К какой группе относятся такие металлы как кобальт никель марганец


13 металлов, описание, свойства, где применяются и места добычи

Цветные металлы отличаются от черных. Цветных металлов много, а к черным относятся только железо, его сплавы. Часто к черным металлам относят ванадий, марганец, хром.

В Европе цветные металлы называют нежелезными, происхождение этих названий точнее отражает суть и свойства наших героев.

  • Англичане называют их non-ferrous metals.
  • Для немцев их название — Nichteisenmetalle, Buntmetalle.
  • Французы обозначили цветные металлы как меtaux non-ferreux.

Разделяем металлы по свойствам и группам

Условно цветные металлы различают на 2 большие группы — тяжелые и легкие.

Более подробная классификация проводится по свойствам (физико-химическим). Есть разделение на 5 и 7 групп.

Виды цветных металлов:

  1. Легкие цветные металлы.
  2. Тяжелые металлы.
  3. Благородные.
  4. Редкие и малые.
  5. Рассеянные.
  6. Радиоактивные.
  7. Тугоплавкие.

Свойства цветных металлов разнообразны. Это устойчивость к коррозии, высокие электро-и теплопроводность, устойчивость во многих агрессивных средах.

Где применяются

Представьте мир без цветных металлов. Выбросите телефон и компьютер, вместе с ними ключи от машины. Отключите свет — ведь ток течет по проводам из цветмета. Газовую и электрическую плиту тоже придется выбросить, а готовить на костре или построить печку. Поэтому к этим разным и таким нужным человечеству металлам давайте относиться уважительно.

Невозможно представить современный мир без использования цветных металлов.

Некоторые из них добываются миллионами тонн в год, другие по несколько тонн в год. Но все они абсолютно необходимы современной промышленности и нам, потребителям.

Электротехника, легировка сталей, сенсоры, диоды, термопары, инфракрасная оптика, военно-промышленный комплекс.

Знакомство с нежелезными металлами

Список цветных металлов обширен. Руд цветных металлов в разы больше.

Руды цветных металлов

Медь

Важными рудами на медь являются халькозин, борнит, халькопирит. Встречается и самородная медь, но редко. Про медь читайте здесь.

Добычу медных руд производят:

  • США;
  • Канада;
  • Чили;
  • Перу;
  • Замбия;
  • Россия.

Познавательно: крупнейшее месторождение в мире находится в знойной пустыне Атакама, его пока не разрабатывают.

Алюминий

Главное сырье на алюминий — бокситы. Руды бокситов — диаспор (его ювелирная разновидность султанит подробно описана здесь), гетит, бемит, каолинит. Подробнее про этот металл читайте на этой странице.

Российские месторождения бокситов находятся в областях:

  • Архангельской;
  • Белгородской;
  • Свердловской;
  • Челябинской.

Богатые запасы бокситов расположены в Корее, Венгрии, Югославии, Китае.

Значительные запасы бокситовых руд в Австралии, Бразилии, США, Франции.

Свинец

Главная руда на свинец — галенит, кроме него церуссит и англезит.

Галенит образует полиметаллические руды со сфалеритом и халькопиритом.

Познавательно: галенит частенько содержит примеси серебра — неплохая прибавка к добыче.

48 стран мира могут добывать на своей территории свинец.

Цинк

Основная цинковая руда — сфалерит. Это сульфид цинка, и в природе его естественными спутниками являются галенит и халькопирит.

Главные мировые запасы цинка находятся в Канаде, немногим отстают Китай, Австралия, США.

В России цинк добывают на Каменном Поясе. Есть месторождения в Сибири и Приморье.

Магний

Этого цветного металла в земной коре около 2%.

Руд, содержащих магний, около 60, но для промышленной добычи используют:

  • доломит;
  • магнезит;
  • брусит;
  • карналлит;
  • морская вода.

Каждая страна обладает запасами магния. Магнезит находят в США, Испании, Австралии, Канаде, Югославии, Греции. Карналлит используют в странах СНГ.

Огромные запасы магния находятся в воде залива Кара-Богаз-Гол.

Никель

Никелевые руды могут быть сульфидные и силикатные. Подробнее о металле читайте здесь.

Сульфидные руды:

  • халькопирит;
  • пирротин;
  • магнетит;
  • пентландит.

Силикатные никелевые руды:

  • гарниерит;
  • гетит;
  • ревдинскит;
  • контронит;
  • асболан.

Кобальт

В природе немного кобальтсодержащих руд, особенно пригодных для промышленного использования. Среди них кобальтин, скуттерудит, линнеит, шмальтин, эритрин.

По минеральному и химическому составу кобальтовые руды делятся на сульфидные, арсенидные, оксидные. В основном все руды комплексные, собственно кобальтовые встречаются только среди мышьяковых (арсенидных) руд.

За рубежом кобальтосодержащие месторождения находятся в Канаде, Финляндии, Австралии, Африке.

В России — на Урале, в Красноярском крае, на Кольском полуострове.

Основные добытчики кобальта — Заир и Замбия.

Олово

Главные минералы для добычи олова — касситерит и станнин. Половина добычи олова приходится на месторождения Юго-Восточной Азии. Подробнее про олово написано здесь.

Немного отстает Китай, за ним идут Индонезия, Малайзия, Бразилия, Россия.

Молибден

Основной рудный минерал на молибден — молибденит. В природе «дружит» с сульфидами меди и касситеритом.

В добыче металла первенствуют США, следом идут Чили и Китай, на третьем месте — Канада.

В России тоже есть молибденовые руды, в Забайкалье, на Северном Кавказе, на юге Западной Сибири.

Вольфрам

Основные руды на вольфрам — вольфрамит и шеелит.

Китаю повезло, у него более 40% мировых запасов вольфрамита. Россия отстала не сильно, у нас шеелит есть на Кавказе, в Забайкалье, на Чукотке.

Есть месторождения в Германии, Канаде, Турции, США.

Висмут

Существует самородный висмут. В Боливии и Австралии его добывают вместе с висмутином. Подробнее о нём читайте здесь.

Боливия единственная страна, где металл добывают прямо из висмутовой руды. В основном висмут извлекают из полиметаллических руд.

Мировые лидеры по запасам:

  • Перу;
  • Мексика;
  • Китай;
  • Австралия;
  • Канада.

Месторождения висмутовых руд редки и невелики по масштабам.

Сурьма

Главный источник сурьмы — антимонит. Кроме него, рудой на сурьму могут служить бертьерит, джемсонит, ливингстонит, стибиконит.

Австралия, Россия и Китай обладают залежами антимонита, остальные страны могут только облизываться на такое богатство. Среди завидующих США, КНР, ЮАР. У них есть полиметаллические месторождения.

Ртуть

Киноварь — единственный минерал для качественной добычи ртути.

Киноварь

Основные производители жидкого металла:

  • Испания;
  • Китай;
  • Алжир;
  • Мексика.

Россия обладает небольшими запасами киновари на Чукотке, Алтае, Камчатке.

У Америки с этим и того хуже — маленький рудничок в Неваде.

А вот на юге Испании известно ртуть добывают почти две тысячи лет.

Вторичное сырье

Уже понятно, что добыча цветмета не всегда обеспечивает потребности промышленности. Приходится изворачиваться. То есть организовывать пункты приема вторсырья, собирать металлолом для сдачи в этих пунктах. Кстати, за лом цветных металлов платят довольно неплохо.

Стоимость металлических отходов формируется, исходя из нескольких компонентов:

  1. Металл (тип, редкость).
  2. Габариты.
  3. Размер партии.
  4. Чистота металла, его качество.

Охотникам за металлоломом

Большим спросом у приемщиков пользуются медь, алюминий, свинец, титан.

  • Медь содержат сплавы меди (латунь).
  • Олово гораздо дороже меди, особенно в чистом виде, но и в виде посуды, баббита (в подшипниках, например).
  • Никель металл дорогостоящий, но в чистом виде попадается редко. В мельхиоровой посуде, отработанных электродах, ТЭНах бытовых приборов.
  • Свинец сдают «в виде» аккумуляторов, типографского оборудования, оплетки кабелей.
  • Алюминий стоит недорого.
  • Чистый цинк найти проблематично, сдают его в виде сплавов.
  • Самые дорогие металлы — молибден и вольфрам.

Плюсы и минусы переработки вторсырья

Перерабатывать металлолом выгодно, это понижает себестоимость продукции.

Цветмет приходится сортировать — это самый нудный и трудоемкий этап работы.

Рассортированное сырье измельчают. Для этого применяют газовые резки, шредеры, а потом прессуют для уменьшения объемов и удобства транспортировки.

Далее подготовленное сырье отправляют на металлургические комбинаты, или продают (чаще всего на экспорт).

обработка кобальта | Использование, предложение и факты

Обработка кобальта , подготовка металла для использования в различных продуктах.

Ниже 417 ° C (783 ° F) кобальт (Co) имеет стабильную гексагональную плотноупакованную кристаллическую структуру. При более высоких температурах до точки плавления 1495 ° C (2723 ° F) стабильная форма имеет гранецентрированную кубическую форму. Металл содержит 12 радиоактивных изотопов, ни один из которых не встречается в природе. Наиболее известен кобальт-60 с периодом полураспада 5,3 года, который используется в медицине и промышленности.

Из трех обычных ферромагнитных металлов (железо, никель и кобальт) кобальт имеет наивысшую точку Кюри (то есть температуру, выше которой его магнитные свойства ослабляются). Он уникален тем, что, добавленный в умеренных количествах к железу, он увеличивает намагниченность насыщения этого металла (предел, до которого можно поднять его магнитные свойства). Магнитные сплавы являются наиболее важным применением кобальта.

Второй по важности выпуск кобальта - это производство жаропрочных сплавов, в которых он улучшает жаропрочность и коррозионную стойкость сплавов на основе более распространенных металлов, особенно никеля и хрома.

Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего первого издания 1768 с вашей подпиской. Подпишитесь сегодня

История

Руды, содержащие кобальт, использовались с древних времен в качестве пигментов для придания синего цвета фарфору и стеклу. Однако только в 1742 году шведский химик Георг Брандт показал, что синий цвет обусловлен ранее не идентифицированным металлом - кобальтом.

В 1874 году добыча кобальта на европейских месторождениях была превзойдена производством Новой Каледонии, и примерно в 1905 году канадские руды заняли первое место.Конго (Киншаса) является доминирующим мировым производителем с 1920 года. В начале 21 века Китай был ведущим производителем очищенного кобальта, большая часть которого происходила из Конго (Киншаса). Другие важные производители включали Россию, Австралию и Филиппины.

До Первой мировой войны большая часть мирового производства кобальта потреблялась в керамической и стекольной промышленности. Кобальт в форме оксида кобальта служил красителем. С тех пор все большее количество использовалось в магнитных и жаропрочных сплавах и в других металлургических применениях; около 80 процентов продукции теперь используется в металлическом состоянии.

Руды

Практически весь кобальт встречается в составе медных, никелевых или медно-никелевых руд.

В медно-кобальтовых рудных телах Центральной Африки и России кобальт встречается в виде сульфидов (карроллит, линнеит или зигенит), оксидных минералов гетерогенита (гидратированный оксид кобальта) и асболита (смесь оксидов марганца и кобальта) и карбонатный сферокобальтит. На медно-никелево-железных сульфидных рудниках Канады, Австралии, России и других регионов кобальт присутствует вместо никеля во многих минералах.

Арсениды кобальта, такие как смальтит, сафлорит и скуттерудит, вместе с сульфоарсенидным кобальтитом и арсенатным эритритом, добываются в Марокко и в гораздо меньших масштабах во многих других странах. Это единственные первичные кобальтовые руды.

Огромные никельсодержащие месторождения, обнаруженные в Новой Каледонии, Кубе, Селебесе (Индонезия) и других регионах, содержат небольшое количество кобальта в виде оксидных минералов, таких как асболит.

Несколько месторождений пирита (дисульфида железа), добываемых из-за содержания серы, содержат достаточно кобальта, чтобы гарантировать извлечение последнего из обожженных остатков.Сульфиды кобальта иногда встречаются в свинцово-цинковых месторождениях в количествах, достаточных для их извлечения.

Наиболее важные источники сульфидов, медно-кобальтовые руды Конго (Киншаса) и Замбии, обрабатываются обычным способом с получением медно-кобальтового концентрата. Затем его обрабатывают флотацией для отделения обогащенного кобальтом концентрата для обработки в кобальтовом контуре. Разделительная флотация использует пневматическое и механическое перемешивание для образования пузырьков воздуха, которые переносят минеральные частицы на поверхность.Для привлечения минералов кобальта к пузырькам используются разные реагенты, а не медь. Кобальтовые концентраты, которые могут содержать до 15 процентов кобальта, затем подвергаются дальнейшей переработке с использованием пирометаллургических или гидрометаллургических процессов экстракции.

Добыча и рафинирование

При переработке меди и никеля

Кобальт, содержащийся в медном концентрате и выплавленный с ним, окисляется вместе с железом во время окончательного преобразования в черновую медь.Затем он попадает в слой шлака, который можно обрабатывать отдельно, обычно в электрической печи, и кобальт восстанавливается путем восстановления углеродом до сплава медь-железо-кобальт. При плавке никеля большая часть кобальта извлекается во время электролитического рафинирования никеля путем осаждения из раствора, обычно в виде гидроксида кобальта. Но даже при плавке никеля кобальт начинает окисляться раньше никеля, и его можно извлечь из окончательного конвертерного шлака. При выщелачивании никеля под давлением аммиаком кобальт извлекают из раствора восстановлением водородом под давлением.На нефтеперерабатывающих заводах, использующих хлоридное выщелачивание никелевого штейна, экстракция растворителем используется для удаления кобальта непосредственно из насыщенного раствора. Полученный концентрированный раствор после некоторой очистки пригоден для извлечения кобальта электролитическим извлечением.

Из руд

Для медно-кобальтовых руд сульфидный концентрат обжигается в контролируемых условиях, чтобы преобразовать большую часть сульфида кобальта в растворимый сульфат, при этом сводя к минимуму превращение меди и железа в их водорастворимые состояния.Продукт выщелачивают, полученный раствор обрабатывают для удаления меди и железа, а кобальт, наконец, извлекают электролизом. Если медная и кобальтовая руды находятся в окисленном состоянии, медь можно удалить электролизом в растворе серной кислоты, а кобальт осажден из отработанного электролита путем регулирования кислотности раствора. Кобальт снова в конечном итоге получают в металлическом состоянии электролизом.

Кобальтовые концентраты из арсенидных руд можно обжигать так же, как сульфидные концентраты, чтобы удалить мышьяк в виде нечистого триоксида мышьяка.В качестве альтернативы их можно выщелачивать и осаждать кобальт водородом, как в случае концентратов сульфида никеля.

.

WebElements Periodic Table »Cobalt» Essentials

  • Fe Co Ni
    Ру Rh Pd
  • Актиний ☢
  • Алюминий
  • Алюминий
  • Америций ☢
  • Сурьма
  • Аргон
  • Мышьяк
  • Астатин ☢
  • Барий
  • Берклиум ☢
  • Бериллий
  • висмут
  • Бориум ☢
  • Бор
  • Бром
  • Кадмий
  • Цезий
  • Кальций
  • Калифорний ☢
  • Углерод
  • Церий
  • Цезий
  • Хлор
  • Хром
  • Кобальт
  • Copernicium ☢
  • Медь
  • Кюрий ☢
  • Дармштадтиум ☢
  • Дубний ☢
  • Диспрозий
  • Эйнштейний ☢
  • Эрбий
  • Европий
  • Фермий ☢
  • Флеровий ☢
  • Фтор
  • Франций
  • Гадолиний
  • Галлий
  • Германий
  • Золото
  • Гафний
  • Калий ☢
  • Гелий
  • Гольмий
  • Водород
  • Индий
  • Йод
  • Иридий
  • Утюг
  • Криптон
  • Лантан
  • Лоуренсий ☢
  • Свинец
  • Литий
  • Ливерморий ☢
  • Лютеций
  • Магний
  • Марганец
  • Мейтнерий ☢
  • Менделевий ☢
  • Меркурий
  • Молибден
  • Московиум ☢
  • Неодим
  • Неон
  • Нептуний
  • Никель
  • Нихоний ☢
  • Ниобий
  • Азот
  • Нобелий
  • Оганессон ☢
  • Осмий
  • Кислород
  • Палладий
  • фосфор
  • Платина
  • Плутоний ☢
  • Полоний
  • Калий
  • Празеодим
  • Прометий ☢
  • Протактиний ☢
  • Радий ☢
.

научных принципов

научных принципов

Структура металлов:

Металлы составляют около двух третей всех элементов и около 24% массы планеты. Они повсюду вокруг нас в таких формах, как стальные конструкции, медная проволока, алюминиевая фольга и золотые украшения. Металлы широко используются благодаря своим свойствам: прочности, пластичности, высокой температуре плавления, тепловой и электрической проводимости и ударной вязкости.

Эти свойства также дают ключ к разгадке структуры металлов.Как и все элементы, металлы состоят из атомов. Прочность металлов предполагает, что эти атомы удерживаются вместе прочными связями. Эти связи также должны позволять атомам двигаться; иначе как металл можно было забивать в листы или вытягивать в проволоку? Разумной моделью будет модель, в которой атомы удерживаются вместе прочными, но делокализованными связями.

Склеивание

Такие связи могут образовываться между атомами металлов, которые имеют низкую электроотрицательность и не сильно притягивают свои валентные электроны.Это позволило бы наиболее удаленным электронам быть общими для всех окружающих атомов, в результате чего положительные ионы ( катионов, ) были окружены морем электронов (иногда называемым электронным облаком).

Рисунок 1: Металлическое соединение .

Поскольку эти валентные электроны являются общими для всех атомов, они не считаются связанными с каким-либо одним атомом. Это сильно отличается от ионных или ковалентных связей, где электроны удерживаются одним или двумя атомами.Таким образом, металлическая связь получается прочной и однородной. Поскольку электроны притягиваются ко многим атомам, они обладают значительной подвижностью, что обеспечивает хорошую теплопроводность и электропроводность металлов.

Выше точки плавления металлы являются жидкостями, их атомы расположены беспорядочно и относительно свободно перемещаются. Однако при охлаждении ниже температуры плавления металлы перестраиваются, образуя упорядоченные кристаллические структуры.

Рисунок 2: Расположение атомов в жидкости и твердом теле.

Кристаллы

Для образования наиболее прочных металлических связей металлы упаковываются как можно плотнее. Возможны несколько вариантов упаковки. Вместо атомов представьте шарики, которые нужно упаковать в коробку. Шарики помещали на дно коробки аккуратными упорядоченными рядами, а затем начинали второй слой. Второй слой шариков нельзя размещать непосредственно поверх других шариков, поэтому ряды шариков в этом слое перемещаются в промежутки между шариками первого слоя.Первый слой мрамора может быть обозначен как A, а второй слой как B, давая двум слоям обозначение AB.

Слой «A» Слой «B» AB упаковка
Рисунок 3: AB упаковка сфер. Обратите внимание, что сферы слоя B помещаются в отверстия в слое A.

Укладка мрамора в третий слой требует решения. Снова ряды атомов будут гнездиться в полостях между атомами во втором слое, но существуют две возможности.Если ряды мрамора уложены так, что они находятся непосредственно над первым слоем (A), то расположение можно описать как ABA. Такое устройство насадки с чередующимися слоями будет обозначено как ABABAB. Такое расположение ABAB называется гексагональной плотной упаковкой (HCP).

Если ряды атомов упакованы в этом третьем слое так, чтобы они не лежали над атомами в слое A или B, то третий слой называется C. Эта последовательность упаковки будет обозначена ABCABC и также известна как гранецентрированный кубик (ГЦК).Оба устройства обеспечивают максимально плотную упаковку сфер, оставляя пустой лишь около четверти доступного пространства.

Наименьший повторяющийся массив атомов в кристалле называется элементарной ячейкой. Третье распространенное устройство упаковки в металлах, объемно-центрированная кубическая (ОЦК) элементарная ячейка, имеет атомы в каждом из восьми углов куба плюс один атом в центре куба. Поскольку каждый из угловых атомов является углом другого куба, угловые атомы в каждой элементарной ячейке будут разделены между восемью элементарными ячейками.Элементарная ячейка ОЦК состоит из двух атомов, одного в центре и восьми восьмых от углов.

В схеме FCC, опять же, есть восемь атомов в углах элементарной ячейки и по одному атому в центре на каждой из граней. Атом в грани делится с соседней ячейкой. Элементарные ячейки FCC состоят из четырех атомов, восемь восьмых по углам и шесть половин на гранях. В таблице 1 показаны стабильные кристаллические структуры при комнатной температуре для нескольких элементарных металлов.

Таблица 1: Кристаллическая структура некоторых металлов (при комнатной температуре) 900 40
Алюминий FCC
 
Никель FCC
Кадмий HCP
 
Ниобий BCC
Хром BCC
 Platinum 
FCC
Кобальт HCP
 
Серебро FCC
Медь FCC
 
Титан HCP
 Золото 
FCC Ванадий BCC
Железо BCC
 
Цинк HCP
Свинец FCC
 
Цирконий HCP
Магний HCP

Структуры элементарных ячеек определяют некоторые свойства металлов.Например, структуры FCC с большей вероятностью будут пластичными, чем BCC (объемно-центрированная кубическая) или HCP (гексагональная плотноупакованная). На рисунке 4 показаны элементарные ячейки FCC и BCC. (См. Активность кристаллической структуры)

Телоцентрированный кубический Лицоцентрированный кубический
Рисунок 4: элементарных ячеек для BCC и FCC.

Когда атомы расплавленного металла начинают собираться вместе, образуя кристаллическую решетку в точке замерзания, группы этих атомов образуют крошечные кристаллы.Эти крошечные кристаллы увеличиваются в размере за счет постепенного добавления атомов. Получающееся в результате твердое вещество представляет собой не один кристалл, а на самом деле множество более мелких кристаллов, называемых зернами. Эти зерна растут до тех пор, пока не столкнутся с соседними растущими кристаллами. Образовавшаяся между ними граница раздела называется границей зерен. Иногда зерна бывают достаточно большими, чтобы их можно было увидеть под обычным световым микроскопом или даже невооруженным глазом. Блестки, которые видны на недавно оцинкованном металле, представляют собой зерна. (См. Модель активности металлов с помощью частиц). На рисунке 5 показан типичный вид металлической поверхности с множеством зерен или кристаллов.

Рисунок 5: зерен и границ зерен для металла.

Дефекты кристалла:

Металлические кристаллы не идеальны. Иногда есть пустые места, называемые вакансиями, где отсутствует атом. Другой распространенный дефект в металлах - дислокации, которые представляют собой линии дефектного соединения. На рисунке 6 показан один тип дислокации.

Рисунок 6: Поперечное сечение краевого дислокации, которое распространяется на страницу. Обратите внимание, как плоскость в центре заканчивается внутри кристалла.

Эти и другие дефекты, а также наличие зерен и границ зерен определяют многие механические свойства металлов. Когда к металлу прикладывается напряжение, возникают дислокации, которые перемещаются, позволяя металлу деформироваться.

Механические свойства:

Когда к металлам прикладываются небольшие нагрузки (напряжения), они деформируются и возвращаются к своей исходной форме при снятии нагрузки. Гибка стального листа является примером, когда скрепления изгибаются или растягиваются только на небольшой процент.Это называется упругой деформацией и включает временное растяжение или искривление связей между атомами.

Рисунок 7: Упругая деформация металлического стержня.

При приложении более высоких напряжений возникает остаточная (пластическая) деформация. Например, если скрепку сильно согнуть, а затем отпустить, она останется частично согнутой. Эта пластическая деформация включает разрыв связей, часто в результате движения дислокаций. См. Рис. 8. Дислокации легко перемещаются в металлах из-за делокализованной связи, но не перемещаются легко в керамике.Это во многом объясняет, почему металлы пластичны, а керамика - хрупка.

Рисунок 8: Движение дислокации в кристалле.

Если поместить под слишком большое напряжение, металл будет механически разрушаться или разрушаться. Со временем это также может быть результатом множества небольших нагрузок. Самая частая причина (около 80%) выхода металла из строя - усталость. Благодаря приложению и снятию небольших напряжений (до миллионов раз) по мере использования металла в нем образуются небольшие трещины, которые медленно растут.Со временем металл деформируется или ломается (ломается). (См. Раздел «Обработка металлов»)

Обработка:

В промышленности расплавленный металл охлаждают до твердого состояния. Затем твердому металлу механически формируют конкретный продукт. Очень важно, как выполняются эти этапы, поскольку нагрев и пластическая деформация могут сильно повлиять на механические свойства металла.

Влияние размера зерна:

Давно известно, что свойства некоторых металлов можно изменять путем термической обработки.Зерна в металлах имеют тенденцию увеличиваться в размерах по мере нагрева металла. Зерно может увеличиваться в размерах за счет миграции атомов из другого зерна, которые в конечном итоге могут исчезнуть. Дислокации не могут легко пересекать границы зерен, поэтому размер зерен определяет, насколько легко дислокации могут перемещаться. Как и ожидалось, металлы с мелкими зернами прочнее, но менее пластичны. На рис. 5 показан пример зеренной структуры металлов.

Закалка и закалка:

Есть много способов термической обработки металлов.Отжиг - это процесс размягчения, при котором металлы нагревают, а затем дают медленно остыть. Большинство сталей можно закалить путем нагрева и закалки (быстрого охлаждения). Этот процесс использовался довольно рано в истории обработки стали. Фактически, считалось, что биологические жидкости лучше всего гасят жидкости, и иногда использовалась моча. В некоторых древних цивилизациях раскаленные лезвия меча иногда вонзались в тела несчастных заключенных! Сегодня металлы закаливают в воде или масле.На самом деле закалка в растворах соленой воды происходит быстрее, поэтому древние не совсем ошибались.

В результате закалки металл становится очень твердым, но также хрупким. Осторожно нагревая закаленный металл и давая ему медленно остыть, вы получите металл, который останется твердым, но менее хрупким. Этот процесс известен как отпуск. (См. «Обработка металлов»). Это приводит к появлению большого количества мелких выделений Fe 3 C в стали, которые блокируют движение дислокаций, тем самым обеспечивая упрочнение.

Холодная обработка:

Поскольку пластическая деформация возникает в результате движения дислокаций, металлы можно упрочнять, предотвращая это движение. Когда металл изгибается или приобретает форму, возникают и перемещаются дислокации. По мере увеличения количества дислокаций в кристалле они будут запутываться или скрепляться и не смогут двигаться. Это укрепит металл и усложнит его деформацию. Этот процесс известен как холодная обработка. При более высоких температурах дислокации могут перестраиваться, поэтому упрочнение происходит незначительно.

Можно попробовать со скрепкой. Разогните скрепку и несколько раз согните одну из прямых частей вперед-назад. Представьте себе, что происходит на атомарном уровне. Обратите внимание, что металл сложнее согнуть в одном и том же месте. Вывихи образовались и запутались, увеличивая прочность. Скрепка со временем сломается на изгибе. Очевидно, что холодная обработка работает только до определенной степени! Слишком большая деформация приводит к спутыванию дислокаций, которые не могут двигаться, поэтому металл вместо этого ломается.

Отопление устраняет последствия холодной обработки. При нагревании холоднодеформированных металлов происходит перекристаллизация. Новые зерна образуются и растут, чтобы потреблять холодно обработанную часть. В новых зернах меньше дислокаций, и восстанавливаются первоначальные свойства.

Сплавы:

Наличие в металле других элементов также может изменить его свойства, иногда резко. Расположение и вид связи в металлах позволяет добавлять в структуру другие элементы, образуя смеси металлов, называемые сплавами.Даже если добавленные элементы являются неметаллами, сплавы могут иметь металлические свойства.

Медные сплавы начали производить в самом начале нашей истории. Бронза, сплав меди и олова, была первым известным сплавом. Его было легко получить, просто добавив олово к расплавленной меди. Орудия и оружие из этого сплава были прочнее, чем из чистой меди. Добавление цинка к меди дает еще один сплав - латунь. Хотя латунь труднее производить, чем бронзу, она была известна и в древние времена.(См. «Золотая» Пенни Активность) Типичный состав некоторых сплавов приведен в Таблице 2.

Таблица 2: Состав нескольких сплавов.
Сплав Состав
Латунь Медь, цинк
Бронза Медь, цинк, олово
Олово Олово, медь
Припой Свинец, олово
Alnico Алюминий, никель, кобальт, железо
Чугун Железо, углерод, марганец, кремний
Сталь Железо, углерод (плюс небольшое количество легирующих элементов)
Нержавеющая сталь Железо, хром, никель

Сплавы представляют собой смеси, и их процентный состав может варьироваться.Это полезно, потому что свойствами сплавов можно управлять, варьируя состав. Например, электрикам нужен припой с другими свойствами, чем у сантехников. Электрический припой очень быстро затвердевает, образуя почти мгновенное соединение. Это будет непрактично для сантехников, которым нужно время, чтобы установить соединение. Электрический припой содержит около 60% олова, тогда как припой для сантехников - около 30%.

Изначально олово содержало свинец, а поскольку олово использовалось для изготовления тарелок и кубков, вероятно, оно было источником отравления свинцом.Изготовленный сегодня олово не содержит свинца. Расширение знаний о свойствах металлов также приводит к созданию новых сплавов. Некоторые латуни образуют сплавы с памятью формы, которые можно сгибать и возвращать к своей исходной форме при осторожном нагревании. Цинковые сплавы, используемые в качестве покрытия на стали, замедляют коррозию (оцинкованная сталь). Сплавы кадмия находят широкое применение в солнечных элементах. Способность мельхиора противостоять образованию отложений делает его полезным в садках в рыбоводстве.

Чугун и сталь:

Углеродистые стали различаются по процентному содержанию углерода.Количество углерода влияет на свойства стали и ее пригодность для конкретного использования. Стали редко содержат более 1% углерода. Конструкционная сталь содержит около 0,1-0,2% углерода по весу; это делает его немного более пластичным и менее склонным к разрушению во время землетрясений. Сталь, используемая для изготовления инструментов, содержит около 0,5-1% углерода, что делает ее более твердой и износостойкой. Чугун содержит от 2,5 до 4% углерода и находит применение в недорогих приложениях, где его хрупкость не является проблемой. Удивительно, но чистое железо чрезвычайно мягкое и используется редко.Увеличение количества углерода приводит к увеличению твердости металла, как показано на следующем графике. В медленно охлаждаемых сталях углерод увеличивает количество твердого Fe 3 C; в закаленных сталях он также увеличивает твердость и прочность материала.

Рисунок 9: Зависимость твердости стали от% углерода. Рисунок 10: BCC железа, показывающее расположение межузельных атомов углерода.

Заколки для бобби и скрепки обрабатываются практически одинаково, но содержат разное количество углерода.Заколки и скрепки изготовлены из холоднокатанной стальной проволоки. Скрепка, содержащая мало углерода, в основном состоит из чистого Fe с некоторым количеством частиц Fe 3 C. Заколка для шкворня имеет больше углерода и, следовательно, содержит большее количество Fe 3 C, что делает ее намного более твердой и прочной.

Свойства стали можно адаптировать для специальных целей путем добавления в сплав других металлов. Титан, ванадий, молибден и марганец входят в число металлов, добавляемых к этим специальным сталям.Нержавеющая сталь содержит минимум 12% хрома, который останавливает дальнейшее окисление, образуя защитный оксид на поверхности.

Коррозия:

Коррозия металлов может быть серьезной проблемой, особенно для долговременных конструкций, таких как автомобили, мосты и корабли. В большинстве случаев коррозия носит электрохимический (гальванический) характер. Для возникновения коррозии должны присутствовать анод (более легко окисляемая область) и катод (менее легко окисляемая область). Это могут быть разные типы металлов или просто разные участки одного и того же металла.Также должен присутствовать какой-то электролит, который может обеспечивать перенос электронов. Коррозия включает высвобождение электронов на аноде из-за высокого окислительного потенциала атомов на аноде. Когда электроны высвобождаются, образуются катионы металлов, и металл распадается. Одновременно катод, который имеет больший восстановительный потенциал, принимает электроны, либо образуя отрицательные ионы, либо нейтрализуя положительные ионы.

В случае ряда активности или электродвижущей силы металл, такой как цинк, вступает в реакцию с водородом и служит как анодом, так и катодом.(См. Активность серии действий) Уравнение этой реакции:

2 Zn + 2 H + -> 2 Zn 2+ + H 2

Пузырьки водорода на катоде при разрушении анода. Неровности поверхности, наличие примесей, ориентация зерен, локализованные напряжения и вариации окружающей среды - вот некоторые из факторов, определяющих, почему один кусок металла может служить обоими электродами. Например, головка и острие гвоздя обработаны холодным способом и могут служить анодом, а корпус - катодом.(См. Коррозия от активности железа)

Хотя окисление на аноде и восстановление на катоде - одновременные процессы, коррозия обычно происходит на аноде. Катод почти никогда не разрушается. В 1824 году Дэви разработал метод защиты корпусов кораблей от коррозии с помощью цинка, который можно периодически заменять. Цинк более активен, чем сталь в корпусе, и будет служить анодом и подвергаться коррозии; им приносят в жертву защиту стальной конструкции. Сталь, которая была бы и анодом, и катодом, обычно служит катодом.Это называется катодной защитой. Трубопроводы также защищены более активным металлическим магнием. Иногда электрические токи поддерживаются в коротких отрезках трубопроводов с такой же металлической проволокой, которая служит жертвенным анодом.

Коррозия - серьезная проблема, которую необходимо решить для эффективного использования металлов. Железо соединяется с кислородом воздуха, образуя оксид железа (ржавчину), что в конечном итоге разрушает полезность металла. (См. Дополнительно: действие химического обогрева рук). К счастью, некоторые металлы, такие как алюминий и хром, образуют защитное оксидное покрытие, предотвращающее дальнейшее окисление (коррозию).Точно так же медь соединяется с серой и кислородом, образуя знакомую зеленую патину.

Понимание химического состава металлов приводит к разработке методов уменьшения и предотвращения коррозии. Атомы хрома примерно того же размера, что и атомы железа, и могут замещать их в кристаллах железа. Хром образует оксидный слой, который позволяет нержавеющей стали противостоять коррозии. Металлы можно окрашивать или покрывать другими металлами; оцинкованная (оцинкованная) сталь является примером. Когда эти два металла используются вместе, более активный цинк корродирует, жертвуя собой ради сохранения стали.

Металлические руды:

Золото, серебро и медь были первыми металлами, которые использовались, поскольку они находятся в свободном или элементарном состоянии. Большинство металлов, встречающихся в природе, сочетаются с другими элементами, такими как кислород и сера. Энергия необходима для извлечения металлов из этих соединений или руд. Исторически сложилось так, что легкость, с которой данный металл может быть извлечена из руды, наряду с доступностью, определялась при его использовании, отсюда и раннее использование меди, олова и железа.Формулы для некоторых руд приведены ниже:

Habgar
Гематит Fe 2 O 3 Рутил TiO 2
Магнетит Fe 3 O 4 Циркон ZrSiO ZrSiO Пирит FeS 2 Касситерит SnO 2
Халькоцит Cu 2 S Боксит Al 2 O
Галена PbS

Эти руды представляют собой ионные соединения, в которых металлы существуют в виде положительных ионов.Например, степень окисления железа в гематите +3; степень окисления меди в халькоците +1. Извлечение металлов из их руд представляет собой окислительно-восстановительную (окислительно-восстановительную) реакцию. В элементарном состоянии металлы состоят из атомов, а не ионов. Поскольку у атомов нет общего заряда, ионы металлов в реакции приобретают электроны; они уменьшены.

Общая реакция восстановления меди из халькоцита:

Cu 2 S + O 2 + Энергия -> 2 Cu + SO 2

Это только общая реакция.Весь процесс не так прост. Восстановление металлов из их руд обычно требует ряда химических и механических процессов. Обычно они энергетически дороги, потребляют большое количество тепла и / или электроэнергии. Например, около пяти процентов электроэнергии, потребляемой в Соединенных Штатах, используется для производства алюминия. Изготовление алюминиевой консервной банки, начиная с руды, стоит примерно в сто раз дороже, чем плавление и формирование переработанного алюминия. Извлечение металлов из руд может также приводить к образованию загрязняющих веществ, таких как диоксид серы, указанный выше.По возможности, переработка и переработка металлов имеет смысл.

Относительная сложность извлечения металлов из руд указывает на то, что это их предпочтительное состояние. После удаления из руд и в элементарном состоянии большинство металлов проявляют значительную тенденцию реагировать с кислородом и серой и возвращаться в свое естественное состояние; они разъедают! При коррозии металл окисляется. Он теряет электроны, становясь положительным ионом. (См. Раздел "Коррозия металлов")

Сводка по металлам

Металлы обладают полезными свойствами, включая прочность, пластичность, высокие температуры плавления, тепловую и электрическую проводимость и ударную вязкость.Они широко используются в конструкциях и электротехнике. Понимание структуры металлов может помочь нам понять их свойства.

Атомы металлов связаны друг с другом прочными делокализованными связями. Эти связи образуются облаком валентных электронов, которые разделяются между положительными ионами (катионами) металлов в кристаллической решетке. В таком расположении валентные электроны обладают значительной подвижностью и могут легко проводить тепло и электричество. В кристаллической решетке атомы металлов плотно упакованы вместе, чтобы максимизировать прочность связей.Настоящий кусок металла состоит из множества крошечных кристаллов, называемых зернами, которые касаются границ зерен.

Из-за делокализованной природы связей атомы металла могут скользить мимо друг друга, когда металл деформируется, вместо того, чтобы разрушаться, как хрупкий материал. Это движение атомов осуществляется за счет образования и движения дислокаций в решетке. Технологии обработки, которые изменяют связь между атомами или влияют на количество или подвижность дислокаций, могут иметь большое влияние на механические свойства металла.

Упругая деформация металла - это небольшое изменение формы при низком напряжении, которое можно восстановить после снятия напряжения. Этот тип деформации включает растяжение металлических связей, но атомы не скользят друг мимо друга. Пластическая деформация возникает, когда напряжение достаточно для постоянной деформации металла. Этот тип деформации включает разрыв связей, обычно за счет движения дислокаций.

Пластическая деформация приводит к образованию большего количества дислокаций в металлической решетке.Это может привести к снижению подвижности этих дислокаций из-за их тенденции запутываться или скрепляться. Пластическая деформация при температурах, достаточно низких, чтобы атомы не могли перегруппироваться (холодная обработка), может упрочнять металл в результате этого эффекта. Одним из побочных эффектов является то, что металл становится более хрупким. При использовании металла трещины имеют тенденцию к образованию и росту, что в конечном итоге приводит к его разрушению или разрушению.

Дислокации не могут легко пересекать границы зерен. Если металл нагреть, зерна могут стать больше, а материал станет мягче.Нагревание металла и быстрое охлаждение (закалка) с последующим легким нагревом (отпуском) приводит к более твердому материалу из-за образования множества мелких выделений Fe 3 C, которые блокируют дислокации.

Смешивание металлов с другими металлами или неметаллами может привести к получению сплавов с желаемыми свойствами. Сталь, изготовленная из железа и углерода, может существенно различаться по твердости в зависимости от количества добавленного углерода и способа ее обработки. Некоторые сплавы обладают более высокой устойчивостью к коррозии.

Коррозия - основная проблема большинства металлов. Это окислительно-восстановительная реакция, в которой атомы металла образуют ионы, вызывающие ослабление металла. Один из методов, который был разработан для борьбы с коррозией в конструкциях, включает прикрепление расходуемого анода, сделанного из металла с более высоким окислительным потенциалом. В этом случае анод подвергается коррозии, оставляя катод, конструктивную часть, неповрежденным. Образование защитного покрытия на внешней стороне металла также может противостоять коррозии.Стали, содержащие металлический хром, образуют защитное покрытие из оксида хрома. Алюминий также устойчив к коррозии благодаря образованию прочного оксидного покрытия. Медь образует знакомую зеленую патину, реагируя с серой и кислородом в воздухе.

В природе можно найти лишь несколько чистых металлов. Большинство металлов существует в виде руд, соединений металла с кислородом или серой. Для отделения чистого металла от руды часто требуется большое количество энергии в виде тепла и / или электричества. Из-за такого большого расхода энергии имеет смысл по возможности утилизировать металлы.

Вопросы для обсуждения

1. Как руды добываются из земли?

2. Назовите 4 сплава и металлы, из которых они сделаны.

3. Какое влияние оказывает «холодная обработка» на металлы?

4. Какой процесс делает металлы твердыми, но хрупкими?

5. Какой процесс делает металлы мягче и удобнее в обработке?

6. Назовите три метода уменьшения коррозии.

7. Дайте 2 ценных результата переработки.

Проблема

Предположим, что радиус одного атома железа равен 1,24 Ангстрема (1 Ангстрем = 1 x 10 -8 см). Какой будет плотность объемно центрированного кубического (ОЦК) железа в граммах на кубический сантиметр? Подсказка: найдите массу и объем одной элементарной ячейки. Не забудьте считать только доли каждого атома в ячейке.

Добавочный номер:

Максимальная растворимость углерода в железе ОЦК составляет один атом на каждые 5000 атомов железа.Какой будет плотность стали при максимальном растворении углерода?


Решение

= m / V = ​​# атомов x (масса / атом) / объем ячейки

В ОЦК-железе на элементарную ячейку приходится два атома железа. (8 х 1/8 + 1)

Один атом железа имеет массу 55,85 а.е.м. или 9,27 x 10 -23 граммов.

Общая масса одной элементарной ячейки составляет 1,85 x 10 -22 граммов.

Пусть (r) будет радиус атома железа.Атомы в углах контактируют с атомом в середине, в результате чего диагональ коробки равна (4r).

Если мы назовем одну сторону коробки (L), диагональ грани куба будет равна (квадратный корень из 2) умноженным на (L).

Одна сторона, диагональ грани куба и диагональ прямоугольника образуют прямоугольный треугольник. Используя теорему Пифагора, (L) 2 + (квадратный корень 2 x (L)) 2 = (4r) 2 .

Решая для L и подставляя для (r), мы находим, что L = 2.86 ангстрем или 2,86 x 10 -8 см.

Объем куба (элементарной ячейки) равен (л) 3 = 2,34 x 10 -23 см 3 . Разделив массу на объем, получим:

Плотность = 7,91 г / см 3 .

Следующая тема: Список литературы
Металлы Содержание МАСТ Домашняя страница
.

Simple English Wikipedia, бесплатная энциклопедия

Некоторые химические элементы называются металлами . Они являются большинством элементов периодической таблицы. Эти элементы обычно обладают следующими свойствами:

  1. Они могут проводить электричество и тепло.
  2. Их легко сформировать.
  3. У них блестящий вид.
  4. Они имеют высокую температуру плавления.

Большинство металлов остаются твердыми при комнатной температуре, но это не обязательно.Ртуть жидкая. Сплавы - это смеси, в которых хотя бы одна часть смеси представляет собой металл. Примеры металлов: алюминий, медь, железо, олово, золото, свинец, серебро, титан, уран и цинк. Хорошо известные сплавы включают бронзу и сталь.

Изучение металлов называется металлургией.

Признаки сходства металлов (свойства металлов) [изменить | изменить источник]

Большинство металлов твердые, блестящие, они кажутся тяжелыми и плавятся только при очень высоких температурах.Куски металла издают звон колокольчика при ударе чего-то тяжелого (они звонкие). Тепло и электричество могут легко проходить через металл (он проводящий). Кусок металла можно разбить на тонкий лист (он ковкий) или растянуть на тонкую проволоку (он пластичный). Металл трудно разорвать (у него высокая прочность на разрыв) или разбить (у него высокая прочность на сжатие). Если надавить на длинный тонкий кусок металла, он согнется, а не сломается (он эластичный). За исключением цезия, меди и золота, металлы имеют нейтральный серебристый цвет.

Не все металлы обладают этими свойствами. Ртуть, например, жидкая при комнатной температуре, свинец очень мягкий, а тепло и электричество не проходят через железо так, как через медь.

Мост в России металлический, вероятно, железный или стальной.

Металлы очень полезны людям. Их используют для изготовления инструментов, потому что они могут быть прочными и легко поддающимися обработке. Из железа и стали строили мосты, здания или корабли.

Некоторые металлы используются для изготовления таких предметов, как монеты, потому что они твердые и не изнашиваются быстро.Например, медь (блестящая и красного цвета), алюминий (блестящая и белая), золото (желтая и блестящая), а также серебро и никель (также белые и блестящие).

Некоторые металлы, например сталь, можно делать острыми и оставаться острыми, поэтому их можно использовать для изготовления ножей, топоров или бритв.

Редкие металлы с высокой стоимостью, такие как золото, серебро и платина, часто используются для изготовления ювелирных изделий. Металлы также используются для изготовления крепежа и шурупов. Кастрюли, используемые для приготовления пищи, могут быть сделаны из меди, алюминия, стали или железа.Свинец очень тяжелый и плотный, и его можно использовать в качестве балласта на лодках, чтобы не допустить их опрокидывания или защитить людей от ионизирующего излучения.

Многие изделия, сделанные из металлов, на самом деле могут быть изготовлены из смесей по крайней мере одного металла с другими металлами или с неметаллами. Эти смеси называются сплавами. Некоторые распространенные сплавы:

Люди впервые начали делать вещи из металла более 9000 лет назад, когда они обнаружили, как получать медь из [] руды. Затем они научились делать более твердый сплав - бронзу, добавляя к ней олово.Около 3000 лет назад они открыли железо. Добавляя небольшое количество углерода в железо, они обнаружили, что из них можно получить особенно полезный сплав - сталь.

В химии металл - это слово, обозначающее группу химических элементов, обладающих определенными свойствами. Атомы металла легко теряют электрон и становятся положительными ионами или катионами. Таким образом, металлы не похожи на два других вида элементов - неметаллы и металлоиды. Большинство элементов периодической таблицы - металлы.

В периодической таблице мы можем провести зигзагообразную линию от элемента бора (символ B) до элемента полония (символ Po). Элементы, через которые проходит эта линия, - это металлоиды. Элементы, расположенные выше и справа от этой линии, являются неметаллами. Остальные элементы - это металлы.

Большинство свойств металлов обусловлено тем, что атомы в металле не очень крепко держатся за свои электроны. Каждый атом отделен от других тонким слоем валентных электронов.

Однако некоторые металлы отличаются. Примером может служить металлический натрий. Он мягкий, плавится при низкой температуре и настолько легкий, что плавает на воде. Однако людям не следует пробовать это, потому что еще одно свойство натрия состоит в том, что он взрывается при соприкосновении с водой.

Большинство металлов химически стабильны и не вступают в реакцию легко, но некоторые реагируют. Реактивными являются щелочные металлы, такие как натрий (символ Na) и щелочноземельные металлы, такие как кальций (символ Ca). Когда металлы действительно вступают в реакцию, они часто реагируют с кислородом.Оксиды металлов являются основными. Оксиды неметаллов кислые.

Соединения, в которых атомы металлов соединены с другими атомами, образуя молекулы, вероятно, являются наиболее распространенными веществами на Земле. Например, поваренная соль - это соединение натрия.

Кусок чистой меди, найденной как самородная медь

Считается, что использование металлов отличает людей от животных. До того, как стали использовать металлы, люди делали инструменты из камня, дерева и костей животных. Сейчас это называется каменным веком.

Никто не знает, когда был найден и использован первый металл. Вероятно, это была так называемая самородная медь, которую иногда находят большими кусками на земле. Люди научились делать из него медные инструменты и другие вещи, хотя для металла он довольно мягкий. Они научились плавке, чтобы получать медь из обычных руд. Когда медь плавили на огне, люди научились делать сплав под названием бронза, который намного тверже и прочнее меди. Из бронзы делали ножи и оружие.Это время в истории человечества примерно после 3300 г. до н.э. часто называют бронзовым веком, то есть временем бронзовых инструментов и оружия.

Примерно в 1200 году до нашей эры некоторые люди научились делать железные орудия труда и оружие. Они были даже тверже и прочнее бронзы, и это было преимуществом на войне. Время железных инструментов и оружия теперь называется железным веком. . Металлы были очень важны в истории человечества и цивилизации. Железо и сталь сыграли важную роль в создании машин. Золото и серебро использовались в качестве денег, чтобы люди могли торговать, то есть обмениваться товарами и услугами на большие расстояния.

В астрономии металл - это любой элемент, кроме водорода или гелия. Это потому, что эти два элемента (а иногда и литий) - единственные, которые образуются вне звезд. В небе спектрометр может видеть признаки металлов и показывать астроному металлы в звезде.

В организме человека некоторые металлы являются важными питательными веществами, такими как железо, кобальт и цинк. Некоторые металлы могут быть безвредными, например рутений, серебро и индий. Некоторые металлы могут быть токсичными в больших количествах. Другие металлы, такие как кадмий, ртуть и свинец, очень ядовиты.Источники отравления металлами включают горнодобывающую промышленность, хвостохранилища, промышленные отходы, сельскохозяйственные стоки, профессиональные воздействия, краски и обработанную древесину.

.

Смотрите также