Применение металлов и их сплавов — урок. Химия, 8–9 класс.
О том, что свойства металлов меняются при их сплавлении, стало известно ещё в древности. \(5\) тысяч лет тому назад наши предки научились делать бронзу — сплав олова с медью. Бронза по твёрдости превосходит оба металла, входящие в её состав.
Свойства чистых металлов, как правило, не соответствуют необходимым требованиям, поэтому практически во всех сферах человеческой деятельности используют не чистые металлы, а их сплавы.
Сплав — это материал, который образуется в результате затвердения расплава двух или нескольких отдельных веществ.
В состав сплавов кроме металлов могут входить также неметаллы, например, такие как углерод или кремний.
Добавляя в определённом количестве примеси других металлов и неметаллов, можно получить многие тысячи материалов с самыми разнообразными свойствами, в том числе и такими, каких нет ни у одного из составляющих сплав элементов.
Сплав по сравнению с исходным металлом может быть:
- механически прочнее и твёрже,
- со значительно более высокой или низкой температурой плавления,
- устойчивее к коррозии,
- устойчивее к высоким температурам,
- практически не менять своих размеров при нагревании или охлаждении и т. д.
Например, чистое железо — сравнительно мягкий металл. При добавлении в железо углерода твёрдость его существенно возрастает. По количеству углерода, а следовательно, и по твёрдости, различают сталь (содержание углерода менее \(2\) % по массе), чугун (\(С\) — более \(2\) %). Но не только углерод изменяет свойства стали. Добавленный в сталь хром делает её нержавеющей, вольфрам делает сталь намного более твёрдой, добавка марганца делает сплав износостойким, а ванадия — прочным.
Применение сплавов в качестве конструкционных материалов
Сплавы, используемые для изготовления различных конструкций, должны быть прочными и легко обрабатываемыми.
В строительстве и в машиностроении наиболее широко используются сплавы железа и алюминия.
Такие сплавы железа, как стали, отличаются высокой прочностью и твёрдостью. Их можно ковать, прессовать, сваривать.
Чугуны используют для изготовления массивных и очень прочных деталей. Например, раньше из чугуна отливали радиаторы центрального отопления, канализационные трубы, до сих пор изготавливают котлы, перила и опоры мостов. Изделия из чугуна изготавливаются с применением литья.
Сплавы алюминия, используемые в конструкциях, наряду с прочностью должны отличаться лёгкостью. Дюралюминий, силумин — сплавы алюминия, они незаменимы в самолёто-, вагоно- и кораблестроении.
В некоторых узлах самолётов используются сплавы магния, очень лёгкие и жароустойчивые.
В ракетостроении применяют лёгкие и термостойкие сплавы на основе титана.
Для улучшения ударопрочности, коррозионной стойкости, износоустойчивости сплавы легируют — вводят специальные добавки. Добавка марганца делает сталь ударопрочной. Чтобы получить нержавеющую сталь, в состав сплава вводят хром.
| Конструкция из стальных балок | Радиаторы центрального отопления | Ажурные перила, отлитые из чугуна |
Инструментальные сплавы
Инструментальные сплавы предназначены для изготовления режущих инструментов, штампов и деталей точных механизмов. Такие сплавы должны быть износостойкими и прочными, причём при разогревании их прочность не должна существенно уменьшаться. Таким требованиям отвечают, например, нержавеющие стали, которые прошли специальную обработку (закалку).
Добавление к сплавам веществ, улучшающих их свойства, называют легированием.
Для придания необходимых свойств инструментальные стали, как правило, легируют вольфрамом, ванадием или хромом.
Применение сплавов в электротехнической промышленности, электронике и приборостроении
Сплавы служат незаменимым материалом при изготовлении особо чувствительных и высокоточных приборов, различного рода датчиков и преобразователей энергии.
Например, на изготовление сердечников трансформаторов и деталей реле идёт сплав никеля. Отдельные детали электромоторов изготавливаются из сплавов кобальта.
Сплав никеля с хромом — нихром, отличающийся высоким сопротивлением — используется для изготовления нагревательных элементов печей и бытовых электроприборов.
Из сплавов меди в электротехнической промышленности и в приборостроении наиболее широкое применение находят латуни и бронзы.
Латуни незаменимы при изготовлении приборов, деталью которых являются запорные краны. Такие приборы используются в сетях подачи газа и воды.
Бронзы идут на изготовление пружин и пружинящих контактов.
| Нагревательные элементы бытовых электроприборов | Запорные краны для водопроводов и газопроводов | Пружинящие контакты электрических розеток |
Применение легкоплавких сплавов
Главным востребованным свойством легкоплавких сплавов является заданная низкая температура плавления. Это свойство, в частности, используется для пайки микросхем. Кроме того, эти сплавы должны иметь определённую плотность, прочность на разрыв, химическую инертность, теплопроводность.
Легкоплавкие сплавы производят из висмута, свинца, кадмия, олова и других металлов. Такие сплавы используют в термодатчиках, термометрах, пожарной сигнализации, например, сплав Вуда. А также в литейном деле для производства выплавляемых моделей, для фиксации костей и протезирования в медицине.
Сплав натрия с калием (температура плавления \(–\)\(12,5\) °С) используется как теплоноситель для охлаждения ядерных реакторов.
| Припой (сплав для паяния) имеет невысокую температуру плавления | Легкоплавкие сплавы используются в литейном деле | Легкоплавкие сплавы незаменимы в датчиках пожарной сигнализации |
Применение сплавов в ювелирном деле
Применение в чистом виде драгоценных металлов в ювелирном деле не всегда оправдано и целесообразно из-за их дороговизны, физических и химических особенностей.
Для придания ювелирным изделиям из золота большей твёрдости и износостойкости используются сплавы с другими металлами.
Самая лучшая добавка — это серебро (понижает температуру плавления) и медь (повышает твёрдость). Чистое золото используют очень редко, так как оно слишком мягкое, легко деформируется и царапается.
Из сплавов золота с \(10–30\) % других благородных металлов (платины или палладия) изготавливают форсунки лабораторных приборов, а из сплава с \(25–30\) % серебра — ювелирные изделия и электрические контакты.
| Ювелирные изделия из сплавов золота | Позолоченные электрические контакты |
Сплавы в искусстве
Оловянная бронза (сплав меди с оловом) — один из первых освоенных человеком сплавов металлов. Она обладает большей, по сравнению с чистой медью, твёрдостью, прочностью и более легкоплавка. Бронзы успешно применяют для получения сложных по конфигурации отливок, включая художественное литьё. Классической маркой бронзы является колокольная бронза.Одно из новых направлений в искусстве — производство художественных литых изделий из чугуна. Литые изделия из чугуна существенно превосходят по качеству кованые изделия.
Чугун — металл гораздо более хрупкий и не такой ковкий, как сталь. Но даже из такого, казалось бы, грубого материала можно получать настоящие произведения литейного искусства способом литья, например, такие как литые лестницы или решётки на окна. Такие изделия подвержены лишь поверхностной коррозии и не требуют тщательного ухода.
Бронзовая скульптура
| Колокола отливают из специального сорта бронзы | Чугунная лестница. Практично и очень красиво |
www.yaklass.ru
| Металл (название происходит от лат. metallum — шахта) — один из классов элементов, которые, в отличие от неметаллов (и металлоидов), обладают характерными металлическими свойствами. Металлами являются большинство химических элементов (примерно 80 %). Самым распространенным металлом в земной коре является алюминий. | |
| Металлы — суть светлые тела, которые ковать можно. (Михаил Васильевич Ломоносов) | |
| Некоторые металлы | |
| Щелочные металлы: Литий, Натрий, Калий | |
| Щелочноземельные металлы: Бериллий, Магний, Кальций | |
| Переходные металлы: Железо, Платина | |
| Другие металлы: Алюминий, Свинец, Медь, Цинк | |
| Металлургия К черным металлам относят железо, марганец и хром. Все остальные — цветные. По физическим свойствам и назначению цветные металлы условно делят на тяжелые (медь, свинец, цинк, олово, никель) и легкие (алюминий, титан, магний). | |
| Большая часть металлов присутствует в природе в виде руд и соединений. Они образуют оксиды, сульфиды, карбонаты и другие химические вещества. Для получения чистых металлов и дальнейшего их применения необходимо выделить их из руд и провести очистку. При необходимости проводят легирование и другую обработку металлов. Изучением этого занимается наука металлургия. Металлургия различает руды черных металлов (на основе железа) и цветных (в их состав не входит железо, всего около 70 элементов). Исключением можно назвать около 16 элементов: т. н. благородные металлы (золото, серебро и др.), и некоторые другие (например, ртуть, медь), которые присутствуют без примесей. Золото, серебро и платина относятся также к драгоценным металлам. Кроме того, в малых количествах они присутствуют в морской воде, растениях, живых организмах (играя при этом важную роль). | |
| Характерные свойства металлов | |
| Физические свойства металла | |
| Все металлы (кроме ртути) тверды при нормальных условиях. Температуры плавления лежат в диапазоне от 39 °C (ртуть) до 3410 °C (вольфрам). В зависимости от их плотности, металлы делят на легкие (плотность 0,53 ч 5 г/смі) и тяжелые (5 ч 22,5 г/смі). Металлы тонут | |
| Механические свойства металла | |
| Это способность металлов подвергаться различным способам механической обработки. | |
| Микроскопическое строение металла | |
| Характерные свойства металлов можно понять, исходя из их внутреннего строения. Все они имеют слабую связь электронов внешнего энергетического уровня (другими словами, валентных электронов) с ядром. Благодаря этому созданная разность потенциалов в проводнике приводит к лавинообразному движению электронов (называемых электронами проводимости) в кристаллической решетке. Совокупность таких электронов часто называют электронным газом. Вклад в теплопроводность, помимо электронов, дают фононы (колебания решетки). Пластичность обусловлена малым энергетическим барьером для движения дислокаций и сдвига кристаллографических плоскостей. Твердость можно объяснить большим числом структурных дефектов (междоузельные атомы, вакансии и др.). Из-за легкой отдачи электронов возможно окисление металлов, что может приводить к коррозии и дальнейшей деградации свойств. Способность к окислению можно узнать по стандартному ряду активности металлов. Этот факт подтверждает необходимость использования металлов в комбинации с другими элементами (сплав, важнейшим из которых является сталь), их легирование и применение различных покрытий. Для более корректного описания электронных свойств металлов необходимо использовать квантовую механику. Во всех твердых телах с достаточной симметрией уровни энергии электронов отдельных атомов перекрываются и образуют разрешенные зоны, причем зона, образованная валентными электронами, называется валентной зоной. Слабая связь валентных электронов в металлах приводит к тому, что валентная зона в металлах получается очень широкой, и всех валентных электронов не хватает для ее полного заполнения. Принципиальная особенность такой частично заполненной зоны состоит в том, что даже при минимальном приложенном напряжении в образце начинается перестройка валентных электронов, т. е. течет электрический ток. Та же высокая подвижность электронов приводит и к высокой теплопроводности, а также к способности зеркально отражать электромагнитное излучение (что и придает металлам характерный блеск). | |
| Применение металлов | |
| Конструкционные материалы | |
| Металлы и их сплавы — один их главных конструкционных материалов современной цивилизации. Это определяется прежде всего их высокой прочностью, однородностью и непроницаемостью для жидкостей и газов. Кроме того, меняя рецептуру сплавов, можно менять их свойства в очень широких пределах. | |
| Электротехнические материалы | |
| Металлы используются как в качестве хороших проводников электричества (медь, алюминий), так и в качестве материалов с повышенным сопротивлением для резисторов и электронагревательных элементов (нихром и т. п.). | |
| Инструментальные материалы | |
| Металлы и их сплавы широко применяются для изготовления инструментов (их рабочей части). В основном это инструментальные стали и твердые сплавы. В качестве инструментальных материалов применяются также алмаз, нитрид бора, керамика. |
acrossteel.ru
Получение металлов и их применение
Несмотря на то что все чаще в промышленности и быту используются искусственно созданные материалы, отказаться от применения металлов пока не представляется возможным. Они обладают уникальным сочетанием свойств, а сплавы позволяют максимально использовать их потенциал. В каких областях происходит получение и применение металлов?
Характеристика группы элементов
Под металлами понимают совокупность неорганических химических веществ, обладающих характерными свойствами. Как правило, они включают следующее:
- высокая теплопроводность;
- пластичность, относительная легкость механической обработки;
- сравнительно высокая температура плавления;
- хорошая электропроводность;
- характерный «металлический» блеск;
- роль восстановителя в реакциях;
- высокая плотность.
Разумеется, не все элементы этой группы обладают всеми этими свойствами, например, ртуть при комнатной температуре жидкая, галлий плавится от тепла человеческих рук, а висмут вряд ли можно назвать пластичным. Но в общем и целом все эти черты прослеживаются в совокупности металлов.
Внутренняя классификация
Металлы условно делят на несколько категорий, каждая из которых объединяет элементы, наиболее близкие друг другу по различным параметрам. Различают следующие группы:
- щелочные — 6;
- щелочноземельные — 4;
- переходные — 38;
- легкие — 7;
- полуметаллы — 7;
- лантаноиды — 14+1;
- актиноиды — 14+1;
Вне групп остается еще два: бериллий и магний. Таким образом, на данный момент из всех открытых элементов 94 ученые относят к металлам.
Кроме того, стоит упомянуть, что есть и другие классификации. Согласно им, отдельно рассматриваются благородные, металлы платиновой группы, постпереходные, тугоплавкие, черные и цветные и т. д. Такой подход имеет смысл лишь при определенных целях, так что удобнее использовать общепринятую классификацию.
История получения
Человечество на протяжении всего своего развития было тесно связано с обработкой и использованием металлов. Помимо того что они оказались наиболее распространенными элементами, из них можно было изготавливать различные изделия лишь с помощью механической обработки. Поскольку навыков работы с рудой еще не было, сначала речь шла лишь об использовании самородков. Сначала это был мягкий металл, давший название медному веку, сменившему каменный. В этот период был разработан метод холодной ковки. В некоторых цивилизациях стала возможной выплавка. Постепенно люди освоили получение цветных металлов, таких как золото, серебро, олово.
Позднее на смену медному пришел бронзовый век. Он продлился примерно 20 тысячелетий и стал переломным моментом для человечества, поскольку именно в этот период стало возможным получать сплавы. Происходит постепенное развитие металлургии, совершенствуются способы получения металлов. Однако в 13-12 вв. до н. э. произошел так называемый бронзовый коллапс, который положил начало железному веку. Это предположительно произошло из-за истощения запасов олова. А свинец и ртуть, открытые в это время, не смогли стать заменой бронзе. Так что людям предстояло развивать получение металлов из руд.
Следующий период продлился относительно недолго — меньше тысячелетия, но оставил яркий след в истории. Несмотря на то что железо было известно гораздо раньше, оно почти не применялось из-за своих недостатков по сравнению с бронзой. Кроме того, последнюю было гораздо проще получить, в то время как выплавка руды была более трудоемким занятием. Все дело в том, что самородное железо встречается довольно редко, так что неудивительно, что отказ от бронзы происходил настолько медленно.
Значение навыков выделения металлов
По аналогии с тем, как предок человека впервые изготовил орудие труда, привязав острый камень к палке, переход к новому материалу оказался настолько же грандиозен. Основные преимущества металлических изделий состояли в том, что их было легче сделать, а также существовала возможность починки. Камень же не обладает пластичностью и ковкостью, так что любые орудия из него можно было сделать только заново, отремонтировать их не получалось.
Таким образом, именно переход к использованию металлов привел к дальнейшему совершенствованию орудий труда, появлению новых предметов быта, украшений, изготовить которые было ранее невозможно. Все это дало толчок техническому прогрессу и заложило фундамент для развития металлургии.
Современные методы
Если в древности людям было знакомо лишь получение металлов из руд, либо они могли довольствоваться самородками, то в настоящее время существуют и другие способы. Они стали возможными благодаря развитию химии. Таким образом, появилось два основных направления:
- Пирометаллургия. Она начала свое развитие раньше и связана с высокими температурами, необходимыми для обработки материала. Современные технологии в этой области позволяют также использование плазмы.
- Гидрометаллургия. Это направление занимается извлечением элементов из руд, отходов, концентратов и т. д. с помощью воды и химических реактивов. Например, крайне распространен способ, предполагающий получение металлов электролизом, также довольно популярен метод цементации.
Есть и еще одна интересная технология. Получение драгоценных металлов высокой чистоты и с минимальными потерями стало возможно именно благодаря ей. Речь об аффинаже. Этот процесс — один из видов рафинирования, то есть постепенного отделения примесей. Например, в случае с золотом используется насыщение расплава хлором, а платину растворяют в минеральных кислотах с последующим выделением реагентами.
Кстати, получение металлов электролизом чаще всего применяется, если выплавка или восстановление экономически невыгодны. Именно так происходит с алюминием и натрием. Есть и более инновационные технологии, делающие возможных получение цветных металлов даже из достаточно бедных руд без значительных затрат, но речь об этом пойдет чуть позднее.
О сплавах
Большая часть металлов, известных в древности, не всегда отвечала некоторым потребностям. Коррозия, недостаточная твердость, ломкость, хрупкость, недолговечность — у каждого элемента в чистом виде есть свои недостатки. Поэтому стало необходимо найти новые материалы, объединяющие в себе преимущества известных, то есть найти способы получения сплавов металлов. На сегодняшний день существует два основных метода:
- Литье. Расплав смешанных компонентов охлаждается и кристаллизуется. Именно этот способ позволил получить первые образцы сплавов: бронзу и латунь.
- Прессование. Смесь порошков подвергается высокому давлению, а потом спекается.
Дальнейшее совершенствование
В последние десятилетия наиболее перспективным кажется получение металлов с применением биотехнологий, в первую очередь с помощью бактерий. Уже стало возможным извлечение из сульфидного сырья меди, никеля, цинка, золота, урана. Ученые надеются подключить микроорганизмы к таким процессам, как выщелачивание, окисление, сорбции и осаждение. Кроме того, крайне актуальной является проблема очистки глубоких сточных вод, для нее тоже пытаются найти решение, предполагающее участие бактерий.
Применение
Без металлов и сплавов была бы невозможна жизнь в том виде, в котором она сейчас известна человечеству. Высотные дома, самолеты, посуда, зеркала, электроприборы, автомобили и многое другое существует лишь благодаря далекому переходу людей от камня к меди, бронзе и железу.
Из-за своей исключительной электро- и теплопроводности металлы используются в проводах и кабелях самого различного назначения. Золото применяется для изготовления неокисляемых контактов. Благодаря своей прочности и твердости металлы широко используются в строительстве и для получения самых разных конструкций. Еще одна область применения — инструментальная. Для изготовления рабочей, например, режущей части часто используются твердые сплавы и специальные виды стали. Наконец, благородные металлы высоко ценятся как материал для ювелирных изделий. Так что областей применения предостаточно.
Интересное о металлах и сплавах
Использование этих элементов настолько широко и имеет такую длинную историю, что неудивительно возникновение различных курьезных ситуаций. Их и просто пару любопытных фактов и стоит привести напоследок:
- До своего широкого распространения алюминий очень ценился. Столовые приборы, которыми при приеме гостей пользовался Наполеон III, были изготовлены именно из этого материала и были предметом гордости монарха.
- Название платины в переводе с испанского означает «серебришко». Такое нелестное имя элемент получил в связи с относительно высокой температурой плавления и, следовательно, невозможностью на протяжении долгого времени его применять.
- В чистом виде золото мягкое, и его легко можно поцарапать ногтем. Именно поэтому для изготовления украшений его сплавляют с серебром или медью.
- Существуют сплавы с любопытным свойством термоупругости, то есть эффектом «памяти» формы. При деформации и последующем нагревании они возвращаются к изначальному состоянию.
fb.ru
2 Область применения металлов
В настоящее время находят практическое применение почти все металлы или в чистом виде, или в виде сплавов друг с другом. Это применение целиком определяется теми или иными свойствами металлов и их сплавов. Область применения металлов очень широка.
Металлы и их сплавы – одни из главных конструкционных материалов современной цивилизации. Металлические конструкции на сегодняшний день используются фактически в каждом сооружении и здании, наверно ни одно здание не может обойтись без металлических конструкций, особенно если в конструкции нужны значительные пролеты, нагрузки, высота. [7]
Нужда в конструкциях из металла достаточно велика, фактически в каждом доме есть хоть часть, изготовленная из металла – это могут быть лестницы, каркас, крыша и так далее [1]. Это определяется, прежде всего, их высокой прочностью, однородностью и непроницаемостью дляжидкостейигазов. Кроме того, меняя рецептуру сплавов, можно менять их свойства в очень широких пределах.
Металлы используются и в качестве хороших проводников электричества (медь, алюминий), так и в качестве материалов с повышенным сопротивлением для резисторов и электронагревательных элементов (нихром).
Металлы и их сплавы широко применяются для изготовления инструментов (их рабочей части). В основном это инструментальные стали и твёрдые сплавы. В качестве инструментальных материалов применяются также алмаз, нитрид бора, керамика. [7]
Хорошо известно бактерицидное действие малых концентраций серебра на питьевую воду. При содержании ионов этого металла 10-30 мг на 1 т воды предотвращается рост бактерий и других микроорганизмов. При этом вкус воды не изменяется. Вот почему препараты на основе серебра все шире используются для стерилизации питьевой воды. В бытовые фильтры иногда помещают «посеребренный» активированный уголь, выделяющий в воду малые количества серебра и являющийся одновременно адсорбентом. [2]
Также металлы используются для ювелирных изделий, создания протезов, в автомобилестроении, авиации и во многих других отраслях для разнообразных целей.
3 Общие свойства металлов
Все металлы и сплавы характеризуются физическими, химическими, механическими и технологическими свойствами.
К физическим свойствам металлов относятся: цвет, удельный вес, температура плавления, электропроводность, теплопроводность, расширение металла при нагреве и магнитные свойства. Например, температура плавления сплавов имеет большое значение в литейном производстве.
К химическим свойствам металлов относятся: окисляемость, растворяемость и коррозийная стойкость. Все перечисленные свойства важны для выбора литейных сплавов, применяемых для отливок деталей, работающих в окислительных средах (колосниковые решетки печей, насосы для перекачивания кислот).
К механическим свойствам металлов относятся: прочность, твердость, упругость, вязкость и пластичность. Эти свойства металлов и сплавов имеют большое значение при использовании их в машиностроении.
Эксплуатационные свойства определяют в зависимости от условий работы машины специальными испытаниями. Одним из важнейших эксплуатационных свойств является износостойкость.
Износостойкость — свойство материала оказывать сопротивление износу, т. е. постепенному изменению размеров и формы тела вследствие разрушения поверхностного слоя изделия при трении. Испытание металлов на износ проводят на образцах в лабораторных условиях, а деталей — в условиях реальной эксплуатации. При испытаниях образцов моделируются условия трения, близкие к реальным. Величину износа образцов или деталей определяют различными способами: измерением размеров, взвешиванием образцов и другими методами.
К эксплуатационным свойствам следует также отнести хладостойкость, жаропрочность и антифрикционность.
Технологические
свойства характеризуются жидкотекучестью,
прокаливаемостью, ковкостью, свариваемостью
и обрабатываемостью резанием. Эти
свойства металлов и сплавов играют
важную роль в машиностроении.
К технологическим свойствам металлов относятся также литейные свойства металлов и сплавов, характеризующие способность их хорошо заполнять все очертания формы и образовывать плотные отливки при затвердевании. При недостаточной жидкотекучести в отливке, особенно в тонких ее частях, образуются спаи и недоливы. При склонности металлов и сплавов к большой усадке во время затвердевания (кристаллизации) появляются усадочные раковины и большие внутренние напряжения.
Все перечисленные свойства в необходимых случаях определяются испытанием металлов и сплавов в лабораториях с помощью специальных приборов и установок. [3]
studfiles.net
Применение металлов и сплавов | Химическая энциклопедия
Карбид вольфрама WC — очень твердое и химически инертное вещество, температура плавления которого составляет около 2800 °С. Оно используется для производства сверхтвердого сплава — победита, состоящего из карбидов вольфрама и кобальта. Из этого сплава производят наконечники сверл для сверления твердых материалов (победитовые сверла).
Нихром благодаря высокой жаростойкости применяют для изготовления электрических нагревательных элементов. Из-за высокой твердости некоторые виды бронзы используются в приборостроении. Из бронзы делают художественные отливки (памятники, барельефы и др.). Невозможно представить себе современные высокотехнологичные производства без металлов и их сплавов: изготовление микросхем, оптических приборов, электроники (промышленной и бытовой). Соединения металлов широко используются также во многих других технологических процессах. Рассмотрим некоторые области применения металлов, сплавов и соединений металлов.
Области применения металлов:
1. Ядерная энергетика (U).
2. Производство осветительных приборов (W, Mo).
3. Медицина (протезы) (Ti, Ni, Au).
4. Легирующие добавки для стали (W, Mo, Ni, Cr, V).
5. Ювелирные изделия (Au, Ag, Cu).
6. Защита от коррозии (Ni, Cr).
7. Автомобильный, авиационный, железнодорожный транспорт (Fe, Al, Ti).
8. Строительство (конструкционные материалы) (Fe).
9. Катализаторы (Pt, Fe, Ni и др.).
10. Электротехническая промышленность (Cu, Al).
Хорошо известно бактерицидное действие малых концентраций серебра на питьевую воду. При содержании ионов этого металла 10—30 мг на 1 т воды предотвращается рост бактерий и других микроорганизмов. При этом вкус воды не изменяется. Вот почему препараты на основе серебра все шире используются для стерилизации питьевой воды. В бытовые фильтры иногда помещают «посеребренный» активированный уголь, выделяющий в воду малые количества серебра и являющийся одновременно адсорбентом. Вам необходимо включить JavaScript, чтобы проголосовать
abouthist.net
Сплавы металлов и их применение
В настоящее время находят практическое применение почти все металлы или в чистом виде, или в виде сплавов друг с другом. Это применение целиком определяется теми или иными свойствами металлов и их сплавов. Ниже приводится краткий перечень металлов и их сплавов, которые находят наиболее широкое применение или обладают особо ценными свойствами. Наиболее широко применяется железо и алюминий, а также их сплавы (см. часть IX и часть X).
Медь. Чистая медь благодаря большой электропроводности, уступающей только серебру, широко применяется для изготовления электрических проводов и радиотехнической аппаратуры. Тонкие провода изготовляются из бес кислородной меди (кислорода не более 0,02%), так как кислород сообщает меди хрупкость. Иногда к электротехнической меди в небольших количествах добавляют некоторые металлы, повышающие ее прочность, но не снижающие электропроводности, например кадмий (до 1%).
Сплавы меди с цинком называются латунями, а с другими металлами называются бронзами.
Алюминиевые бронзы (5—11% А1) обладают высокой коррозионной стойкостью и золотистым блеском. Они идут на изготовление лент, пружин, шестерен и художественных изделий. Кремнистые бронзы (4—5% Si) обладают высокими механическими и антикоррозионными свойствами. Они применяются в химической промышленности для изготовления сеток,’ проводов, трубопроводов. Берил-лиевые бронзы (1,8—2,3% Be) способны при быстром охлаждении с 800° принимать закалку и становятся твердыми и упругими, как сталь. Их применяют главным образом при изготовлении часовых механизмов и в точной механике. Большинство бронз имеет сложный состав и являются трех- или четырех компонентными сплавами.
Сплавы меди, содержащие до 10% цинка, называются томпаком; при большем содержании цинка (10—40%) — латунью. Томпак и латунь хорошо прокатываются и обрабатываются штамповкой и прессованием. Они применяются для изготовления листов, труб, патронных гильз и различной арматуры (краны, вентили и др.). Добавление в латунь олова резко улучшает ее коррозионную стойкость («морская» латунь).
Сплавы меди с никелем (иногда с добавлением цинка) обладают значительным сопротивлением. Некоторые из них, например мельхиор, применяются для изготовления предметов домашнего обихода. К этим сплавам относятся: манганин — 85% Си, 12% Мп, 3% N; нейзильбер — 65% Си, 20% Z, 15% N; константан — 59% Си, 40% N, 1% Мп; мельхиор — 80% Си, 20% N.
Цинк. Чистый цинк благодаря высокой коррозионной стойкости используется главным образом для цинкования железа (горячим или электролитическим способом). Значительная часть его расходуется на производство сплавов, главным образом с медью.
Ртуть, являющаяся при обычных условиях единственным жидким металлом, применяется в электротехнической промышленности для изготовления ртутных выпрямителей, ртутных прерывателей и для изготовления термометров.
Германий в чистом виде почти не имеет собственных носителей электрического тока (электронов), и в этом отношении он близок к неметаллам. Обладая полупроводниковыми свойствами, он применяется в электро- и радиотехнике для устройства электрических выпрямителей. Пластинка германия размером в несколько миллиметров заменяет радиолампу.
Олово благодаря высокой коррозионной стойкости применяется для лужения железа. Используют его для приготовления подшипниковых и легкоплавких сплавов.
Свинец в большом количестве идет на изготовление оболочек кабелей (примесей не больше 0,08—0,14%), подшипниковых сплавов, пластин аккумуляторов, применяется также в ядерной технике и на покрытие поверхности аппаратов в химической промышленности.
Титан и цирконий относятся к сравнительно легким металлам, обладающим высокой коррозионной стойкостью. По прочности они не уступают стали. До последнего времени титан относился к редким металлам, так как не было удовлетворительных способов получения его в чистом виде. Механической обработке поддается только чистый титан. Применяется он главным образом в самолетостроении, заменяя дуралюминий, который при сверхзвуковых скоростях самолетов благодаря нагреву начинает терять механические свойства. Весьма перспективно применение титана в морском деле — длительные (десятилетние) опыты показали, что он практически не подвергаем ся коррозии в морской воде.
Цирконий дороже титана. Он нашел применение в устройстве атомных реакторов в качестве коррозионностойкого материала, почти не задерживающего медленных нейтронов. Цирконий в нагретом состоянии весьма активен по отношению к кислороду, водороду, азоту и другим газам. Поэтому его применяют в качестве геттера — вещества, поглощающего газы. С этой целью из циркония делают держатели для вольфрамовых нитей радиоламп.
Ниобий и тантал обладают весьма высокой коррозионной стойкостью. Практически в кислотах, в том числе в смеси соляной и азотной кислот, за исключением плавиковой, они не растворяются. Эти металлы, особенно тантал, находят применение в химической промышленности для замены платины при работе с агрессивными средами. Благодаря высокой теплопроводности, превосходящей таковую железа в 17 раз, тантал весьма пригоден для устройства теплообменников. При одинаковой конструкции и производительности теплообменник из тантала меньше железного примерно в 17 раз. Широкому применению тантала еще мешает его высокая стоимость.
Хром благодаря своей высокой коррозионной стойкости и стойкости против истирания применяется для получения защитных покрытий на железе и меди. Изделия из хрома не изготовляются вследствие его хрупкости. Он входит в состав различных сплавов с железом.
Молибден и вольфрам являются самыми тугоплавкими металлами. Они применяются в виде проволок (особенно вольфрам) при изготовлении нитей накаливания электроламп, высокотемпературных печей. Печи с вольфрамовой обмоткой развивают температуру до 2000—2500°. Благодаря большому сродству вольфрама с кислородом при высоких температурах обмотка должна находиться в восстановительной атмосфере, например водорода. В значительных количествах порошкообразный вольфрам идет на изготовление твердых сплавов на основе карбида вольфрама WC. Порошок карбида смешивается с порошком кобальта, и эта смесь прокаливается под давлением в атмосфере водорода. Получающийся материал (победит) идет на изготовление резцов, которые по сравнению со стальными резцами позволяют увеличить скорость обработки металлов примерно в 200 раз.
Применение металла в промышленности
Применение металла в промышленности
Металл является одним из самых необходимых материалов в промышленности, строительстве, сельском хозяйстве и иных видах жизнедеятельности человека. Несмотря на то, что сегодня все более популярным материалом становится пластик, трубы из него могут использоваться только в помещениях, а конструкции, проходящие под землей, можно изготавливать только из металла.
Чаще всего в промышленности и строительстве используются не чистые металлы, а их сплавы, в основе которых лежит какой-либо элемент и разнообразные добавки, улучшающие его качества – надежность, прочность и т.д. Самыми распространенными сплавами являются сталь, чугун, а также материалы, в основе которых лежит медь и алюминий.
Сталь является самым востребованным металлом. Подобный вывод можно сделать, проанализировав ежегодные объемы производства того или иного металла. В большинстве случаев, сталь представляет собой сплав железа с углеродом, количество которого достигает двух процентов. Сплавы стали подразделяются на несколько видов: малоуглеродистые, уровень углерода в которых не превышает 0,25%, высокоуглеродистые с содержанием углерода свыше 0,55% и легированные, дополненные никелем, хромом, ванадием. Для того чтобы значение стали в жизни человека стало для вас более явным, попробуйте вспомнить все металлические предметы, которые вы использовали за день, — ножи, бритву и т.д. все они изготовлены из стали.
На втором месте по объему производства находится чугун, который также представляет собой сплав железа и углерода. Только в отличие от стали, количество последнего в чугуне несколько больше. Для придания сплаву прочности в чугун добавляется кремний. Особенно широкое распространение чугун получил в строительстве: он используется для изготовления трубопроводной арматуры, крышек люков и других элементов, основным требованием которых является прочность. Кроме этого, из чугуна производится и некоторая посуда: так, в советское время у каждой хозяйки на кухне была сковорода из чугуна.
Хотя сплавы из алюминия не так распространены, как материалы, названные выше, некоторые их достоинства делают их незаменимыми для некоторых операций. Прежде всего, сплавы из алюминия отличает экономичность, легкость в обработке и другом использовании, а также легкодоступность. Такие сплавы без труда поддаются ковке, сварке, штампованию и другим подобным операциям, а также хорошо поддаются обработке на металлорежущих станках.
Использование алюминиевых сплавов ограничено лишь тем, что при высоких температурах они теряют ряд своих свойств. Так, температура двести градусов по Цельсию уже является для них высокой, между тем, как термоустойчивость – это очень важное свойство металла. К достоинствам алюминиевых сплавов относится их безвредность и экологичность, благодаря чему их можно использовать даже для хранения и перевозки пищевых продуктов, стойкость к появлению коррозии, высокая отражательная способность, а также немагнитность. Наиболее часто алюминиевые сплавы применяются в пищевой промышленности и машиностроении. Кроме этого, они необходимы для создания высоковольтных линий и изготовления некоторых архитектурно-отделочных материалов.
Большинство крупных машиностроительных и других промышленных предприятий, а также строительных фирм не работает непосредственно с металлом, покупает необходимый для их производства металлопрокат, изготовляемый металлургическими заводами, согласно ГОСТам или по индивидуальным чертежам заказчика.
Ответ.
Роль металлов в современной технике очень велика. Они широко используются во многих областях народного хозяйства, в т.ч. в тяжёлой отрасли промышленности, станкостроение, в производстве машин и механизмов, в авиационной и автомобильной отраслях промышленности, в космической технике. Наиболее широкое применение имеют железо и алюминий.
Применение алюминия
1.При получение лёгких сплавов (дюралюминий- в авиа-и ракетостроении, в строительстве).
2. В металлургии˸ для восстановления металлов из их оксидов ( алюминотермия).
3. При изготовлении электрических проводов и кабелей ( легче, чем провода из меди).
4.В производстве бытовых предметов.
Применение железа
1.При изготовлении электромагнитов, трансформаторов, электромоторов, мембран микрофонов ( благодаря способности в быстрому намагничиванию и размагничиванию).
2.Основная масса железа используется в виде железоуглеродистых сплавов – чугуна и стали, широко используемых в промышленности.
Применение меди
1.При изготовлении электрических проводов и кабелей ( хороший проводник тока).
2. Как компонент сплавов ( латуней, бронзы и др.).
Применение цинка
1.Как антикоррозионное покрытие от электрохимической коррозии ( благодаря химической активности).
2. Получение технически важных ( высокопластичных) сплавов˸ с Cu ( латуни), с AI и Ni.
3.Производство гальванических элементов ( цинковоугольных).
Применение титана
1.При получении сплавов (титан и ᴇᴦο сплавы обладают большой легкостью, прочностью , термической и коррозионной устойчивостью).
2.В авиа- и ракетостроении ,при строительстве подводных лодок.
3.В морском судостроении для изготовлении обшивки корпусов судов ,обладающих высокой прочностью и стойкостью в морской воде.
4.Как конструкционный материал при изготовлении оборудования для химической ,текстильной и бумажной отраслей промышленности.
Применение хрома
1.В производстве высококачественных твердых сталей (феррохром).
2.При изготовлении металлорежущих инструментов.
3.Как компонент нержавеющих сталей и сплавов.
4.Как антикоррозионное покрытие (хромирование стальных изделий для предотвращения коррозии).
Применение никеля
1.Как компонент легированных сталей ,а так же жаростойких ,сверхтвердых антикоррозионных и других сплавов.
2.Никелирование поверхностей предметов (от коррозии).
3.Как конструкционный материал при изготовлении химической аппаратурой и ядерных реакторов.
Вопрос 3.Сколько литров кислорода и воздуха нужно для полного сгорания 100 л смеси ,состоящий из 10 % метана , 20% пропана и 70% оксида углерода (II)?
Ответ.
Дано˸ Найти˸
V(смеси)= 100 л, V (O2) = ?
ω (Ch5 )= 10 %, V (возд.)= ?
ω (C3 H8)= 20%,
ω (CO) = 70%.
Решение
V (Ch5) = 100 *10 /100 = 10 л,
V (C3 H8) =100*20/100= 20 л,
V (CO) = 100*70/100= 70 л.
10 л Х1 л
Ch5 + 2O2 = CO2 ↑+2h3O.
V ˸ 1 моль 2 моль
V˸ 22,4 л 44,8 л
20 л X2 л
C3H8 + 5O2= 3CO2↑+ 4h3O.
1. подготовка произ-ва
2. собственно произ-во изделия
Под технологической обработкой понимается комплекс следующих работ:
1. Анализ технологичности конструкции нового изделия.
— контроль чертежей
— анализ возможностей изготовления нов. изделия средствами существующего произ-ва
2. Анализ сертификации.
— составление ведомости покупных, заимствованных и оригинальных деталей
3. Составление расцеховки изделия.
— Т.е. перечень цехов, ч\з которые должен пройти заказ
— определяется загрузка каждого цеха и требуемое расширение мощности
4. Проектирование технологического процесса, изготовление и сборка изделий.
5. Анализ средств технологич. оснащения:
— закупка на стороне нового оборудования
— использование существующих средств и их обработка
— инструменты
— проектирование изготовления новых средств оснащения.
6. Доработка изготовлен. спец. средств тех. оснащения.
7. Разработка новой планировки участков и цехов.
8. Отладка технологии и оснащения на опытной партии изделия.
Подсчитывается акт о сдаче пр-ва в технологическую эксплуатацию. Подготовка занимает от 1 до 7 лет, сейчас сокращают от 1до 5. Подготовку ограничивает НТП. Подготовка использует автоматизацию.
№9. Свойства металлов и сплавов, применяемых в машиностроении.
МЕХАНИЧЕСКИЕСВ-ВА – хар-ют способность материалов находиться под нагрузкой не разрушаясь и вместе с тем деформироваться (изменять форму и размеры). Внешняя нагрузка вызывает в тв. теле напряжение и деформацию.
Деформация – нагрузка, сила, отнесенная к единице сечения.
Напряжение – изменение размеров и формы тела под давлением приложенных сил (внешних).
Различают упругую дефформацию (исчезает после снятия нагрузки), пластичную (деформация остается после снятия нагрузки).
Колличественные значения механических свойств определяют в процессе испытаний на специальных разрывных машинах.
Прочность – способность тв. тела сопротивляться деформации и разрушению под действием внешних сил.
— предел прочности sв=Рмах/F0.знаменатель – исходное поперечное сечение, имер. Н/м2 или Мпа.
— Предел текучести sт=Рт/ F0.
Пластичность – способность материала получать остаточное изменение формы и размеров без разрушения.
Показатели:
Относительное удлинение
Относительное сужение
Для стали sт=650МПа-низкая,650-1300-средняя,1300-1400-высокая прочность. Для алюминия dв=200-400 –средняя, для танталовых dв=800.
Твердость – способность материала сопротивляться проникновению другого тела.
Твердость по Бринеллю (НВ) – определяется путем вдавливания стального шарика под нагрузкой в поверхность испытуемого материала. После снятия нагрузки остается луночка, и по размеру луночки судят о твердости. Для стали НВ=150-200- средняя твердость.
Твердость по Роквеллу – в материал вдавливается алмазный конус, после вдавливания остается отпечаток. Угол конуса равен 1360 и вдавливают с разной силой (шкалы А, В, С, но используют шкалы А и С).
По шкале С оценивают твердость закаленных материалов HRC 20-70 среднее значение 45. По шкале А оценивают твердость тонких менее прочных инструментальных материалов HRA 70-85.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА.
Коэффициент линейного расширения, электропроводность, теплопроводность, окисление, намагничиваемость, удельная теплота плавления, коэффициент трения (возникает благодаря силам взаимодействия между молекулами и атомами соприкасающихся тел).
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА.
Определяют способность материала подвергаться различным методам холодной и горячей обработки.
Жидкотекучесть – способность сплава наполнять форму.
Усадка – сокращение размеров и объема после остывания.
Ковкость – способность материала деформироваться при невысоком сопротивлении и принимать нужную форму без разрушения.
Сваривание – способность металлов образовывать прочные соединения при совместном расплавлении.
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА.
Определяет долговечность материалов машине.
Хладноломкость – способность работать при минусовых температурах.
Жаростойкость – способность работать при высоких температурах.
Износостойкость – способность сопротивляться истиранию в процессе трения деталей друг о друга.
Циклическая прочность – вал разрушается при нагрузке в 3 и 5 раз меньше, чем в статическом состоянии.
№10. Черные металлы (чугуны и стали), Сортамент, основные виды, марки материалов.
Черными металлами является железо и его сплавы. На долю черных металлов приходится 95% мировой металлопродукции.
Марки:
Чугун Fe+C (3-4,5%).
В его состав могут входить полезные Mn & Si и плохие составляющие S & P (вместе с коксом). Чугун делят на группы:
Серый чугун. (технический): СЧ32, где прочность -sв=32 кг/м2. Используют для изготовления рам и станин машин.
Ковкий чугун. (более прочный): КЧ17-32 соответственно прочность-sв и пластичность -d. Изготовляют крупные детали, работающих при динамичной нагрузке: маховики паровых машин.
Высокопрочный жаростойкий чугун (300-400оС): ЧС5 (Si – 5% придает высокую термостойкость)
Сталь – деформируемый ковкий сплав Fe+C (до 2%). Различают по химическому составу:
Углеродистые стали. (Mn 1%, Si 0.45%).
1.Углеродистая сталь обыкновенного качества: Ст0 до Ст6 (7 марок), наиболее известная Ст3, по мере увеличения цифры увеличивается содержание углерода и прочность-sв. Из нее изготавливают прокат:
magictemple.ru
Роль металлов в истории человечества. Применение металлов и сплавов
Тема: Вещества и их превращения
Урок: Роль металлов в истории человечества. Применение металлов и сплавов
Металлы были известны человеку с древних времен, однако, их они не нашли применения, пока их не научились обрабатывать. В истории развития человечества по длительности и интенсивности использования соответствующих материалов выделяют каменный, медный, бронзовый и железный века:
Обратите внимание, медь – первый металл, который стали использовать для изготовления орудий труда и оружия. Почему медь, а не железо? Ведь железо гораздо более распространенный в природе металл, чем медь (массовая доля железа на Земле 4,1%, а меди – 0,005%).
Рис. 1. Распространенность меди и железа в земной коре (массовые проценты)
Объясняется это двумя факторами. Во-первых, железо встречается в природе в самородном состоянии крайне редко, в отличие от меди. Слово «железо» в переводе с древнегреческого означает «звездный». В чистом виде железо в природе встречается в составе осколков метеоритов. Во-вторых, медь можно легко получить из медной руды.
Если смешать черный порошок оксида меди (II) с углем и нагреть пробирку в пламени спиртовки, то через некоторое время цвет порошка станет красным, т.е. образуется медь.
Легко представить, как древние люди на костре могли получить медь из медной руды.
Следующий период в истории человечества – бронзовый век. Бронза – это сплав меди с оловом. Бронза имеет ряд преимуществ перед медью, она тверже и прочнее.
С середины I тысячелетия до н.э. человек научился добывать железо из руды. Наступил железный век.
Благодаря металлам, производительность труда настолько возросла, что позволила высвободить одних людей для управления государством, других – для занятия ремеслом, литературой, искусством. Использование человеком металлов можно считать условием, предопределившим становление цивилизации.
Золото и серебро тоже издавна использовались человеком. Эти металлы использовали как эквиваленты обмена. Золото определяло могущество и власть.
Какие же свойства металлов позволяют их широко использовать? Это физические свойства металлов (пластичность, прочность, тепло- и электропроводность) и химические свойства (неспособность многих металлов взаимодействовать с окружающей средой).
В чистом виде металлы используют редко, чаще применяют сплавы металлов.
На данном этапе развития цивилизации наиболее широко применяемый металл – железо. Твердость чистого железа невелика, поэтому используют его сплавы, как правило с углеродом: чугуны (содержание углерода более 2% по массе) и стали (С – менее 2%).
Рис. 2. Сплавы железа с углеродом: чугун и сталь
Чтобы железо не подвергалось ржавлению при контакте с кислородом воздуха и водой, на его поверхность наносят слой другого металла, например цинка. Оцинкованным железом покрывают крыши домов, из него изготавливают кузов автомобиля.
Медь в чистом виде используют в тепло- и электротехнике. Например, из нее изготавливают электропровода. В основном, применяют сплавы меди – латунь и бронзу. Латунь – сплав меди с цинком. Ее используют в машиностроении и производстве бытовых товаров. Бронза, как уже было сказано, — сплав меди с оловом. Из нее делают водопроводные краны, различные детали механизмов, например часов, памятники, монументы.
Применение алюминия основано на его легкости, высокой электропроводности и химической стойкости. Его поверхность покрыта слоем прочной оксидной пленки, которая защищает металл от взаимодействия с окружающей средой. Недостаток алюминия – его мягкость. Поэтому чаще используют его сплавы с медью, магнием и марганцем. Такие сплавы называют дюралюминами. Дюралюмины используются в самолето- и автомобилестроении.
Рис. 3. Использование дюралюминия
Список рекомендованной литературы
1. Емельянова Е.О., Иодко А.Г. Организация познавательной деятельности учащихся на уроках химии в 8-9 классах. Опорные конспекты с практическими заданиями, тестами: Часть II. – М.: Школьная Пресса, 2002. (с.110-113)
2. Ушакова О.В. Рабочая тетрадь по химии: 8-й кл.: к учебнику П.А. Оржековского и др. «Химия. 8 класс» / О.В. Ушакова, П.И. Беспалов, П.А. Оржековский; под. ред. проф. П.А. Оржековского — М.: АСТ: Астрель: Профиздат, 2006. (с. 56-59)
3. Химия. 8 класс. Учеб. для общеобр. учреждений / П.А. Оржековский, Л.М. Мещерякова, М.М. Шалашова. – М.:Астрель, 2012. (§19)
4. Химия: 8-й класс: учеб. для общеобр. учреждений / П.А. Оржековский, Л.М. Мещерякова, Л.С. Понтак. М.: АСТ: Астрель, 2005. (§§22,23)
5. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия / Глав. ред.В.А. Володин, вед. науч. ред. И. Леенсон. – М.: Аванта+, 2003.
Дополнительные веб-ресурсы
1. Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов (Источник).
2. Тесты по химии (онлайн) (Источник).
3. Химические наука и образование в России (Источник).
Домашнее задание
с. 56-59 №№ 2, 3, 5, 6 из Рабочей тетради по химии: 8-й кл.: к учебнику П.А. Оржековского и др. «Химия. 8 класс» / О.В. Ушакова, П.И. Беспалов, П.А. Оржековский; под. ред. проф. П.А. Оржековского — М.: АСТ: Астрель: Профиздат, 2006.
interneturok.ru