Mūsdienu vīrieti savā ikdienā ieskauj dažādi metāli. Lielākā daļa mūsu izmantoto priekšmetu satur šīs ķīmiskās vielas. Tas viss notika tāpēc, ka cilvēki atrada dažādus veidus, kā iegūt metālus.
Kas ir metāli
Neorganiskā ķīmija nodarbojas ar šīm cilvēkiem vērtīgajām vielām. Metālu iegūšana ļauj cilvēkam radīt arvien perfektākas tehnoloģijas, kas uzlabo mūsu dzīvi. Kas viņi ir? Pirms apsvērt vispārīgās metodes metālu iegūšanai, ir jāsaprot, kas tie ir. Metāli ir ķīmisku elementu grupa vienkāršu vielu veidā ar raksturīgām īpašībām:
• siltuma un elektriskā vadītspēja;
• augsta elastība;
• mirdzums.
Cilvēks tās var viegli atšķirt no citām vielām. Visu metālu raksturīga iezīme ir īpaša mirdzuma klātbūtne. To iegūst, atstarojot krītošos gaismas starus uz virsmas, kas tos nepārlaiž. Mirdzums ir visu metālu kopīgs īpašums, taču tas visspilgtāk izpaužas sudrabā.
IeslēgtsLīdz šim zinātnieki ir atklājuši 96 šādus ķīmiskos elementus, lai gan ne visus no tiem atzīst oficiālā zinātne. Tos iedala grupās atkarībā no to raksturīgajām īpašībām. Šādi tiek izolēti šādi metāli:
• sārmains – 6;
• sārmzemju - 6;
• pārejas – 38;
• gaismas – 11;
• pusmetāli – 7;
• Lantanīdi – 14;
• aktinīdi – 14.
Metālu iegūšana
Lai izgatavotu sakausējumu, vispirms jāiegūst metāls no dabiskās rūdas. Vietējie elementi ir vielas, kas dabā atrodamas brīvā stāvoklī. Tie ietver platīnu, zeltu, alvu, dzīvsudrabu. Tos no piemaisījumiem atdala mehāniski vai ar ķīmisku reaģentu palīdzību.
Citus metālus iegūst, apstrādājot to savienojumus. Tie ir atrodami dažādās fosilijās. Rūdas ir minerāli un ieži, kas ietver metālu savienojumus oksīdu, karbonātu vai sulfīdu veidā. Lai tos iegūtu, tiek izmantota ķīmiskā apstrāde.
Metālu iegūšanas metodes:
• oksīdu reducēšana ar akmeņoglēm;
• alvas iegūšana no skārda akmens;
• dzelzsrūdas kausēšana;
• sēra savienojumu dedzināšana īpašās krāsnīs.
Lai atvieglotu metālu ieguvi no rūdas iežiem, tiem pievieno dažādas vielas, ko sauc par kušņiem. Tie palīdz noņemt nevēlamus piemaisījumus, piemēram, mālu, kaļķakmeni, smiltis. Šī procesa rezultātā tiek iegūti kūstoši savienojumi,sauc par sārņiem.
Ievērojama daudzuma piemaisījumu klātbūtnē pirms metāla kausēšanas rūda tiek bagātināta, noņemot lielu daļu nevajadzīgo komponentu. Visplašāk izmantotās metodes šai apstrādei ir flotācija, magnētiskā un gravitācija.
Sārmu metāli
Sārmu metālu masveida ražošana ir sarežģītāks process. Tas ir saistīts ar faktu, ka dabā tie ir sastopami tikai ķīmisku savienojumu veidā. Tā kā tie ir reducētāji, to ražošana ir saistīta ar augstām enerģijas izmaksām. Ir vairāki veidi, kā iegūt sārmu metālus:
• Litiju var iegūt no tā oksīda vakuumā vai elektrolīzes ceļā no tā hlorīda kausējuma, kas veidojas spodumēna apstrādes laikā.
• Nātriju ekstrahē, kalcinējot sodu ar akmeņoglēm cieši noslēgtos tīģeļos vai ar hlorīda kausējuma elektrolīzi, pievienojot kalciju. Pirmā metode ir laikietilpīgākā.
• Kāliju iegūst, elektrolizējot tā sāļu kausējumu vai izlaižot nātrija tvaikus caur tā hlorīdu. To veido arī izkausēta kālija hidroksīda un šķidrā nātrija mijiedarbība 440 °C temperatūrā.
• Cēziju un rubīdiju iegūst, reducējot to hlorīdus ar kalciju 700–800 °C temperatūrā vai cirkoniju 650 °C temperatūrā. Sārmu metālu iegūšana šādā veidā ir ārkārtīgi energoietilpīga un dārga.
Atšķirības starp metāliem un sakausējumiem
Principā skaidra robeža starp metāliem un to sakausējumiem praktiski nepastāv, jo pat vistīrākajām, vienkāršākajām vielām irzināms daudzums piemaisījumu. Tātad, kāda ir atšķirība starp tām? Gandrīz visi rūpniecībā un citās tautsaimniecības nozarēs izmantotie metāli tiek izmantoti sakausējumu veidā, kas iegūti mērķtiecīgi, galvenajam ķīmiskajam elementam pievienojot citas sastāvdaļas.
Sakausējumi
Tehnoloģijām ir nepieciešami dažādi metāla materiāli. Tajā pašā laikā tīri ķīmiskie elementi praktiski netiek izmantoti, jo tiem nav cilvēkiem nepieciešamo īpašību. Savām vajadzībām esam izgudrojuši dažādus veidus, kā iegūt sakausējumus. Šis termins attiecas uz makroskopiski viendabīgu materiālu, kas sastāv no 2 vai vairākiem ķīmiskiem elementiem. Šajā gadījumā sakausējumā dominē metāla sastāvdaļas. Šai vielai ir sava struktūra. Sakausējumos izšķir šādas sastāvdaļas:
• bāze, kas sastāv no viena vai vairākiem metāliem;
• nelieli modificējošu un leģējošu elementu papildinājumi;
• nenoņemti piemaisījumi (tehnoloģiski, dabiski, nejauši).
Metālu sakausējumi ir galvenais konstrukcijas materiāls. Tehnoloģiju jomā to ir vairāk nekā 5000.
Sakausējumu veidi
Neskatoties uz tik dažādajiem sakausējumiem, tiem, kuru pamatā ir dzelzs un alumīnijs, cilvēkiem ir vislielākā nozīme. Tie ir visizplatītākie ikdienas dzīvē. Sakausējumu veidi ir dažādi. Turklāt tie ir sadalīti pēc vairākiem kritērijiem. Tātad tiek izmantotas dažādas sakausējumu ražošanas metodes. Saskaņā ar šo kritēriju tos iedala:
• Cast, kasko iegūst jauktu komponentu kausējuma kristalizācijā.
• Pulveris, kas izveidots, presējot pulveru maisījumu un pēc tam saķepinot augstā temperatūrā. Turklāt bieži vien šādu sakausējumu sastāvdaļas ir ne tikai vienkārši ķīmiskie elementi, bet arī dažādi to savienojumi, piemēram, titāna vai volframa karbīdi cietajos sakausējumos. To pievienošana noteiktos daudzumos maina metālisko materiālu īpašības.
Metodes sakausējumu iegūšanai gatavā produkta vai sagataves veidā iedala:
• lietuve (silumīns, čuguns);
• k alts (tērauds);
• pulveris (titāns, volframs).
Sakausējumu veidi
Metālu iegūšanas metodes ir dažādas, savukārt, pateicoties tiem izgatavotajiem materiāliem, ir dažādas īpašības. Agregācijas cietā stāvoklī sakausējumi ir:
• Homogēns (viendabīgs), sastāv no viena veida kristāliem. Tos bieži dēvē par vienfāzes.
• Heterogēns (heterogēns), ko sauc par daudzfāzu. Kad tie ir iegūti, par sakausējuma pamatu ņem cietu šķīdumu (matricas fāzi). Šāda veida neviendabīgu vielu sastāvs ir atkarīgs no tā ķīmisko elementu sastāva. Šādi sakausējumi var saturēt šādas sastāvdaļas: cietie intersticiālie un aizvietošanas šķīdumi, ķīmiskie savienojumi (karbīdi, intermetālīdi, nitrīdi), vienkāršu vielu kristalīti.
Sakausējuma īpašības
Neatkarīgi no tā, kādas metālu un sakausējumu iegūšanas metodes tiek izmantotas, to īpašības pilnībā nosaka kristāliskaisšo materiālu fāzes struktūra un mikrostruktūra. Katrs no tiem ir atšķirīgs. Sakausējumu makroskopiskās īpašības ir atkarīgas no to mikrostruktūras. Jebkurā gadījumā tie atšķiras no to fāžu īpašībām, kas ir atkarīgas tikai no materiāla kristāla struktūras. Neviendabīgu (daudzfāzu) sakausējumu makroskopiskā viendabība tiek iegūta vienmērīga fāžu sadalījuma rezultātā metāla matricā.
Svarīgākā sakausējumu īpašība ir metināmība. Pretējā gadījumā tie ir identiski metāliem. Tātad sakausējumiem ir siltuma un elektriskā vadītspēja, elastība un atstarošanas spēja (spīdums).
Sakausējumu šķirnes
Dažādas sakausējumu iegūšanas metodes ir ļāvušas cilvēkam izgudrot lielu skaitu metālisku materiālu ar dažādām īpašībām un īpašībām. Atbilstoši mērķim tie tiek iedalīti šādās grupās:
• Strukturālie (tērauds, duralumīnijs, čuguns). Šajā grupā ietilpst arī sakausējumi ar īpašām īpašībām. Tāpēc tās izceļas ar raksturīgām drošības vai pretberzes īpašībām. Tajos ietilpst misiņš un bronza.
• Gultņu ieliešanai (babbit).
• Elektriskās apkures un mērīšanas iekārtām (nihroms, manganīns).
• Griezējinstrumentu ražošanai (win).
Ražošanā cilvēki izmanto arī cita veida metāla materiālus, piemēram, kausējamos, karstumizturīgos, korozijizturīgos un amorfos sakausējumus. Plaši tiek izmantoti arī magnēti un termoelektriķi (bismuta, svina, antimona un citu telurīdi un selenīdi).
Dzelzs sakausējumi
Praktiski visa uz Zemes izkausētā dzelzs tiek novirzīta vienkāršu un leģētu tēraudu ražošanai. To izmanto arī dzelzs ražošanā. Dzelzs sakausējumi ir ieguvuši savu popularitāti, pateicoties tam, ka tiem piemīt cilvēkiem labvēlīgas īpašības. Tie tika iegūti, pievienojot dažādas sastāvdaļas vienkāršam ķīmiskajam elementam. Tātad, neskatoties uz to, ka dažādi dzelzs sakausējumi tiek izgatavoti uz vienas vielas bāzes, tēraudiem un čuguniem ir dažādas īpašības. Rezultātā viņi atrod dažādus pielietojumus. Lielākā daļa tēraudu ir cietāki par čugunu. Dažādas šo metālu iegūšanas metodes ļauj iegūt dažādu marku (zīmolu) no šiem dzelzs sakausējumiem.
Uzlabojiet sakausējuma īpašības
Kausējot noteiktus metālus un citus ķīmiskos elementus, var iegūt materiālus ar uzlabotām īpašībām. Piemēram, tīra alumīnija tecēšanas robeža ir 35 MPa. Iegūstot šī metāla sakausējumu ar varu (1,6%), cinku (5,6%), magniju (2,5%), šis rādītājs pārsniedz 500 MPa.
Apvienojot dažādas dažādu ķīmisko vielu proporcijas, var iegūt metāla materiālus ar uzlabotām magnētiskajām, termiskajām vai elektriskām īpašībām. Galvenā loma šajā procesā ir sakausējuma struktūrai, kas ir tā kristālu sadalījums un saišu veids starp atomiem.
Tērauds un gludekļi
Šos sakausējumus iegūst, apvienojot dzelzi un oglekli (2%). Leģēto materiālu ražošanā tie tiek pievienotiniķelis, hroms, vanādijs. Visi parastie tēraudi ir sadalīti tipos:
• zema oglekļa satura (0,25% oglekļa), ko izmanto dažādām konstrukcijām;
• Augsts oglekļa saturs (vairāk nekā 0,55%), paredzēts griešanas instrumentiem.
Mašīnbūvē un citos produktos izmanto dažādu marku leģēto tēraudu.
Dzelzs sakausējumu ar oglekli, kura procentuālais daudzums ir 2–4%, sauc par čugunu. Šis materiāls satur arī silīciju. No čuguna tiek lieti dažādi izstrādājumi ar labām mehāniskajām īpašībām.
Krāsainie metāli
Dažādu metālisku materiālu ražošanā bez dzelzs tiek izmantoti arī citi ķīmiskie elementi. To kombinācijas rezultātā tiek iegūti krāsainie sakausējumi. Cilvēku dzīvē visvairāk tiek izmantoti materiāli, kuru pamatā ir:
• Varš, ko sauc par misiņu. Tie satur 5-45% cinka. Ja tā saturs ir 5-20%, tad misiņu sauc par sarkanu, bet, ja 20-36% - par dzeltenu. Ir vara sakausējumi ar silīciju, alvu, beriliju, alumīniju. Tos sauc par bronzām. Ir vairāki šo sakausējumu veidi.
• Svins, kas ir parasts lodmetāls (tretnik). Šajā sakausējumā uz 1 daļas šīs ķīmiskās vielas nokrīt 2 daļas alvas. Gultņi tiek ražoti, izmantojot babbitu, kas ir svina, alvas, arsēna un antimona sakausējums.
• Alumīnijs, titāns, magnijs un berilijs, kas ir viegli krāsainie sakausējumi ar augstu izturību un izcilām mehāniskām īpašībāmīpašības.
Iegūšanas metodes
Galvenās metodes metālu un sakausējumu iegūšanai:
• Lietuve, kurā sacietē dažādu izkausētu komponentu viendabīgs maisījums. Sakausējumu iegūšanai izmanto pirometalurģiskas un elektrometalurģiskas metālu iegūšanas metodes. Pirmajā variantā izejvielas sildīšanai izmanto siltumenerģiju, kas iegūta kurināmā sadegšanas procesā. Ar pirometalurģisko metodi tēraudu ražo martena krāsnīs un čugunu domnās. Ar elektrometalurģisko metodi izejvielas tiek karsētas indukcijas vai elektriskā loka krāsnīs. Tajā pašā laikā izejviela ļoti ātri tiek mīkstināta.
• Pulveris, kurā sakausējuma izgatavošanai tiek izmantoti tā sastāvdaļu pulveri. Pateicoties presēšanai, tiem tiek piešķirta noteikta forma un pēc tam tie tiek saķepināti īpašās krāsnīs.
