Реферат на тему химия металлов в моей профессиональной деятельности

Обновлено: 04.07.2024

Металл (название происходит от лат. metallum - шахта) - один из классов элементов, которые, в отличие от неметаллов (и металлоидов), обладают характерными металлическими свойствами. Металлами является большинство химических элементов (примерно 80 %). Самым распространенным металлом в земной коре является алюминий.

Содержание работы

1.Общие сведенья
2.применение металлов
3. Молибден и вольфрам
4. Металл уран
5. Металл хром
6. селен
7. Металл никель
8.Интересные факты

Файлы: 1 файл

Реферат по химии на тему применение металлов.doc

Реферат по химии на тему применение металлов.

Выполнил Никита Мамонов

1.Общие сведенья

2.применение металлов

3. Молибден и вольфрам

4. Металл уран

5. Металл хром

6. селен

7. Металл никель

8.Интересные факты

Общие сведенья

Металлы - суть светлые тела, которые ковать можно. (Михаил Васильевич Ломоносов)

Характерные свойства металлов: Металлический блеск , хорошая электропроводность , Возможность легкой механической обработки (например, пластичность) , Высокая плотность , Высокая температура плавления , Большая теплопроводность

Физические свойства металлов:

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

Применение металлов.

Применение чистых металлов в промышленности крайне ограничено. Это объясняется тем, что чистые металлы не всегда экономически выгодны. Обладая высокой пластичностью, они имеют низкую прочность и твердость. Многие металлы имеют высокую электропроводность, но с повышением температуры электропроводность их падает.

Современная техника все чаще требует применения чистых металлов и металлов в монокристаллической форме. Они обладают характерными и несколько лучшими механическими и другими свойствами. Из монокристаллического металла уже изготовлены, например, опытные образцы лопастей турбин. В Дрездене и Фрайберге ученые постоянно работают над дальнейшим развитием методов получения металлов высокой чистоты и определенной структуры.

А теперь давайте поподробнее познакомимся, где применяются металлы.

Конструкционные металлы

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.

А теперь познакомимся с некоторыми чистыми металлами поближе.

Молибден и вольфрам

Молибден(tпл=2615 °С) и вольфрам (tпл=3410 °С) — одни из самых тугоплавких простых веществ. Свойственная этим металлам высокая твёрдость в сочетании с жаропрочностью делает их незаменимыми в производстве высокотемпературных конструкционных материалов. Недаром именно из вольфрама изготовляют нити накаливания электроламп (нить разогревается выше 2500 °С) и катоды рентгеновских трубок, а сплав молибдена и титана может эксплуатироваться при температурах вплоть до 1500 °С. Особой твёрдостью обладают сплавы на основе карбида вольфрама WC. Из них выполняют режущие части инструментов, свёрла.
Молибден и вольфрам химически гораздо менее активны, чем хром. Кислоты и щёлочи на них практически не действуют. Исключение — горячая дымящая азотная кислота, которая медленно окисляет эти металлы.

Металл уран

Металл уран - серебристый металл, тугоплавкий. Из всех представителей семейства актинидов наибольшее практическое значение имеет именно этот металл. Одно время, на заре ядерных исследований, XX век называли даже веком урана. По внешнему виду металл уран напоминает сталь: легко поддаётся ковке, полировке, прокатке, тугоплавок (tпл=1130 °С). Уран — плохой проводник тепла и электричества: его теплопроводность в 13 раз меньше теплопроводности меди.
Металл уран легко растворяется в азотной кислоте с образованием жёлтого раствора нитрата уранила (нитрата диоксоурана) UO2(NO3)2, в котором уран находится в высшей степени окисления +6. Данное вещество может быть получено также при растворении в кислоте оксида урана (VI). Светло-жёлтый гидроксид уранила UO2(OH)7, называемый иногда урановой кислотой, проявляет свойства амфотерного соединения. При растворении его в кислотах образуются соли уранила: UO2(OH)2+2HCl=UO2Cl2+2Н2О, а при действии щелочей получаются уранаты — соли урановой кислоты:
2UO2(NO3)2 + 6NH3•Н2О= (NH4)2U2O7+3Н2О+4NH4NO3

Уран в земной коре содержится в больших количествах (2•10-4%), чем кадмий, серебро, ртуть и висмут.
Простейший минерал — уранинит UO2+x, Это диоксид урана, подвергшийся частичному окислению кислородом воздуха либо кислородом, выделившимся в результате перестройки структуры оксида UO2 при радиоактивном превращении металлического урана в металлический свинец: при этом образуется оксид свинца PbО, а избыточный кислород, выделяющийся в свободном виде, окисляет уран. Урановая руда считается богатой, если содержит от 0,5 до 1% урана. На заводах по переработке урановых руд уранинит обогащают, а затем отделяют уран от примесей и выделяют в виде оксида UO2.
Для получения металла урана диоксид переводят в тетрафторид:
UO2+4HF=UF4+2H>2O и потом восстанавливают металлотермические: UF4+2Mg = t°U+2MgF2

Ядерное топливо
Природный уран представляет собой смесь трёх изотопов: 235U (0,72%), 238U (99,274%) и 234U (0,006%). Для нужд ядерной техники часто необходим уран, обогащённый изотопом 235U

Металл хром

селен

Этот металл, очень похожий по своим свойствам на теллур.

Элемент селен (Se) - используется в копировальных аппаратах, а также в полупроводниковых приборах — диодах, фоторезисторах.

В организме человека содержится около 14 мг селена. Селен относится к числу важных микроэлементов — стимулирует синтез серосодержащих аминокислот, входит в состав фермента глутатионпероксидазы, предохраняющего гемоглобин крови от окисления пероксидами. Недостаток селена в организме человека приводит к ослаблению его иммунной защиты (больше всего селена — около 0,2 — 0,3 мг/кг — содержится в мясе и твороге).
Ещё селен интересен тем, что образует и селеновую кислоту H2SeO4. Селеновая кислота по свойствам во многом близкая серной кислоте. Однако, селеновая кислота H7SeO4 — ещё более энергичный окислитель, способный растворять даже золото: 2Au+6H2SeO4=Au2(SeO4)3+ 3H2SeO3+3Н2О. Селеновая кислота не только обугливает многие органические вещества, но и воспламеняет их (даёт вспышку с углеродом).

Металл никель

Металл никель (Ni) и кобальт (Co) представляют собой твёрдые серебристые металлы белого цвета (с температурами плавления 1494 и 1455 °С соответственно), прочные и пластичные. Подобно чистому железу, они легко намагничиваются. Однако спутать с железом их невозможно — оба металла никель и кобаль настолько устойчивы к коррозии, что не тускнеют на воздухе и лишь очень медленно растворяются в кислотах. Многие сплавы никеля и сплавы кобальта обладают уникальными свойствами. Наиболее известны хромо-кобальтовые сплавы — лёгкие и прочные, применяемые для изготовления авиатурбин. Сплав никеля и чистого железа незаменим в микроэлектронике, а медно-никелевый сплав монель - широко используемый конструкционный материал.
Ещё до новой эры металлический никель сплавляли с чистой медью и получали монеты и металлическую посуду. Некоторые соединения кобальта были известны древним египтянам. Сплавляя обожжённые кобальтовые руды с песком и поташом (карбонатом калия) и затем измельчая сплав, получали порошок синего цвета. Его использовали для изготовления цветного непрозрачного стекла. Кстати, соединения никеля и кобальта в водном растворе тоже красиво окрашены: соли Со2+ имеют розовый цвет, a Ni2+ — зелёный. Гидроксид кобальта (II) и гидроксид никеля (II) нерастворимы в воде и обладают только основными свойствами.

Интересные факты

В настоящее время известно 105 химических элементов, большинство из них - металлы. Последние весьма распространены в природе и встречаются в виде различных соединений в недрах земли, водах рек, озер, морей, океанов, составе тел животных, растений и даже в атмосфере.

Причисляя тот или иной элемент к разряду металлов, мы имеем в виду наличие у него определенного комплекса свойств:

1. Плотная кристаллическая структура.

2. Характерный металлический блеск.

3. Высокая теплопроводность и электрическая проводимость.

4. Уменьшение электрической проводимости с ростом температуры.

5. Низкие значения потенциала ионизации, т.е. способность легко отдавать электроны.

6. Ковкость и тягучесть.

7. Способность к образованию сплавов.

Все металлы и сплавы, применяемые в настоящее время в технике, можно разделить на две основные группы. К первой из них относят черные металлы - железо и все его сплавы, в которых оно составляет основную часть. Этими сплавами являются чугуны и стали. В технике часто используют так называемые легированные стали. К ним относятся стали, содержащие хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий, кобальт, титан и другие металлы. Иногда в легированные стали входят 5-6 различных металлов. Методом легирования получают различные ценные стали, обладающие в одних случаях повышенной прочностью, в других - высокой сопротивляемостью к истиранию, в третьих - коррозионной устойчивостью, т.е. способностью не разрушаться под действием внешней среды.

Ко второй группе относят цветные металлы и их сплавы. Они получили такое название потому, что имеют различную окраску. Например, медь светло-красная, никель, олово, серебро - белые, свинец - голубовато-белый, золото -желтое. Из сплавов в практике нашли большое применение: бронза - сплав меди с оловом и другими металлами, латунь - сплав меди с цинком, баббит - сплав олова с сурьмой и медью и др.

Это деление на черные и цветные металлы условно.

Наряду с черными и цветными металлами выделяют еще группу благородных металлов: серебро, золото, платину, рутений и некоторые другие. Они названы так потому, что практически не окисляются на воздухе даже при повышенной температуре и не разрушаются при действии на них растворов кислот и щелочей

II. Физические свойства металлов.

Очень важным свойством металлов является их сравнительно легкая механическая деформируемость. Металлы пластичны, они хорошо куются, вытягиваются в проволоку, прокатываются в листы и т.п.

Характерные физические свойства металлов находятся в связи с особенностями их внутренней структуры. Согласно современным воззрениям, кристаллы металлов состоят из положительно заряженных ионов и свободных электронов, отщепившихся от соответствующих атомов. Весь кристалл можно себе представить в виде пространственной решетки, узлы которой заняты ионами, а в промежутках между ионами находятся легкоподвижные электроны. Эти электроны постоянно переходят от одних атомов к другим и вращаются вокруг ядра то одного, то другого атома. Так как электроны не связаны с определенными ионами, то уже под влиянием небольшой разности потенциалов они начинают перемещаться в определенном направлении, т.е. возникает электрический ток.

Наличием свободных электронов обусловливается и высокая теплопроводность металлов. Находясь в непрерывном движении, электроны постоянно сталкиваются с ионами и обмениваются с ними энергией. Поэтому колебания ионов, усилившиеся в данной части металла вследствие нагревания, сейчас же передаются соседним ионам, от них - следующим и т.д., и тепловое состояние металла быстро выравнивается; вся масса металла принимает одинаковую температуру.

По плотности металлы условно подразделяются на две большие группы: легкие металлы, плотность которых не больше 5 г/см 3 , и тяжелые металлы - все остальные. Плотность, а также температуры плавления некоторых металлов приведены в таблице №1.

Плотность и температура плавления некоторых металлов.

Частицы металлов, находящихся в твердом и жидком состоянии, связаны особым типом химической связи - так называемой металлической связью. Она определяется одновременным наличием обычных ковалентных связей между нейтральными атомами и кулоновским притяжением между ионами и свободными электронами. Таким образом, металлическая связь является свойством не отдельных частиц, а их агрегатов.

III. Химические свойства металлов.

Основным химическим свойством металлов является способность их атомов легко отдавать свои валентные электроны и переходить в положительно заряженные ионы. Типичные металлы никогда не присоединяют электронов; их ионы всегда заряжены положительно.

Легко отдавая при химических реакциях свои валентные электроны, типичные металлы являются энергичными восстановителями.

Способность к отдаче электронов проявляется у отдельных металлов далеко не в одинаковой степени. Чем легче металл отдает свои электроны, тем он активнее, тем энергичнее вступает во взаимодействие с другими веществами.

Опустим кусочек цинка в раствор какой-нибудь свинцовой соли. Цинк начинает растворяться, а из раствора выделяется свинец. Реакция выражается уравнением:

Из уравнения следует, что эта реакция является типичной реакцией окисления-восстановления. Сущность ее сводится к тому, что атомы цинка отдают свои валентные электроны ионам двухвалентного свинца, тем самым превращаясь в ионы цинка, а ионы свинца восстанавливаются и выделяются в виде металлического свинца. Если поступить наоборот, то есть погрузить кусочек свинца в раствор цинковой соли, то никакой реакции не произойдет. Это показывает, что цинк более активен, чем свинец, что его атомы легче отдают, а ионы труднее присоединяют электроны, чем атомы и ионы свинца.

Металлы, расположенныевпорядкевозрастанияихстандартныхэлектродныхпотенциалов, иобразуютэлектрохимическийряднапряженийметаллов: Li, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb, H, Sb, Bi, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au.

Ряд напряжений характеризует химические свойства металлов:

1. Чем меньше электродный потенциал металла, тем больше его восстановительная способность.

2. Каждый металл способен вытеснять(восстанавливать) из растворов солей те металлы, которые стоят в ряду напряжений после него.

3. Все металлы, имеющие отрицательный стандартный электродный потенциал, то есть находящиеся в ряду напряжений левее водорода, способны вытеснять его из растворов кислот.

Необходимо отметить, что представленный ряд характеризует поведение металлов и их солей только в водных растворах и при комнатной температуре. Кроме того, нужно иметь ввиду, что высокая электрохимическая активность металлов не всегда означает его высокую химическую активность. Например, ряд напряжений начинается литием, тогда как более активные в химическом отношении рубидий и калий находятся правее лития. Это связано с исключительно высокой энергией процесса гидратации ионов лития по сравнению с ионами других щелочных металлов.

IV. Коррозия металлов.

Почти все металлы, приходя в соприкосновение с окружающей их газообразной или жидкой средой, более или менее быстро подвергаются с поверхности разрушению. Причиной его является химическое взаимодействие металлов с находящимися в воздухе газами, а также водой и растворенными в ней веществами.

Всякий процесс химического разрушения металлов под действием окружающей среды называют коррозией.

Проще всего протекает коррозия при соприкосновении металлов с газами. На поверхности металла образуются соответствующие соединения: оксиды, сернистые соединения, основные соли угольной кислоты, которые нередко покрывают поверхность плотным слоем, защищающим металл от дальнейшего воздействия тех же газов.

Иначе обстоит дело при соприкосновении металла с жидкой средой - водой и растворенными в ней веществами. Образующиеся при этом соединения могут растворяться, благодаря чему коррозия распространяется дальше вглубь металла. Кроме того, вода, содержащая растворенные вещества, является проводником электрического тока, вследствие чего постоянно возникают электрохимические процессы, которые являются одним из главных факторов, обуславливающих и ускоряющих коррозию.

Чистые металлы в большинстве случаев почти не подвергаются коррозии. Даже такой металл, как железо, в совершенно чистом виде почти не ржавеет. Но обыкновенные технические металлы всегда содержат различные примеси, что создает благоприятные условия для коррозии.

Убытки, причиняемые коррозией металлов, огромны. Вычислено, например, что вследствие коррозии ежегодно гибнет такое количество стали, которое равно приблизительно четверти всей мировой добычи его за год. Поэтому изучению процессов коррозии и отысканию наилучших средств ее предотвращения уделяется очень много внимания.

Способы борьбы с коррозией чрезвычайно разнообразны. Наиболее простой из них заключается в защите поверхности металла от непосредственного соприкосновения с окружающей средой путем покрытия масляной краской, лаком, эмалью или, наконец, тонким слоем другого металла. Особый интерес с теоретической точки зрения представляет покрытие одного металла другим.

К ним относятся: катодное покрытие, когда защищающий металл стоит в ряду напряжений правее защищающего (типичным примером может служить луженая, то есть покрытая оловом, сталь); анодное покрытие, например, покрытие стали цинком.

Для защиты от коррозии целесообразно покрывать поверхность металла слоем более активного металла, чем слоем менее активного. Однако другие соображения нередко заставляют применять также покрытия из менее активных металлов.

На практике чаще всего приходится принимать меры к защите стали как металла, особенно подверженного коррозии. Кроме цинка, из более активных металлов для этой цели иногда применяют кадмий, действующий подобно цинку. Из менее активных металлов для покрытия стали чаще всего используют олово, медь, никель.

Покрытые никелем стальные изделия имеют красивый вид, чем объясняется широкое распространение никелирования. При повреждении слоя никеля коррозия проходит менее интенсивно, чем при повреждении слоя меди (или олова), так как разность потенциалов для пары никель-железо гораздо меньше, чем для пары медь-железо.

Из других способов борьбы с коррозией существует еще способ протекторов, заключающийся в том, что защищаемый металлический объект приводится в контакт с большой поверхностью более активного металла. Так, в паровые котлы вводят листы цинка, находящиеся в контакте со стенками котла и образующие с ними гальваническую пару.

V. Понятие о сплавах.

Характерной особенностью металлов является их способность образовывать друг с другом или с неметаллами сплавы. Чтобы получить сплав, смесь металлов обычно подвергают плавлению, а затем охлаждают с различной скоростью, которая определяется природой компонентов и изменением характера их взаимодействия в зависимости от температуры. Иногда сплавы получают спеканием тонких порошков металлов, не прибегая к плавлению (порошковая металлургия). Итак сплавы - это продукты химического взаимодействия металлов.

Кристаллическая структура сплавов во многом подобна чистым металлам, которые, взаимодействуя друг с другом при плавлении и последующей кристаллизации, образуют: а) химические соединения, называемые интерметаллидами; б) твердые растворы; в) механическую смесь кристаллов компонентов.

Тот или иной тип взаимодействия определяется соотношением энергии взаимодействия разнородных и однородных частиц системы, то есть соотношением энергий взаимодействия атомов в чистых металлах и сплавах.

Современная техника использует огромное число сплавов, причем в подавляющем большинстве случаев они состоят не из двух, а из трех, четырех и большего числа металлов. Интересно, что свойства сплавов часто резко отличаются от свойств индивидуальных металлов, которыми они образованы. Так, сплав, содержащий 50% висмута, 25% свинца, 12,5% олова и 12,5% кадмия, плавится всего при 60,5 градусах Цельсия, в то время как компоненты сплава имеют соответственно температуры плавления 271, 327, 232 и 321 градус Цельсия. Твердость оловянной бронзы (90% меди и 10% олова) втрое больше, чем у чистой меди, а коэффициент линейного расширения сплавов железа и никеля в 10 раз меньше, чем у чистых компонентов.

Однако некоторые примеси ухудшают качество металлов и сплавов. Известно, например, что чугун (сплав железа и углерода) не обладает той прочностью и твердостью, которые характерны для стали. Помимо углерода, на свойства стали влияют добавки серы и фосфора, увеличивающие ее хрупкость.

Среди свойств сплавов наиболее важными для практического применения являются жаропрочность, коррозионная стойкость, механическая прочность и др. Для авиации большое значение имеют легкие сплавы на основе магния, титана или алюминия, для металлообрабатывающей промышленности - специальные сплавы, содержащие вольфрам, кобальт, никель. В электронной технике применяют сплавы, основным компонентом которых является медь. Сверхмощные магниты удалось получить, используя продукты взаимодействия кобальта, самария и других редкоземельных элементов, а сверхпроводящие при низких температурах сплавы - на основе интерметаллидов, образуемых ниобием с оловом и др.

VI . Способы получения металлов.

Огромное большинство металлов находится в природе в виде соединений с другими элементами.

Только немногие металлы встречаются в свободном состоянии, и тогда они называются самородными. Золото и платина встречаются почти исключительно в самородном виде, серебро и медь - отчасти в самородном виде; иногда попадаются также самородные ртуть, олово и некоторые другие металлы.

Добывание золота и платины производится или посредством механического отделения их от той породы, в которой они заключены, например промывкой воды, или путем извлечения их из породы различными реагентами с последующим выделением металла из раствора. Все остальные металлы добываются химической переработкой их природных соединений.

Минералы и горные породы, содержащие соединения металлов и пригодные для получения этих металлов заводским путем, носят название руд. Главными рудами являются оксиды, сульфиды и карбонаты металлов.

Важнейший способ получения металлов из руд основан на восстановлении их оксидов углем.

Если, например, смешать красную медную руду (куприт) Cu₂ O с углем и подвергнуть сильному накаливанию, то уголь, восстанавливая медь, превратится в оксид углерода(II), а медь выделится в расплавленном состоянии:

Cu₂ O + C = 2Cu + CO

Подобным же образом производится выплавка чугуна их железных руд, получение олова из оловянного камня SnO₂ и восстановление других металлов из оксидов.

При переработке сернистых руд сначала переводят сернистые соединения в кислородные путем обжигания в особых печах, а затем уже восстанавливают полученные оксиды углем. Например:

В тех случаях, когда руда представляет собой соль угольной кислоты, ее можно непосредственно восстанавливать углем, как и оксиды, так как при нагревании карбонаты распадаются на оксид металла и двуокись углерода. Например:

Обычно руды, кроме химического соединения данного металла, содержат еще много примесей в виде песка, глины, известняка, которые очень трудно плавятся. Чтобы облегчить выплавку металла, к руде примешивают различные вещества, образующие с примесями легкоплавкие соединения - шлаки. Такие вещества называются флюсами. Если примесь состоит из известняка, то в качестве флюса употребляют песок, образующий с известняком силикат кальция. Наоборот, в случае большого количества песка флюсом служит известняк.

Для восстановления некоторых металлов из их оксидов применяют вместо угля водород, кремний, алюминий, магний и другие элементы.

Процесс восстановления металла из его оксида с помощью другого металла называется металлотермией. Если, в частности, в качестве восстановителя применяется алюминий, то процесс носит название алюминотермии.

Очень важным способом получения металлов является также электролиз. Некоторые наиболее активные металлы получаются исключительно путем электролиза, так как все другие средства оказываются недостаточно энергичными для восстановления их ионов.

Список использованной литературы.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Государственное бюджетное образовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа №225 адмиралтейского района Санкт-Петербурга

_{Металлы и Металлургия}

Жидков Самуил Андреевич

Воронаев Иван Геннадьевич

Введение в тему . 3

Распространение и сферы применения…………………………………. 4

Сплавы и их применение…………………………………………………..5

Взаимодействие металлов с простыми веществами……………………..5

Взаимодействие кислот с металлами……………………………………6

Наиболее динамичный период развития человечества обусловлено открытием человеком металлов и их сплавов. В природе в чистом виде встречаются небольшое количество металлов, таких как: золото, серебро и медь. К тому же, золото и серебро являются драгоценными металлами и использовались в ювелирных целях и чеканки монет. В тоже время самородная медь необладала необходимыми прочностными характеристиками, что требовало нахождение других материалов. Выше указанные причины стимулировли человечество в поиске новых металлов. В процессе изучению окружающего мира человек осознал, что в рудах содержится другие металлы с более востребованными характеристиками столь необходимыми человечеству. В результате этого человечество вынуждено было находить способы получение металлов из руд. Поэтому появилась металлургия, что дало огромные возможности для развитию человечеству.

Металлургия— область науки и техники, охватывающая процессы получения металлов из руд или других материалов, а также процессы, связанные с изменением химического состава, структуры и свойств металлических сплавов. В первоначальном, узком значении — искусство извлечения металлов из руд. В настоящее время металлургия является также отраслью промышленности.

Металлы — группа элементов, в виде простых веществ, обладающих характерными металлическими свойствами, такими, как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность, ковкость и металлический блеск.

Во многих странах мира идет интенсивный научный поиск по применению различных микроорганизмов в металлургии, то есть применение биотехнологии (биовыщелачивание, биоокисление, биосорбция, биоосаждение и очистка растворов). К настоящему времени наибольшее применение биотехнические процессы нашли для извлечения таких цветных металлов, как медь, золото, цинк, уран, никель из сульфидного сырья. Особое значение имеет реальная возможность использования методов биотехнологии для глубокой очистки сточных вод металлургических производств.

К металлургии относятся:

производство металлов из природного сырья и других металлосодержащих продуктов;
получение сплавов;
обработка металлов в горячем и холодном состоянии;
сварка;
нанесение покрытий из металлов;
область материаловедения, изучающая физическое и химическое поведение металлов, интерметаллидов и сплавов.
К металлургии примыкает разработка, производство и эксплуатация машин, аппаратов, агрегатов, используемых в металлургической промышленности. На условной границе между металлургией и горным делом находятся процессы окускования (подготовка обогащённого сырья к дальнейшей пирометаллургической переработке). С точки зрения академической науки их относят к металлургическим дисциплинам. С металлургией тесно связаны коксохимия, производство огнеупорных материалов, и химия (когда речь идёт о металлургии редкоземельных металлов, например).

Распространение и сферы применения

Из наиболее ценных и важных для современной техники металлов лишь немногие содержатся в земной коре в больших количествах: алюминий (8,9 %), железо (4,65 %), магний (2,1 %), титан (0,63 %). Природные ресурсы некоторых весьма важных металлов измеряются сотыми и даже тысячными долями процента. Особенно бедна природа благородными и редкими металлами.

Производство и потребление металлов в мире постоянно растёт. За последние 20 лет ежегодное мировое потребление металлов и мировой металлофонд удвоились и составляют, соответственно, около 800 млн тонн и около 8 млрд тонн. Изготовленная с использованием черных и цветных металлов доля продукции в настоящее время составляет 72—74 % валового национального продукта государств. Металлы в XXI веке остаются основными конструкционными материалами, так как по своим свойствам, экономичности производства и потребления не имеют себе равных в большинстве сфер применения.

Из 800 млн т ежегодно потребляемых металлов более 90 % (750 млн т) приходится на сталь, около 3 % (20—22 млн т) на алюминий, 1,5 % (8—10 млн т) — медь, 5—6 млн т — цинк, 4—5 млн т — свинец (остальные — менее 1 млн т).

Масштабы производства таких цветных металлов, как алюминий, медь, цинк, свинец, измеряются в млн т/год; таких как магний, титан, никель, кобальт, молибден, вольфрам- в тыс. т, таких как селен,

теллур, золото, платина — в тоннах, таких как иридий, осмий и т. п. — в килограммах.

Благодаря своим физическим свойствам (твёрдость, высокая плотность, температура плавления, электропроводность, звукопроводность, внешний вид и другим) они находят применение в различных областях. Применение металлов зависит от их индивидуальных свойств:

Сплавы и их применение

В чистом виде металлы применяются незначительно. Гораздо большее применение находят сплавы металлов, так как они обладают особыми индивидуальными свойствами. Наиболее часто используются сплавы алюминия, хрома, меди, железа, магния, никеля, титана и цинка. Много усилий было уделено изучению сплавов железа и углерода. Обычная углеродистая сталь используется для создания дешёвых, высокопрочных изделий, когда вес и коррозия не критичны.

Нержавеющая или оцинкованная сталь используется, когда важно сопротивление коррозии. Алюминиевые и магниевые сплавы используются, когда требуются прочность и легкость.

Медно-никелевые сплавы (такие, как монель-металл) используются в коррозионно-агрессивных средах и для изготовления ненамагничиваемых изделий. Суперсплавы на основе никеля (например, инконель) используются при высоких температурах (турбонагнетатели, теплообменники и т. п.). При очень высоких температурах используются монокристаллические сплавы.

Взаимодействие металлов с простыми веществами

Реакции с простыми веществами

С кислородом реагируют все металлы, кроме золота и платиновых металлов. Реакция с серебром происходит при высоких температурах, но оксид серебра(II) практически не образуется, так как он термически неустойчив. В зависимости от металла на выходе могут оказаться оксиды, пероксиды, надпероксиды:

Чтобы получить из пероксида оксид, пероксид восстанавливают металлом:

Со средними и малоактивными металлами реакция происходит при нагревании:

С азотом реагируют только самые активные металлы, при комнатной температуре взаимодействует только литий, образуя нитриды:

С серой реагируют все металлы, кроме золота и платины.
Железо взаимодействует с серой при нагревании, образуя сульфид:

С водородом реагируют металлы IA и IIA групп, кроме Be. Реакции осуществляются при нагревании, при этом образуются гидриды. В реакциях металл выступает как восстановитель, степень окисления водорода −1:

С углеродом реагируют только наиболее активные металлы. При этом образуются ацетилениды или метаниды. Ацетилениды при взаимодействии с водой дают ацетилен, метаниды — метан.

Взаимодействие кислот с металлами

С кислотами металлы реагируют по-разному. Металлы, стоящие в электрохимическом ряду активности металлов (ЭРАМ) до водорода, взаимодействуют практически со всеми кислотами.

Взаимодействие неокисляющих кислот с металлами, стоящими в электрическом ряду активности металлов до водорода
Происходит реакция замещения, которая также является окислительно-восстановительной:

Взаимодействие концентрированной серной кислоты H2SO4 с металлами.
Окисляющие кислоты могут взаимодействовать и с металлами, стоящими в ЭРАМ после водорода:

Очень разбавленная кислота реагирует с металлом по классической схеме:

При увеличении концентрации кислоты образуются различные продукты:

Реакции для азотной кислоты (HNO ₃ )

При взаимодействии с активными металлами вариантов реакций ещё больше:

Библиография

Герасимов Я. И. Химическая термодинамика в цветной металлургии. Т. 1-7. / Я.И.Герасимов, А.Н.Крестовников, А.С.Шахов и др.— М.: Металлургиздат, 1960—1973.— 2108 с.

Павленко Н. И. История металлургии в России XVIII века. Заводы и заводовладельцы. М.: Издательство АН СССР, 1962.— 566 с.

Юсфин Ю. С., Пашков Н. Ф. Металлургия железа: Учебник для вузов.— Москва: Академкнига, 2007.— 464с.

Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. Общая металлургия / Под ред..— Учебник для вузов. - 6-изд., перераб. и доп..— М.: Академкнига, 2005.— 768с.

Металловеды / Составитель С.С.Черняк— Иркутск: Изд-во ИрГУ, 2000.— 532 с.

В данной статье я хочу подчеркнуть важность химии в моей будущей специальности электрика. Знание этой науки обязательно для каждого представителя профессии. Ведь, не зная элементарного состава расходных материалов, мы можем потерять не только качество выполненной работы, но и свести её результаты к нулю. Поэтому необходимо осветить весь путь, который проходит ток от электростанции до наших домов.

Электрическая энергия создается на центральных станциях. Принцип работы каждой основан на превращении механической энергии двигателей-машин в энергию электрического тока. Для создания движущей силы используются различные источники. Поэтому электростанции разделяются на несколько типов: водяные или гидравлические, паровые, ветряные, газовые, нефте- или керосиномоторные и др. Используя особые свойства химических элементов были созданы солнечные панели. Они состоят из фотоэлектрических преобразователей, которые преобразуют солнечную энергию в электрическую.

Самым распространенным материалом является кремний. Распространены два вида фотоэлектрических преобразователей: 1) сделанные из монокристаллического и 2) из поликристаллического кремния. Они отличаются разной технологией производства. Первые имеют кпд до 17,5 %, а вторые — 15 %. Но, несмотря на экологическую благоприятность данного способа получения электричества, он является весьма дорогостоящим. Причина кроится в сложности его добычи. В промышленности кремний технической чистоты получают, восстанавливая расплав SiO2 при температуре около 1800 °C в рудотермических печах шахтного типа. Чистота полученного таким образом кремния может достигать 99,9 % (основные примеси — углерод, металлы). Так же есть несколько неотъемлемых частей этой системы, о которых стоит упомянуть. Обеспечение эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую лежит на контроллере заряда. Для увеличения силы тока последовательно друг с другом соединены несколько аккумуляторов составляющих батарею.

Принцип работы аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в среде серной кислоты. До этого этапа в систему поступает постоянный ток, чтобы он стал переменным, в цепь включают инвертор.

Только после включения в цепь этого устройства мы можем использовать бытовые приборы, потому что каждый из них работает на переменном токе.

Нельзя забывать о проводниках и полупроводниках. Это вещества, которые могут легко передавать электрический ток за счет свободных (неспаренных) электронов. В электрических цепях они представляют провода и шины.

Состоят из двух частей. Жила это проводник, как правило, для её изготовления используют медь или алюминий. Изоляция — это вещество, препятствующее прохождению электрического тока, основные материалы для его изготовления — полимеры. Интересен тот факт, что изоляцией может служить и вакуум как, например, в мощных радиостанциях. Так же, для уменьшения габаритов высоковольтных трансформаторов применяется изоляционные масла. Применение проводов вовсе можно избежать, т. е. передавать электрический ток без проводника по средствам электромагнитной индукции. Трансформатор является простейшим устройством для передачи энергии, первичная и вторичная обмотка трансформатора не связаны. Данная технология уже применяется для зарядки мобильных устройств. Но основной недостаток данного способа — это небольшой радиус передачи энергии устройству-потребителю. Устройства-потребители могут быть разные, но в каждой части света есть своя частота передачи электрического тока. Одним из наиболее частовстречаемых потребителей электроэнергии является лампа. Лампа накала — это искусственный источник света, в котором используется тело накала. Чаще это вольфрамовая или угольная нить. Именно эти элементы имеют свойство светиться при нагревании. Продолжительность данного явления зависит от среды, в которой находится нагреваемое тело. Поместив его в инертный газ или вакуум, мы можем заметить увеличение продолжительности горения лампы. Применение данных мер необходимо для предотвращения окисления тела накала. Более распространено применения вакуума, чем инертных газов. Несмотря на их низкую реакционную способность, создание вакуума более выгодно. Но большей продолжительностью могут отличиться люминесцентные лампы.

Это происходит из-за содержания в лампах ртутного газа, так же из-за содержания данного газа мы не можем выбросить эту лампу как бытовой мусор.

Электродвигатели являются неотъемлемой частью нашей жизни, так же как и осветительные приборы. Принцип работы основан на превращении электрической энергии в механическую. Когда магниты (роторы) начинают крутится, их магнитные поля возбуждают в статоре ЭДС и в железе статора наводится ЭДС и передается в обмотки статора и на выводах статора появляется переменное напряжение.

Медь. Удельное сопротивление меди существенно возрастает при наличии в ней примесей особенно сурьмы и висмута поэтому для обмоточных проводов используют чистую электролитическую медь которая содержит примесей не более 0.1 процент. При холодной прокатке меди она становится более твердой и прочной, но одновременно возрастает ее удельное сопротивление. Отжиг меди в этом случае восстанавливает ее первоначальные свойства- после отжига медь становится более мягкой, а ее удельное сопротивление снижается до первоначального значения. Поэтому статоры перемотанные нашей медью работают лучше стабильнее и дольше. Конечно при условии правильной эксплуатации генератора.

Теперь хочу вкратце рассказать о стали из которой делают статоры. Железо статора это не просто металл, а специальная электротехническая сталь. У нас выпускается более 30 видов электротехнической стали. Для улучшения свойств стали в ее состав вводят кремний. Так же она делится по содержанию кремния на 6 групп. Стали с большим содержанием кремния имеют меньше потерь на вихревые токи а так же более высокую магнитную проницаемость. Существует несколько типов электродвигателей. Отметим два главных класса: AC и DC.

Электродвигатели класса AC (Alternating Current) требуют для работы источник переменного тока или напряжения (такой источник Вы можете найти в любой электрической розетке в доме).

Электродвигатели класса DC (Direct Current) требуют для работы источник постоянного тока или напряжения (такой источник Вы можете найти в любой батарейке).

Можно сказать, что естественные и точные науки являются основными в профессии электрика, так как без знания основ и устройства приборов невозможно устранять недостатки, возникающие в них.

Основные термины (генерируются автоматически): электрический ток, источник, переменный ток, принцип работы, содержание кремния, солнечная энергия, удельное сопротивление, электрическая энергия, электродвигатель класса.

Читайте также: