§ 25. Застосування металів та їхніх сплавів

Чисті метали широко застосовують у важливих напрямах нової техніки та суспільного господарства: атомній енергетиці, мікроелектроніці, космічній техніці, медицині, а також у фундаментальних наукових дослідженнях. Більше уявлень про це ви зможете дістати, проаналізувавши дані щодо використання надчистих нанопорошків металів, наведені в таблиці 25.1. (Зробіть це.)

Таблиця 25.1. Галузі застосування надчистих нанопорошків деяких металів 1

Галузі застосування нанопорошку

Виробництво водневих паливних елементів (каталізатор), покриттів, полімерів, текстилю; електроніка; оптика, медицина, дешевший замінник платини

Антимікробні, фунгіцидні засоби; електроніка; оптика

Очищення води; виробництво магнітів та запам’ятовувальних пристроїв, покриттів, полімерів; оптика; порошкова металургія; адитивні технології 1

Антимікробні, фунгіцидні засоби; каталізатори з великою площею поверхні; дешевший замінник титану; адитивні технології

Антимікробні, фунгіцидні засоби; добавка для стійкості до УФ-променів; виробництво міцних покриттів; адитивні технології; порошкова металургія

Антимікробні, фунгіцидні засоби; виробництво полімерів, текстилю, водневих паливних елементів, сонячних батарей

Виробництво покриттів і полімерів; адитивні технології

Каталізатор (зокрема, для виробництва нанотрубок); виробництво покриттів, полімерів; інгібітор і змащувач

Антибактеріальні властивості (у косметології, фармацевтиці, текстильній промисловості); спеціальні покриття; каталізатори; адитивні технології (ювелірна справа)

Електроніка; медицина (маркер ДНК); каталізатор; адитивні технології (ювелірна справа)

Електроніка; виробництво водневих паливних елементів; медицина; адитивні технології (ювелірна справа)

1 Адитивні технології (Additive Manufacturing – від слова адитивність – що додають) – це пошарове нарощування й синтез об’єкта за допомогою комп’ютерних 3D-технологій.

Цікаво і пізнавально

3D-друк металами порівняно з традиційними технологіями споживає менше енергії та скорочує кількість відходів до мінімуму. Крім того, готовий 3D-друкований виріб може бути до 60 % легший порівняно з фрезерованою або литою деталлю. Також перевагою є те, що можна легко створювати фігури зі складною геометрією. Тож цю технологію застосовують у таких галузях, як авіація та космонавтика. Не менш актуальним є застосування 3D-друку металами для потреб медицини, зокрема протезування.

Однак застосування чистих металів у промисловості обмежене економічною вигідністю. Тому в техніці найчастіше використовують сплави. Тож розгляньмо ці системи докладніше.

Сплав – це система, яка складається принаймні з двох компонентів, з яких хоча б один є металом. Компонентами сплавів можуть бути метали, неметали, складні речовини. Наприклад, нейзильбер – сплав міді з нікелем та цинком (рис. 25.1). Він стійкий до корозії, міцний.

Рис. 25.1. Пам’ятні монети Національного банку України.

1. Тетяна Нилівна Яблонська – народна художниця України, лауреатка Національної премії України імені Тараса Шевченка та багатьох інших відзнак, її ім’я стало своєрідним символом українського образотворчого мистецтва. 2. Ольга Матвіївна Авілова – видатна лікарка, заслужена лікарка України, одна з-поміж засновників та засновниць торакальної 1 хірургії в Україні, педагогиня

1 Хірургія, операції в якій виконують на органах грудної клітки (на легенях, серці тощо).

Сплав свинцю з арсеном використовують для виготовлення шроту. Арсен зміцнює свинець і полегшує одержання шротинок сферичної форми.

Сплави виявляють властивості металів: металічний блиск, високі електропровідність та теплопровідність. Властивості сплавів відрізняються від властивостей їхніх компонентів. Сплав золота зі сріблом досить твердий, натомість самі ці метали порівняно м’які. Залежність властивостей сплавів від їхнього складу вперше встановив М. С. Курнаков (рис. 25.2).

Рис. 25.2. Курнаков Микола Семенович (1860-1941).

Видатний російський фізико-хімік, основоположник фізико-хімічного аналізу. Створив наукову школу хіміків і металургів. Організатор металургійного виробництва платинових металів, алюмінію, магнію. Ініціатор створення металографічної комісії при Російському технічному товаристві

Сплави — найголовніші конструкційні матеріали. Їхні різноманітні властивості – жаростійкість, корозійна стійкість, міцність, твердість тощо – зумовлюють широке застосування в техніці. Сплавам на основі магнію притаманні легкість, міцність, стійкість до корозії. Тому їх використовують в автомобілебудуванні, для виготовлення штампованих виробів складної форми, деталей зварних конструкцій.

Мідні сплави міцні, мають високу електропровідність, корозійну стійкість, пластичність. З них виготовляють труби, теплотехнічну апаратуру, підшипники, шестерні, втулки, пружини, деталі приладів точної механіки, термопари, фасонні деталі, декоративно-прикладні вироби й скульптури. Бронза (рис. 25.3.1) та латунь – мідні сплави, які також широко використовують у різноманітних галузях промисловості, сільському господарстві, побуті.

Рис. 25.3. Бронза та чавун – художні матеріали.

1. Оранта-Україна. Тріумфальний монумент споруджено 2001 р. на честь десятиліття незалежності України. Скульптуру вилито з бронзи, орнаменти на одязі та стрічці вінка вкрито золотом. 2. Перший і тривалий час єдиний у світі пам’ятник мамонтові – чотиригранну чавунну стелу – встановлено на невеликому кам’яному постаменті в селі Кулішівка Недригайлівського району Сумської області

Титанові сплави є конструкційними матеріалами в авіації, ракетобудуванні. Їх застосовують для виготовлення хімічної апаратури, а також у медицині.

Цікаво і пізнавально

Застосування металів і сплавів для виготовлення імплантованих в організм матеріалів має давню традицію. Ще 2500 року до нашої ери у Фінікії для лікування зубів використовували металеві конструкції. У Давньому Римі були поширені штучні металеві зуби, а металевий дріт застосовували для фіксування кісткових відламків. Аж до кінця XVIII століття переважно використовували чисті метали: золото, срібло, мідь. У XIX столітті у зв’язку з удосконаленням технології виплавляння металів і сплавів поширення набули імплантати з високоякісних сплавів.

Сплави на основі титану та нікелю виявляють ефекти пам’яті форми й наделастичності, істотно відрізняються від звичайних металів і сплавів. Конструкції, виготовлені з них, здатні змінювати свою форму внаслідок зміни температури, тому їх застосовують у різних галузях медицини.

Сталі й чавуни є чи не найважливішими сплавами сучасної техніки. Обсяги виробництва цих залізовуглецевих сплавів перевищують виробництво всіх інших металів, разом узятих, більш ніж у десять разів. Чавуном називають сплав заліза з вуглецем з масовою часткою Карбону більше ніж 1,7 %.

Найчастіше чавун містить від 2,6 % до 3,6 % Карбону. Крім Карбону в чавуні є Силіцій, Манган, Сульфур, Фосфор та інші елементи. Чавун – твердий і крихкий матеріал. Його найширше застосовують у машинобудуванні для виготовлення різноманітних деталей. Також цей сплав – високохудожній матеріал (рис. 25.4).

Рис. 25.4. «Взуття на річці Дунай» – меморіал на згадку про жертв Голокосту – установлено 2005 року на березі річки Дунай у Будапешті (Угорщина). Матеріал – чавун

• Поміркуйте й висловте припущення щодо природи рудого нальоту, яким укрито поверхню чавунного взуття на рис. 25.4

На відміну від чавуну, сталь ковка. Неіржавна сталь – сплав заліза з хромом – стійка проти корозії тому, що на її поверхні є захисний шар хром(ІІІ) оксиду (рис. 25.5).

Рис. 25.5. Обшивку статуї «Батьківщина-мати» (Київ, Національний музей історії України в Другій світовій війні) створено в Запоріжжі з неіржавної сталі. З окремих блоків-секцій масою 25-30 тонн кожна скульптуру було зварено на Київському заводі імені Паризької комуни з урахуванням рекомендацій Інституту електрозварювання імені Є. О. Патона. Статую ліплено з образу борзнянки 1 , скульпторки Галини Никифорівни Кальченко

1 Борзна – місто районного значення в Чернігівській області України, адміністративний центр Борзнянського району.

Застосування металів та їхніх сплавів широке й різноманітне, бо зумовлене широким спектром їхніх властивостей. Висновків щодо цього ви зможете дійти самостійно, проаналізувавши схему, зображену на рисунку 25.6 (зробіть це).

Рис. 25.6. Деякі галузі застосування металів та їхніх сплавів

ПРО ГОЛОВНЕ

• Чисті метали широко застосовують у важливих напрямах нової техніки та суспільного господарства.

• Сплав – це система, яка складається принаймні з двох компонентів, з яких хоча б один є металом.

• Застосування металів та їхніх сплавів широке й різноманітне, бо зумовлене розмаїттям їхніх властивостей.

Перевірте себе

• 1. Перетворіть розповідні речення в рубриці ПРО ГОЛОВНЕ на питальні. Чи можете ви відповісти на ці запитання без допомоги підручника?

Застосуйте свої знання й уміння

• 2. Схарактеризуйте застосування металів та їхніх сплавів.
• 3. Доведіть практичну значущість: а) чистих металів; б) сплавів.
• 4. Уявіть, що раптово зникли сплави заліза – чавун і сталь. Спрогнозуйте зміни, які б відбулися в житті людей унаслідок цього.
• 5. Обчисліть: а) об’єм (м 3 ) водню (н. у.), який витратиться на відновлення залізної ожарини масою 1 т, та масу (т) заліза, яке утвориться внаслідок цієї реакції, якщо його відносний вихід становить 94 %; б) масу (г) міді, яку можна відновити з купрум(ІІ) оксиду масою 40 г вуглецем масою 36 г, якщо відносний вихід металу становить 90 %.

Творча майстерня

✅Чисті речовини і суміші: визначення і характеристика

У хімії існують поняття чистих речовин і сумішей. Чисті містять молекули тільки одної речовини. У природі переважають суміші, що складаються з різних речовин.

Поняття

Всі речовини можна розділити на дві категорії – чисті і змішані. До чистих речовин відносяться елементи і сполуки, що складаються з однакових атомів, молекул або іонів. Це речовини з постійним складом, що зберігають постійні властивості.

Прикладами чистих речовин є:

• метали і інертні гази, що складаються з атомів;
• вода, що складається з молекул води;
• кухонна сіль, що складається з катіонів натрію і аніонів хлору.

Чисті речовини

Якщо в воду підмішати цукор, вона перестане бути чистою речовиною, утворюється суміш. Суміші складаються з декількох різних по структурі чистих речовин, які називаються компонентами. Суміші можуть мати будь-який агрегатний стан.

Наприклад, повітря – це суміш різних газів (кисню, водню, азоту), бензин – суміш органічних речовин, латунь – суміш цинку і міді.

Кожна речовина зберігає свої властивості, тому вода з сіллю – солона, а сплав із залізом притягується магнітом. Однак властивості самої суміші можуть змінюватися відповідно до кількісного та якісним складом компонентів.

Наприклад, дистильована вода, що пройшла максимальну очистку, в залежності від доданих речовин може придбати солодкий, кислий, солоний або кисло-солоний смак. Причому, чим вище концентрація певної речовини, тим сильніше виражений певний смак.

За структурою суміші можуть бути однорідними або поєднувати речовини в різних агрегатних станах. Відповідно до цього виділяють:

• гомогенні або однорідні – частинки не можна виявити без хімічного аналізу, їх показник однаковий в будь-якому місці проби (сплав металів);
• гетерогенні або неоднорідні – частинки легко виявити, їх частота неоднорідна в різних місцях суміші (вода з піском).

До гетерогенних сумішей відносяться:

• суспензії – суміші твердих і рідких речовин (вугілля і води);
• емульсії – суміші різних за щільністю рідин (масла і води).

Якщо один компонент поступається по масі в десятки разів іншому компоненту, то його називають домішкою.

Способи очищення

Абсолютно чистих речовин не існує. Чистими речовинами вважають речовини, що містять незначну кількість домішок, які не відбиваються на фізичні і хімічні властивості речовини. Щоб максимально очистити речовина, застосовуються методи розділення сумішей:

• відстоювання – осідання важких речовин в рідинах;
• фільтрація – відділення частинок від рідини за допомогою фільтрів;
• випарювання – нагрівання розчину до випаровування вологи;
• застосування магніту – виділення за допомогою намагнічування;
• дистиляція – поділ речовин з різною температурою кипіння;
• адсорбція – скупчення одного речовини на поверхні іншої.

Метали від неметалів можна відокремити за допомогою флотації. Це процес, заснований на здатності до намокання речовин. Таким способом відокремлюють залізо від сірки: залізо намокає і осідає на дно, а сірка не ​​намокає і залишається на поверхні води.

Таблиця з поясненнями на тему “Чисті речовини і суміші: визначення і характеристика”

Підсумок: Чисті речовини складаються з атомів одного виду і можуть існувати у формі елементів або сполук. Суміші являють собою комбінацію різних речовин, які можуть бути чистими речовинами або іншими сумішами.

Розчин – це однорідна суміш, де одна речовина розподілена в іншій, створюючи однорідну фазу. Ці концепції важливі в хімії та вивчаються для кращого розуміння природи речовин та їхніх взаємодій.

Що ми дізналися?

З уроку хімії ми дізналися про поняття сумішей і чистих речовин. Елементи і сполуки, що складаються з однорідних молекул, атомів або іонів, а також володіють постійними властивостями, називаються чистими.

Суміші включають кілька чистих речовин різної концентрації і структури. З’єднання можуть змішуватися повністю, утворюючи однорідні речовини, або з’єднуватися неоднорідне. Для поділу сумішей використовують різні методи.

Властивості металів: хімічні, фізичні, технологічні

Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.

Хімічні властивості

Фізичні властивості

• Плавлення.
• Щільність.
• Теплопровідність.
• Теплове розширення.
• Електропровідність.

Важливим фізичним параметром металу є його щільність або питома вага. Що це таке? Щільність металу – це кількість речовини, яка міститься в одиниці об’єму матеріалу. Чим менше щільність, тим метал більш легкий. Легкими металами є: алюміній, магній, титан, олово. До важких відносяться такі метали як хром, марганець, залізо, кобальт, олово, вольфрам і т. д. (в цілому їх є більше 40 видів).

Здатність металу переходити з твердого стану в рідкий, іменується плавленням. Різні метали мають різні температури плавлення.

Швидкість, з якою в металі проводиться тепло при нагріванні, називається теплопровідністю металу. І в порівнянні з іншими матеріалами всі метали відрізняються високою теплопровідністю, кажучи по-простому, вони швидко нагріваються.

Крім теплопровідності всі метали проводять електричний струм, правда, деякі роблять це краще, а деякі гірше (це залежить від будови кристалічної решітки того чи іншого металу). Здатність металу проводити електричний струм називається електропровідністю. Метали, що володіють відмінною електропровідністю, це золото, алюміній і залізо, саме тому їх часто використовують в електротехнічній промисловості та приладобудуванні.

Механічні властивості

Основними механічними властивостями металів є їх твердість, пружність, міцність, в’язкість та пластичність.

При зіткненні двох металів можуть утворитися мікро вм’ятини, але більш твердий метал здатний сильніше протистояти ударам. Така опірність поверхні металу ударам ззовні і є його твердість.

Чим же твердість металу відрізняється від його міцності. Міцність, це здатність металу протистояти руйнуванню під дією будь-яких інших зовнішніх сил.

Під пружністю металу розуміється його здатність повертати первісну форму і розмір, після того як навантаження, що викликало деформацію металу усунене.

Здатність металу змінювати форму під зовнішнім впливом називається пластичністю.

Технологічні властивості

Технологічні властивості металів і сплавів важливі в першу чергу при їх виробництві, так як від них залежить здатність піддаватися різним видам обробки з метою створення різноманітних виробів.

Серед основних технологічних властивостей можна виділити:

• Ковкість.
• Плинність.
• Зварюваність.
• Проколюваність.
• Обробка різанням.

Під ковкістю розуміється здатність металу змінювати форму в нагрітому і холодному станах. Ковкість металу, була відкрита ще в глибоку давнину, так ковалі, які займаються обробкою металевих виробів, перетворенням їх у мечі або лемеші (залежно від потреби) протягом багатьох століть та історичних епох були однією з найвпливовіших і затребуваних професій.

Здатність двох металевих сплавів при нагріванні з’єднуватися один з одним називають зварюваністю.

Плинність металу теж дуже важлива, вона визначає здатність розплавленого металу розтікатися по заготовленій формі.

Властивість металу гартуватися називається проколюваністю.

Цікаві факти

• Самим твердим металом на Землі є хром. Цей блакитно-білий метал був відкритий в 1766 році під Єкатеринбургом.
• І навпаки, найбільш м’якими металами є алюміній, срібло та мідь. Завдяки своїй м’якості вони знайшли широке застосування в різних областях, наприклад, в електроапаратобудуванні.
• Золото – яке протягом століть було самим дорогоцінним металом має і ще одну цікаву властивість – це самий пластичний метал на Землі, що володіє до того ж відмінною тягучістю та ковкістю. Також золото не окислюється при нормальній температурі (для цього його треба нагріти до 100С), володіє високою теплопровідністю і вологостійкістю. Напевно всі ці фізичні характеристики роблять справжнє золото таким цінним.
• Ртуть – унікальний метал, перш за все тим, що він єдиний з металів, що має рідку форму. Причому в природних умовах ртуті в твердому вигляді не існує, оскільки її температура плавлення -38С, тобто в твердому стані вона може існувати в місцях, де просто таки дуже холодно. А при кімнатній температурі 18С ртуть починає випаровуватися.
• Вольфрам цікавий тим, що це найбільш тугоплавкий метал у світі, щоб він почав плавитися потрібна температура 3420С. Саме з цієї причини в електричних лампочках нитки розжарювання, що приймають основний тепловий удар, виготовлені з вольфраму.

Автор: Павло Чайка, головний редактор журналу Пізнавайка

При написанні статті намагався зробити її максимально цікавою, корисною та якісною. Буду вдячний за будь-який зворотний зв’язок та конструктивну критику у вигляді коментарів до статті. Також Ваше побажання/питання/пропозицію можете написати на мою пошту [email protected] або у Фейсбук.