Редкие цветные металлы это

Обновлено: 02.05.2024

Редкие металлы

Р е дкие мет а ллы, условное название группы металлов (свыше 50), перечень которых дан в таблице. Это металлы, относительно новые в технике или ещё мало используемые и освоенные. Масштабы производства и области применения их ещё не стабилизировались и продолжают быстро развиваться. Термин появился в литературе примерно в 20-е гг. 20 в. За рубежом редкими металлами иногда называются «менее обычные металлы» (Less Common Metals). Большинство редких металлов мало распространены, а часто и рассеяны в земной коре; их извлечение из сырья и получение в чистом виде связаны с большими технологическими трудностями. В этом причины относительно позднего открытия, изучения и технического освоения редких металлов.

Особенно быстро производство редких металлов развивается после 2-й мировой войны 1939—45. Они необходимы для таких новых отраслей техники, как скоростная авиация, ракетостроение, электроника, атомная энергетика. Естественно, что по мере увеличения производства и потребления этих металлов термин «редкие металлы» утрачивает первоначальное значение.

На основании близости физико-химических свойств, сходства технологии производства и по некоторым др. признакам составлена техническая классификация редких металлов, приведённая в табл. Эта классификация весьма условна: многие элементы могут быть отнесены к разным группам одновременно; так, Rb, Cs — и лёгкие, и рассеянные элементы; типичный рассеянный элемент Re — в то же время тугоплавкий металл; а типичные тугоплавкие металлы V и Hf — одновременно рассеянные элементы; Ti принадлежит и к тугоплавким, и к лёгким металлам, и т. д.

Лёгкие редкие металлы обладают малой плотностью (от 0,54 г/см 3 для Li до 1,87 г/см 3 для Cs), химически весьма активны. По свойствам и методам получения они близки к лёгким цветным металлам (Al, Mg, Ca, Na). См. Лёгкие металлы.

Тугоплавкие редкие металлы относятся к числу переходных металлов IV, V, VI, и VII групп периодической системы; в их атомах происходит достройка электронами d-yровней. Они характеризуются высокими температурами плавления (от 1670 °С для Ti до 3410 °С для W), образованием тугоплавких металлоподобных соединений с рядом неметаллов (карбидов, нитридов, силицидов, боридов, бериллидов). См. Тугоплавкие металлы.

Рассеянные редкие металлы большей частью находятся в форме изоморфной примеси в минералах др. элементов и извлекаются попутно из отходов металлургического и химического производства; например, Ga — в производстве окиси Al₂О₃ (глинозёма), In — из отходов производства Zn и Рb. См. Рассеянные элементы.

Редкоземельные металлы характеризуются большой близостью химических свойств. В рудном сырье эти металлы сопутствуют друг другу и разделить их — задача весьма сложная. Для разделения используют метод экстракции органическими растворителями и ионообменные процессы. См. Редкоземельные элементы, Лантаноиды.

Радиоактивные металлы. В этой группе объединены радиоактивные элементы, встречающиеся в природе (Fr, Ra, Po, Ac, Th, Pa, U) и искусственно полученные (Tc, Np, Pu и др.). Наиболее важное практическое значение из этих элементов имеют уран и плутоний (в производстве ядерной энергии). См. Радиоактивные элементы.

В рудном сырье редкие металлы обычно содержатся в небольших концентрациях, и сырьё часто является сложным, комплексным. Поэтому большое значение в технологии извлечения редких металлов имеют обогащение руд и химические процессы выделения, разделения и очистки соединений редких металлов. Как правило, редкие металлы не выплавляют непосредственно из рудных концентратов, а восстанавливают различными методами из чистых химических соединений. В металлургии редких металлов широко используют разнообразные методы: восстановление окислов и солей газами, углеродом или металлами (см. Металлотермия), термическую диссоциацию соединений, электролиз в водных и расплавленных средах, вакуумную, дуговую, электроннолучевую и зонную плавку и др. Для тугоплавких металлов, кроме того, большое распространение получили методы порошковой металлургии.

Цветные металлы – перечень и их полезные свойства

Эта группа металлов немногочисленна, но ценима промышленностью, медициной, эстетами. Цветные металлы не утилизируют даже после многих лет использования. Переработка дает им вторую жизнь и бережет природу.

Что считать цветным металлом

Первый уровень деления металлов – на чёрные и цветные.

С чёрными проблем нет: это железо и его сплавы(чугун, сталь).

Цветные ранжируют по-разному. Иногда таковыми считаются все металлы, кроме железа и его сплавов (в список включаются благородные, редкоземельные, радиоактивные).

У промышленников своя классификация. Цветные металлы – это бесжелезистые элементы определенного цветового оттенка (отсюда название группы).

Подразделяются на два вида:

В ряде стран такие металлы именуются не цветными, а нежелезными.

Сокращенное наименование сегмента цветных металлов – цветмет, черных – чермет.

Чермет и цветмет: в чем разница?

Первый фактор, по которому цветные металлы отличаются от черных, – отсутствие магнетизма . У чермета его создает железо.

Чтобы отличить черный металл от цветного, к образцу подносят магнит. Если притянется, – он из черного металла.

Другие характеристики цветмета:

Пластичнее, легче черных.
Благодаря отсутствию железа, цветмет устойчивее к коррозии.
Премиальные механические характеристики при низких температурах. Однако медь, алюминий, магний утрачивают их при нагревании, разрушаясь даже от слабого удара.
Взаимодействуют с газами (исключая инертные), растворяют их при нагреве.
Высокая тепловодность, теплоемкость. Это свойство цветмета учитывают сварщики. Для работы требуется термоимпульс, без которого изделие быстро остывает. Поэтому перед сваркой детали (особенно из алюминия, меди, магния) разогревают.
Прочнее, долговечнее. Неуязвимость к внешнему форс-мажору обеспечивает пленка-оксид на поверхности.

Однако агрессивные внешние факторы (особенно кислородно-влажная среда) влияют на структуру цветмета. Например, оцинкованные поверхности становятся белесоватыми.

У цветмета окисляется только поверхность, в отличие от черных металлов.

Добыча и обработка

Источник цветмета – рудное сырье. Способы добычи руды традиционны: из шахты либо карьера.

Сырьем занимается цветная металлургия. Это сегмент полного цикла.

Здесь выполняются следующие процессы:

Обогащение (очистка руд цветных металлов от примесей).
Плавка.
Механическая обработка. Материал куют, прессуют, штампуют.

Различают металлургию легких и тяжелых металлов. В обоих видах это затратное, загрязняющее окружающую среду производство.

Второй способ получения сырья – переработка металлолома. Более рентабельный, экологически чистый метод.

По происхождению различают первичный (из руды) и вторичный (из лома) металл.

Классификация и сферы применения цветмета

По физическим свойствам цветмет подразделяется на тяжелые и легкие металлы. Сфера использования обоих видов обусловлена свойствами цветных металлов: износостойкостью, легкостью на фоне прочности, пластичностью, устойчивостью к коррозии.

Тяжелые цветные металлы

Данный вид цветмета включает пять названий.

Номер один в цветмете. Самый распространенный плюс повышенная пластичность, тепло- и электропроводность. Формирует сплавы почти со всеми металлами. Самые популярные – бронза (с оловом), латунь (с цинком), красное золото.

Самородная медь

Золотистый с розоватостью цветмет – основа кабелей, проволоки, труб для термоагрегатов, боеприпасов, бытовых изделий, декора.

Свинец

Самый тяжелый из цветмета, плотный сизовато-серый.

Мягкий (1,5 из 10 по Моосу), режется вручную, царапается ногтем, легко прокатывается до фольги.

Тепло- и электропроводность ниже средних: у меди, например, на порядок больше. Плюс малая стойкость к вибрациям, беззащитность перед гниющей органической массой, растворами извести, бетона.

Идет на аккумуляторы, основу и покрытие проводов, кабелей, электроды, боеприпасы.

Свинец ставит щит радиации, но токсичен, отнесен к химически опасным веществам 1 класса.

Легкоплавкий цветмет со сменными свойствами: хрупок при обычной температуре, пластичен при нагреве. Равнодушен к ржавлению, разрушается кислотами либо щелочами.

Используется машиностроителями, металлургами как покрытие железа для предотвращения коррозии.

Олово

Серебристо-белый умеренно блестящий тяжелый металл.

Востребован как компонент сплавов для подшипников, припоев.

Расплавленное олово

Самый экологически чистый в «тяжелом» сегменте цветмета, поэтому используется не только промышленностью, но и в быту (например, как материал крышек для консервации).

Никель

Серебристо-белый с желтоватостью цветмет. Один из лучших катализаторов, обязательный компонент нержавеющих сталей, повышающий химическую стойкость.

Мелкий порошок никеля самовоспламеняется при комнатной температуре.

Востребован изготовителями щелочных аккумуляторов (в том числе для электромобилей) и емкостей для химически агрессивных веществ.

Легкие цветные металлы

Сегмент легких цветных металлов состоит из трех позиций.

Алюминий

Серебристый цветмет – суперпроводник электричества, пластичен. Механические параметры оставляют желать лучшего, поэтому добавляется к сплавам. Они прочны, легки, невосприимчивы к коррозии, большинству агрессивных сред, термовоздействию.

Используется как материал корпуса изделий авиа-, морских судов, электропроводов.

Титан

Блестящий серебристый с голубоватым отливом материал. Легок, прочен, устойчив к коррозии, вязок. Пластичен, хрупким становится при -80°C или большом проценте примесей.

Стержень, состоящий из титановых кристаллов высокой чистоты

По прочности цветмет сопоставим со сталью, но вполовину легче. Вдвое прочнее алюминия, однако массивнее всего наполовину. За это ценится строителями ракет, самолетов, судов, нефтяниками.

Заготовка титанового шпангоута истребителя F-15 до и после прессования на штамповочном прессе компании Alcoa усилием 45 тыс. тонн, май 1985

Титан совместим с тканями организма человека, благодаря чему используется пищепромом и как материал экзоскелета, зубных протезов, пирсинга.

Магний

Легкое красивое блестящее вещество.

Благодаря малой плотности цветмет хорошо обрабатывается, устойчив к жару, большинству горючих веществ.

Металлический магний

Однако требует осторожности. В нагретом воздухе сгорает с ярким свечением. Смесь порошка с марганцовкой, другими окислителями порождает взрыв.

Горящий магний затушить водой невозможно.

Вторичное использование цветмета

Использованный цветмет не утилизируют по многим причинам.

Переработка – дело выгодное

Первичное производство цветмета (из руд) – затратный, трудоемкий, экологически проблемный процесс. Поэтому закономерно стремление предприятий оптимизировать расходы. То есть перерабатывать цветной металлолом. Стоимость процесса впятеро дешевле переработки первичного сырья.

Вторичное использование лома цветмета выгодно: предприятие экономит деньги, попутно избегая штрафов за загрязнение окружающей среды.

Сдатчики цветмета тоже получают неплохие деньги. Поэтому на промышленных предприятиях отработана практика складирования такого металлолома для сдачи на пункт приема либо меткомбинат.

Какой лом берут на переработку

Металлолом подразделяют на два вида:

Бытовой – корпус, детали отслужившей бытовой техники, гаджетов, кабели.
Промышленный – не подлежащее ремонту оборудование, изношенные элементы конструкций, стружка, другие отходы, отбраковка производства.

Для переработки годится алюминиевый, медный, никелевый, свинцовый, цинковый, оловянный, титановый лом. Плюс сплавы (бронза, латунь), лом смешанного состава.

Этапы переработки

Поступивший цветмет проходит следующие стадии:

Проверка на предмет радиации, взрывоопасности, наличия опасных химических компонентов.
Сортировка по металлам.
Измельчение.
Прессовка.
Упаковка.
Отправка на металлургический комбинат.

Пункт приема металлического вторсырья (лома) есть в большинстве населенных пунктов. Диапазон принимаемых от организаций и граждан металлических отходов – от крупных конструкций до стружки и порошка любой массы.

Редкие металлы – перечень, классификация и значение

В «металлическом» сегменте таблицы Менделеева эта группа считается элитой. Список редких металлов невелик, но каждая позиция драгоценна. Их стоимость на мировом рынке подтверждает пословицу: «Что редко – дорого».

История

Понятие «редкие металлы» вошло в обиход с середины 1920-х годов. Тогда так называли элементы без собственных месторождений, рассеянные в массиве других руд.

Иногда отождествляются термины «редкий металл» и «редкий элемент». Это ошибка:

Редкие элементы – более широкое понятие.
Оно подразумевает металлы, неметаллы, инертные газы.
Из шести десятков позиций списка редких элементов на металлы приходится 50.

Второе наименование этой группы – менее обычные (привычные) металлы.

Что считается «менее обычным» материалом

К редким металлам относится элемент, соответствующий хотя бы одному критерию:

Малая распространенность в литосфере, рассеянность без коренных месторождений.
Сложная технология извлечения из руды, получения чистого вещества.
Новизна, неосвоенность материала для практического применения.

Последнее условие – самое мобильное. Развитие технологий, появление новых сфер использования, масштабирование производства переводят элемент в привычные.

Классификация

Материал распределяется по нескольким основаниям. Первая основа деления – по происхождению. Различают природный (натуральный) и созданный человеком.

Природные металлы

За основу принадлежности к группе берут свойство, более других влияющее на кондиции элемента либо благодаря которому он востребован.

По базовому признаку различают пять видов редких металлов:

Классификация однобока: многие элементы подпадают под разные группы:

Рубидий с цезием – легкие рассеянные.
Легкий тугоплав – титан.
Рассеянные тугоплавы – рений, гафний, вольфрам.

Есть деление по субъективному признаку. Редкими благородными металлами признаны золото, платина, родий. (Их второе название – драгоценные). А также платиноид осмий, плотность которого наивысшая среди веществ Земли.

Платина

Самые редкие цветные металлы, созданные природой, – осмий, галлий, тантал, рений.

Искусственные

Элементы, созданные на ядерных реакторах: технеций, нептуний, плутоний, прочие трансурановые.

Они причислены к радиоактивной группе.

Самый редкий металл на Земле – калифорний-282.

Ежегодный объем синтезирования калифорния – менее грамма. Глобальный резерв – пять граммов.

А слышали про металл туллий? Смотрите видео:

Где и как добываются

Источник редкостного материала – природные руды:

Почти всегда это конгломерат компонентов.
Доля металлов исчисляется тысячными либо меньше долями процента.
Стандартный способ добычи – закрытый (шахтный), реже – открытый карьерный.

Главный поставщик сырья на мировой рынок – Китай. Он диктует расклад, номенклатуру, цены. Главный потребитель – США.

Российский источник редкого сырья номер один – Кольский полуостров. На его руды, содержащие титан, приходится 40% разведанных запасов страны.

Технология получения

Редкие металлы вычленяют из отходов металлургического производства.

Обогащение сырья.
Выделение, разделение компонентов.
Очистка.
Восстановление.

Используется металлотермия, электролиз, плавка.

На тугоплавкую группу воздействуют методами порошковой металлургии.

Редкоземельные металлы « разлучают » экстракцией. Катализаторами выступают ионообменные процессы и органические растворители.

Где используются

В отличие от других сегментов промышленности, металлургия «менее привычных» элементов кризисы переносит спокойно. Это закономерно: материал добывается ограниченными партиями, дорогой, всегда востребован.

В чистом виде не используется: слишком накладно. Только как компонент сплавов либо легирующая добавка.

Традиционные сферы

Области использования редкостного материала:

Это также сплавы для нужд космического и оборонного комплекса (орудия, снаряды), взрывчатые вещества.

Новые направления

В новом тысячелетии на первый план вышло использование лития как материала компактных мощных батарей-аккумулятров и магнитов:

Батареями-аккумуляторами снабжают электромобили, смартфоны, планшеты, другие гаджеты.
Магниты присутствуют в объектах «зеленой» энергетики (солнечные панели, ветряки), автомобилях с гибридным двигателем, мониторах.

Материал поколения 2.0 – магнитопласт. Из него делают мини-динамики, гибкие панели, рекламную «инфраструктуру».

Калифорний-282 востребован геологами, физиками-ядерщиками, медициной.

Стоимость

Цены редких элементов различны, но всегда высоки.

Так, самый дорогой химический элемент – калифорний-282. Грамм оценивают в $250 млн.

Цветные металлы

Цветные металлы – это общепринятое название всех металлов, за исключением железа.

Цветные металлы:

Цветные металлы – это общепринятое название всех металлов, за исключением железа (ГОСТ Р 59129-2020 «Цветные металлы. Термины и определения»).

Цветные металлы – это металлы и сплавы на их основе, которые не содержат железа в значительных количествах.

Металлы называются цветными, потому что они имеют определенный цвет и оттенок.

Соответственно железо и сплавы на его основе (стали, ферросплавы, чугуны) относятся к черным металлам. В узком смысле к чёрным металлам относят только железо и сплавы на основе железа (стали, ферросплавы, чугуны). В широком смысле к чёрным металлам также относят марганец и, иногда, – хром и ванадий .

Цветные металлы составляют менее 90 % всего объёма используемых в общественном производстве металлов.

Цветные металлы, как правило, более дорогие, чем черные металлы. Они широко используются в различных отраслях экономики и быту из-за своих уникальных свойств, таких как малый вес (например, алюминий ), более высокая электрическая проводимость (например, медь ), немагнитные свойства или устойчивость к коррозии (например, цинк ).

Виды (группы и подгруппы) цветных металлов:

Цветные металлы условно подразделяют на следующие группы:

– тяжелые основные цветные металлы,

– тяжелые малые цветные металлы,

– легкие цветные металлы,

Тяжелые цветные металлы (цветные тяжелые металлы) – группа цветных металлов с плотностью порядка от 6000 до 14000 кг/м 3 .

К тяжелым цветным металлам относят: медь, никель , кобальт , свинец , олово , хром, марганец, цинк, кадмий , висмут , сурьму , ртуть , мышьяк . Мышьяк и сурьму относят к полуметаллам (металлоидам).

Легкие цветные металлы (цветные легкие металлы) – группа цветных металлов с малой плотностью (менее 5000 кг/м 3 ), высокой химической активностью, имеет широкое распространение в природе.

К легким цветным металлам относят: калий , натрий , магний , алюминий, кальций , стронций , барий , титан . Титан может быть отнесен к редким тугоплавким металлам, т.к. обладает высокой температурой плавления и коррозионной устойчивостью.

Драгоценный металл – цветной металл, обладающий высокой химической стойкостью в агрессивных средах, тугоплавкостью, ковкостью, тягучестью. Драгоценный металл может находиться в самородном и аффинированном видах, в сырье, сплавах, промышленных продуктах металлургического производства, химических соединениях, ювелирных и иных изделиях, отходах производства и потребления.

К драгоценным металлам относятся: золото , серебро , платина и металлы платиновой группы – палладий , иридий , родий , рутений и осмий . Этот перечень может быть изменен только федеральным законом.

Редкие металлы – группа цветных металлов, характеризующихся отсутствием собственных рудных месторождений и малой распространенностью в земной коре, трудностью их извлечения из сырья, небольшими масштабами производства.

Редкие металлы условно подразделяют на следующие подгруппы: тугоплавкие, легкие, рассеянные, радиоактивные, редкоземельные.

Редкие тугоплавкие металлы – подгруппа редких металлов, отличающихся высокой температурой плавления, прочностью и коррозионной устойчивостью.

К подгруппе редких тугоплавких металлов относят: цирконий , гафний , ванадий , ниобий , тантал , молибден , вольфрам , титан.

Редкие легкие металлы – подгруппа редких легких металлов, имеющих малую плотность (менее 2000 кг/м 3 ) и отличающихся высокой химической активностью.

К подгруппе редких легких металлов относят: литий , рубидий , цезий , бериллий .

Редкие рассеянные металлы – подгруппа редких металлов общим признаком которых является рассеянность в земной коре и нахождение их в виде изоморфной примеси в решетках ряда минералов цветных металлов. Рассеянные редкие металлы извлекают попутно при производстве цветных металлов и в некоторых других производствах, в т.ч. при переработке отходов.

К подгруппе редких рассеянных металлов относят: галлий , индий , таллий , германий , скандий , гафний , селен , теллур , рений , рубидий . В стандартных условиях температуры и давления селен и теллур проявляют свойства неметаллов. Гафний может быть отнесен как к рассеянным, так и к тугоплавким редким металлам, рубидий – как к рассеянным металлам, так и к легким редким металлам, скандий – как к рассеянным редким, так и к редкоземельным металлам.

Редкие радиоактивные металлы – подгруппа редких металлов, изотопы которых радиоактивны, т.е. самопроизвольно излучают поток элементарных частиц.

К естественным радиоактивным металлам относят: полоний , радий , торий , актиний , уран , протактиний . К искусственно получаемым радиоактивным металлам относят: технеций , прометий , астат , франций , в том числе трансурановые элементы.

Редкоземельные металлы – подгруппа редких металлов, редко встречающихся в земной коре, образующих нерастворимые окислы и являющихся химически активными. В рудном сырье эти металлы сопутствуют друг другу и сложно подвергаются разделению. Для разделения используют метод экстракции органическими растворителями и ионообменные процессы.

К редкоземельным металлам относят: скандий , иттрий , лантан и лантаноиды.

Редкие металлы

Все редкие металлы являются цветными металлами.

Редкие металлы и их виды (подгруппы):

Все редкие металлы являются цветными металлами .

Группа редких металлов насчитывает свыше 60 металлов.

Редкие металлы условно подразделяют на следующие подгруппы: тугоплавкие, легкие, рассеянные, радиоактивные, редкоземельные. Некоторые металлы могут быть отнесены к нескольких подгруппам.

К редкоземельным металлам относят: скандий , иттрий , лантан и лантаноиды ( церий , празеодим , неодим , прометий , самарий , европий , гадолиний , тербий , диспрозий , гольмий , эрбий , тулий , иттербий , лютеций ).

Читайте также: