Метали І сплави

Вид материала

Реферат

Содержание Хімічні властивості металів — це стійкість Фізичні властивості Хімічні властивості Метали в природі Сплави металів

Подобный материал:

• Методичні рекомендації > Додатки Література Анотація Матеріал методичної розробки являє, 198.46kb.
• Назва модуля: Кольорові метали І сплави, 85.76kb.
• І містять у собі чорні або кольорові метали чи їх сплави, а також вироби з металу,, 462.13kb.
• Довідник кодів товарів згідно, 1471.86kb.
• Cx-x еволюція структури та механічних властивостей квазікристалічних сплавів системи, 91.76kb.
• Метали здатні вступати у взаємодію з білками організму та утворювати з ними металічні, 170.75kb.
• Реферат на тему, 68.93kb.
• Реферат з хімії, 57.38kb.
• Урок 14 Тема: Практична робота «Розв’язування експериментальних задач з теми «Метали», 67.61kb.
• Розділ XV "Недорогоцінні метали та вироби з них" див, 3130.95kb.

Міністерство освіти і науки України

ІФНТУНГ


Кафедра зносостійкості

та відновлення деталей


Реферат

Тема: Метали і сплави
сучасної техніки


Виконав:

Студент групи ТВ-10-1

Галакай Тарас

Перевірив:

Професор

Криль Ярослав Антонович


Івано-Франківськ

2010р.

Зміст

1. Способи одержання металів
   
2. Метали
   
3. Будова
   
4. Властивості
   
5. Фізичні властивості
   
6. Хімічні властивості
   
7. Метали в припроді
   

Способи одержання металів


Величезна більшість металів знаходиться в природі у виді сполук з іншими елементами.
Тільки деякі метали зустрічаються у вільному стані, і тоді вони називаються самородними. Золото і платина зустрічаються майже винятково в самородному виді, срібло і мідь - почасти в самородному виді; іноді потрапляються також самородні ртуть, олово і деякі інші метали.
Добування золота і платини виконується за допомогою механічного відділення їх від тієї породи, у якій вони укладені, наприклад: промиванням води, чи шляхом витягу їх з породи різними реагентами з наступним виділенням металу з розчину. Всі інші метали добуваються хімічною переробкою їхніх природних сполук.
Мінерали і гірські породи, що містять сполуки металів і придатні для одержання цих металів заводським шляхом, звуться рудами. Головними рудами є оксиди, сульфіди і карбонати металів.
Найважливіший спосіб одержання металів з руд заснований на відновленні їхніх оксидів вугіллям.
Якщо, наприклад, змішати червону мідну руду (куприт) Cu2O з вугіллям і піддати сильному накалюванню, то вугілля, відновлюючи мідь, перетвориться в оксид вуглецю(II), а мідь виділиться в розплавленому стані:

Cu2O + C = 2Cu + CO

Подібним же чином виробляється виплавка чавуна їхніх залізних руд, одержання олова з олов'яного каменю Sn2 і відновлення інших металів з оксидів.
При переробці сірчистих руд спочатку переводять сірчисті сполуки в кисневі шляхом випалювання в особливих печах, а потім уже відновлюють отримані оксиди вугіллям.

Наприклад:

2Zn + 3O2 = 2Zn + 2SO2

Zn + C = Zn + CO

У тих випадках, коли руда являє собою сіль вугільної кислоти, її можна безпосередньо відновлювати вугіллям, як і оксиди, тому що при нагріванні карбонати розпадаються на оксид металу і двоокис вуглецю. Наприклад:

ZnCO3 = Zn + CO2

Звичайно руди, крім хімічної сполуки даного металу, містять ще багато домішок у виді піску, глини, вапняку, що дуже важко плавляться. Щоб полегшити виплавку металу, до руди домішують різні речовини, що утворять з домішками легкоплавкі сполуки - шлаки. Такі речовини називаються флюсами. Якщо домішка складається з вапняку, то як флюс уживають пісок, що утворить з вапняком силікат кальцію. Навпаки, у випадку великої кількості піску флюсом служить вапняк.
У багатьох рудах кількість домішок (порожньої породи) таке велике, що безпосередня виплавка металів з цих руд є економічно невигідною. Такі руди попередньо “збагачують”, тобто видаляють з них частину домішок. Особливо широким поширенням користається флотаціонний спосіб збагачення руд (флотація), заснований на різнії змочуваності чистої руди і порожньої породи.
Дуже важливим способом одержання металів є також електроліз. Деякі найбільш активні метали виходять винятково шляхом електролізу, тому що всі інші засоби виявляються недостатньо енергійними для відновлення їхніх іонів.


Метали

Це клас хімічних елементів з певними хімічними і ссылка скрыта: метали добре проводять ссылка скрыта і ссылка скрыта, непрозорі, але можуть відбивати ссылка скрыта; ковкі, що дозволяє надавати виробам з них потрібну форму і розкатувати в плоскі пластинки, пластичні, що дає можливість витягати тонкий дріт.

Металами є ссылка скрыта більшості ссылка скрыта (приблизно 80 %). Найпоширенішим хімічним елементом-металом, у земній корі є ссылка скрыта.

Широко використовуються такі типи металів:

• ссылка скрыта — ссылка скрыта, ссылка скрыта, ссылка скрыта. ( Чорні метали (ссылка скрыта non-ferrous metals) – метали й сплави на основі ссылка скрыта, ссылка скрыта,ссылка скрыта. Отримання концентратів чорних металів з руд здійснюється гравітаційним, магнітним і флотаційним методами. Метали і сплави на основі чорних металів отримують в результаті наступної металургійної переробки концентратів. ссылка скрыта споживає майже увесь об’єм залізних руд, 90 – 95 % марганцевих і більшу частину хромових. Залізовуглецеві сплави – основа конструкційних матеріалів, що застосовуються у всіх галузях промисловості.)
  
• дорогоцінні метали: ссылка скрыта, ссылка скрыта і ссылка скрыта, використовуються переважно в ювелірній промисловості;
  
• важкі метали: ссылка скрыта, ссылка скрыта, ссылка скрыта і ссылка скрыта, застосовуються в машинобудуванні;
  
• рідкісні важкі метали:
  
• ссылка скрыта, ссылка скрыта, ссылка скрыта, ссылка скрыта, ссылка скрыта, ссылка скрыта, ссылка скрыта, ссылка скрыта, використовуються в сплавах з важкими металами;
  
• легкі метали: ссылка скрыта, ссылка скрыта і ссылка скрыта;
  
• лужні метали: ссылка скрыта, ссылка скрыта і ссылка скрыта
  
• лужноземельні метали: ссылка скрыта, ссылка скрыта і ссылка скрыта, застосовуються в хімії.
  

Будова


Всі метали мають кристалічну будову. Розташовані тим або іншим способом, ссылка скрыта утворюють ссылка скрыта просторовоїссылка скрыта. Тип ґратки залежить від хімічної природи і фазового стану металу.

У ссылка скрыта, ссылка скрыта, ссылка скрыта, ссылка скрыта і деяких інших металів ссылка скрыта є ссылка скрыта із атомами у вершинах і додатковим - у центрі (ссылка скрыта). При ссылка скрыта понад 910°С у кристалічній структурі заліза відбувається перебудова, число атомів у елементарній комірці збільшується до 14-ти. В результаті перебудови симетрія елементарної комірки змінюється - атоми розміщуються у вершинах куба й додатково в центрі кожної грані (ссылка скрыта). ссылка скрыта, ссылка скрыта, ссылка скрыта мають елементарну комірку в формі шестигранної ссылка скрыта.

Елементарні комірки кожного даного ссылка скрыта однаково орієнтовані в просторі, розташовуючись послідовно, вони мають загальні з сусідніми комірками атоми й утворюють разом просторову ґратку. Проте різні метали з ідентичною кристалічною ґраткою мають різні параметри, тобто відстані між сусідніми атомами.


Властивості


Область застосування металів визначається їх властивостями. Властивості металів поділяють на:

• механічні
  
• технологічні
  
• фізичні
  
• хімічні
  

До основних механічних властивостей відносяться ссылка скрыта, ссылка скрыта, ссылка скрыта і ссылка скрыта металу.

До технологічних властивостей відносяться ссылка скрыта і ссылка скрыта, ссылка скрыта, ссылка скрыта, ссылка скрыта.

До фізичних властивостей металів відносяться ссылка скрыта, ссылка скрыта, ссылка скрыта і ссылка скрыта, магнітні якості.

Хімічні властивості металів — це стійкість проти ссылка скрыта, ссылка скрыта.

Фізичні властивості

Усі метали (за винятком ссылка скрыта) при звичайних умовах є ссылка скрыта. Їхні атоми розташовані в певному геометричному порядку і утворюють просторову ссылка скрыта. У вузлах кристалічної ґратки істяться ссылка скрыта металів. ссылка скрыта дуже слабо зв'язані з атомами і можуть легко переміщатися по всьому об'єму металу, переходячи від одних іонів до інших.

Легкою рухливістю валентних електронів пояснюється висока ссылка скрыта і ссылка скрыта металів. На відміну від розчинів і розплавів при проходженні електричного струму через металічний провідник переносу частинок речовини не відбувається. Метали мають електронну ссылка скрыта. За електропровідністю і теплопровідністю метали розміщуються в однаковому порядку. Найкращими провідниками електричного струму є ссылка скрыта, ссылка скрыта, ссылка скрыта і ссылка скрыта.

Характерна особливість металів — металічний блиск, тобто здатність добре відбивати світло. Але ця здатність проявляється лише тоді, коли метал утворює суцільну і гладку (поліровану) поверхню.

Дуже важливою властивістю більшості металів є ссылка скрыта, тобто здатність змінювати зовнішню форму при дії сторонньої сили і зберігати набуту форму після припинення впливу зовнішньої дії. На цій здатності базуються різні способи механічної обробки металів:ссылка скрыта, ссылка скрыта, ссылка скрыта, ссылка скрыта тощо. Однак ця властивість у різних металів виявляється не однаково. Здатність розкатуватись у тоненькі листи і витягуватись у тоненький ссылка скрыта найкраще виявляється у золота, срібла, міді, алюмінію і ссылка скрыта, трохи гірше в ссылка скрыта і ссылка скрыта. Деякі метали зовсім не виявляють пластичності, вони дуже крихкі — це ссылка скрыта, ссылка скрыта і особливо ссылка скрыта(сурма). При ударі вони розпадаються на шматочки.

За густиною метали умовно поділяють на легкі (густина яких менша 5 г/см³) і важкі (густина яких більша 5 г/см³). До найлегших металів належать літій, калій і натрій. Легкі метали — манган, алюміній і ссылка скрыта. Найважчими вважаються ртуть, золото, ссылка скрыта і ссылка скрыта. За твердістю метали теж дуже відрізняються один від одного. ссылка скрыта металом є ссылка скрыта, який дряпає ссылка скрыта. За ним ідессылка скрыта, ссылка скрыта і ін. До найм'ягших металів належать ссылка скрыта і ссылка скрыта, які легко ріжуться ножем. Дуже м'яким є також свинець. (Див.ссылка скрыта; ссылка скрыта).

За ссылка скрыта метали теж різко відрізняються один від одного. Найнижчу температуру плавлення має ртуть (—39°С), за нею йде цезій (28,5 °C), ссылка скрыта (38,5 °C), ссылка скрыта (62,3 °C), а найвищу — вольфрам (3410 °C). (Див. ссылка скрыта).

За забарвленням метали умовно поділяють на чорні — залізо, манган та їх чисельні сплави (ссылка скрыта, ссылка скрыта) і кольорові, до яких відносять усі інші метали. Відповідно до цього і промисловість, яка їх добуває, називають чорною і кольоровою металургією.

Хімічні властивості

Характерною особливістю металів є здатність їх атомів віддавати свої валентні електрони і утворювати позитивно заряджені іони. На відміну від неметалів метали негативно заряджених іонів не утворюють. Отже, вільні метали є відновниками. Чим легше даний метал віддає свої валентні електрони, тим він активніший відновник. За хімічною активністю метали можна розподілити на три групи: сильно активні — калій, натрій, барій, кальцій і ін., середньої активності — цинк, залізо, нікель тощо і мало активні — срібло, золото і платина. Сильно активні метали з киснем повітря енергійно взаємодіють вже при звичайній температурі, утворюючи оксиди, наприклад:

• 2Ca + O₂ = 2CaO
  

Тому лужні і лужноземельні метали зберігають під шаром гасу, щоб запобігти їх окисненню киснем повітря. Метали середньої активності окиснюються киснем повітря лише з поверхні, вкриваючись тонкою оксидною плівкою, яка запобігає дальшому окисненню металу. Наприклад:

• 2Zn + O₂ = 2ZnO
  

Але при високій температурі вони енергійно взаємодіють з киснем і перетворюються в ссылка скрыта.

Малоактивні (благородні) метали з киснем безпосередньо не реагують взагалі. Більшість металів може безпосередньо реагувати з сіркою, хлором і майже з усіма неметалами, особливо при високій температурі. З водою сильно активні (лужні і лужноземельні) метали взаємодіють вже при звичайній температурі з виділенням водню і утворенням розчинних гідроксидів (лугів), наприклад:

• 2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂ ↑
  
• Ba + 2H₂O = Ba(OH)₂ + H₂ ↑
  

Метали середньої активності, наприклад залізо, реагують з водою (водяною парою) лише при сильному розжаренні:

• 3Fe + 4H₂O = Fe₃O₄ + 4H₂ ↑
  

Мало активні метали з водою не реагують ні при яких умовах. Відношення металів до кислот визначається їх місцем вссылка скрыта (ряду активності). Усі метали, що займають місце в ряду напруг лівіше від водню взаємодіють з кислотами з утворенням солі і виділенням водню (з нітратної кислоти водень не виділяється!) Метали, що займають місце в ряду напруг правіше від водню, водню з кислот не витісняють. Але деякі з них можуть реагувати з концентрованою сульфатною кислотою при нагріванні з утворенням солі і виділенням діоксиду сірки SO₂, наприклад:

• Cu + 2H₂SO₄ = CuSO₄ + 2H₂O + SO₂ ↑
  

Що ж стосується нітратної кислоти, то при взаємодії її з усіма металами, незалежно від їх місця в ряду напруг, водень з HNO₃ не виділяється, а утворюються оксиди азоту і сіль металу. Наприклад:

• 3Zn + 2HNO₃ + 6HNO₃ = 3Zn(NO₃)₂ + 2NO ↑ + 4H₂O
  
• 3Ag + HNO₃ + 3HNO₃ = 3AgNO₃ + NO ↑ + 2H₂O
  

Метали в природі

Метали складають понад 80% усіх хімічних елементів. Переважна більшість металів зустрічається в природі у вигляді різних сполук і лише деякі з них — у вільному стані. Це так звані самородні метали (ссылка скрыта і ссылка скрыта), а також інколи ссылка скрыта, ссылка скрыта, ссылка скрыта і інші метали.

Мінерали і гірські породи, придатні для добування з них металів заводським способом, називаються ссылка скрыта. Важливішими рудами є оксиди (Fe₂O₃, Fe₃O₄, Al₂O₃ • nH₂O, MnO₂ тощо); сульфіди (ZnS, PbS, Cu₂S, HgS і ін.), солі (NaCl, KCl, MgCl₂ CaCO₃ і т. д.). Малоактивні метали зустрічаються переважно у вигляді оксидів і сульфідів, а активні (лужні і лужноземельні) — винятково у вигляді солей.

В більшості випадків руди містять різні домішки у вигляді піску, глини, вапняку тощо. Ці домішки називають пустою породою. Коли в руді багато пустої породи, тобто коли руда є бідною на корисну речовину, таку руду піддають збагаченню, тобто видаляють з неї частину пустої породи. Різні руди збагачують різними способами.

Для збагачення сульфідних руд звичайно застосовують спосіб флотації (спливання). При цьому способі руду розмелюють у тонкий порошок і заливають у великих чанах водою. До води додають певні органічні речовини (наприклад, соснове масло, вищі жирні кислоти тощо), молекули яких добре адсорбуються частинками сульфідів, і вкривають їх тонкою плівкою, внаслідок чого вони не змочуються водою. Крізь воду продувають повітря, пухирці якого з маслом утворюють піну, а також прилипають до частинок сульфідів, і вони спливають та збираються зверху разом з піною, а змочені водою частинки пустої породи осідають на дно (див. мал. Схема флотаційного апарату). Піну з сульфідами металів зливають з чану і віджимають сульфіди. Так одержують збагачену на корисну речовину руду.

Вільні метали добувають з руд різними способами. З оксидних руд метали одержують відновленням їх при високих температурах. При цьому як відновник частіше всього використовують вугілля (кокс) і монооксид вуглецю СО. Наприклад:

• Fe₂O₃ + 3C = 2Fe + 3CO ↑
  
• Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂ ↑
  
• SnO₂ + C = Sn + CO₂ ↑
  
• 2Cu₂O + C = 4Cu + CO₂ ↑
  

Інколи відновником служать активні метали. Наприклад, при добуванні хрому, берилію, мангану і ін. як відновник застосовують алюміній (алюмінотермія):

• Cr₂O₃ + 2Al = 2Cr + Al₂O₃
  
• 3MnO₂ + 4Al = 3Mn + 2Al₂O₃
  

У деяких випадках як відновник використовують водень, зокрема при добуванні молібдену, вольфраму, порошкоподібного заліза тощо:

• Fe₂O₃ + 3H₂ = 2Fe + 3H₂O
  
• WO₃ + 3H₂ = W + 3H₂O
  

Сульфідні руди спочатку обпалюють, переводячи їх в оксиди металів, які потім відновлюють. Наприклад:

• 2PbS + 3O₂ = 2PbO + 2SO₂ ↑
  
• PbO + C = Pb + CO ↑
  

Ці метали одержують лише електролізом їх розплавлених солей.

Найактивніші метали — калій, натрій, кальцій і ін. — не можна одержати способом хімічного відновлення їх сполук. Наприклад:



Вільні метали добувають з руд різними способами. З оксидних руд метали одержують відновленням їх при високих температурах. При цьому як відновник частіше всього використовують вугілля (кокс) і монооксид вуглецю СО. Наприклад:

Сплави металів

Більшість ссылка скрыта при їх сумісному ссылка скрыта змішуються один з одним і, ссылка скрыта, утворюють ссылка скрыта та/чи ссылка скрыта. Всі сплави, як і метали, в твердому стані кристалічні. Сплави поділяють на однорідні і неоднорідні. Більшість сплавів належить до неоднорідних.

Однорідні сплави утворюються в тих випадках, коли атоми одного металу можуть заміщатися атомами другого металу у вузлі кристалічної ґратки. При такому заміщенні утворюються кристали із структурою схожою на структуру вихідних металів, проте із атомами різного сорту, чим і обумовлюється однорідність сплава. Такі сплави називають твердими розчинами. Тверді розчини утворюють ссылка скрыта із ссылка скрыта, ссылка скрыта з ссылка скрыта і ін.

Неоднорідні сплави являють собою механічну суміш кристаликів обох металів. При цьому кожний із металів зберігає своюссылка скрыта. Наприклад, сплав олова зі свинцем (припій) складається з кристаликів чистого ссылка скрыта і кристаликів чистогоссылка скрыта.

Сплави можуть утворюватись не тільки двома, а й кількома металами. Сплави з двох металів називають подвійними, з трьох — потрійними і т. д. Крім того, до складу сплавів можуть входити і неметали, як ссылка скрыта, ссылка скрыта, ссылка скрыта тощо. Деякі метали при сплавленні утворюють хімічні сполуки. При цьому одні хімічні сполуки підлягають правилам звичайної валентності, як Mn₂Sn, Mg₂Pb і ін., а деякі не підлягають, наприклад CuZn₃, Cu₃Sn, Fe₃C тощо. Хімічні сполуки металів характеризуються власною кристалічною ґраткою, відмінною від кристалічних ґраток металів, які входять до її складу. При надлишку одного з металів хімічні сполуки можуть утворювати як тверді розчини, так і механічні суміші.

За своїми властивостями сплави різко відрізняються від чистих металів, з яких вони складаються. ссылка скрыта сплавів звичайно нижча від температури плавлення металів, що входять до їхнього складу. Так, ссылка скрыта і ссылка скрыта при певному складі утворюють сплав, який при звичайній температурі є рідиною, хоча ссылка скрыта плавиться при 97,5°С, а ссылка скрыта — при 62,3°С.

Твердість сплавів у більшості випадків вища від твердості окремих металів, що їх утворюють. Наприклад, добавка 1% ссылка скрыта доссылка скрыта збільшує її ссылка скрыта у 7 разів. ссылка скрыта і пластичність металів у сплавах звичайно знижується. Тепло- і ссылка скрытаметалів у сплавах теж зменшується. ссылка скрыта сплавів, навпаки, у більшості випадків підвищується. Навіть незначні домішки іншого металу часто різко підвищують ссылка скрыта сплаву. Хімічні властивості металів у сплавах теж змінюються. Наприклад, при додаванні до звичайної сталі 15—20% силіцію одержують кислотостійку ссылка скрыта.

Металічні сплави мають надзвичайно велике значення, оскільки в ссылка скрыта застосовують звичайно не чисті метали, а сплави. Сучасна техніка вимагає сплави з найрізноманітнішими властивостями: надтверді і м'які, тугоплавкі і легкоплавкі, стійкі до дії різних газів,ссылка скрыта, ссылка скрыта і т. д. Тепер відомо вже кілька тисяч різних сплавів з різноманітними властивостями. Серед них найбільш поширені сплави на основі ссылка скрыта і ссылка скрыта.

Література:

1. О.М. Бялік «Металознавство» 2002.

2. ссылка скрыта

3. ссылка скрыта

4. ссылка скрыта