растворении друг в друге образуют однородный жидкий сплав. Но, кристаллизуясь, ведут себя по-разному. В твердом состоянии металлы не растворяются и не взаимодействуют друг с другом. Сплав представлен механической смесью из кристаллитов компонентов. Металлы сплавляемые вступают в реакцию друг с другом, образуя новое химическое соединение. Твердый раствор – образование однородных кристаллов в результате сохранения растворимости металлов друг в друге. Сталь – сплав железа и углерода, имеющий примеси марганца, кремния, серы и фосфора.

48. Основные способы получения металлов

Большое количество металлов находится в природе в виде соединений. Самородными металлами называются те, которые встречаются в свободном состоянии (золото, платина, ртуть, олово). Золото добывают либо отделяя механически от примесей, либо извлекая из породы при помощи реагентов. Остальные металлы получают с помощью химической обработки их соединений. Руды – горные породы и минералы, имеющие в составе соединения металлов, пригодные для получения их промышленным способом (оксиды, сульфиды и карбонаты металлов).

Способы получения металлов:

1) одним из главных способов получения металлов из руд основан на восстановлении их оксидов углем: Cu2O + C = 2Cu + CO?;

2) производят выплавку чугуна из железных руд, получение олова из оловянного камня SnO2 и восстановление других металлов из оксидов;

3) для получения металлов из сернистых руд, последние вначале переводят в сернистые соединения с помощью обжигания в специальных печах:

Руду, представляющую собой соль угольной кислоты, можно сразу восстанавливать при помощи угля: ZnCO3 = ZnO + CO2?.

Руды содержат в себе немало примесей (песок, известняк, глина). Для облегчения выплавки металла смеси устраняют, добавляя разнообразные вещества (флюсы), образующие с ними легкоплавкие соединения – шлаки. В тех случаях, когда примесей в руде много, ее обогащают путем удаления части примесей. Самый распространенный способ обогащения – флотация. Пример: руду, состоящую из сернистого металла и пустой породы, измельчают, заливают водой, прибавляя малополярное органическое вещество (для образования пены) и небольшое количество реагента «коллектора», который адсорбируется поверхностью минерала. Через смесь снизу пропускают струю воздуха. В результате частицы минерала со слоем молекул «коллектора» прилипают к пузырькам воздуха, а частицы пустой породы, смоченные водой, опускаются на дно. Затем пену собирают, отжимают и получают руду с большим содержанием металла. Существует также гравитационное обогащение, основанное на различии плотности и разнице падения частиц металлов и воды. Магнитный способ – разделение металлов по магнитным свойствам.

4) Металл можно получить путем электролиза. С его помощью получают одни из наиболее активных металлов.

5) Промышленные способы получения металлов: пирометаллургический, электрохимический, гидрометаллургический.