Moderni miestä ympäröivät erilaiset metallit jokapäiväisessä elämässään. Suurin osa käyttämistämme tuotteista sisältää näitä kemikaaleja. Tämä kaikki tapahtui, koska ihmiset löysivät erilaisia tapoja saada metalleja.
Mitä ovat metallit
Epäorgaaninen kemia käsittelee näitä ihmisille arvokkaita aineita. Metallien saamisen avulla ihminen voi luoda yhä täydellisempää teknologiaa, joka parantaa elämäämme. Mitä ne ovat? Ennen kuin tarkastellaan yleisiä menetelmiä metallien saamiseksi, on tarpeen ymmärtää, mitä ne ovat. Metallit ovat kemiallisten alkuaineiden ryhmä yksinkertaisten aineiden muodossa, joilla on tyypillisiä ominaisuuksia:
• lämmön- ja sähkönjohtavuus;
• korkea sitkeys;
• glitter.
Ihminen erottaa ne helposti muista aineista. Kaikille metalleille tyypillinen piirre on erityinen kiilto. Se saadaan heijastamalla tulevan valonsäteet pinnalle, joka ei läpäise niitä. Kiilto on kaikkien metallien yhteinen ominaisuus, mutta se näkyy eniten hopeassa.
PäälläTähän mennessä tutkijat ovat löytäneet 96 tällaista kemiallista alkuainetta, vaikka virallinen tiede ei tunnusta kaikkia. Ne on jaettu ryhmiin niiden ominaisominaisuuksien mukaan. Seuraavat metallit eristetään tällä tavalla:
• alkalinen – 6;
• maa-alkali – 6;
• siirtymäkausi – 38;
• valo – 11;
• puolimetallit – 7;
• Lantanidit – 14;
• aktinidit – 14.
Metallien hankinta
Seoksen valmistamiseksi sinun on ensin hankittava metalli luonnonmalmista. Alkuperäiset alkuaineet ovat aineita, joita esiintyy luonnossa vapaassa tilassa. Näitä ovat platina, kulta, tina, elohopea. Ne erotetaan epäpuhtauksista mekaanisesti tai kemiallisten reagenssien avulla.
Muut metallit louhitaan käsittelemällä niiden yhdisteitä. Niitä löytyy erilaisista fossiileista. Malmit ovat mineraaleja ja kiviä, jotka sisältävät metalliyhdisteitä oksidien, karbonaattien tai sulfidien muodossa. Niiden saamiseksi käytetään kemiallista käsittelyä.
Metallien hankintamenetelmät:
• oksidien pelkistys kivihiilellä;
• tinan saaminen tinakivestä;
• rautamalmin sulatus;
• rikkiyhdisteiden polttaminen erikoisuuneissa.
Metallien erottamisen helpottamiseksi malmikivistä niihin lisätään erilaisia aineita, joita kutsutaan juoksutteiksi. Ne auttavat poistamaan ei-toivottuja epäpuhtauksia, kuten savea, kalkkikiveä, hiekkaa. Tämän prosessin tuloksena saadaan sulavia yhdisteitä,kutsutaan kuonaksi.
Jos läsnä on huomattava määrä epäpuhtauksia, malmi rikastetaan ennen metallin sulattamista poistamalla suuri osa tarpeettomista komponenteista. Yleisimmin käytetyt menetelmät tähän hoitoon ovat flotaatio, magneettinen ja painovoima.
Alkalimetallit
Alkalimetallien massatuotanto on monimutkaisempi prosessi. Tämä johtuu siitä, että niitä esiintyy luonnossa vain kemiallisten yhdisteiden muodossa. Koska ne ovat pelkistäviä aineita, niiden tuotantoon liittyy korkeat energiakustannukset. Alkalimetallien uuttamiseen on useita tapoja:
• Litiumia voidaan saada sen oksidista tyhjiössä tai elektrolyysillä sen spodumeenin käsittelyn aikana muodostuneen kloridin sulasta.
• Natrium uutetaan kalsinoimalla soodaa hiilellä tiiviisti suljetuissa upokkaissa tai elektrolyysillä kloridisulasta kalsiumia lisäämällä. Ensimmäinen menetelmä on aikaavievin.
• Kaliumia saadaan elektrolyysillä sen suoloista tai johtamalla natriumhöyry sen kloridin läpi. Se muodostuu myös sulan kaliumhydroksidin ja nestemäisen natriumin vuorovaikutuksesta 440 °C:n lämpötilassa.
• Cesium ja rubidium louhitaan pelkistämällä niiden kloridit kalsiumilla 700–800 °C:ssa tai zirkoniumilla 650 °C:ssa. Alkalimetallien saaminen tällä tavalla on erittäin energiaintensiivistä ja kallista.
Erot metallien ja metalliseosten välillä
Periaatteessa selkeää rajaa metallien ja niiden seosten välillä ei käytännössä ole olemassa, koska puhtaimmillakin aineilla onjonkin verran epäpuhtauksia. Joten mitä eroa niillä on? Lähes kaikki teollisuudessa ja muilla kansantalouden sektoreilla käytetyt metallit käytetään seoksina, jotka on saatu tarkoituksella lisäämällä muita komponentteja pääkemialliseen alkuaineeseen.
Seokset
Teknologia tarvitsee erilaisia metallimateriaaleja. Samaan aikaan puhtaita kemiallisia alkuaineita ei käytännössä käytetä, koska niillä ei ole ihmisille välttämättömiä ominaisuuksia. Olemme kehittäneet tarpeisiimme erilaisia tapoja saada metalliseoksia. Tämä termi viittaa makroskooppisesti homogeeniseen materiaaliin, joka koostuu kahdesta tai useammasta kemiallisesta alkuaineesta. Tässä tapauksessa metallikomponentit hallitsevat lejeeringissä. Tällä aineella on oma rakenne. Seoksissa erotetaan seuraavat komponentit:
• perus, joka koostuu yhdestä tai useammasta metallista;
• pieniä lisäyksiä modifioivia ja seostavia elementtejä;
• poistamattomat epäpuhtaudet (teknologiset, luonnolliset, satunnaiset).
Metalliseokset ovat tärkein rakennemateriaali. Tekniikassa niitä on yli 5000.
Seostyypit
Seosten moninaisuudesta huolimatta rauta- ja alumiinipohjaiset seokset ovat ihmisille erittäin tärkeitä. Ne ovat yleisimpiä jokapäiväisessä elämässä. Seostyypit ovat erilaisia. Lisäksi ne on jaettu useiden kriteerien mukaan. Joten käytetään erilaisia metalliseosten valmistusmenetelmiä. Tämän kriteerin mukaan ne jaetaan:
• Cast, mikäsaatu sekakomponenttien sulakiteytyksellä.
• Jauhe, joka on valmistettu puristamalla jauheseosta ja sitten sintraamalla korkeassa lämpötilassa. Lisäksi usein tällaisten seosten komponentit eivät ole vain yksinkertaisia kemiallisia alkuaineita, vaan myös niiden erilaisia yhdisteitä, kuten titaani- tai volframikarbideja kovissa seoksissa. Niiden lisääminen tiettyinä määrinä muuttaa metallimateriaalien ominaisuuksia.
Menetelmät metalliseosten saamiseksi valmiin tuotteen tai aihion muodossa on jaettu:
• valimo (silumin, valurauta);
• taottu (teräkset);
• jauhe (titaani, volframi).
Seostyypit
Metallien hankintamenetelmät ovat erilaisia, kun taas niiden ansiosta valmistetuilla materiaaleilla on erilaisia ominaisuuksia. Kiinteässä aggregoidussa tilassa seokset ovat:
• Homogeeninen (tasainen), koostuu samantyyppisistä kiteistä. Niitä kutsutaan usein yksivaiheisiksi.
• Heterogeeninen (heterogeeninen), jota kutsutaan monivaiheiseksi. Kun ne saadaan, kiinteä liuos (matriisifaasi) otetaan lejeeringin pohjaksi. Tämän tyyppisten heterogeenisten aineiden koostumus riippuu sen kemiallisten alkuaineiden koostumuksesta. Tällaiset seokset voivat sisältää seuraavia komponentteja: kiinteät interstitiaali- ja substituutioliuokset, kemialliset yhdisteet (karbidit, intermetallidit, nitridit), yksinkertaisten aineiden kristalliitit.
Seosominaisuudet
Riippumatta siitä, mitä metallien ja metalliseosten hankintamenetelmiä käytetään, niiden ominaisuudet määräytyvät täysin kiteisennäiden materiaalien faasirakenne ja mikrorakenne. Jokainen niistä on erilainen. Seosten makroskooppiset ominaisuudet riippuvat niiden mikrorakenteesta. Joka tapauksessa ne eroavat faasiensa ominaisuuksista, jotka riippuvat yksinomaan materiaalin kiderakenteesta. Heterogeenisten (monifaasisten) metalliseosten makroskooppinen homogeenisuus saadaan tuloksena faasien tasaisesta jakautumisesta metallimatriisissa.
Seosten tärkein ominaisuus on hitsattavuus. Muuten ne ovat identtisiä metallien kanssa. Seoksilla on siis lämmön- ja sähkönjohtavuus, sitkeys ja heijastavuus (kiilto).
Seoslajikkeet
Erilaiset metalliseosten valmistusmenetelmät ovat antaneet ihmisille mahdollisuuden keksiä monia metallimateriaaleja, joilla on erilaiset ominaisuudet ja ominaisuudet. Tarkoituksensa mukaan ne on jaettu seuraaviin ryhmiin:
• Rakenne (teräs, duralumiini, valurauta). Tähän ryhmään kuuluvat myös seokset, joilla on erityisiä ominaisuuksia. Siksi niille on ominaista luontainen turvallisuus tai kitkaa vähentävät ominaisuudet. Näitä ovat messinki ja pronssi.
• Laakereiden kaatamiseen (babbit).
• Sähkölämmitys- ja mittauslaitteille (nikromi, manganiini).
• Leikkuutyökalujen tuotantoon (win).
Tuotannossa käytetään myös muita metallimateriaaleja, kuten sulavia, lämmönkestäviä, korroosionkestäviä ja amorfisia metalliseoksia. Magneetteja ja lämpösähköisiä aineita (vismutin, lyijyn, antimonin ja muiden telurideja ja selenidejä) käytetään myös laajasti.
Rautaseokset
Käytännössä kaikki maan päällä sulatettu rauta ohjataan yksinkertaisten ja seostettujen terästen tuotantoon. Sitä käytetään myös raudan valmistuksessa. Rautaseokset ovat saavuttaneet suosionsa, koska niillä on ihmisille hyödyllisiä ominaisuuksia. Ne saatiin lisäämällä erilaisia komponentteja yksinkertaiseen kemialliseen alkuaineeseen. Joten huolimatta siitä, että erilaisia rautaseoksia valmistetaan yhden aineen perusteella, teräksillä ja valuraudoilla on erilaiset ominaisuudet. Tämän seurauksena he löytävät erilaisia sovelluksia. Useimmat teräkset ovat kovempia kuin valurauta. Erilaiset menetelmät näiden metallien saamiseksi mahdollistavat näiden rautaseosten eri laatujen (merkkien) saamisen.
Paranna seosten ominaisuuksia
Suodattamalla tiettyjä metalleja ja muita kemiallisia alkuaineita voidaan saada materiaaleja, joilla on parempia ominaisuuksia. Esimerkiksi puhtaan alumiinin myötöraja on 35 MPa. Kun saadaan tämän metallin seos kuparin (1,6 %), sinkin (5,6 %) ja magnesiumin (2,5 %) kanssa, tämä luku ylittää 500 MPa.
Yhdistelemällä eri suhteita eri kemikaaleja voidaan saada metallimateriaaleja, joilla on parannetut magneettiset, lämpö- tai sähköominaisuudet. Päärooli tässä prosessissa on lejeeringin rakenteella, joka on sen kiteiden jakautuminen ja atomien välisten sidosten tyyppi.
Teräkset ja raudat
Nämä seokset saadaan yhdistämällä rautaa ja hiiltä (2 %). Seostettujen materiaalien tuotannossa niitä lisätäännikkeli, kromi, vanadiini. Kaikki tavalliset teräkset on jaettu tyyppeihin:
• vähähiilinen (0,25 % hiiltä), jota käytetään erilaisissa rakenteissa;
• Korkeahiilinen (yli 0,55 %) suunniteltu leikkaustyökaluihin.
Eri seosteräslajeja käytetään koneenrakennuksessa ja muissa tuotteissa.
Rautaseosta hiilen kanssa, jonka prosenttiosuus on 2–4 %, kutsutaan valuraudaksi. Tämä materiaali sisältää myös piitä. Valurautasta valetaan erilaisia tuotteita, joilla on hyvät mekaaniset ominaisuudet.
Epärautametallit
Raudan lisäksi muita kemiallisia alkuaineita käytetään erilaisten metallimateriaalien valmistukseen. Niiden yhdistämisen seurauksena saadaan ei-rautametalliseoksia. Ihmisten elämässä materiaalit, jotka perustuvat:, ovat löytäneet eniten käyttöä
• Kupari, jota kutsutaan messingiksi. Ne sisältävät 5-45 % sinkkiä. Jos sen pitoisuus on 5-20%, messinkiä kutsutaan punaiseksi ja jos 20-36% - keltaiseksi. On kuparin ja piin, tinan, berylliumin ja alumiinin seoksia. Niitä kutsutaan pronssiksi. Näitä seoksia on useita tyyppejä.
• Lyijy, joka on yleinen juote (tretnik). Tässä seoksessa 2 osaa tinaa putoaa 1 osaan tätä kemikaalia. Laakerit valmistetaan käyttämällä babbittia, joka on lyijyn, tinan, arseenin ja antimonin seos.
• Alumiini, titaani, magnesium ja beryllium, jotka ovat kevyitä ei-rautametalliseoksia, joilla on korkea lujuus ja erinomaiset mekaaniset ominaisuudetominaisuuksia.
Hankintamenetelmät
Päämenetelmät metallien ja metalliseosten saamiseksi:
• Valimo, jossa erilaisten sulaneiden komponenttien homogeeninen seos jähmettyy. Seosten saamiseksi käytetään pyrometallurgisia ja sähkömetallurgisia menetelmiä metallien saamiseksi. Ensimmäisessä vaihtoehdossa polttoaineen polttoprosessissa saatua lämpöenergiaa käytetään raaka-aineen lämmittämiseen. Pyrometallurgisella menetelmällä valmistetaan terästä avouunissa ja valurautaa masuuneissa. Sähkömetallurgisella menetelmällä raaka-aineet lämmitetään induktio- tai valokaariuuneissa. Samalla raaka-aine pehmenee hyvin nopeasti.
• Jauhe, jossa sen komponenttien jauheita käytetään lejeeringin valmistukseen. Puristuksen ansiosta niille annetaan tietty muoto ja ne sintrataan erikoisuuneissa.
