Šiuolaikinį žmogų kasdieniame gyvenime supa įvairūs metalai. Daugumoje mūsų naudojamų daiktų yra šių cheminių medžiagų. Visa tai atsitiko todėl, kad žmonės rado įvairių būdų gauti metalų.
Kas yra metalai
Neorganinė chemija susijusi su šiomis žmonėms vertingomis medžiagomis. Metalų gavimas leidžia žmogui sukurti vis tobulesnę technologiją, gerinančią mūsų gyvenimą. Kas jie tokie? Prieš svarstant bendruosius metalų gavimo būdus, būtina suprasti, kas tai yra. Metalai yra cheminių elementų grupė paprastų medžiagų pavidalu, pasižyminčių būdingomis savybėmis:
• šilumos ir elektros laidumas;
• didelis plastiškumas;
• blizgučiai.
Žmogus gali lengvai atskirti jas nuo kitų medžiagų. Būdingas visų metalų bruožas yra ypatingas blizgesys. Jis gaunamas atspindint krintančius šviesos spindulius ant paviršiaus, kuris jų nepraleidžia. Blizgesys yra bendra visų metalų savybė, tačiau jis ryškiausias sidabre.
ĮjungtaIki šiol mokslininkai atrado 96 tokius cheminius elementus, nors ne visus juos pripažįsta oficialus mokslas. Jie skirstomi į grupes, atsižvelgiant į būdingas savybes. Šiuo būdu išskiriami šie metalai:
• šarminis – 6;
• šarminių žemių – 6;
• pereinamasis – 38;
• šviesa – 11;
• pusmetaliai – 7;
• Lantanidai – 14;
• aktinidai – 14.
Metalų gavimas
Norėdami pagaminti lydinį, pirmiausia turite gauti metalą iš natūralios rūdos. Natūralūs elementai yra tos medžiagos, kurios gamtoje randamos laisvoje būsenoje. Tai platina, auksas, alavas, gyvsidabris. Jie atskiriami nuo priemaišų mechaniškai arba naudojant cheminius reagentus.
Kiti metalai kasami apdorojant jų junginius. Jų randama įvairiose fosilijose. Rūdos yra mineralai ir uolienos, kurių sudėtyje yra metalų junginių oksidų, karbonatų arba sulfidų pavidalu. Norint juos gauti, naudojamas cheminis apdorojimas.
Metalų gavimo būdai:
• oksidų redukcija anglimi;
• alavo gavimas iš alavo akmens;
• geležies rūdos lydymas;
• sieros junginių deginimas specialiose krosnyse.
Norint palengvinti metalų gavybą iš rūdos uolienų, į juos dedama įvairių medžiagų, vadinamų srautais. Jie padeda pašalinti nepageidaujamus nešvarumus, tokius kaip molis, kalkakmenis, smėlis. Šio proceso metu gaunami tirpūs junginiai,vadinamas nuodegomis.
Esant dideliam priemaišų kiekiui, rūda sodrinama prieš lydant metalą, pašalinant didelę dalį nereikalingų komponentų. Plačiausiai naudojami šio gydymo metodai yra flotacija, magnetinis ir gravitacija.
Šarminiai metalai
Masinė šarminių metalų gamyba yra sudėtingesnis procesas. Taip yra dėl to, kad gamtoje jie randami tik cheminių junginių pavidalu. Kadangi jie yra reduktoriai, jų gamyba yra susijusi su didelėmis energijos sąnaudomis. Yra keli šarminių metalų išgavimo būdai:
• Litį galima gauti iš jo oksido vakuume arba elektrolizės būdu iš jo chlorido lydalo, susidarančio apdorojant spodumeną.
• Natris ekstrahuojamas kalcinuojant soda su anglimi sandariai uždarytuose tigliuose arba chlorido lydalo elektrolizės būdu, pridedant kalcio. Pirmasis metodas užima daugiausiai laiko.
• Kalis gaunamas elektrolizės būdu iš jo druskų lydalo arba leidžiant natrio garus per jo chloridą. Jis taip pat susidaro sąveikaujant išlydytam kalio hidroksidui ir skystam natriui 440 °C temperatūroje.
• Cezis ir rubidis išgaunami redukuojant jų chloridus kalciu 700–800 °C temperatūroje arba cirkonį 650 °C temperatūroje. Šarminių metalų gavimas tokiu būdu yra labai daug energijos reikalaujantis ir brangus.
Metalų ir lydinių skirtumai
Iš esmės aiškios ribos tarp metalų ir jų lydinių praktiškai nėra, nes net gryniausios, paprasčiausios medžiagos turitam tikras kiekis priemaišų. Taigi kuo jie skiriasi? Beveik visi pramonėje ir kituose šalies ūkio sektoriuose naudojami metalai yra naudojami lydinių pavidalu, gautų tikslingai į pagrindinį cheminį elementą pridedant kitų komponentų.
Lydiniai
Technologijoms reikalingos įvairios metalo medžiagos. Tuo pačiu metu gryni cheminiai elementai praktiškai nenaudojami, nes neturi žmonėms reikalingų savybių. Savo poreikiams mes išradome įvairius būdus, kaip gauti lydinių. Šis terminas reiškia makroskopiškai vienalytę medžiagą, kurią sudaro 2 ar daugiau cheminių elementų. Šiuo atveju lydinyje vyrauja metaliniai komponentai. Ši medžiaga turi savo struktūrą. Lydiniuose išskiriami šie komponentai:
• bazė, sudaryta iš vieno ar daugiau metalų;
• nedideli modifikuojančių ir legiruojančių elementų priedai;
• nepašalintos priemaišos (technologinės, natūralios, atsitiktinės).
Metalų lydiniai yra pagrindinė konstrukcinė medžiaga. Technologijų srityje jų yra daugiau nei 5000.
Lydinių tipai
Nepaisant tokios įvairių lydinių, geležies ir aliuminio lydiniai yra svarbiausi žmonėms. Jie yra labiausiai paplitę kasdieniame gyvenime. Lydinių tipai yra skirtingi. Be to, jie skirstomi pagal kelis kriterijus. Taigi naudojami įvairūs lydinių gamybos būdai. Pagal šį kriterijų jie skirstomi į:
• Aktoriai, kuriegaunamas mišrių komponentų lydalo kristalizacijos būdu.
• Milteliai, sukurti spaudžiant miltelių mišinį ir sukepinant aukštoje temperatūroje. Be to, dažnai tokių lydinių komponentai yra ne tik paprasti cheminiai elementai, bet ir įvairūs jų junginiai, tokie kaip titanas ar volframo karbidai kietuose lydiniuose. Jų pridėjimas tam tikrais kiekiais keičia metalinių medžiagų savybes.
Lydinių gavimo gatavo gaminio arba ruošinio pavidalu metodai skirstomi į:
• liejykla (siluminas, ketus);
• k altas (plienas);
• milteliai (titanas, volframas).
Lydinių tipai
Metalų gavimo būdai yra skirtingi, o jų dėka pagamintos medžiagos turi skirtingas savybes. Kietoje būsenoje lydiniai yra:
• Homogeniškas (vienodas), susidedantis iš to paties tipo kristalų. Jie dažnai vadinami vienfaziais.
• Heterogeninis (heterogeninis), vadinamas daugiafaziu. Kai jie gaunami, lydinio pagrindu imamas kietas tirpalas (matricos fazė). Šio tipo nevienalyčių medžiagų sudėtis priklauso nuo jos cheminių elementų sudėties. Tokiuose lydiniuose gali būti šių komponentų: kietų intersticinių ir pakaitinių tirpalų, cheminių junginių (karbidų, intermetalų, nitridų), paprastų medžiagų kristalitų.
Lydinio savybės
Nepriklausomai nuo to, kokie metalų ir lydinių gavimo būdai naudojami, jų savybes visiškai lemia kristalinisšių medžiagų fazinė struktūra ir mikrostruktūra. Kiekvienas iš jų yra skirtingas. Lydinių makroskopinės savybės priklauso nuo jų mikrostruktūros. Bet kokiu atveju jie skiriasi nuo savo fazių savybių, kurios priklauso tik nuo medžiagos kristalinės struktūros. Heterogeninių (daugiafazių) lydinių makroskopinis homogeniškumas gaunamas dėl tolygaus fazių pasiskirstymo metalinėje matricoje.
Svarbiausia lydinių savybė yra suvirinamumas. Priešingu atveju jie yra identiški metalams. Taigi lydiniai turi šilumos ir elektros laidumą, plastiškumą ir atspindėjimą (blizgesį).
Lydinių įvairovė
Įvairūs lydinių gavimo būdai leido žmogui išrasti daugybę metalinių medžiagų, turinčių skirtingas savybes ir charakteristikas. Pagal paskirtį jie skirstomi į šias grupes:
• Konstrukcinis (plienas, duraliuminis, ketus). Šiai grupei taip pat priklauso lydiniai, turintys specialių savybių. Taigi jie išsiskiria vidinėmis sauga arba antifrikcinėmis savybėmis. Tai žalvaris ir bronza.
• Guolių liejimui (babbit).
• Elektrinei šildymo ir matavimo įrangai (nichromui, manganinui).
• Pjovimo įrankių gamybai (laimėti).
Gamyboje žmonės taip pat naudoja kitų tipų metalines medžiagas, tokias kaip lydieji, karščiui atsparūs, atsparūs korozijai ir amorfiniai lydiniai. Taip pat plačiai naudojami magnetai ir termoelektrikai (bismuto, švino, stibio ir kt. teluridai ir selenidai).
Geležies lydiniai
Praktiškai visa Žemėje lydoma geležis yra skirta paprasto ir legiruoto plieno gamybai. Jis taip pat naudojamas geležies gamyboje. Geležies lydiniai išpopuliarėjo dėl to, kad turi žmogui naudingų savybių. Jie buvo gauti į paprastą cheminį elementą pridedant įvairių komponentų. Taigi, nepaisant to, kad iš vienos medžiagos gaminami įvairūs geležies lydiniai, plienas ir ketus turi skirtingas savybes. Dėl to jie randa įvairių pritaikymų. Dauguma plienų yra kietesni už ketų. Įvairūs šių metalų gavimo būdai leidžia gauti skirtingų rūšių (prekių ženklų) šių geležies lydinių.
Pagerinkite lydinio savybes
Sulydant tam tikrus metalus ir kitus cheminius elementus galima gauti geresnių savybių medžiagų. Pavyzdžiui, gryno aliuminio takumo riba yra 35 MPa. Gaunant šio metalo lydinį su variu (1,6%), cinku (5,6%), magniu (2,5%), šis skaičius viršija 500 MPa.
Sujungus skirtingas proporcijas skirtingų cheminių medžiagų, galima gauti patobulintų magnetinių, šiluminių ar elektrinių savybių metalines medžiagas. Pagrindinis vaidmuo šiame procese tenka lydinio struktūrai, kuri yra jo kristalų pasiskirstymas ir ryšių tarp atomų tipas.
Plienas ir lygintuvai
Šie lydiniai gaunami derinant geležį ir anglį (2 %). Gaminant legiruotas medžiagas, jų dedamanikelis, chromas, vanadis. Visi įprasti plienai skirstomi į tipus:
• mažai anglies dioksido (0,25 % anglies), naudojamas įvairioms struktūroms;
• Daug anglies (daugiau nei 0,55 %), sukurta pjovimo įrankiams.
Įvairių rūšių legiruotasis plienas naudojamas mechaninėje inžinerijoje ir kituose gaminiuose.
Geležies ir anglies lydinys, kurio procentinė dalis yra 2–4%, vadinamas ketumi. Šioje medžiagoje taip pat yra silicio. Iš ketaus yra liejami įvairūs gerų mechaninių savybių gaminiai.
Spalvotieji metalai
Be geležies, įvairioms metalinėms medžiagoms gaminti naudojami ir kiti cheminiai elementai. Dėl jų derinio gaunami spalvotųjų metalų lydiniai. Žmonių gyvenime labiausiai naudojama medžiaga, pagrįsta:
• Varis, vadinamas žalvariu. Juose yra 5-45% cinko. Jei jo kiekis yra 5-20%, žalvaris vadinamas raudonu, o jei 20-36% - geltonu. Yra vario lydiniai su siliciu, alavu, beriliu, aliuminiu. Jie vadinami bronziniais. Yra keletas šių lydinių tipų.
• Švinas, kuris yra įprastas lydmetalis (tretnikas). Šiame lydinyje 2 dalys alavo patenka ant 1 dalies šios cheminės medžiagos. Guoliai gaminami naudojant babbitą, kuris yra švino, alavo, arseno ir stibio lydinys.
• Aliuminis, titanas, magnis ir berilis – lengvi spalvotųjų metalų lydiniai, pasižymintys dideliu stiprumu ir puikiomis mechaninėmis savybėmissavybės.
Gavimo būdai
Pagrindiniai metalų ir lydinių gavimo būdai:
• Liejykla, kurioje stingsta homogeniškas skirtingų išlydytų komponentų mišinys. Lydiniams gauti naudojami pirometalurginiai ir elektrometalurginiai metalų gavimo būdai. Pirmajame variante žaliavai šildyti naudojama šiluminė energija, gauta kuro deginimo procese. Pirometalurginiu metodu plienas gaminamas atviro židinio krosnyse, o ketus – aukštakrosnėse. Taikant elektrometalurginį metodą, žaliavos kaitinamos indukcinėse arba elektros lankinėse krosnyse. Tuo pačiu metu žaliava labai greitai suminkštėja.
• Milteliai, kurių komponentų milteliai naudojami lydiniui gaminti. Dėl presavimo jiems suteikiama tam tikra forma, o po to jie sukepinami specialiose krosnyse.
