1. МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ
Из всех известных в природе химических элементов около 70 являются металлами. Металлы — весьма распространённые элементы. В недрах земли, в водах рек, озёр, морей и океанов, в организмах животных и растений, даже в атмосфере — всюду есть металлы.
Самыми распространёнными металлами являются алюминий и железо. За ними следуют кальций, натрий, магний, калий. Есть металлы, содержание которых в земной коре исчисляется лишь миллионными (золото), миллиардными (радий) и ещё меньшими долями процента по отношению к общему весу земной коры.
В далёких глубинах земных недр количество металлов возрастает; здесь находятся главным образом такие металлы, как железо, кобальт, никель, титан, платина. Центральное ядро Земли, по современным предположениям учёных, составляют железо и никель с небольшой примесью кобальта, хрома и элементов-неметаллов — фосфора, углерода и серы.
В водах рек и морей содержатся самые различные металлы и всегда — натрий, калий, магний, кальций; они входят в состав солей, растворённых в воде. Хотя большинство металлов находится в морской воде в ничтожно малых концентрациях, однако общее количество металлов, рассеянных в водах всех морей и океанов Земли, довольно велико: миллионы тонн золота, десятки миллионов тонн серебра, ртути и т. д.
Много различных металлов — в виде соединений — есть в организмах животных и растений. Всегда встречаются в них кальций, калий, железо. Есть также медь, цинк, кадмий, литий и т. д., но количество их очень мало.
В окружающей Землю атмосфере всегда носятся мельчайшие кристалики морских солей и различные пылинки, в состав которых также входят металлы.
Металлы по своим свойствам сильно отличаются от других элементов, неметаллов. Двести лет назад М. В. Ломоносов впервые дал ясное понятие о том, что такое металл. Он писал: «Металлы — тела твёрдые, ковкие, блестящие». Это простое определение сохранило свой смысл и в настоящее время. Мы знаем, что все металлы имеют особый «металлический» блеск. Почти все металлы ковки и прочны. Металлы хорошо проводят тепло и электрический ток. Благодаря этим качествам они и получили самое разнообразное применение в технике и в быту. Вполне очевидно, что широкое использование того или иного металла в промышленных целях во многом зависит от того, насколько много этого металла в земной коре и насколько богаты им те или другие руды.
В земной коре лежат миллиарды тонн железа. Многие железные руды богаты железом. Металлурги используют сейчас руды, содержащие не менее 30% железа. Из каждой тонны такой руды можно выплавить примерно 300 килограммов металла. Поэтому железо — один из металлов, наиболее широко используемых в технике.
Медные и свинцовые руды обычно содержат 1—2% меди или свинца. Из каждой тонны таких руд можно добыть 10—20 килограммов металла.
В одной тонне золотоносной руды часто содержится в среднем лишь 5 граммов золота. В ещё меньших количествах встречаются в рудах такие металлы, как вольфрам, молибден, рений. Ясно, что ни золото, ни рений не могут быть использованы в промышленности так же широко, как, например, железо или медь.
Чистые металлы, то-есть металлы, не содержащие в себе никаких примесей, не обладают достаточна высокой прочностью и применяются сравнительно мало. В технике используются главным образом сплавы.
Сплавы — это сложные вещества. В состав сплава могут входить два или несколько химических элементов. Так, например, латунь — это сплав меди с цинком, обычная сталь — сложный сплав железа с углеродом и неизбежной примесью кремния, марганца, серы и фосфора.
Иногда самых незначительных примесей другого элемента достаточно, чтобы резко изменились свойства сплава. Так, если в стали содержится всего лишь около 0,2% углерода, то её прочность возрастает более чем в два раза по сравнению с чистым железом. Сплав алюминия с 4% меди, магния и марганца в 3—4 раза прочнее, чем чистый алюминий.Сплав всегда прочнее, чем чистые металлы, которые входят в его состав. Повышенная прочность сплавов имеет громадное практическое значение. Чем выше прочность сплава, тем меньше его надо для постройки той или другой машины, тем легче вес и меньше стоимость этой машины. Поэтому советские учёные непрерывно ведут поиски всё новых и новых высокопрочных сплавов.
Все металлы и сплавы, которые использует техника, делятся на два основных класса:
Первый класс — это чёрные металлы. К этому классу относятся железо и все железные сплавы, в которых железо составляет основную часть: чугуны и стали. Чугун — это железный сплав, который содержит больше 2% углерода и небольшие количества кремния, марганца, серы и фосфора. В стали углерода не более 2%.
При изготовлении специальных, так называемых легированных сталей и чугунов в сплав вводят хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий, кобальт, титан и другие металлы, иногда до 5—6 различных металлов. Таким путём получают различные ценные стали, которые обладают в одних случаях повышенной прочностью, в других — высоким сопротивлением истиранию, свойством не окисляться на воздухе, не разрушаться под действием кислот и других химических веществ и т. д.
Кроме того, к чёрным металлам относятся ферросплавы. Это — сплавы железа с марганцем (ферромарганец), с кремнием (ферросилиций), с хромом (феррохром), с титаном (ферротитан) и др. Эти сплавы содержат приблизительно от 15 до 60% специальных элементов, Ферросплавы нужны для изготовления сталей.
Второй класс — это цветные металлы. Названы они так потому, что имеют различную окраску. Медь, например, — светло красная, никель и олово — серебристо белые, цинк — светло серый, свинец — голубовато-белый, золото — жёлтое. К цветным металлам относятся и сплавы этих металлов: различные бронзы (сплавы меди с оловом и другими металлами, кроме цинка), латуни, баббиты (сплавы олова с сурьмой и медью) и другие.
Нужно отметить, что деление на чёрные и цветные металлы условно, так как и среди цветных металлов встречаются металлы более чёрные, чем «чёрные металлы», например некоторые свинцовые сплавы.
Цветные металлы, в свою очередь, можно разделить на четыре группы: тяжёлые, лёгкие, редкие и благородные металлы. К тяжёлым металлам относятся: медь, никель, свинец, олово, цинк, хром, марганец и их сплавы. Тяжёлыми их называют потому, что они имеют сравнительно высокий удельный вес (удельный вес — это вес одного кубического сантиметра вещества).
Лёгкие металлы стали известны сравнительно недавно: самый старший из них — бериллий — был открыт около полутораста лет назад. Алюминий и магний имеют сейчас исключительно важное промышленное значение. Без алюминиевых и магниевых сплавов трудно представить самолётостроение. Лёгкие алюминиевые сплавы нужны для автомобильной, машиностроительной промышленности, для судостроения.
Алюминий нередко называют металлом XX века. Он производится теперь в громадных количествах. А ведь лет 50 назад он считался драгоценным металлом; в 1899 году великий русский учёный Д. И. Менделеев во время своего пребывания в Лондоне получил от английских учёных подарок — весы, сделанные из золота и алюминия.
Таких металлов, как ванадий, цирконий, молибден, кобальт, теллур, вольфрам, очень мало в земной коре; в настоящее время не известно ни одной руды, тонна которой содержала бы их в количестве, большем, чем тысячные доли грамма. Поэтому они называются редкими
металлами. Правда, циркония и ванадия, например, в земной коре гораздо больше, чем хорошо всем известного свинца. Но цирконий и ванадий — более рассеянные элементы, и извлечение их из руд связано с громадными трудностями.
В современной технике значение редких металлов растёт с каждым годом. Они используются главным образом для производства легированных сталей и других ценных сплавов, необходимых для химической промышленности, электротехники, радиотехники и приборостроения.
Наконец, последняя группа цветных металлов — благородные металлы: серебро, золото, платина, рутений, палладий и некоторые другие. Эти металлы не окисляются на воздухе даже при повышенной температуре и не разрушаются при действии многих химических веществ. Используются они в приборостроении, в электроламповой промышленности, для изготовления химической аппаратуры и т. д. В настоящее время в технике применяются все имеющиеся в земной коре металлы.
Добавить комментарий