Література

1. Р. Рипан, И. Четяну., Химия металлов, Мир – Москва, 1971.

2. Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. Учебник для вузов. Высшая школа, 1981 – 680с.

3. Глинка Н. Л. Общая химия. Учебное пособие для вузов. – Л., Химия, 198

4. Хомченко И. Г. Общая химия. – 1987

Лекція 7 Тема: Знаходження металів в природі. Способи отримання металів і застосування металів в суднобудуванні.

Мета лекції: Дати поняття про знаходження металів в природі, способи отримання металів і застосування металів в суднобудуванні.

Матеріал лекції сприяє формуванню наступних компетенцій: загально-наукові компетентності КЗН-4 (Базові знання фундаментальних наук в обсязі, необхідному для освоєння загально-професійних дисциплін); Інструментальні компетентності КІ-5 (Усне і письмове спілкування рідною мовою); Системні компетентності (застосувати свої знання на практиці) КС-1

В процесі вивчення теми: «Знаходження металів в природі. Способи отримання металів і застосування металів в суднобудуванні» курсант повинен отримати:

Знання про:

• знаходження металів в природі;

• способи отримання металів;

• застосування металів в суднобудуванні.

План лекції:

1. Знаходження металів в природі.

2. Промисловий спосіб отримання металів.

3. Застосування металів і сплавів в суднобудуванні.

В вільному стані в природі метали практично не зустрічаються. Це тільки золото, ртуть. В основному метали зустрічаються в вигляді руд і солей.

Так: залізо зустрічається в вигляді руд.

FeOnH₂O – бурий залізняк;

Fe₂O₃ – червоний залізняк;

Fe₃O₄ – магнітний залізняк.

В вигляді солей:

СаСО₃ – кальцій карбонат;

MgCO₃ – магнезіт;

MgCO₃^. СаСО₃ – доломіт

Са₃(РО₄)₂ – фосфорит;

Са₃(РО₄)₂СаF₂ – апотіт;

СаSO₄ 2Н₂О – гіпс;

Na₂SO₄ 10Н₂О – глауберова соль.

NaCl – натрій хлорид;

КCl – калій хлорид;

NaCl КCl – сильвініт;

KNO₃ – індійська селітра;

NaNO₃ – чилійська селітра;

СuS – мідна обманка;

ZnS – цинкова обманка;

Способи отримання металів

Величезна більшість металів знаходиться в природі у вигляді з'єднань з іншими елементами.

Тільки небагато металів зустрічаються у вільному стані, і тоді вони називаються саморідними. Золото і платина зустрічаються майже виключно в саморідному вигляді, срібло і мідь - частково в саморідному вигляді; іноді попадаються також саморідні ртуть, олово і деякі інші метали.

Добування золота і платини проводиться або за допомогою механічного відділення їх від тієї породи, в якій вони укладені, наприклад промивкою води, або шляхом витягання їх з породи різними реагентами з подальшим виділенням металу з розчину. Вся решта металів здобувається хімічною переробкою їх природних з'єднань.

Мінерали і гірські породи, з'єднання металів, що містять, і придатні для отримання цих металів заводським шляхом, носять назву руд. Головними рудами є оксиди, сульфіди і карбонати металів.

Найважливіший спосіб отримання металів з руд заснований на відновленні їх оксидів вугіллям.

Якщо, наприклад, змішати червону мідну руду (куприт) Cu₂O з вугіллям і піддати сильному розжарюванню, то вугілля, відновлюючи мідь, перетвориться на оксид вуглецю(II), а мідь виділиться в розплавленому стані:

Cu₂O + С = 2Cu + CO

Подібним же чином проводиться виплавка чавуну їх залізняку, отримання олова з олов'яного каменя SnO₂ і відновлення інших металів з оксидів.

При переробці сірчистих руд спочатку переводять сірчисті з'єднання в кисневі шляхом обпалення в особливих печах, а потім вже відновлюють отримані оксиди вугіллям. Наприклад:

2ZnS + 3O₂ = 2ZnO + 2SO₂

ZnO + С = Zn + CO

В тих випадках, коли руда є сіллю вугільної кислоти, її можна безпосередньо відновлювати вугіллям, як і оксиди, оскільки при нагріванні карбонати розпадаються на оксид металу і двоокис вуглецю. Наприклад:

ZnCO₃ = ZnO + CO₂

Звичайно руді, окрім хімічного з'єднання даного металу, містять ще багато домішок у вигляді піску, глини, вапняку, які дуже важко плавляться. Щоб полегшити виплавку металу, до руди домішують різні речовини, створюючі з домішками легкоплавкі з'єднання - шлаки. Такі речовини називаються флюсами. Якщо домішка складається з вапняку, то як флюс вживають пісок, створюючий з вапняком силікат кальцію. Навпаки, у разі великої кількості піску флюсом служить вапняк.

В багатьох рудах кількість домішок (порожньої породи) така велика, що безпосередня виплавка металів з цих руд є економічно невигідною. Такі руди заздалегідь «збагатять», тобто видаляють з них частину домішок. Особливо широким розповсюдженням користується флотаційний спосіб збагачення руд (флотація), заснований на різній змочуваності чистої руди і порожньої породи.

Техніка флотаційного способу дуже проста і в основному зводиться до наступного. Руду, що полягає, наприклад, з сірчистого металу і силікатної порожньої породи, тонко подрібнюють і заливають у великих чанах водою. До води додають яку-небудь малополярну органічну речовину, сприяючу утворенню стійкої піни при збовтуванні води, і невелика кількість спеціального реагенту, так званого «колектора», який добре адсорбується поверхнею мінералу, що флотує, і робить її нездатною змочуватися водою. Після цього через суміш знизу пропускають сильний струмінь повітря, перемішуючу руду з водою і доданими речовинами, причому пухирці повітря оточуються тонкими масляними плівками і утворюють піну. В процесі перемішування частинки мінералу, що флотує, покриваються шаром адсорбованих молекул колектора, прилипають до пухирців повітря, що продувається, підіймаються разом з ними догори і залишаються в піні; частинки ж порожньої породи, що змочуються водою, осідають на дно. Піну збирають і віджимають, одержуючи руду із значно великим змістом металу.

Для відновлення деяких металів з їх оксидів застосовують замість вугілля водень, кремній, алюміній, магній і інші елементи.

Процес відновлення металу з його оксиду за допомогою іншого металу називається металотермією. Якщо, зокрема, як відновник застосовується алюміній, то процес носить назву алюмінотермії.

Дуже важливим способом отримання металів є також електроліз. Деякі найактивніші метали виходять виключно шляхом електролізу, оскільки всі інші засоби виявляються недостатньо енергійними для відновлення їх іонів.

Під час електролізу розплавів електролітів на катоді завжди відновлюються катіони металу, а на аноді окислюються аніони.

Електроліз розплаву NaCl.

NaCl → Na⁺+Cl^-

K(-) Na⁺+1e → Na⁰

A(+)2Cl^- - 2 e → Cl₂⁰

2NaCl → 2Na + Cl₂

Електроліз розчину СuSO₄.

СuSO₄ → Cu²⁺ + SO₄^2-; H₂O= Н⁺ + OH^-

K(-) Cu²⁺+2e → Cu⁰

A(+)2Н₂О - 4е → О₂⁰↑ + 4Н⁺

2CuSO₄ + 2H₂O → 2Cu + О₂↑ + 4Н₂SO₄

Метали в суднобудуванні.

В судостроении применяются черные металлы, в первую очередь углеродистые стали, обладающие пластичностью, хорошо свариваемые и противостоящие коррозии от воздействия соленой воды.

Стали. Применяют углеродистые судостроительные стали марок ВМСт. Зсп и С. Индексы означают: В — группа стали, которая характеризуется различными механическими свойствами и химическим составом; М — сталь изготовляется в мартеновских печах; сп — спокойная плавка; С — судостроительная сталь. Предел текучести этих сталей б^T = 240 кГ/мм². Углеродистые стали отличаются малым содержанием углерода (0,14—0,22%), а также вредных примесей серы и фосфора (не более 0,05%). Известно, что сера придает металлу красноломкость, а фосфор — хладоломкость. 

Применяются низколегированные судостроительные стали марок 09Г2, 09Г2С, 10Г2С1Д и 10ХСНД с более высокими пределами текучести б^T = 300—400 кГ/мм² с низким содержанием углерода (не более 0,12%) и добавками марганца, кремния, хрома, меди и никеля. 

Стали поставляются металлургической промышленностью в виде листового проката толщиной от 4 до 32 мм и профильного проката. Длина поставляемых листов до 8000 мм, ширина—до 2500 мм.

В судостроении ковкой преимущественно изготовляют мелкие детали (штыри, леерные стойки, коуши и т. п.). Судовые поковки изготовляют из-углеродистой или легированной стали. К сталям с особыми физическими или физико-механическими свойствами относятся:

1) нержавеющая сталь, обладающая высокой сопротивляемостью коррозии. В ее составе характерно содержание не менее 12% хрома, способствующего образованию на поверхности стойкой окисной пленки, предохраняющей сталь от окисления. Эта сталь хорошо сваривается и позволяет получать прочные, устойчивые к коррозии детали. Нержавеющая сталь в морском судостроении используется как заменитель цветных металлов и сплавов для изготовления облицовки гребных валов, лопаток турбин и т. п.;

2) немагнитная сталь обладает слабой магнитной проницаемостью. Это достигается высоким ее легированием, при котором в состав стали вводятся никель и марганец. При добавлении в эту сталь свыше 13% хрома она приобретает дополнительные свойства стойкости против коррозии и кислотостойкости. Немагнитная сталь в судостроении применяется для изготовления корпусов и элементов навигационных приборов, оборудования и т. п.;

3) плакированная сталь— конструкционная углеродистая или низколегированная сталь, покрытая тонким слоем нержавеющей стали. Такая сталь, обладая высокой прочностью основного материала, является коррозионностойкой и вместе с тем позволяет экономить дорогой и дефицитный никель;

4) жароупорная сталь, легированная хромом, кремнием и алюминием, не окисляется и, благодаря введению молибдена, вольфрама, ванадия и прочих примесей, обладает высоким сопротивлением механическим нагрузкам во время работы при высоких температурах;

5) износоустойчивая сталь содержит 1,0—1,3% углерода и 11,0—14,0% марганца, применяется для изготовления способом фасонного литья деталей, работающих на износ под давлением, таких, например, как детали землечерпательных ковшей, драг и т. п.

Чугуны. В судостроении широко используется серый чугун благодаря его хорошим литейным качествам и относительной легкости механической обработки. Чугунные отливки дешевле стальных и применяются для изготовления гребных винтов, кнехтов, деталей судовых устройств, дельных вещей и т. д.

Широкое применение в судостроении получили и модифицированные чугуны, в состав которых вводятся примеси-модификаторы (силикокальций, ферросилиций, силикоалюминий и т. д.), повышающие механические свойства отливок. Из этого чугуна изготовляют рамки иллюминаторов, гребные винты, цилиндрические втулки и прочее.

Ковкий чугун, являющийся разновидностью серого чугуна, получается путем длительной термической обработки (отжига), отливок из хрупкого белого чугуна. Благодаря такой обработке чугун получает некоторую пластичность — ударостойкость и меньшую хрупкость при механическом воздействии. Детали из ковкого чугуна широко применяют в судовых системах.

В судостроении применяются следующие цветные металлы.  Алюминий и его сплавы получили широкое применение благодаря малому удельному весу (26—28 г/см³), относительной прочности (бв до 470 кг/мм²), а также немагнитности и легкости обработки и т. п.

Введение в алюминиевые сплавы магния, марганца, кремния, меди, железа и других компонентов (от 1,5 до 20%) изменяет их механические и технологические свойства.

Дюралюминий — алюминиево-медный сплав, термически обработанный, превосходит по прочности даже некоторые стали, но из-за низкой коррозионной стойкости он находит ограниченное применение в судостроении.

Присадки кремния, магния, меди и цинка улучшают некоторые качества алюминия, например литейные, прочность, твердость, но одновременно и ухудшают его пластичность, коррозионную стойкость и т. д.  Медь и ее сплавы. Медь в судостроении применяется почти исключительно для изготовления трубопроводов в специальных системах, в электротехнике или как декоративный поделочный материал.

Бронза представляет собой сплав меди и олова, марганца, железа и других элементов. Кроме оловянистых бронз, применяют и безоловянистые, представляющие собой сплавы меди с алюминием и другими металлами без добавления олова, которое является дефицитным и дорогим металлом. Бронзы отличаются высокой антикоррозионной стойкостью и применяются преимущественно для изготовления ответственных отливок, работающих на трение в морской воде. Из бронзы изготовляют арматуру, детали судовых устройств, втулки, муфты и т. д.

Латунь — сплав меди с цинком. Цинк повышает прочность и пластичность сплава. Содержание в латуни около 30% цинка делает ее максимально пластичной, а около 45%—максимально прочной.

Латунь хорошо прокатывается и куется. Из нее изготовляют поделочные листы и прутки, трубы, прессованные детали сложной конфигурации и прочие детали, получаемые литьем, прокатом, ковкой, штамповкой и прессованием и предназначенные для работы в воде, влажном воздухе и других агрессивных средах.

Антифрикционные сплавы изготовляют на основе олова, свинца и алюминия. Эти сплавы применяют в судостроении для заливки подшипников скольжения, которые характеризуются малым коэффициентом трения, высокой пластичностью, минимальным износом и нагревом.

Титан и его сплавы являются новейшими прогрессивными конструкционными материалами. Они характеризуются высокой прочностью, пластичностью, малым удельным весом (45 г/см³), высокой температурой плавления и большой антикоррозионной стойкостью.  Легирующие добавки к титану — алюминий, хром, марганец, ванадий, железо, молибден и олово — значительно повышают прочность сплава. 

Титановые сплавы хорошо свариваются электросваркой в атмосфере аргона или гелия. Титановые сплавы куются, штампуются и прокатываются, что позволяет изготовлять из них и профильные материалы. 

Титан и его сплавы пока относительно дорогие материалы, но по мере совершенствования технологии их производства стоимость их быстро снижается, и эти материалы все шире применяют в судостроении для изготовления особенно ответственных деталей корпуса и его элементов.