Kaasaegne mees on oma igapäevaelus ümbritsetud erinevate metallidega. Enamik esemeid, mida me kasutame, sisaldavad neid kemikaale. See kõik juhtus seetõttu, et inimesed leidsid metalli hankimiseks mitmesuguseid viise.
Mis on metallid
Anorgaaniline keemia tegeleb nende inimeste jaoks väärtuslike ainetega. Metallide hankimine võimaldab inimesel luua üha täiuslikumat tehnoloogiat, mis parandab meie elu. Mis need on? Enne metallide saamise üldiste meetodite kaalumist on vaja mõista, mis need on. Metallid on keemiliste elementide rühm lihtsate ainete kujul, millel on iseloomulikud omadused:
• soojus- ja elektrijuhtivus;
• kõrge elastsus;
• sära.
Inimene eristab neid teistest ainetest kergesti. Kõigi metallide iseloomulik tunnus on erilise sära olemasolu. See saadakse langevate valguskiiride peegeldamisel pinnale, mis neid ei edasta. Sära on kõigi metallide ühine omadus, kuid see on kõige tugevam hõbeda puhul.
SeesPraeguseks on teadlased avastanud 96 sellist keemilist elementi, kuigi ametlik teadus ei tunnusta neid kõiki. Need jagunevad rühmadesse sõltuv alt nende iseloomulikest omadustest. Järgmised metallid eraldatakse sel viisil:
• leeliseline – 6;
• leelismuldmetallid – 6;
• üleminekuaeg – 38;
• valgus – 11;
• poolmetall – 7;
• Lantaniidid – 14;
• aktiniidid – 14.
Metallide hankimine
Sulami valmistamiseks peate esm alt saama metalli looduslikust maagist. Looduslikud elemendid on need ained, mida leidub looduses vabas olekus. Nende hulka kuuluvad plaatina, kuld, tina, elavhõbe. Need eraldatakse lisanditest mehaaniliselt või keemiliste reaktiivide abil.
Teisi metalle kaevandatakse nende ühendite töötlemise teel. Neid leidub erinevates fossiilides. Maagid on mineraalid ja kivimid, mis sisaldavad metalliühendeid oksiidide, karbonaatide või sulfiidide kujul. Nende saamiseks kasutatakse keemilist töötlemist.
Meetodid metallide saamiseks:
• oksiidide redutseerimine kivisöega;
• plekkkivist tina saamine;
• rauamaagi sulatamine;
• väävliühendite põletamine spetsiaalsetes ahjudes.
Maagikivimitest metallide ekstraheerimise hõlbustamiseks lisatakse neile erinevaid aineid, mida nimetatakse räbustiteks. Need aitavad eemaldada soovimatud lisandid nagu savi, lubjakivi, liiv. Selle protsessi tulemusena saadakse sulavad ühendid,nimetatakse räbuks.
Märkimisväärse koguse lisandite olemasolul rikastatakse maak enne metalli sulatamist, eemaldades suure osa mittevajalikest komponentidest. Selle ravi kõige laialdasem alt kasutatavad meetodid on flotatsioon, magnetiline ja gravitatsioon.
Leelismetallid
Leelismetallide masstootmine on keerulisem protsess. See on tingitud asjaolust, et neid leidub looduses ainult keemiliste ühendite kujul. Kuna need on redutseerivad ained, kaasnevad nende tootmisega kõrged energiakulud. Leelismetallide ekstraheerimiseks on mitu võimalust:
• Liitiumi võib saada selle oksiidist vaakumis või spodumeeni töötlemisel tekkinud kloriidi sulami elektrolüüsil.
• Naatrium ekstraheeritakse sooda k altsineerimisel kivisöega tihed alt suletud tiiglites või kloriidsulami elektrolüüsil k altsiumi lisamisega. Esimene meetod on kõige aeganõudvam.
• Kaaliumi saadakse selle soolade sulami elektrolüüsil või naatriumauru juhtimisel läbi selle kloriidi. See moodustub ka sula kaaliumhüdroksiidi ja vedela naatriumi vastasmõjul temperatuuril 440 °C.
• Tseesiumi ja rubiidiumi kaevandatakse nende kloriidide redutseerimisel k altsiumiga temperatuuril 700–800 °C või tsirkooniumiga 650 °C juures. Leelismetallide saamine sel viisil on äärmiselt energiamahukas ja kulukas.
Metallide ja sulamite erinevused
Põhimõtteliselt selget piiri metallide ja nende sulamite vahel praktiliselt ei eksisteeri, sest isegi kõige puhtamatel ja lihtsamatel ainetel onteatud kogus lisandeid. Mis vahe neil siis on? Peaaegu kõiki tööstuses ja muudes rahvamajanduse sektorites kasutatavaid metalle kasutatakse sulamitena, mis on saadud sihipäraselt, lisades peamisele keemilisele elemendile muid komponente.
Sulamid
Tehnoloogia vajab mitmesuguseid metallmaterjale. Samal ajal puhtaid keemilisi elemente praktiliselt ei kasutata, kuna neil pole inimestele vajalikke omadusi. Oma vajaduste jaoks oleme leiutanud erinevaid viise sulamite saamiseks. See termin viitab makroskoopiliselt homogeensele materjalile, mis koosneb kahest või enamast keemilisest elemendist. Sel juhul on sulamis ülekaalus metallkomponendid. Sellel ainel on oma struktuur. Sulamites eristatakse järgmisi komponente:
• ühest või mitmest metallist koosnev alus;
• väikesed modifitseerivate ja legeerivate elementide lisandid;
• eemaldamata lisandid (tehnoloogilised, looduslikud, juhuslikud).
Metallisulamid on peamine konstruktsioonimaterjal. Tehnoloogias on neid rohkem kui 5000.
Sulamite tüübid
Hoolimata paljudest sulamitest on raual ja alumiiniumil põhinevad sulamid inimeste jaoks kõige olulisemad. Need on igapäevaelus kõige levinumad. Sulamite tüübid on erinevad. Lisaks on need jagatud mitme kriteeriumi alusel. Seega kasutatakse sulamite valmistamise erinevaid meetodeid. Selle kriteeriumi järgi jagunevad need järgmisteks osadeks:
• Cast, missaadakse segakomponentide sulakristallimisel.
• Pulber, mis saadakse pulbrite segu pressimisel ja seejärel kõrgel temperatuuril paagutamisel. Pealegi ei ole selliste sulamite komponendid sageli mitte ainult lihtsad keemilised elemendid, vaid ka nende erinevad ühendid, näiteks kõvasulamites titaan või volframkarbiidid. Nende lisamine teatud kogustes muudab metallmaterjalide omadusi.
Meetodid sulamite saamiseks valmistoote või tooriku kujul jagunevad:
• valukoda (silumin, malm);
• sepistatud (teras);
• pulber (titaan, volfram).
Sulamite tüübid
Meetodid metallide saamiseks on erinevad, samas kui tänu neile valmistatud materjalidel on erinevad omadused. Agregeeritud tahkes olekus on sulamid:
• Homogeenne (ühtlane), koosneb sama tüüpi kristallidest. Neid nimetatakse sageli ühefaasilisteks.
• Heterogeenne (heterogeenne), nimetatakse mitmefaasiliseks. Kui need on saadud, võetakse sulami aluseks tahke lahus (maatriksfaas). Seda tüüpi heterogeensete ainete koostis sõltub selle keemiliste elementide koostisest. Sellised sulamid võivad sisaldada järgmisi komponente: interstitsiaalsete ja asendusainete tahked lahused, keemilised ühendid (karbiidid, intermetalliiidid, nitriidid), lihtainete kristallid.
Sulami omadused
Hoolimata sellest, milliseid meetodeid metallide ja sulamite saamiseks kasutatakse, määrab nende omadused täielikult kristallilinenende materjalide faasistruktuur ja mikrostruktuur. Igaüks neist on erinev. Sulamite makroskoopilised omadused sõltuvad nende mikrostruktuurist. Igal juhul erinevad need oma faaside omadustest, mis sõltuvad ainult materjali kristallstruktuurist. Heterogeensete (mitmefaasiliste) sulamite makroskoopiline homogeensus saadakse metallimaatriksis faaside ühtlase jaotumise tulemusena.
Sulamite kõige olulisem omadus on keevitatavus. Vastasel juhul on need metallidega identsed. Seega on sulamitel soojus- ja elektrijuhtivus, plastilisus ja peegelduvus (läige).
Sulamid
Erinevad sulamite saamise meetodid on võimaldanud inimesel leiutada suure hulga erinevate omaduste ja omadustega metallmaterjale. Vastav alt otstarbele jagatakse need järgmistesse rühmadesse:
• Struktuurne (teras, duralumiinium, malm). Sellesse rühma kuuluvad ka eriomadustega sulamid. Seega eristuvad need sisemise ohutuse või hõõrdumist takistavate omaduste poolest. Nende hulka kuuluvad messing ja pronks.
• Laagrite valamiseks (babbit).
• Elektrikütte- ja mõõteseadmetele (nikroom, manganiin).
• Lõikeriistade tootmiseks (võit).
Tootmises kasutavad inimesed ka muud tüüpi metallmaterjale, nagu sulavad, kuumakindlad, korrosioonikindlad ja amorfsed sulamid. Laialdaselt kasutatakse ka magneteid ja termoelektrikuid (vismuti, plii, antimoni jm teluriidid ja seleniidid).
Rauasulamid
Praktiliselt kogu Maal sulatatud raud suunatakse lihtsate ja legeeritud teraste tootmiseks. Seda kasutatakse ka raua tootmisel. Rauasulamid on saavutanud oma populaarsuse tänu sellele, et neil on inimesele kasulikud omadused. Need saadi lihtsale keemilisele elemendile erinevate komponentide lisamisel. Niisiis, hoolimata asjaolust, et ühe aine baasil valmistatakse erinevaid rauasulamid, on terasel ja malmil erinevad omadused. Selle tulemusena leiavad nad mitmesuguseid rakendusi. Enamik teraseid on kõvemad kui malm. Erinevad meetodid nende metallide saamiseks võimaldavad teil saada nende rauasulamite erinevat klassi (kaubamärki).
Parandage sulami omadusi
Teatud metallide ja muude keemiliste elementide sulatamisel on võimalik saada paremate omadustega materjale. Näiteks puhta alumiiniumi voolavuspiir on 35 MPa. Selle metalli sulami saamisel vase (1,6%), tsingi (5,6%) ja magneesiumiga (2,5%) ületab see näitaja 500 MPa.
Erinevate kemikaalide eri proportsioonide kombineerimisel on võimalik saada paremate magnetiliste, termiliste või elektriliste omadustega metallmaterjale. Peamist rolli selles protsessis mängib sulami struktuur, milleks on selle kristallide jaotus ja aatomitevaheliste sidemete tüüp.
Terased ja triikrauad
Need sulamid saadakse raua ja süsiniku (2%) kombineerimisel. Legeeritud materjalide tootmisel lisatakse neednikkel, kroom, vanaadium. Kõik tavalised terased jagunevad tüüpideks:
• madala süsinikusisaldusega (0,25% süsinikku) kasutatakse mitmesuguste struktuuride jaoks;
• Kõrge süsinikusisaldusega (üle 0,55%), mõeldud lõiketööriistade jaoks.
Masinaehituses ja muudes toodetes kasutatakse erinevaid legeerterase marke.
Raua sulamit süsinikuga, mille protsent on 2–4%, nimetatakse malmiks. See materjal sisaldab ka räni. Malmist valatakse erinevaid heade mehaaniliste omadustega tooteid.
Värvilised metallid
Erinevate metallmaterjalide valmistamiseks kasutatakse peale raua ka teisi keemilisi elemente. Nende kombineerimise tulemusena saadakse värviliste metallide sulamid. Inimeste elus on kõige rohkem kasutust leidnud materjalid, mis põhinevad:
• Vask, mida nimetatakse messingiks. Need sisaldavad 5-45% tsinki. Kui selle sisaldus on 5-20%, siis nimetatakse messingit punaseks ja kui 20-36% - kollaseks. Seal on vasesulamid räni, tina, berülliumi, alumiiniumiga. Neid nimetatakse pronksideks. Neid sulameid on mitut tüüpi.
• Plii, mis on tavaline joodis (tretnik). Selles sulamis langeb 1 osale selle kemikaali peale 2 osa tina. Laagrite tootmiseks kasutatakse babbitti, mis on plii, tina, arseeni ja antimoni sulam.
• Alumiinium, titaan, magneesium ja berüllium, mis on kõrge tugevusega ja suurepärase mehaanilise toimega kerged värvilised sulamidomadused.
Saamismeetodid
Peamised meetodid metallide ja sulamite saamiseks:
• Valukoda, milles tahkub erinevate sulakomponentide homogeenne segu. Sulamite saamiseks kasutatakse metallide saamise püometallurgilisi ja elektrometallurgilisi meetodeid. Esimeses variandis kasutatakse tooraine soojendamiseks kütuse põlemise protsessis saadud soojusenergiat. Pürometallurgilise meetodi abil toodetakse terast avatud koldega ahjudes ja malmi kõrgahjudes. Elektrometallurgilisel meetodil kuumutatakse toorainet induktsioon- või elektrikaarahjudes. Samal ajal pehmeneb tooraine väga kiiresti.
• Pulber, milles sulami valmistamiseks kasutatakse selle komponentide pulbreid. Tänu pressimisele antakse neile kindel kuju ja seejärel paagutatakse spetsiaalsetes ahjudes.
