Какой металл в наибольшем количестве содержится в земной коре в
Обновлено: 17.05.2024
Металлы, наряду с древесиной и керамикой, относятся к числу наиболее распространенных «традиционных» конструкционных материалов и известны человечеству с глубокой древности. Производство металлов по масштабам соизмеримо с производством таких промышленных продуктов как цемент, целлюлоза, полимерные материалы.
Значение металлов как важнейших материалов современной техники и, как следствие, возрастающая роль их в народном хозяйстве, несмотря на внедрение полимерных материалов и композитов, обусловлены рядом их специфических качеств. К качествам относятся:
- способность к взаимному растворению и образование многочисленных сплавов разнообразного состава, что позволяет в широких пределах изменять в заданном направлении физико-механические и физико-химические свойства металлических материалов
- комплекс ценных механических, физических и химических свойств, в том числе тепловых (высокие теплопроводность и коэффициент термического расширения, низкая теплоемкость), электрических и магнитных (низкое удельное сопротивоение, способность к к термоэлектронной эмиссии, ферро- и параманетизм), механических (упругость, пластичность, прочность), химических (окисляемость);
- возможность фазовых превращений при изменении температуры и существование в нескольких полиморфных модификаций с различными структурой и свойствами;
- способность деформироваться в холодном и горячем состоянии без разрушения сплошности материала.
Существенную роль имеет также широкое распространение металлов в литосфере и гидросфере Земли. Металлы составляют 86% известных химических элементов. К металлам относятся: s-элементы, кроме водорода и гелия, все d-элементы, все f-элементы, часть р-элементов (алюминий, галлий, индий, таллий).
Значение того или иного металла в народном хозяйстве страны принято оценивать долей его производства в общем производстве металлов или в производстве железа и его сплавов. Удельный вес различных металлов существенно меняется со временем. Появление новых отраслей техники (ракетостроение, атомная энергетика, электроника и др.) вызывает потребность в материалах с новыми свойствами и стимулирует развитие новых направлений в металлургии. Так уже после 1945 года промышленное значение приобрели такие металлы как титан, молибден, цирконий, ниобий. В настоящее время в цветной металлургии производятся более 30 металлов, являющихся редкими элементами, и сотни их сплавов. Поэтому доля производства различных металлов со временем меняется. Например, за последние годы существенно возросла доля производства алюминия, но практически не изменилась доля производства меди.
Научно обоснованной классификации металлов не существует. В основу классификации положен промышленный принцип, учитывающий сложившуюся структуру металлургической промышленности, распространение в природе и свойства металлов. На рис. 1.1 представлена промышленная классификация металлов.
В соответствии с промышленной классификацией металлы делятся на черные, к которым относятся железо и его сплавы, марганец и хром, производство которых связано с производством чугуна и стали, и цветные. Термин «цветные металлы» достаточно условен, так как из всех металлов этой группы только золото и медь имеют ярко выраженную окраску. Из цветных металлов основные тяжелые металлы получили название из-за больших («тяжелых») масштабов производства и потребления. Малые тяжелые металлы являются природными спутниками основных тяжелых металлов, их получают попутно и в меньших количествах.
Промышленная классификация металлов
Сырье в производстве металлов– металлические руды
За исключением небольшого числа (платина, золото, серебро, иногда ртуть и медь) металлы находятся в природе в виде химических соединений, входящих в состав металлических руд.
Металлической рудой называется горная порода, содержащий в своем составе один или несколько металлов в таких соединениях, количествах и концентрациях, при которых возможно и целесообразно их извлечение при современном уровне обогатительной и металлургической техники.
Классификация металлических руд:
1. По качеству и количеству металла руды делят на промышленные и непромышленные. К промышленным относят те руды, в которых содержание металла превышает его рентабельный минимум, то есть то минимальное содержание основного металла, которое определяет возможность и целесообразность металлургической переработки данной руды. По мере развития производства рентабельный минимум снижается. Снижению рентабельного минимума способствуют совершенствование обогатительной и металлургической техники и повышение комплексности использования металлических руд.
2. По числу содержащихся в руде металлов их делят на монометаллические (простые) и полиметаллические (комплексные). К полиметаллическим относится большинство руд цветных металлов (медные, медно-никелевые и свинцово-медно-цинковые руды), содержащие до 10—15 различных металлов. Полиметалличность большинства руд делает экономически не обходимым их комплексное использование, то есть организацию безотходных или малоотходных производств.
3. По содержанию металла руды подразделяют на богатые, средние и бедные. Руды цветных металлов, как правило, относятся к очень бедным, однако сопутствующие основному металлу в них другие элементы по ценности могут значительно превосходить основной компонент руды (табл. 1.1).
4. По форме нахождения металла руды делятся на:
— самородные, содержащие металлы в свободном состоянии (Me);
— окисленные, в которых металлы присутствуют в форме различных кислородных соединений (оксидов МеnОm, гидроксидов Ме(ОН)m, солей многоосновных кислородных кислот МеМеnОm МеЭОn);
— сульфидные, содержащие сульфиды (MeS) и полисульфиды (MeSn) металлов;
— галогенидные, в которых содержатся соли галогенводородных кислот (МеГn).
Использование металлов в народном хозяйстве зависит не только от их специфических свойств, но и от разведанных запасов и доступности руд и возможности промышленного выделения металлов из их соединений в этих рудах. В земной коре содержание металлов весьма неравномерно. Наиболее распространены элементы, имеющие нечетные и малые номера в периодической таблице.
Доступность металлических руд как сырья для производства металлов зависит от их состава (бедные, богатые), географического положения региона их нахождения и распределения в земной коре.
Руды или образуют в земле естественные скопления (месторождения), или содержатся в очень небольших концентрациях в виде изоморфных примесей в основных минералах (рассеянные металлы).
Месторождением металловназывается скопление металлических руд, пригодное для их промышленного использования. Естественно, что концентрация металлов в месторождениях значительно выше их средней концентрации в земной коре.
Основную массу металлов извлекают из руд, содержащихся в земной коре (литосфере). Потенциальным источником металлов можно считать и воды Мирового океана, содержащие до 3,5% растворенных солей, а также залежи металлсодержащих конкреций на дне океана.
Самые распространённые элементы в земной коре
Кора — это самый внешний слой планеты. Земля состоит из ряда различных элементов, но кора составляет только 1% объема Земли в тонком внешнем слое, который охватывает другие части внутренней планеты, включая мантию, внешнее ядро и внутреннее ядро. Земная кора имеет глубину 40 км и состоит из твердых пород и минералов, которые охлаждались и затвердевали, когда Земля была молодой. В коре можно найти много разных элементов. 10 наиболее распространенных элементов в земной коре в процентах от содержания упомянуты ниже:
10 самых распространенных элементов в земной коре
- Кислород — 46,1%
- Кремний — 28,2%
- Алюминий — 8,23%
- Железо — 5,63%
- Кальций — 4,15%
- Натрий — 2,36%
- Магний — 2,33%
- Калий — 2,09%
- Титан — 0,565%
- Водород — 0,140%
1. Кислород (O)
Один из наиболее заметных и важных элементов, составляющих земную кору, — это кислород. Кислород — самый распространенный элемент в земной коре, 461 000 частей на миллион. Это означает, что он составляет примерно 46% земной коры. Во Вселенной в целом Кислород занимает третье место по распространенности. Кислород составляет 21% атмосферы Земли и 90% массы воды. Это, возможно, самый важный элемент для жизни на Земле, и действительно, он составляет примерно две трети компонентов человеческого тела. Кислород — это элемент с высокой реакционной способностью, который также легко соединяется с другими элементами. Из-за этого кислород содержится в большом количестве обычных соединений как на Земле, так и, в частности, в коре. В земной коре очень много силиката, который образован из кремния и кислорода. Кислород также соединяется с железом, образуя железную руду и различные соединения железа, которые составляют большую часть земной коры. Жидкий кислород легко воспламеняется и используется в качестве топлива, в то время как кислород и ацетилен создают пламя, достаточно горячее для сварки и плавления металла. Более того, большая часть органической жизни на Земле нуждается в кислороде для выживания. Это один из основных компонентов большинства живых существ.
2. Кремний (Si)
Как упоминалось в случае силиката, кремний также является важным элементом земной коры. Он составляет около 28% и может быть обнаружен в самых разных минералах и элементарных соединениях, обычно в сочетании с кислородом. Диоксид кремния — одно из наиболее распространенных соединений, состоящее из кремния и кислорода. Диоксид кремния является основным компонентом многих типов твердых кристаллических пород, таких как кварц, аметист, опал и горный хрусталь. Диоксид кремния — это также то, из чего состоит большая часть песка, и большая часть причины, по которой он так часто встречается в земной коре. Песок в основном состоит из минералов и горных пород на основе кремния. Кремний также используется в различных изделиях, созданных человеком, таких как большая часть электроники и микрочипов, а также стекло и кирпич.
3. Алюминий (Al)
Алюминий, третий в списке самых распространенных элементов, составляет примерно 8% земной коры и на самом деле является самым распространенным металлом в коре. Хотя это наиболее часто встречающийся металл, он всегда находится в сложной форме. Наиболее часто встречающиеся соединения — это сульфат алюминия, калия и оксид алюминия.
4. Железо (Fe)
Примерно 5% земной коры состоит из железа. Железо — очень важный элемент на Земле, и на самом деле оно составляет большую часть ядра Земли. Кроме того, из-за своего изобилия оно использовалось людьми в течение тысяч лет, что даже позволяет назвать эпоху железного века. Хотя человечество сильно развилось со времен железного века, железо по-прежнему широко используется в наше время. Из железа и углерода получается сталь — один из наиболее часто используемых металлов во всем, от небольших предметов домашнего обихода до мостов и зданий. Железо также важно для органической жизни. Это ключевая часть человеческой крови и компонент хлорофилла растений.
5. Кальций (Ca)
Кальций составляет около 4% земной коры. Хотя кальций обычно связан с ростом человека в отношении костей и развития, кальций также легко обнаруживается на Земле в различных сложных формах и часто встречается в сочетании с кислородом или водой. Карбонат кальция также является обычным соединением, и его можно найти в различных типах горных пород, таких как мрамор, мел и известняк, а также в ракушках и жемчуге.
6. Натрий (Na)
Натрий, составляющий примерно 2,3% земной коры, занимает 6-е место в списке самых распространенных элементов. Как и многие другие элементы в этом списке, он никогда не бывает свободным в природе, а находится в сложной форме. В изолированной форме он также является высокореактивным элементом. Для человека натрий чаще всего ассоциируется с каменной солью — хлоридом натрия. Поскольку натрий очень хорошо растворим в воде, он является одним из наиболее распространенных растворенных элементов, обнаруживаемых в океане, и действительно, в соленых водоемах часто образуются хлорид натрия или отложения соли, особенно там, где водоем высох. Натрий также является важным элементом для животных и людей и помогает органической жизни поддерживать адекватный баланс жидкости, который, в свою очередь, влияет на нервы и мышечные волокна.
7. Магний (Mg)
Магний является седьмым по распространенности элементом земной коры с содержанием около 2%. Металл встречается не как свободный элемент, а в сочетании с другими элементами, такими как кислород, кальций и углерод. Доломит — пример минерала, содержащего магний.
8. Калий (К)
Примерно 2% земной коры составляет калий. Это не элемент, который встречается в природе в своей одиночной форме, а входит в состав ряда соединений, свободно обнаруживаемых на Земле. Его чистая форма очень реактивна как по отношению к кислороду, так и к водороду, что означает, что он может воспламеняться в воде или на открытом воздухе. Наиболее распространенным соединением калия является хлорид калия, который используется в удобрениях и т.п., и карбонат калия, который используется для мыла и некоторых типов стекла.
9. Титан (Ti)
Титан содержится в таких минералах, как рутил, ильменит и сфен, которые содержатся в земной коре. При 0,6% состава земной коры он гораздо менее распространен, чем элементы, которые занимают места с первого по восьмое в списке. Тем не менее, это важный элемент, который известен как чрезвычайно прочный и очень легкий. Из-за этого люди по-разному используют его, от самолетов до искусственных суставов человека.
10. Водород (H)
Водород на самом деле является самым распространенным элементом в известной вселенной, но он занимает только десятое место по отношению к элементам в земной коре, поскольку чаще всего встречается в виде газа. Водород содержит множество соединений, которые легко найти на Земле как в природе, так и в антропогенных целях. Водород, конечно, является ключевым компонентом воды, H2O, но также входит в общие соединения аммиака, метана, перекиси водорода и даже сахара, которые легко используются людьми.
Тест № 1-18 по дисциплине «Материаловедение» (Какой из металлов в земной коре содержится в наибольшем количестве? Материал наиболее пригоден для изготовления прозрачных экранов к металлорежущим станкам)
1. Основную массу земной коры составляют девять элементов: кислород, кремний, железо, алюминий, магний и др. какой из металлов в земной коре содержится в наибольшем количестве?
В. Магний
2. Металловедение – это наука изучающая:
А. Строение металлов и сплавов
Б. Строение и свойства металлов
В. Строение, свойства, состав
Г. Состав и строение металлов и сплавов
3. В некоторых конструкциях выхлопных клапанов ДВС стали делать их полыми и заполнять их металлическим натрием, в результате чего работоспособность их значительно возросла.
Благодаря какому свойству натрия это стало возможно?
А. Химической стойкости
Г. Жидко текучести
4. При оценке пригодности материалов для летающих конструкций часто более важны не его прочность сама по себе, а ее разновидность. Назовите ее.
А. Прочность на изгиб
Б. Удельная прочность
В. упругая прочность
Какой из металлических материалов- алюминий, углеродистая сталь или чугун имеют больший показатель удельной прочности и почему?
А. Алюминий
Б. Углеродистая сталь
5. Полиморфизм (аллотропия) железа- это способность к образовыванию различных кристаллических шипов структур при изменении температур. Какую кристаллическую решетку будет иметь Fe?
А. Кубическая простая
Б. Кубическая объемно-центрированная
В. Кубическая гранецентрированная
6. При какой температуре железо теряет магнитные свойства?
7. Кто из отечественных ученых впервые в России применил металлографический микроскоп для изучения структуры стали и ее изменения после ковки и термической обработки?
Б. Д.К.Чернов
8. По диаграмме железо-углерод назовите состав эвтектического чугуна?
9. Назовите структуру стали с содержанием углерода 0,8% при комнатной температуре.
А. Феррит
Б. Феррит + перлит
Г. Перлит + цементит
10. В чем отличие термической от химико-термическй обработки металлов и сплавов?
А. Изменяется структура
Б. Изменяется химический состав
В. Изменяется структура и химический состав
11. Из какой углеродистой конструкционной стали, изготавливаются в промышленности валы для редукторов?
А. Сталь 10
12. Как известно чугун классифицируется по форме углерода. Какая форма углерода у серого чугуна?
А. Пластинчатая
Б. Шаровидная (глобулярная)
Г. В виде химического соединения Fe3C
13. Из какой углеродистой инструментальной стали изготавливают напильники по металлу?
14. После термической обработки, закалки бойка слесарного молотка обязательно производится еще один вид термической обработки. Назовите его?
А. Отжиг
15. Твердые сплавы широко используются для изготовления режущих инструментов. Назовите основу твердых сплавов?
А. Металлы: вольфрам, титан, тантал, хром
Б. Карбиды металлов вольфрама, титана, тантала, хрома
В. Белый чугун, легированная сталь
16. Алюминиевые сплавы подразделяются по способу их получения на деформируемые, литейные, порошковые (САС, САП). В каком виде используется сплав алюминия с кремнием.
А. Деформированные
17. Бронза представляет собой сплав меди с другими металлами, назовите их.
А. Цинк
18. Какой материал наиболее пригоден для изготовления прозрачных экранов к металлорежущим станкам?
Химический состав земной коры
Химический состав земной коры был определен по результатам анализа многочисленных образцов горных пород и минералов, выходящих на поверхность земли при горообразовательных процессах, а также взятых из горных выработок и глубоких буровых скважин.
В настоящее время земная кора изучена на глубину до 15—20 км. Она состоит из химических элементов, которые входят в состав горных пород.
Наибольшее распространение в земной коре имеют 46 элементов, из них 8 составляют 97,2—98,8 % ее массы, 2 (кислород и кремний) —75 % массы Земли.
Первые 13 элементов (за исключением титана), наиболее часто встречающиеся в земной коре, входят в состав органического вещества растений, участвуют во всех жизненно необходимых процессах и играют важную роль в плодородии почв. Большое количество элементов, участвующих в химических реакциях в недрах Земли, приводит к образованию самых разнообразных соединений. Химические элементы, которых больше всего в литосфере, входят в состав многих минералов (из них в основном состоят разные породы).
Отдельные химические элементы распределяются в геосферах следующим образом: кислород и водород заполняют гидросферу; кислород, водород и углерод составляют основу биосферы; кислород, водород, кремний и алюминий являются основными компонентами глин и песчаных пород или продуктов выветривания (они в основном составляют верхнюю часть коры Земли).
Химические элементы в природе находятся в самых различных соединениях, называемых минералами.
7.Минералы в земной коре – определение, классификация, свойства.
Земная кора состоит в основном из веществ, называемых минералами - от редких и чрезвычайно ценных алмазов до различных руд, из которых получают металлы для наших повседневных нужд.
Определение минералов
Часто встречающиеся минералы, такие как полевые шпаты, кварц и слюда, называются породообразующими. Это отличает их от минералов, которые находят только в небольших количествах. Кальцит - еще один породообразующий минерал. Он формирует известняковые породы.
В природе существует так много минералов, что минералогам пришлось выработать целую систему их определения, основанную на физических и химических свойствах. Иногда распознать минерал помогают очень простые свойства, например, цвет или твердость, а порой для этого требуются сложные тесты в лабораторных условиях с применением реагентов.
Некоторые минералы, такие как лазурит (синий) и малахит (зеленый), можно распознать по цвету. Но цвет часто обманчив, потому что у многих минералов он довольно широко варьируется. Различия в цвете зависят от примесей, температуры, освещения, радиации и эрозии.
Классификация минералов
1.Самородные элементы
Около 90 минералов - 0,1% массы земной коры
Золото, платина, серебро - драгоценные металлы, медь - цветной металл, алмаз - драгоценный камень, графит, сера, мышьяк
2. Сульфиды
Около 200 минералов - 0,25 % массы земной коры
Сфалерит - цинковая руда, галенит - свинцовая руда, халькопирит - медная руда, пирит - сырье для химической промышленности, киноварь - ртутная руда
3. Сульфаты
Около 260 минералов, 0,1% массы земной коры
Гипс, ангидрит, барит - цементное сырье, поделочный камень и др.
4. Галлоиды
Около 100 минералов
Галит - каменная соль, сильвин - калийное удобрение, флюорит - фторид
5. Фосфаты
Около 350 минералов - 0,7% массы земной коры
6. Карбонаты
Около 80 минералов, 1,8% массы земной коры
Кальцит, арагонит, доломит - строительный камень; сидерит, родохрозит - руды железа и марганца
7. Окислы
Около 200 минералов, 17% массы земной коры
Вода, лед; кварц, халцедон, яшма, опал, кремень, корунд -драгоценные и полудрагоценные камни; бокситовые минералы - руды алюминия, минералы руд железа, олова, марганца, хрома и др.
8. Силикаты
Около 800 минералов, 80% земной коры
Пироксены, амфиболы, полевые шпаты, слюды, серпентин, глинистые минералы - основные породообразующие минералы; гранаты, оливин, топаз, адуляр, амазонит - драгоценные и полудрагоценные камни.
Блеск - весьма характерный признак многих минералов. В одних случаях он очень похож на блеск металлов (галенит, пирит, арсенопирит), в других - на блеск стекла (кварц), перламутра (мусковит). Немало и таких минералов, которые даже в свежем изломе выглядят матовыми, т. е. не имеют блеска.
Замечательной особенностью многих природных соединений служит их окраска. Для ряда минералов она постоянна и весьма характерна. Например: киноварь (сернистая ртуть) всегда обладает карминно-красным цветом; для малахита характерна яркозеленая окраска; кубические кристаллики пирита легко узнаются по металлически-золотистому цвету и т. д. Наряду с этим окраска большого количества минералов изменчива. Таковы, например, разновидности кварца: бесцветные (прозрачные), молочно-белые, желтовато-бурые, почти черные, фиолетовые, розовые.
Минералы различаются и по другим физическим свойствам. Одни из них настолько тверды, что легко оставляют царапины на стекле (кварц, гранат, пирит); другие сами царапаются обломками стекла или острием ножа (кальцит, малахит); третьи обладают настолько низкой твердостью, что легко чертятся ногтем (гипс, графит). Одни минералы при раскалывании легко расщепляются по определенным плоскостям, образуя обломки правильной формы, похожие на кристаллы (каменная соль, галенит, кальцит); другие дают в изломе кривые, "раковистые" поверхности (кварц). Широко варьируют и такие свойства, как удельный вес, плавкость и др.
Столь же различны и химические свойства минералов. Одни легко растворяются в воде (каменная соль), другие растворимы лишь в кислотах (кальцит), третьи устойчивы даже по отношению к крепким кислотам (кварц). Большинство минералов хорошо сохраняется в воздушной среде. Однако известен ряд природных соединений, легко подвергающихся окислению или разложению за счет кислорода, углекислоты и влаги, содержащихся в воздухе. Давно установлено также, что некоторые минералы под воздействием света постепенно меняют свою окраску.
Все эти свойства минералов находятся в причинной зависимости от особенностей химического состава минералов, от кристаллической структуры вещества и от строения атомов или ионов, входящих в состав соединений.
Читайте также: