Важнейшие сплавы металлов: свойства и применение

КОНСПЕКТ

Природные соединения металлов

Металлы могут встречаться в природе или в виде простого вещества или в виде сложного вещества.

Металлы в природе встречаются в трёх формах:

1. Активные – в виде солей (сульфаты, нитраты, хлориды, карбонаты)

2. Средней активности – в виде оксидов, сульфидов (Fe₃O₄, FeS₂)

3. Благородные – в свободном виде (Au, Pt, Ag)

 

Чаще всего металлы в природе встречаются в виде солей неорганических кислот или оксидов:

• хлоридов – сильвинит КСl • NaCl, каменная соль NaCl;
• нитратов – чилийская селитра NaNO₃;
• сульфатов – глауберова соль Na₂SO₄ · 10 H₂O, гипс CaSO₄ • 2Н₂О;
• карбонатов – мел, мрамор, известняк СаСО₃, магнезит MgCO₃, доломит CaCO₃ • MgCO₃;
• сульфидов – серный колчедан FeS₂, киноварь HgS, цинковая обманка ZnS;
• фосфатов – фосфориты, апатиты Ca ₃(PO₄)₂;
• оксидов – магнитный железняк Fe₃O₄, красный железняк Fe₂O₃, бурый железняк Fe₂O₃ • Н₂О.

 

Ещё в середине II тысячелетия до н. э. в Египте было освоено получение железа из железных руд. Это положило начало железному веку в истории человечества, который пришёл на смену каменному и бронзовому векам. На территории нашей страны начало железного века относят к рубежу II и I тысячелетий до н. э.

Минералы и горные породы, содержащие металлы и их соединения и пригодные для промышленного получения металлов, называются рудами.

Отрасль промышленности, которая занимается получением металлов из руд, называется металлургией. Так же называется и наука о промышленных способах получения металлов из руд.

Металлургия – это наука о промышленных способах получения металлов.

Получение металлов:

Большинство металлов встречаются в природе в составе соединений, в которых металлы находятся в положительной степени окисления, значит для того, чтобы их получить, в виде простого вещества, необходимо провести процесс восстановления.

Ме⁺ⁿ + ne^- → Me⁰

I. Пирометаллургический способ

Это восстановление металлов из их руд при высоких температурах с помощью восстановителей неметаллических - кокс, оксид углерода (II), водород; металлических - алюминий, магний, кальций и другие металлы.

1. Получение меди из оксида с помощью водорода – Водородотермия:

Cu ⁺²O + H₂ = Cu⁰ + H₂O

 

2. Получение железа из оксида с помощью алюминия – Алюмотермия:

Fe⁺³₂O₃ +2Al = 2Fe⁰ + Al₂O₃

Для получения железа в промышленности железную руду подвергают магнитному обогащению:

3Fe₂ O₃ + H₂ = 2Fe₃ O₄ + H₂O или 3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂, а затем в вертикальной печи проходит процесс восстановления:

Fe₃O₄ + 4H₂ = 3Fe + 4H₂O

Fe₃O₄ + 4CO = 3Fe + 4CO₂

 

II. Гидрометаллургический способ

Способ основан на растворении природного соединения с целью получения раствора соли этого металла и вытеснением данного металла более активным.

Например, руда содержит оксид меди и ее растворяют в серной кислоте:

1 стадия – CuO + H₂SO₄ = CuSO₄ + H₂O,

2 стадия – проводят реакцию замещения более активным металлом

CuSO₄ + Fe = FeSO₄ + Cu.

III. Электрометаллургический способ

Это способы получения металлов с помощью электрического тока (электролиза).Этим методом получают алюминий, щелочные металлы, щелочноземельные металлы.

При этом подвергают электролизу расплавы оксидов, гидроксидов или хлоридов:

2NaCl ^эл.ток→ 2Na + Cl₂

2Al₂O₃ ^эл.ток→ 4Al + 3O₂

 

IV. Термическое разложение соединений

Например, получение железа:

Железо взаимодействует с оксидом углерода (II) при повышенном давлении и температуре 100-200⁰, образуя пентакарбонил:

Fe + 5CO = Fe (CO)₅

Пентакарбонил железа-жидкость, которую можно легко отделить от примесей перегонкой. При температуре около 250⁰ карбонил разлагается, образуя порошок железа:

Fe (CO)₅ = Fe + 5CO↑

Если полученный порошок подвергнуть спеканию в вакууме или в атмосфере водорода, то получится металл, содержащий 99,98– 99,999% железа.

 

Реакции, лежащие в основе получения металлов

1. Восстановление металлов из оксидов углем или угарным газом MxOy + C = CO2 + Me или MxOy + CO = CO2 + Me

2. Обжиг сульфидов с последующим восстановлением 1 стадия – MxSy+O2=MxOy+SO2 2 стадия - MxOy + C = CO2 + Me или MxOy + CO = CO2 + Me

3. Алюминотермия (восстановление более активным металлом) MxOy + Al = Al2O3 + Me

4. Водородотермия MxOy + H2 = H2O + Me

 

Таким образом, мы познакомились с природными соединениями металлов и способами выделения из них металла, как простого вещества.

Проблема безотходных производств в металлургии

и охрана окружающей среды:

 

Безотходная технология - технология, подразумевающая наиболее рациональное использование природных ресурсов и энергии в производстве, обеспечивающее защиту окружающей среды.

Безотходная технология - принцип организации производства вообще, подразумевающий использование сырья и энергии в замкнутом цикле. Замкнутый цикл означает цепочку первичное сырьё - производство - потребление - вторичное сырьё.

Как известно, при обжиге руд цветных металлов образуются газы, содержащие оксид серы (IV) – SO₂. Этот газ засоряет окружающую среду, но его можно улавливать и использовать для производства серной кислоты. В результате можно не только предотвратить загрязнение окружающей среды, но и получить дополнительную прибыль. Так, например, при получении 1 т меди можно получить примерно 10 т серной кислоты.

Важнейшие сплавы металлов: свойства и применение

Название	Состав	Свойства	Применение
Алюминиевые сплавы	Al, Mg, Si, Cu, Zn, Mn, Li, Be	Легкость, высокая электро- и теплопроводность, коррозионная стойкость, высокая удельная прочность	Конструкционные материалы в авиации, строительстве, машиностроении и др.; электротехнические устройства и материалы
Амальгама	Hg и другие металлы	В зависимости от соотношения ртути и др. металла может быть (при комнатной температуре) жидкой, полужидкой или твёрдой	Золочение металлических изделий, производство зеркал, стоматология, реактив-восстановитель в химии и металлургии
Вольфрамовые сплавы	Mo, Re, Cu, Ni, Ag, оксиды (ThO2), карбиды (TaC) и др.	Пластичность, жаропрочность и высокая термо-эдс	Детали электровакуумных приборов, высокотемпературных термопар, детали двигателей ракет и самолётов
Железоуглеродистые сплавы (чугун, сталь, ферросплавы)	Fe, C, Р, S, Mn, Si, N, Cr, Ni, Mo, W, V, Ti, Со, Cu и др.	Механическая прочность, твердость, упругость, коррозионная устойчивость, вязкость и др.	Конструкционные материалы для всех областей техники, технологии, хозяйства, машины, инструмент
Золотые сплавы	Au, Ag, Cu, Pt, Pd, Sb, Bi, Pb, Hg	Сплав с Ag при 20—40% Ag зеленовато-жёлтый, при 50% Ag — бледно-жёлтый; мягкий и ковкий; сплавы Au с Cu красновато-жёлтые; более твердые и упругие, чем чистое золото	Золочение металлических изделий, изготовление монет, ювелирных изделий, зубных протезов, электрических контактов
Легкоплавкие сплавы	Sn, Bi, In, Pb, Cd, Zn, Sb, Ga, Hg и др.	Низкие температуры плавления (не выше 232 °С); при содержании Bi более 55% расширяются при затвердевании	Изготовление припоев, плавких предохранителей в электроаппаратуре, прессформ и моделей для изготовления отливок сложной формы из металлов и пластмасс, металлические замазки
Магниевые сплавы	Mg, Al, Zn, Mn, Zr, Th, Li, La, Nd, Y, Ag, Cd, Be	Лёгкость, прочность, коррозионная стойкость	Высоконагруженные детали из прессованных полуфабрикатов, штамповок и поковок в автомобилестроении, панели, штамповки сложной формы, сварные конструкции
Медные сплавы	Cu, Zn, Sn, Al, Ni, Be, P	Прочность, высокая электропроводность, коррозионная стойкость, пластичность	Трубы, теплотехническая аппаратура, подшипники, шестерни, втулки, пружины, детали приборов точной механики, термопары, фасонные детали, декоративно-прикладные изделия и скульптура
Никелевые сплавы	Cu, Co, Fe,	Ферромагнетизм, высокая пластичность и коррозионная стойкость, отсутствие аллотропических превращений, химическая стойкость	Конструкционные материалы с высокой стойкостью к агрессивным средам, ферромагнитные изделия, магнитострикционные материалы
Оловянные сплавы	Sn, Pb, Sb, Cu, Zn, Cd и др.	низкая температура плавления, мягкость, коррозионная стойкость; антифрикционные свойства	Легкоплавкие сплавы (припой, полуда) и подшипниковые материалы (баббит)
Платиновые сплавы	Pt, Rh, Ir, Pd, Ru, Ni, Co, Cu, W, Мо	Высокая температура плавления, коррозионная стойкость, механическая прочность, каталитические свойства	изготовление термопар электрических контактов, потенциометров, постоянных магнитов, высокотемпературных припоев, катализаторы, лабораторная посуда
Свинцовые сплавы	Pb, Fe, Cu, Sb, Sn, Cd, Са, Ca, Mg, Li, К, Na	Прочность, твёрдость, антифрикционные, свойства, низкая температура плавления свинца, коррозионная стойкость, хорошая адгезия со многими металлами и сплавами	Изготовление или облицовка кислотоупорной аппаратуры и трубопроводов, изготовление оболочек низковольтных и силовых кабелей, припои и полуды, подшипники, типографские сплавы, грузы, балласты, отливка дроби, сердечников пуль, изготовление решёток для свинцовых аккумуляторов
Твёрдые сплавы	WC, TiC, TaC; связующие металлы: Co, Ni, Mo, сталь	Высокая твердость, тугоплавкость, износоустойчивость, коррозионная стойкость	Цельнотвердосплавные изделия (инструмент) для обработки металлов, сплавов и неметаллических материалов, для оснащения рабочих частей буровых инструментов и как конструкционные материалы
Типографские сплавы (гарт)	Pb, Sb, Sn и др.	низкая температура плавления (240—350 °С), хорошие литейные свойства	изготовления литых стереотипов (полиграфическая промышленность) и элементов набора (шрифты др.).
Титановые сплавы	Al, V, Mo, Mn, Sn, Zr, Cr, Cu, Fe, W, Ni, Si; Nb и Та	Лёгкость, высокая прочность в широком интервале температур от -250 °С до 300-600 °С, коррозионная стойкость	Конструкционные материалы в авиации, ракетостроении, химическая аппаратура
Цинковые сплавы	Zn, Al, Cu, Mg	Невысокая температура плавления, легкость обработки давлением и резанием, сварки и пайки, возможность нанесения покрытий электрохимическим и химическим способами, удовлетворительная коррозионная стойкость	Конструкционные и конструкционно-декоративные детали в автомобильной промышленности, электромашиностроении, оргтехнике, вкладыши подшипников,

 

 

ВЫПОЛНИТЕ ЗАДАНИЯ!

1. Могут ли металлы находиться в природе в свободном (или самородном) состоянии? Если могут, то, какие это металлы?

 2. Какие металлы входят в состав минералов?              

3. Какие бывают руды?

4. Какие процессы включает пирометаллургия? 

5. Какой основной химический процесс лежит в основе получения металлов?