Neskatoties uz to, ka rūpniecībā un sadzīvē arvien vairāk tiek izmantoti mākslīgi radīti materiāli, pagaidām no metālu izmantošanas atteikties nav iespējams. Tiem ir unikāla īpašību kombinācija, un sakausējumi ļauj maksimāli izmantot to potenciālu. Kurās jomās notiek metālu ražošana un izmantošana?
Elementu grupai raksturīgs
Metālus saprot kā neorganisku ķīmisku vielu kopumu ar raksturīgām īpašībām. Parasti tie ietver:
- augsta siltumvadītspēja;
- elastība, relatīvā apstrādes vieglums;
- salīdzinoši augsta kušanas temperatūra;
- laba elektrovadītspēja;
- raksturīgs "metālisks" spīdums;
- reducētāja loma reakcijās;
- augsts blīvums.
Protams, ne visiem šīs grupas elementiem piemīt visas šīs īpašības, piemēram, dzīvsudrabs istabas temperatūrā ir šķidrs, gallijs kūst no cilvēka roku siltuma, un bismutu diez vai var saukt par plastmasu. Bet kopumā visas šīs pazīmes var izsekot metālu kopumā.
Iekšējā klasifikācija
Metālus nosacīti iedala vairākās kategorijās, no kurām katra apvieno elementus, kas dažādos parametros ir vistuvāk viens otram. Izšķir šādas grupas:
- sārmains - 6;
- sārmzeme - 4;
- pārejas - 38;
- gaisma - 7;
- pusmetāls - 7;
- lantanīdi - 14+1;
- aktinīdi - 14+1;
No grupām ir vēl divas: berilijs un magnijs. Tādējādi šobrīd no visiem atklātajiem elementiem 94 zinātnieki piedēvē metālus.
Turklāt ir vērts pieminēt, ka ir arī citas klasifikācijas. Saskaņā ar tiem atsevišķi tiek aplūkoti cēlmetāli, platīna grupas metāli, pēcpārejas, ugunsizturīgie, melnie un krāsainie metāli u.c.. Šai pieejai ir jēga tikai noteiktiem mērķiem, tāpēc ērtāk ir izmantot vispārpieņemto klasifikāciju..
Kvītu vēsture
Cilvēce visā tās attīstības laikā ir bijusi cieši saistīta ar metālu apstrādi un izmantošanu. Papildus tam, ka tie ir visizplatītākie elementi, no tiem varēja izgatavot dažādus izstrādājumus tikai ar mehāniskās apstrādes palīdzību. Tā kā nebija iemaņu darbā ar rūdu, tad sākumā bija runa tikai par tīrradņu izmantošanu. Sākumā tas bija mīksts metāls, kas savu nosaukumu deva vara laikmetam, kas aizstāja akmens. Šajā periodā tika izstrādāta aukstās kalšanas metode. Dažās civilizācijās kausēšana ir kļuvusi iespējama. Pamazām cilvēki apguva krāsošanosmetāli, piemēram, zelts, sudrabs, alva.
Vēlāk bronzas laikmets aizstāja vara laikmetu. Tas ilga apmēram 20 tūkstošus gadu un kļuva par pagrieziena punktu cilvēcei, jo tieši šajā periodā kļuva iespējams iegūt sakausējumus. Notiek pakāpeniska metalurģijas attīstība, tiek pilnveidotas metālu iegūšanas metodes. Tomēr 13-12 gs. BC e. notika tā sauktais bronzas sabrukums, kas iezīmēja dzelzs laikmeta sākumu. Tas, domājams, bija saistīts ar alvas rezervju izsīkšanu. Un tajā laikā atklātais svins un dzīvsudrabs nevarēja aizstāt bronzu. Tāpēc cilvēkiem bija jāattīsta metālu ražošana no rūdām.
Nākamais periods nebija ilgs – nepilnu tūkstošgadi, bet atstāja spilgtas pēdas vēsturē. Neskatoties uz to, ka dzelzs bija pazīstama daudz agrāk, tā gandrīz nekad netika izmantota, jo tai bija trūkumi salīdzinājumā ar bronzu. Turklāt pēdējo bija daudz vieglāk iegūt, savukārt rūdas kausēšana bija darbietilpīgāka. Fakts ir tāds, ka vietējā dzelzs ir diezgan reti sastopama, tāpēc nav pārsteidzoši, ka atteikšanās no bronzas ir bijusi tik lēna.
Metāla ieguves prasmju nozīme
Līdzīgi kā cilvēka sencis pirmo reizi izgatavoja darbarīku, piesienot pie kociņa asu akmeni, tikpat grandioza izvērtās pāreja uz jaunu materiālu. Metāla izstrādājumu galvenās priekšrocības bija vieglāk izgatavojami un labojami. Akmenim nepiemīt plastiskums un kaļamība, tā kavisus ieročus no tā varēja izgatavot tikai no jauna, tos nevarēja salabot.
Līdz ar to tieši pāreja uz metālu izmantošanu noveda pie instrumentu tālākas uzlabošanas, jaunu sadzīves priekšmetu, dekoru rašanās, kurus iepriekš nebija iespējams izgatavot. Tas viss deva impulsu tehnoloģiskajam progresam un lika pamatus metalurģijas attīstībai.
Mūsdienu metodes
Ja senatnē cilvēki bija pazīstami tikai ar metālu iegūšanu no rūdām vai arī varēja apmierināties ar tīrradņiem, tad šobrīd ir citi veidi. Tie kļuva iespējami, pateicoties ķīmijas attīstībai. Tādējādi parādījās divi galvenie virzieni:
- Pirometalurģija. Tas sāka savu attīstību agrāk un ir saistīts ar augstām temperatūrām, kas nepieciešamas materiāla apstrādei. Mūsdienu tehnoloģijas šajā jomā ļauj izmantot arī plazmu.
- Hidrometalurģija. Šis virziens nodarbojas ar elementu ieguvi no rūdām, atkritumiem, koncentrātiem utt., izmantojot ūdeni un ķīmiskos reaģentus. Piemēram, ļoti izplatīta ir metode, kas ietver metālu ražošanu ar elektrolīzi, un arī karburēšanas metode ir diezgan populāra.
Ir vēl viena interesanta tehnoloģija. Pateicoties tam, kļuva iespējams iegūt augstas tīrības pakāpes dārgmetālus ar minimāliem zaudējumiem. Tas ir par pilnveidošanu. Šis process ir viens no attīrīšanas veidiem, tas ir, pakāpeniska piemaisījumu atdalīšana. Piemēram, zelta gadījumā izmanto kausējuma piesātinājumu ar hloru un platīnu izšķīdinaminerālskābes, kam seko izolēšana ar reaģentiem.
Starp citu, metālu iegūšana ar elektrolīzi visbiežāk tiek izmantota, ja kausēšana vai reģenerācija nav ekonomiski izdevīga. Tieši tas notiek ar alumīniju un nātriju. Ir arī inovatīvākas tehnoloģijas, kas ļauj bez ievērojamām izmaksām iegūt krāsainos metālus pat no diezgan nabadzīgām rūdām, taču par to mēs runāsim nedaudz vēlāk.
Par sakausējumiem
Lielākā daļa senatnē zināmo metālu ne vienmēr atbilda dažām vajadzībām. Korozija, nepietiekama cietība, trauslums, trauslums, trauslums - katram elementam tīrā veidā ir savi trūkumi. Tāpēc radās nepieciešamība atrast jaunus materiālus, kas apvienotu zināmo priekšrocības, tas ir, atrast veidus, kā iegūt metālu sakausējumus. Mūsdienās ir divas galvenās metodes:
- Apraide. Jaukto komponentu kausējums tiek atdzesēts un kristalizēts. Tieši šī metode ļāva iegūt pirmos sakausējumu paraugus: bronzu un misiņu.
- Nospiešana. Pulveru maisījumu pakļauj augstam spiedienam un pēc tam saķepina.
Turpmākie uzlabojumi
Pēdējās desmitgadēs visdaudzsološākā ir metālu ražošana, izmantojot biotehnoloģiju, galvenokārt ar baktēriju palīdzību. No sulfīdu izejvielām jau ir kļuvis iespējams iegūt varu, niķeli, cinku, zeltu un urānu. Zinātnieki cer savienot mikroorganismus ar tādiem procesiem kā izskalošanās, oksidēšana, sorbcija un nokrišņi. Turklāt tas ir ārkārtīgi svarīgidziļās notekūdeņu attīrīšanas problēma, arī šai problēmai tiek mēģināts rast risinājumu, kas saistīts ar baktēriju līdzdalību.
Pieteikums
Bez metāliem un sakausējumiem dzīvība tādā formā, kādā tā tagad ir zināma cilvēcei, nebūtu iespējama. Daudzstāvu ēkas, lidmašīnas, trauki, spoguļi, elektroierīces, automašīnas un daudz kas cits pastāv, tikai pateicoties cilvēku attālajai pārejai no akmens uz varu, bronzu un dzelzi.
To izcilās elektriskās un siltumvadītspējas dēļ metāli tiek izmantoti vados un kabeļos ļoti dažādiem mērķiem. Zelts tiek izmantots neoksidējošu kontaktu izveidošanai. Pateicoties to izturībai un cietībai, metāli tiek plaši izmantoti celtniecībā un visdažādākajām konstrukcijām. Vēl viena pielietojuma joma ir instrumentāla. Darba, piemēram, griešanas daļas ražošanai bieži izmanto cietos sakausējumus un īpašus tērauda veidus. Visbeidzot, cēlmetāli tiek augstu novērtēti kā rotaslietu materiāls. Tāpēc lietojumprogrammu ir daudz.
Interesanti par metāliem un sakausējumiem
Šo elementu izmantošana ir tik plaši izplatīta un tai ir tik sena vēsture, ka nav pārsteidzoši, ka rodas dažādas kuriozas situācijas. Nobeigumā jāatnes tie un tikai pāris interesanti fakti:
- Pirms plašās izmantošanas alumīnijs tika augstu novērtēts. Galda piederumi, kurus Napoleons III izmantoja, uzņemot viesus, tika izgatavoti no šī materiāla un bija priekšmetsmonarha lepnums.
- Nosaukums platīns spāņu valodā nozīmē "sudrabs". Elements ieguva tik neglaimojošu nosaukumu, pateicoties salīdzinoši augstajai kušanas temperatūrai un līdz ar to arī tāpēc, ka to nebija iespējams ilgstoši izmantot.
- Tīrākajā veidā zelts ir mīksts un viegli saskrāpējams ar nagu. Tāpēc rotaslietu izgatavošanai tas tiek leģēts ar sudrabu vai varu.
- Ir sakausējumi ar dīvainu termoelastības īpašību, tas ir, formas atmiņas efektu. Deformējot un pēc tam karsējot, tie atgriežas sākotnējā stāvoklī.
