Металлы в народном хозяйстве

Обновлено: 17.05.2024

существуют химически менее активные, трудно окисляющиеся кислородом металлы:

платина, золото, серебро, ртуть, медь и др. все металлы, за исключением ртути,

при обычных условиях твердые вещества с характерным блеском, хорошо проводят

электрический ток и тепло. Большинство металлов может коваться, тянуться и

прокатываться. По цвету, все металлы условно подразделяются на две группы:

черные и цветные. По плотности различают металлы легкие (ρ<5) и тяжелые

(ρ>5). Примером легких металлов служат калий, натрий, кальций, алюминий

и др. К тяжелым металлам относятся осмий, олово, свинец, никель, ртуть,

золото, платина и т.д. Температура плавления металлов также различна: от 38.9°

(ртуть) до 3380° (вольфрам). Металлы могут отличаться и по твердости: самыми

мягкими металлами являются натрий и калий (режутся ножом), а самыми твердыми –

никель, вольфрам, хром (последний режет стекло). Тепло и электричество

различные металлы проводят неодинаково: лучшим проводником электричества

является серебро, худшим – ртуть.

В расплавленном состоянии металлы могут распределяться друг в друге, образуя

сплавы. Большинство расплавленных металлов могут смешиваться друг с другом в

неограниченных количествах. При смешивании расплавленных металлов происходит

либо простое растворение расплавов одного металла в другом, либо металлы

вступают в химическое соединение. Чаше всего сплавы представляют собой смеси

свободных металлов с их химическими соединениями. В состав сплавов могут

входить также и неметаллы (чугун – сплав железа с углеродом). Свойства

металлов существенно отличаются от свойств составляющих их элементов.

Известно, что у металлов на ВЭУ имеется 1-3 валентных электрона. Поэтому они

сравнительно легко отдают свои электроны неметаллам, у которых на ВЭУ 5-7

электронов. Так, металлы непосредственно реагируют с галогенами. Большинство Ме

хорошо реагируют с кислородом (исключая золото, платину, серебро), образуя

оксиды и пероксиды; взаимодействуют с серой с образованием сульфидов. Щелочные

и щелочноземельные металлы легко реагируют с водой с образованием растворимых в

ней щелочей. Ме средней активности реагируют с водой только при нагревании.

Малоактивные Ме с водой вообще не реагируют. Большинство металлов растворяется

в кислотах. Однако химическая активность различных металлов различна. Она

определяется легкостью атомов металла отдавать валентные электроны. По своей

активности все металлы расположены в определенной последовательности, образуя

ряд активности или ряд стандартных электродных потенциалов:

Li, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb, H

, Bi, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au.

В этом ряду каждый предыдущий металл вытесняет из соединений все последующие

Электролиз – ОВ процесс, протекающий при прохождении постоянного

электрического тока через расплав или раствор электролита. Анодом

называется положительный электрод, на нем происходит окисление; катодом

называется отрицательный электрод, на нем происходит восстановление. При

электролизе расплава происходит распределение ионов соли в анодном и катодном

пространстве. Ион металла восстанавливается до металла, а кислотный остаток

бескислородной кислоты окисляется до соответствующего газа или элемента.

Электролиз растворов солей более сложен из-за возможности участия в электродных

процессах молекул воды. На катоде: 1) ионы металлов от лития до

алюминия не восстанавливаются, но идет процесс восстановления водорода из

воды, 2) ионы металлов от алюминия до водорода восстанавливаются до металлов

вместе с восстановлением водорода из воды, 3) ионы металлов от висмута до

золота восстанавливаются до металлов. На аноде: 1) анионы

бескислородных кислот окисляются до соответствующих элементов, 2) при

электролизе солей кислородсодержащих кислот происходит окисление не кислотных

остатков, а воды с выделением кислорода, 3) в щелочных растворах происходит

окисление гидроксид-ионов до кислорода и воды, 4) при использовании растворимых

4. Применение металлов и их сплавов

О том, что свойства металлов меняются при их сплавлении, стало известно ещё в древности. \(5\) тысяч лет тому назад наши предки научились делать бронзу — сплав олова с медью. Бронза по твёрдости превосходит оба металла, входящие в её состав.

Свойства чистых металлов, как правило, не соответствуют необходимым требованиям, поэтому практически во всех сферах человеческой деятельности используют не чистые металлы, а их сплавы.

Сплав — это материал, который образуется в результате затвердения расплава двух или нескольких отдельных веществ.

В состав сплавов кроме металлов могут входить также неметаллы, например, такие как углерод или кремний.

Добавляя в определённом количестве примеси других металлов и неметаллов, можно получить многие тысячи материалов с самыми разнообразными свойствами, в том числе и такими, каких нет ни у одного из составляющих сплав элементов.

механически прочнее и твёрже,
со значительно более высокой или низкой температурой плавления,
устойчивее к коррозии,
устойчивее к высоким температурам,
практически не менять своих размеров при нагревании или охлаждении и т. д.

Например, чистое железо — сравнительно мягкий металл. При добавлении в железо углерода твёрдость его существенно возрастает. По количеству углерода, а следовательно, и по твёрдости, различают сталь (содержание углерода менее \(2\) % по массе), чугун (\(С\) — более \(2\) % ). Но не только углерод изменяет свойства стали. Добавленный в сталь хром делает её нержавеющей, вольфрам делает сталь намного более твёрдой, добавка марганца делает сплав износостойким, а ванадия — прочным.

Сплавы, используемые для изготовления различных конструкций, должны быть прочными и легко обрабатываемыми.

Такие сплавы железа, как стали, отличаются высокой прочностью и твёрдостью. Их можно ковать, прессовать, сваривать.

Чугуны используют для изготовления массивных и очень прочных деталей. Например, раньше из чугуна отливали радиаторы центрального отопления, канализационные трубы, до сих пор изготавливают котлы, перила и опоры мостов. Изделия из чугуна изготавливаются с применением литья.

Сплавы алюминия, используемые в конструкциях, наряду с прочностью должны отличаться лёгкостью. Дюралюминий, силумин — сплавы алюминия, они незаменимы в самолёто-, вагоно- и кораблестроении.

Для улучшения ударопрочности, коррозионной стойкости, износоустойчивости сплавы легируют — вводят специальные добавки. Добавка марганца делает сталь ударопрочной. Чтобы получить нержавеющую сталь, в состав сплава вводят хром.

Инструментальные сплавы предназначены для изготовления режущих инструментов, штампов и деталей точных механизмов. Такие сплавы должны быть износостойкими и прочными, причём при разогревании их прочность не должна существенно уменьшаться. Таким требованиям отвечают, например, нержавеющие стали, которые прошли специальную обработку (закалку).

Для придания необходимых свойств инструментальные стали, как правило, легируют вольфрамом, ванадием или хромом.

Сплавы служат незаменимым материалом при изготовлении особо чувствительных и высокоточных приборов, различного рода датчиков и преобразователей энергии.

Например, на изготовление сердечников трансформаторов и деталей реле идёт сплав никеля. Отдельные детали электромоторов изготавливаются из сплавов кобальта.

Сплав никеля с хромом — нихром, отличающийся высоким сопротивлением — используется для изготовления нагревательных элементов печей и бытовых электроприборов.

Из сплавов меди в электротехнической промышленности и в приборостроении наиболее широкое применение находят латуни и бронзы.

Латуни незаменимы при изготовлении приборов, деталью которых являются запорные краны. Такие приборы используются в сетях подачи газа и воды.

Главным востребованным свойством легкоплавких сплавов является заданная низкая температура плавления. Это свойство, в частности, используется для пайки микросхем. Кроме того, эти сплавы должны иметь определённую плотность, прочность на разрыв, химическую инертность, теплопроводность.

Легкоплавкие сплавы производят из висмута, свинца, кадмия, олова и других металлов. Такие сплавы используют в термодатчиках, термометрах, пожарной сигнализации, например, сплав Вуда. А также в литейном деле для производства выплавляемых моделей, для фиксации костей и протезирования в медицине.

Сплав натрия с калием (температура плавления \(–\)\(12,5\) °С) используется как теплоноситель для охлаждения ядерных реакторов.


Рис. \(7\). Припой (сплав для паяния) имеет невысокую температуру плавления	Рис. \(8\). Легкоплавкие сплавы незаменимы в датчиках пожарной сигнализации

Применение в чистом виде драгоценных металлов в ювелирном деле не всегда оправдано и целесообразно из-за их дороговизны, физических и химических особенностей.

Для придания ювелирным изделиям из золота большей твёрдости и износостойкости используются сплавы с другими металлами.

Самая лучшая добавка — это серебро (понижает температуру плавления) и медь (повышает твёрдость). Чистое золото используют очень редко, так как оно слишком мягкое, легко деформируется и царапается.

Из сплавов золота с \(10–30\) % других благородных металлов (платины или палладия) изготавливают форсунки лабораторных приборов, а из сплава с \(25–30\) % серебра — ювелирные изделия и электрические контакты.

Оловянная бронза (сплав меди с оловом) — один из первых освоенных человеком сплавов металлов. Она обладает большей, по сравнению с чистой медью, твёрдостью, прочностью и более легкоплавка. Бронзы успешно применяют для получения сложных по конфигурации отливок, включая художественное литьё. Классической маркой бронзы является колокольная бронза.

Одно из новых направлений в искусстве — производство художественных литых изделий из чугуна. Литые изделия из чугуна существенно превосходят по качеству кованые изделия.

Чугун — металл гораздо более хрупкий и не такой ковкий, как сталь. Но даже из такого, казалось бы, грубого материала можно получать настоящие произведения литейного искусства способом литья, например, такие как литые лестницы или решётки на окна. Такие изделия подвержены лишь поверхностной коррозии и не требуют тщательного ухода.

Использование металлов в промышленности

Производство и использование металлов в промышленности постоянно растет. Область применения металлов определяется их индивидуальными физическими свойствами. При этом применение цветных и черных металлов в промышленности обеспечивает приблизительно 72-74% в общем объеме мировой продукции.

Области применения черных металлов

Более 90% от объема используемых в производстве металлов составляет железо и его сплавы с углеродом (чугун, сталь, ферросплавы) и другими элементами. Значение металлов в современной промышленности трудно переоценить. В настоящее время именно они являются основными конструкционными материалами и широко используются в различных сферах производства.

Стали применяют в приборо- и машиностроении, строительстве для изготовления рессор, амортизаторов, пружин и прочих упругих элементов, а также проволоки, болтов и тому подобное.
Чугун, в частности ковкий, благодаря высокой прочности и сопротивлению удару используется в автомобилестроении для изготовления всевозможных деталей: тормозных колодок, угольников, тройников и тому подобное.

В каких отраслях промышленности используют цветные металлы?

Цветная металлургия производит полный цикл производства цветных металлов и их сплавов, которые в дальнейшем используются в различных сферах. Особенно распространено применение металлов в пищевой промышленности и машиностроении. Попробуем разобраться, в каких отраслях промышленности используют цветные металлы чаще всего.

1. Медь применяется в:

электротехнике – благодаря высокой электропроводимости широко используется для производства силовых кабелей и проводов, используемых в дальнейшем в обмотке электроприводов и трансформаторов;
трубной промышленности – высокая прочность меди обеспечивает возможность создания бесшовных труб, используемых для газо- и водоснабжения, а также в системах кондиционирования и холодильных установках;
ювелирной промышленности – в качестве сплавов с золотом, для улучшения прочности последнего;
архитектуре – кровельные и фасадные материалы, произведенные из листовой меди, имеют крайне длительный срок эксплуатации (100-150 лет) без необходимости проведения ремонтных работ.

2. Свинец в виде химических соединений используется:

в производстве взрывчатых веществ в качестве детонатора либо окислителя;
в аккумуляторах и резервных источниках тока в качестве катодного материала;
при обогащении руд;
в химической промышленности, например, при производстве пигментов, инсектицидов;
в медицинской промышленности – при приготовлении мазей, для защиты от радиации в рентгеновских установках.

3. Цинк применяется в:

металлургии – при восстановлении драгметаллов, для защиты стали от коррозии (оцинковка поверхностей, которые не подвергаются постоянным механическим воздействиям, а также металлизация – для защиты мостов и металлических конструкций);
медицине – как антисептик и противовоспалительное средство;
полиграфии – цинковые пластины используются в качестве клише для тиражирования иллюстраций в изданиях;
машиностроении – в виде сплава с алюминием и магнием применяется для точного литья разнообразной технической фурнитуры (например, ручек для автомобилей), корпусов карбюраторов, всевозможных уменьшенных моделей и миниатюр.

4. Олово в качестве сплавов используется:

в качестве антикоррозионного покрытия – в припоях для электроники, трубопроводах, сплавов для изготовления подшипников;
при производстве красок, используемых для имитации эффекта позолоты;
в электротехнике для создания сверхпроводниковых проводов;
при производстве посуды, тары для хранения пищевых продуктов, упаковочной фольги.

5. Никель используется:

в химической промышленности в качестве катализатора и при производстве химреактивов;
для получения жаропрочных сплавов, используемых в аэрокосмической промышленности;
в медицине – для изготовления брекет-систем и протезов;
для производства аккумуляторов в составе сплавов с железом, кадмием, цинком.

6. Алюминий применяется в следующих отраслях промышленности:

авиационной и авиакосмической – в сплавах с добавлением меди или магния как конструкционный материал;
пищевой – используется для изготовления кухонной посуды, пищевой фольги и упаковочных материалов;
электротехнике – при производстве проводов и экранировании сигнальных кабелей;
микроэлектронике – в процессе напыления проводников на микросхемы;
строительной промышленности – в качестве газообразователя используются алюминиевые пасты и суспензии, используемые в производстве газобетона.

7. Титан является одним из важнейших конструктивных материалов в:

ракето-, авиа- и кораблестроении;
военной и автомобильной промышленности;
производстве медицинских инструментов, ювелирных изделий, мобильных телефонов.

Сплавы титана используются в:

химической промышленности – для производства белил и пластика, а также в роли отвердителя и катализатора при изготовлении лакокрасочной продукции;
ювелирной промышленности – благодаря внешней схожести с золотом для создания бижутерии.

Роль металлов в промышленности крайне важна. Практически невозможно найти хотя бы одну промышленную область, которая бы обходилась без использования металлов, их сплавов и химических соединений. В связи с повышенным спросом на продукцию металлургических предприятий многие из них предлагают услуги по добыче металлов в Казахстане, а также мониторинг полезных ископаемых.

Биржевые котировки LME

* Котировки по драгоценным металлам даны за тройскую

Роль металлов и металлургической промышленности в развитии экономики страны

Металлы являются основой экономики страны. В природе очень редко металлы встречаются в чистом виде. К ним относятся золото, серебро, медь. Остальные металлы находятся в виде соединений – руд, которые принято называть полезными ископаемыми. На заре развития человеческого общества люди научились получать и обрабатывать такие металлы, как медь, железо, серебро, золото, олово и свинец. По мере развития культуры число используемых человеком металлов увеличивалось: к началу XIX в. составляло 20, а к концу достигло 50.

Промышленная классификация металлов.Металлыи сплавы условно принято подразделять на две основные группы - черные и цветные. Такая классификация сложилась исторически. К черным металлам относят железо и его сплавы (чугун, сталь, ферросплавы). Остальные металлы составляют группу цветных.

Из металлов особое значение имеет железо: в общемировом производстве металлов свыше 90 % приходится на железо и его сплавы. Широкое применение черных металлов в различных областях техники объясняется их ценными физическими и механическими свойствами, а также и тем, что железные руды широко распространены в природе, а производство чугуна и стали сравнительно дешево и просто.

Объем производства черных металлов в значительной степени определяет уровень технического развития той или иной страны. Современное машиностроение является основным потребителем производимых металлургической промышленностью металлов. В любой отрасли машиностроения - тяжелом машиностроении, станкостроении, судостроении, автомобильной и авиационной промышленности, электронике и радиотехнике из черных металлов изготовляют огромное число деталей машин иприборов. Значительная доля черных металлов потребляется современным промышленным и гражданским строительством.

Большое значение в современной технике имеют и цветные металлы, которые широко применяют во всех отраслях народного хозяйства: в машиностроении, самолетостроении, радиомеханике и электронике. Все большее производство и применение цветных металлов в технике объясняется их физико-механическими и другими свойствами, которыми не обладают черные металлы и сплавы. Металлы в чистом виде применяются очень редко, за исключением меди и алюминия. Эти металлы используются в основном в электротехнической промышленности, как проводники электрического тока. Чистые металлы широко используются как компоненты (легирующие элементы) для получения сплавов. К таким металлам относятся медь, алюминий, магний, никель, титан, вольфрам, а также бериллий, германий, кремний. Наша страна имеет мощную черную и цветную металлургию, обеспечивающие потребности промышленности в металле в виде прокатной продукции. Развитие металлургии идет по пути совершенствования методов плавки и разливки металла, механизации и автоматизации производства, внедрения новых перспективных технологических процессов, обеспечивающих улучшение технико-экономических показателей и качества выпускаемой продукции.

ПОЛУЧЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

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 Ме_nО_m, гидроксидов Ме(ОН)_m, солей многоосновных кислородных кислот МеМе_nО_m МеЭО_n);

— сульфидные, содержащие сульфиды (MeS) и полисульфиды (MeS_n) металлов;

— галогенидные, в которых содержатся соли галогенводородных кислот (МеГ_n).

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.

Читайте также: