Metode de obținere a metalelor. Tipuri de aliaje. Producția de metale alcaline

Omul modern

Ce sunt metalele?

Aceste substanțe valoroase pentru oameni sunt implicate în chimia anorganică. Achiziționarea de metale permite unei persoane să creeze o tehnică din ce în ce mai sofisticată care ne îmbunătățește viața. Ce sunt? Înainte de a lua în considerare metodele generale de obținere a metalelor, este necesar să înțelegem ce sunt acestea. Metalele reprezintă un grup de elemente chimice sub formă de substanțe simple, care au proprietățile caracteristice:

• conductivitate termică și electrică;

• plasticitate ridicată;

• stralucirea.

O persoană le poate distinge cu ușurință de alte substanțe. O caracteristică caracteristică a tuturor metalelor este prezența unui luciu special. Se obține prin reflectarea razelor de lumină incidentă pe o suprafață care nu le permite să treacă prin ele. Glitterul este o proprietate comună a tuturor metalelor, dar se manifestă cel mai mult în argint.

Până în prezent, oamenii de știință au descoperit 96 de astfel de elemente chimice, deși nu toate sunt recunoscute ca știință oficială. Ele sunt împărțite în grupuri, în funcție de proprietățile lor caracteristice. Astfel se disting următoarele metale:

• Alcaline - 6;

• pământ alcalin - 6;

• Tranzițional - 38;

• Plămîni - 11;

• semimetale - 7;

• lantanide - 14;

• Actinide - 14.

Pregătirea metalelor

Pentru a face un aliaj, este necesar, în primul rând, obținerea unui metal din minereu natural. Elementele native sunt acele substanțe care sunt în natură într-o stare liberă. Acestea includ platină, aur, staniu, mercur. Ele sunt separate de impurități mecanic sau de reactivi chimici.

Metalele rămase sunt extrase prin procesarea compușilor lor. Ele sunt cuprinse în diferite fosile. Minerele sunt minerale și roci, care conțin compuși metalici sub formă de oxizi, carbonați sau sulfuri. Pentru producția lor se utilizează un tratament chimic.

METODE DE PRODUCȚIE METALĂ:

• reducerea oxizilor prin cărbune;

• obtinerea staniu din piatra de staniu;

• topirea fontei minereu de fier;

• arderea compușilor de sulf în cuptoare speciale.

Pentru a facilita extracția metalelor din roci minerale, se adaugă diferite substanțe numite fluxuri. Ele ajută la eliminarea impurităților nedorite, cum ar fi lutul, calcarul, nisipul. Ca urmare a acestui proces, se obțin compuși cu punct de topire scăzut, numiți zguri.

În prezența unei cantități semnificative de impurități, minereul este îmbogățit înainte ca metalul să fie topit prin îndepărtarea unei mari părți a componentelor inutile. Metodele cele mai utilizate pe scară largă a acestui tratament sunt metodele de flotare, magnetice și gravitaționale.

Metale alcaline

Producția în masă a metalelor alcaline este un proces mai complicat. Acest lucru se datorează faptului că acestea se găsesc în natură numai sub formă de compuși chimici. Deoarece sunt agenți reducători, producția lor este însoțită de costuri mari de energie. Există câteva modalități de extragere a metalelor alcaline:

• Litiul poate fi obținut din oxidul său în vid sau prin electroliza topiturii clorurii sale formate în timpul procesării spodumenului.

• Sodiul este extras prin calcinarea sifonului cu cărbune în creuzeturi închise ermetic sau prin electroliza topiturii de clorură cu adăugarea de calciu. Prima modalitate este cea mai consumatoare de timp.

• Potasiul se obține prin electroliza topiturii sărurilor sale fie prin trecerea vaporilor de sodiu prin clorura sa. Se formează, de asemenea, prin interacțiunea dintre hidroxidul de potasiu topit și sodiul lichid la o temperatură de 440 ° C

• Cesiul și rubidiul sunt extrase prin reducerea clorurilor lor cu calciu la 700-800 ° C sau zirconiu la 650 ° C. Producția de metale alcaline în acest mod este extrem de intensivă și costisitoare din punct de vedere energetic.

Diferențele dintre metale și aliaje

O limită foarte clară între metale și aliajele lor practic nu există, deoarece chiar și cele mai pure substanțe simple au o anumită proporție de impurități. Deci, care este diferența dintre ei? Aproape toate metalele utilizate în industrie și în alte ramuri ale economiei, sunt utilizate sub formă de aliaje obținute prin adăugarea intenționat principale element chimic alte componente.

aliaje

Tehnica necesită o varietate de materiale metalice. În același timp, elementele chimice pure nu sunt practic utilizate, deoarece nu au proprietățile necesare pentru oameni. Pentru nevoile noastre, am inventat diferite modalități de obținere a aliajelor. Prin acest termen se înțelege un material omogen macroscopic, care constă din 2 sau mai multe elemente chimice. În acest caz, componentele metalice predomină în aliaj. Această substanță are o structură proprie. În aliaje se disting următoarele componente:

• o bază constând din unul sau mai multe metale;

• adaosuri mici ale elementelor de modificare și aliere;

• impurități nereușite (tehnologice, naturale, aleatorii).

Sunt aliajele metalice care sunt principalele materiale constructive. În tehnologie, ele numără mai mult de 5000.

Tipuri de aliaje

În ciuda unei astfel de varietăți de aliaje, cele mai importante pentru oameni sunt cele pe bază de fier și aluminiu. Ele se găsesc cel mai adesea în viața de zi cu zi. Tipurile de aliaje sunt diferite. Și ele sunt împărțite în mai multe criterii. Astfel se utilizează diverse metode de fabricare a aliajelor. Prin acest criteriu, ele sunt împărțite în:

• Turnarea, obținută prin cristalizarea unei topituri de componente mixte.

• Pulbere, creată prin presarea unui amestec de pulberi și sinterizarea ulterioară la temperaturi ridicate. Și adesea, componente ale acestor aliaje sunt nu numai elemente chimice simple, ci și compușii lor diferiți, cum ar fi carburile de titan sau tungsten din aliajele dure. Adunarea lor în diferite sume se schimbă proprietățile metalului materiale.

Metodele de obținere a aliajelor sub formă de produs finit sau țagle sunt împărțite în:

• Turnătorie (silumin, fontă);

• deformabil (oțel);

• praf (titan, wolfram).

Tipuri de aliaje

Metodele de obținere a metalelor sunt diferite, iar materialele realizate de acestea au proprietăți diferite. Într-o stare agregată solidă, aliajele sunt:

• Homogenă (omogenă), constând din cristale de același tip. Ele sunt deseori numite monofazate.

• Heterogenă (eterogenă), numită multifază. Când se prepară, se ia o soluție solidă (faza de matrice) ca bază a aliajului. Compoziția substanțelor heterogene de acest tip depinde de compoziția elementelor sale chimice. Aceste aliaje pot include următoarele componente: soluțiile solide interstițiale și substitutionali, compuși chimici (carburi, compuși intermetalici, nitruri), cristalitelor substanțe simple.

Proprietățile aliajelor

Indiferent de metodele de producere a metalelor și aliajelor, proprietățile lor sunt determinate complet de structura cristalină a fazelor și microstructura acestor materiale. Fiecare dintre ele este diferită. Proprietățile macroscopice ale aliajelor depind de microstructura lor. Ele diferă în orice caz de caracteristicile fazelor lor, care depind exclusiv de structura cristalină a materialului. Omogenitatea macroscopică a aliajelor heterogene (multifazice) se obține ca rezultat al distribuției uniforme a fazelor în matricea metalului.

Cea mai importantă proprietate a aliajelor este sudabilitatea. În rest, ele sunt identice cu metalele. Astfel, aliajele au conductivitate termică și electrică, plasticitate și reflexie (strălucire).

Varietăți de aliaje

Diferitele metode de obținere a aliajelor au permis unei persoane să inventeze un număr mare de materiale metalice cu proprietăți și caracteristici diferite. În funcție de scopul lor, ele sunt împărțite în următoarele grupuri:

• Structură (oțel, duraluminiu, fontă). Acest grup include aliaje cu proprietăți speciale. Astfel, ele diferă prin proprietăți intrinseci de siguranță sau antifricțiune. Acestea includ alamă și bronz.

• Pentru turnarea rulmenților (babbitt).

• Pentru echipamente electrice de încălzire și măsurare (nichrom, manganin).

• Pentru producerea de scule de tăiere (victorii).

În producție, oamenii folosesc alte tipuri de materiale metalice, cum ar fi aliajele cu temperatură scăzută de topire, rezistente la căldură, rezistente la coroziune și amorfe. De asemenea, sunt utilizate pe scară largă magneți și termoelectrice (teluride și selenide de bismut, plumb, antimoniu și altele).

Aliaje de fier

Practic, toate fierul produs pe Pământ este îndreptat spre producția de oțeluri aliate. Este de asemenea utilizat în producția de fontă. Aliajele de fier au câștigat popularitatea datorită faptului că au proprietăți utile pentru o persoană. Acestea au fost obținute prin adăugarea de componente diferite la un element chimic simplu. Astfel, în ciuda faptului că diferite aliaje de fier sunt fabricate pe baza unei singure substanțe, oțelul și fonta au proprietăți diferite. Din acest motiv, acestea găsesc diferite aplicații. Majoritatea oțelurilor este mai greu decât fonta. Diferitele metode de obținere a acestor metale permit obținerea diferitelor grade (mărci) ale acestor aliaje de fier.

Îmbunătățirea proprietăților aliajelor

Datorită fuziunii anumitor metale și a altor elemente chimice, este posibil să se obțină materiale cu caracteristici îmbunătățite. De exemplu, puterea de curgere Aluminiu pur este de 35 MPa. În fabricarea unui aliaj din acest metal cu cupru (1,6%), zinc (5,6%), magneziu (2,5%), această cifră depășește 500 MPa.

Datorită combinării diferitelor substanțe chimice în diferite rapoarte, este posibil să se obțină materiale metalice cu proprietăți magnetice, termice sau electrice îmbunătățite. Rolul principal în acest proces îl are structura aliajului, care este distribuția cristalelor sale și tipul de legături dintre atomi.

Oțel și fontă

Aceste aliaje sunt obținute prin compușii de fier și carbon (2%). În producția de materiale aliate se adaugă nichel, crom și vanadiu. Toate oțelurile convenționale sunt împărțite în tipuri:

• Carbonul cu conținut scăzut de carbon (0,25% carbon) este utilizat pentru fabricarea diferitelor structuri;

• Carbonul cu conținut ridicat de carbon (mai mult de 0,55%) este destinat producției de instrumente de tăiere.

Diferite clase de oțeluri aliate sunt utilizate în inginerie și alte produse.

Aliajul de fier cu carbon, procentul din care este de 2-4%, se numește fontă. Compoziția acestui material include siliciul. Fonta este turnată prin diferite produse care au proprietăți mecanice bune.

Metale neferoase

În plus față de fier, alte elemente chimice sunt utilizate pentru fabricarea diferitelor materiale metalice. Ca urmare a conectării lor, se produc aliaje neferoase. În viața oamenilor, materialele bazate pe:

• Cupru, numit alamă. Acestea conțin 5-45% zinc. Dacă conținutul său este de 5-20%, atunci alamă se numește roșu, iar dacă 20-36% - galben. Există aliaje de cupru cu siliciu, staniu, beriliu, aluminiu. Se numesc bronzuri. Există mai multe tipuri de astfel de aliaje.

• Plumb, care este un lipitor convențional (tractor). În acest aliaj, 1 parte din acest produs chimic este acoperit cu 2 părți de staniu. În producția de rulmenți se utilizează babbitt, care este un aliaj de plumb, staniu, arsen și antimoniu.

• Aluminiu, titan, magneziu și beriliu, care sunt aliaje de culoare deschisă, cu rezistență ridicată și proprietăți mecanice excelente.

Metode de obținere

Metodele fundamentale de obținere a metalelor și a aliajelor:

• Turnatorie, la care are loc solidificarea omogen diferite componente topite. Pentru obținerea aliajelor, se utilizează metode pyrometalurgice și electrometalurgice pentru obținerea metalelor. La prima variantă pentru încălzirea materiilor prime, utilizați energia termică primită în timpul arderii combustibilului. Metoda pyrometalurgică produce oțeluri în cuptoare cu vatră deschisă și fontă în furnale. În metoda electrometalurgică, materia primă este încălzită în cuptoare cu inducție sau cu arc electric. În același timp, materia primă este relaxată foarte repede.

• Pulbere, în care pulberea componentelor sale este utilizată pentru fabricarea aliajului. Datorită presării, ele au o anumită formă și apoi au sinterizat în cuptoare speciale.