Получение металлов
Большинство металлов встречаются в природе в составе соединений, в которых металлы находятся в положительной степени окисления, значит для того, чтобы их получить, в виде простого вещества, необходимо провести процесс восстановления.
Ме+n + ne-→Me0
I. Пирометаллургический способ
Это восстановление металлов из их руд при высоких температурах с помощью восстановителей неметаллических - кокс, оксид углерода (II), водород; металлических - алюминий, магний, кальций и другие металлы.
1. Получение меди из оксида с помощью водорода – Водородотермия:
Cu+2O + H2= Cu0+ H2O
2. Получение железа из оксида с помощью алюминия – Алюмотермия:
Fe+32O3+2Al= 2Fe0+Al2O3
Для получения железа в промышленности железную руду подвергают магнитному обогащению:
3Fe2O3+ H2= 2Fe3O4+ H2O или 3Fe2O3+ CO = 2Fe3O4+ CO2,
а затем в вертикальной печи проходит процесс восстановления:
Fe3O4+ 4H2= 3Fe + 4H2O
Fe3O4+ 4CO = 3Fe + 4CO2
II. Гидрометаллургический способ
Способ основан на растворении природного соединения с целью получения раствора соли этого металла и вытеснением данного металла более активным.
Например, руда содержит оксид меди и ее растворяют в серной кислоте:
1стадия– CuO + H2SO4= CuSO4+ H2O,
2 стадия – проводят реакцию замещения более активным металлом
CuSO4+Fe=FeSO4+Cu.
III. Электрометаллургический способ
Это способы получения металлов с помощью электрического тока (электролиза).
Этим методом получают алюминий, щелочные металлы, щелочноземельные металлы.
При этом подвергают электролизу расплавы оксидов, гидроксидов или хлоридов:
2NaCl эл.ток → 2Na + Cl2
2Al2O3 эл.ток →4Al + 3O2
IV. Термическое разложение соединений
Например, получение железа:
Железо взаимодействует с оксидом углерода (II) при повышенном давлении и температуре 100-2000, образуя пентакарбонил:
Fe + 5CO = Fe (CO)5
Пентакарбонил железа-жидкость, которую можно легко отделить от примесей перегонкой. При температуре около 2500карбонил разлагается, образуя порошок железа:
Fe (CO)5= Fe + 5CO↑
Если полученный порошок подвергнуть спеканию в вакууме или в атмосфере водорода, то получится металл, содержащий 99,98– 99,999% железа.
Таким образом, мы познакомились с природными соединениями металлов и способами выделения из них металла, как простого вещества.
При плавлении металлы обычно смешиваются друг с другом, образуя сплавы. В большинстве случаев сплавы обладают более полезными свойствами, чем составляющие их чистые металлы. У бронзы, например, прочность выше, чем у составляющих ее меди и олова. Сталь и чугун прочнее технически чистого железа. Поэтому в чистом виде металлы используют редко. Получены десятки тысяч сплавов
Помимо большей прочности многие сплавы обладают большей коррозионной стойкостью и твердостью, лучшими литейными свойствами, чем чистые металлы. Так, чистая медь очень плохо поддается литью, из нее трудно получить отливки, и в то же время оловянная бронза имеет прекрасные литейные свойства: из нее отливают художественные изделия, требующие тонкой проработки деталей. Чугун-сплав железа с углеродом - также великолепный литейный материал.
Помимо более высоких механических качеств сплавам присущи свойства, которых нет у чистых металлов. Примерами могут служить получаемая на основе железа нержавеющая сталь-материал с высокой коррозионной стойкостью даже в агрессивных средах и с высокой жаропрочностью, магнитные материалы, сплавы с высоким электрическим сопротивлением, с малым коэффициентом термического расширения.
Сплавы - это материалы с характерными свойствами, состоящие из двух и более компонентов, из которых по крайней мере один - металл.
В металлургии железо и его сплавы выделяют в одну группу под названием черные металлы; остальные металлы и их сплавы имеют техническое название цветные металлы.
Подавляющее большинство железных (или черных) сплавов содержит углерод. Их разделяют на чугуны и стали.
Чугун - сплав на основе железа, содержащий от 2 до 4,5% углерода, а также марганец, кремний, фосфор и серу. Чугун значительно тверже железа, обычно он очень хрупкий, не куется, а при ударе разбивается. Этот сплав применяется для изготовления различных массивных деталей методом литья, так называемый литейный чугун и для переработки в сталь - передельный чугун.
В зависимости от состояния углерода в сплаве различают серый и белый чугун.
Сталь - сплав на основе железа, содержащий менее 2% углерода. По химическому составу стали делят на два основных вида: углеродистая и легированная стали.
Углеродистая сталь представляет собой сплав железа главным образом с углеродом, но, в отличие от чугуна, содержание в ней углерода, а также других веществ гораздо меньше. В зависимости от количества углерода стали подразделяют на мягкие (0,3%С), средней твердости и твердые (до 2%С). Из мягкой и средней твердости стали делают детали машин, трубы, гвозди, скрепки и т. д., а из твердой - различные инструменты.
Легированная сталь - это тоже сплав железа с углеродом, только в него введены еще специальные, легирующие добавки: хром, никель, вольфрам, молибден и др.
Легирующие добавки придают сплаву особые качества. Так, хромоникелевые стали очень пластичные, прочные, жаростойкие, кислотоупорные, устойчивые против коррозии. Они применяются в строительстве, а также для изготовления нержавеющих предметов домашнего обихода (ножей, вилок, ложек), всевозможных медицинских и других инструментов. Хромомолибденовые и хромованадиевые стали очень твердые, прочные и жаростойкие. Они используются для изготовления трубопроводов, компрессоров, моторов и многих других деталей машин современной техники.
Стали - это основа современного машиностроения, оборонной промышленности, ракетостроения и других отраслей промышленности.
В развитии современной металлургии стали большое значение имели работы Д. К. Чернова и П. П. Аносова.
Из цветных сплавов отметим бронзу, латунь, мельхиор, дюралюминий.
Бронза - сплав на основе меди с добавкой (до 20%) олова. Бронза хорошо отливается, поэтому используется в машиностроении, где из нее изготавливают подшипники, поршневые кольца, клапаны, арматуру и т. д. Используется также для художественного литья.
Дюралюминий - сплав на основе алюминия, содержащий медь, магний. марганец и никель. Имеет хорошие механические свойства, применяется в самолетостроении машиностроении.
Бронза
Бронза в скульптуре
Дюралюминий
Изделия из дюралюминия
Изделия из латуни
Изделия из легированных сталей
Изделия из мельхиора
Изделия из нихрома (электрические нагревательные приборы)
Изделия из углеродистой стали
Изделия из чугуна
Состав и применение некоторых сплавов
видеоурок