Moderný človek je v každodennom živote obklopený rôznymi kovmi. Väčšina vecí, ktoré používame, obsahuje tieto chemikálie. Toto všetko sa stalo, pretože ľudia našli rôzne spôsoby, ako získať kovy.
Čo sú kovy
Anorganická chémia sa zaoberá týmito pre ľudí cennými látkami. Získavanie kovov umožňuje človeku vytvárať stále dokonalejšie technológie, ktoré zlepšujú náš život. Čo sú zač? Pred zvážením všeobecných metód získavania kovov je potrebné pochopiť, čo sú. Kovy sú skupinou chemických prvkov vo forme jednoduchých látok s charakteristickými vlastnosťami:
• tepelná a elektrická vodivosť;
• vysoká ťažnosť;
• trblietky.
Človek ich ľahko rozlíši od iných látok. Charakteristickým znakom všetkých kovov je prítomnosť špeciálneho lesku. Získava sa odrazom dopadajúcich svetelných lúčov na povrch, ktorý ich neprepúšťa. Lesk je spoločnou vlastnosťou všetkých kovov, no najvýraznejší je pri striebre.
ZapK dnešnému dňu vedci objavili 96 takýchto chemických prvkov, hoci nie všetky z nich uznáva oficiálna veda. Sú rozdelené do skupín v závislosti od ich charakteristických vlastností. Nasledujúce kovy sú izolované týmto spôsobom:
• alkalické – 6;
• alkalické zeminy – 6;
• prechodné – 38;
• svetlá – 11;
• polokovy – 7;
• Lantanoidy – 14;
• aktinidy – 14.
Získanie kovov
Ak chcete vyrobiť zliatinu, musíte najskôr získať kov z prírodnej rudy. Natívne prvky sú tie látky, ktoré sa v prírode nachádzajú vo voľnom stave. Patria sem platina, zlato, cín, ortuť. Od nečistôt sa oddeľujú mechanicky alebo pomocou chemických činidiel.
Iné kovy sa ťažia spracovaním ich zlúčenín. Nachádzajú sa v rôznych fosíliách. Rudy sú minerály a horniny, ktoré zahŕňajú zlúčeniny kovov vo forme oxidov, uhličitanov alebo sulfidov. Na ich získanie sa používa chemické spracovanie.
Metódy získavania kovov:
• redukcia oxidov uhlím;
• získavanie cínu z cínového kameňa;
• tavenie železnej rudy;
• spaľovanie zlúčenín síry v špeciálnych peciach.
Na uľahčenie získavania kovov z rudných hornín sa do nich pridávajú rôzne látky nazývané tavivá. Pomáhajú odstraňovať nežiaduce nečistoty ako íl, vápenec, piesok. V dôsledku tohto procesu sa získajú taviteľné zlúčeniny,s názvom troska.
V prítomnosti značného množstva nečistôt sa ruda pred tavením kovu obohacuje odstránením veľkej časti nepotrebných komponentov. Najpoužívanejšie metódy na túto úpravu sú flotácia, magnetická a gravitačná.
Alkalické kovy
Hromadná výroba alkalických kovov je zložitejší proces. Je to spôsobené tým, že sa v prírode nachádzajú iba vo forme chemických zlúčenín. Keďže ide o redukčné činidlá, ich výroba je sprevádzaná vysokými nákladmi na energiu. Existuje niekoľko spôsobov, ako extrahovať alkalické kovy:
• Lítium možno získať z jeho oxidu vo vákuu alebo elektrolýzou taveniny jeho chloridu, ktorý vzniká pri spracovaní spodumenu.
• Sodík sa extrahuje kalcináciou sódy uhlím v tesne uzavretých téglikoch alebo elektrolýzou chloridovej taveniny s prídavkom vápnika. Prvá metóda je časovo najnáročnejšia.
• Draslík sa získava elektrolýzou taveniny jeho solí alebo prechodom sodíkových pár cez chlorid. Vzniká tiež interakciou roztaveného hydroxidu draselného a tekutého sodíka pri teplote 440 °C.
• Cézium a rubídium sa ťažia redukciou ich chloridov vápnikom pri 700 – 800 °C alebo zirkónom pri 650 °C. Získavanie alkalických kovov týmto spôsobom je mimoriadne energeticky náročné a drahé.
Rozdiely medzi kovmi a zliatinami
V zásade jasná hranica medzi kovmi a ich zliatinami prakticky neexistuje, keďže aj tie najčistejšie, najjednoduchšie látky majúnejaké množstvo nečistôt. Aký je teda medzi nimi rozdiel? Takmer všetky kovy používané v priemysle a iných odvetviach národného hospodárstva sa používajú vo forme zliatin, ktoré sa získavajú účelovo pridávaním ďalších zložiek k hlavnému chemickému prvku.
Zliatiny
Technológia si vyžaduje rôzne kovové materiály. Zároveň sa čisté chemické prvky prakticky nepoužívajú, pretože nemajú vlastnosti potrebné pre ľudí. Pre naše potreby sme vymysleli rôzne spôsoby získavania zliatin. Tento výraz sa vzťahuje na makroskopicky homogénny materiál, ktorý pozostáva z 2 alebo viacerých chemických prvkov. V tomto prípade v zliatine prevládajú kovové zložky. Táto látka má svoju vlastnú štruktúru. V zliatinách sa rozlišujú tieto komponenty:
• základ pozostávajúci z jedného alebo viacerých kovov;
• malé prídavky modifikujúcich a legujúcich prvkov;
• neodstránené nečistoty (technologické, prírodné, náhodné).
Zliatiny kovov sú hlavným konštrukčným materiálom. V oblasti technológií je ich viac ako 5000.
Typy zliatin
Napriek takej rôznorodosti zliatin sú pre ľudí najdôležitejšie zliatiny na báze železa a hliníka. Sú najčastejšie v každodennom živote. Typy zliatin sú rôzne. Okrem toho sú rozdelené podľa niekoľkých kritérií. Používajú sa teda rôzne spôsoby výroby zliatin. Podľa tohto kritéria sa delia na:
• Obsadenie, ktorézískané kryštalizáciou z taveniny zmiešaných komponentov.
• Prášok, vytvorený lisovaním zmesi práškov a následným spekaním pri vysokej teplote. Okrem toho sú často zložkami takýchto zliatin nielen jednoduché chemické prvky, ale aj ich rôzne zlúčeniny, ako napríklad karbidy titánu alebo volfrámu v tvrdých zliatinách. Ich pridanie v určitých množstvách mení vlastnosti kovových materiálov.
Metódy na získanie zliatin vo forme hotového výrobku alebo polotovaru sa delia na:
• zlievareň (silumín, liatina);
• tepané (ocele);
• prášok (titán, volfrám).
Typy zliatin
Metódy získavania kovov sú rôzne, pričom materiály vyrobené vďaka nim majú iné vlastnosti. V pevnom stave agregácie sú zliatiny:
• Homogénne (jednotné), pozostávajúce z kryštálov rovnakého typu. Často sa označujú ako jednofázové.
• Heterogénne (heterogénne), nazývané viacfázové. Keď sa získajú, ako základ zliatiny sa berie tuhý roztok (fáza matrice). Zloženie heterogénnych látok tohto typu závisí od zloženia jeho chemických prvkov. Takéto zliatiny môžu obsahovať nasledujúce zložky: tuhé roztoky intersticiálnej a substitúcie, chemické zlúčeniny (karbidy, intermetalidy, nitridy), kryštality jednoduchých látok.
Vlastnosti zliatin
Bez ohľadu na to, aké metódy získavania kovov a zliatin sa používajú, ich vlastnosti sú úplne určené kryštalickýmfázová štruktúra a mikroštruktúra týchto materiálov. Každý z nich je iný. Makroskopické vlastnosti zliatin závisia od ich mikroštruktúry. V každom prípade sa líšia od charakteristík ich fáz, ktoré závisia výlučne od kryštálovej štruktúry materiálu. Makroskopická homogenita heterogénnych (viacfázových) zliatin sa získava ako výsledok rovnomernej distribúcie fáz v kovovej matrici.
Najdôležitejšou vlastnosťou zliatin je zvárateľnosť. Inak sú totožné s kovmi. Takže zliatiny majú tepelnú a elektrickú vodivosť, ťažnosť a odrazivosť (lesk).
Rôzne zliatiny
Rôzne metódy získavania zliatin umožnili človeku vynájsť veľké množstvo kovových materiálov s rôznymi vlastnosťami a charakteristikami. Podľa účelu sú rozdelené do nasledujúcich skupín:
• Konštrukčné (oceľ, dural, liatina). Do tejto skupiny patria aj zliatiny so špeciálnymi vlastnosťami. Vyznačujú sa teda vnútornou bezpečnosťou alebo vlastnosťami proti treniu. Patrí medzi ne mosadz a bronz.
• Na nalievanie ložísk (babbit).
• Pre elektrické vykurovacie a meracie zariadenia (nichróm, manganín).
• Na výrobu rezných nástrojov (výhra).
Pri výrobe ľudia používajú aj iné druhy kovových materiálov, ako sú taviteľné, tepelne odolné, korózii odolné a amorfné zliatiny. Široko používané sú aj magnety a termoelektrika (teluridy a selenidy bizmutu, olova, antimónu a iné).
Zliatiny železa
Prakticky všetko železo vytavené na Zemi smeruje na výrobu jednoduchých a legovaných ocelí. Používa sa aj pri výrobe železa. Zliatiny železa si získali svoju obľubu vďaka tomu, že majú vlastnosti prospešné pre človeka. Získali sa pridaním rôznych zložiek k jednoduchému chemickému prvku. Takže napriek tomu, že rôzne zliatiny železa sa vyrábajú na základe jednej látky, ocele a liatiny majú odlišné vlastnosti. Vďaka tomu nachádzajú rôzne aplikácie. Väčšina ocelí je tvrdšia ako liatina. Rôzne metódy získavania týchto kovov vám umožňujú získať rôzne stupne (značky) týchto zliatin železa.
Zlepšenie vlastností zliatiny
Stavením určitých kovov a iných chemických prvkov možno získať materiály so zlepšenými vlastnosťami. Napríklad medza klzu čistého hliníka je 35 MPa. Pri získaní zliatiny tohto kovu s meďou (1,6 %), zinkom (5,6 %), horčíkom (2,5 %) toto číslo presahuje 500 MPa.
Kombináciou rôznych pomerov rôznych chemikálií možno získať kovové materiály so zlepšenými magnetickými, tepelnými alebo elektrickými vlastnosťami. Hlavnú rolu v tomto procese zohráva štruktúra zliatiny, ktorou je rozloženie jej kryštálov a typ väzieb medzi atómami.
Ocele a žehličky
Tieto zliatiny sa získavajú spojením železa a uhlíka (2%). Pri výrobe legovaných materiálov sa pridávajúnikel, chróm, vanád. Všetky bežné ocele sú rozdelené do typov:
• s nízkym obsahom uhlíka (0,25 % uhlíka) používaného na rôzne konštrukcie;
• Vysoký obsah uhlíka (viac ako 0,55 %) navrhnutý pre rezné nástroje.
V strojárstve a iných výrobkoch sa používajú rôzne triedy legovaných ocelí.
Zliatina železa s uhlíkom, ktorej percento je 2-4%, sa nazýva liatina. Tento materiál obsahuje aj kremík. Z liatiny sú odlievané rôzne výrobky s dobrými mechanickými vlastnosťami.
Neželezné kovy
Okrem železa sa na výrobu rôznych kovových materiálov používajú aj iné chemické prvky. V dôsledku ich kombinácie sa získajú neželezné zliatiny. V živote ľudí našli najväčšie využitie materiály založené na:
• Meď, nazývaná mosadz. Obsahujú 5-45% zinku. Ak je jeho obsah 5-20%, potom sa mosadz nazýva červená a ak 20-36% - žltá. Existujú zliatiny medi s kremíkom, cínom, berýliom, hliníkom. Nazývajú sa bronzy. Existuje niekoľko typov týchto zliatin.
• Olovo, čo je bežná spájka (tretnik). V tejto zliatine pripadajú 2 diely cínu na 1 diel tejto chemikálie. Ložiská sa vyrábajú s použitím babbittu, čo je zliatina olova, cínu, arzénu a antimónu.
• Hliník, titán, horčík a berýlium, čo sú ľahké neželezné zliatiny s vysokou pevnosťou a vynikajúcimi mechanickými vlastnosťamivlastnosti.
Spôsoby získania
Hlavné metódy získavania kovov a zliatin:
• Zlieváreň, v ktorej tuhne homogénna zmes rôznych roztavených zložiek. Na získanie zliatin sa používajú pyrometalurgické a elektrometalurgické spôsoby získavania kovov. V prvom variante sa tepelná energia získaná v procese spaľovania paliva využíva na ohrev suroviny. Pyrometalurgickou metódou sa vyrába oceľ v otvorených peciach a liatina vo vysokých peciach. Pri elektrometalurgickej metóde sa suroviny zahrievajú v indukčných alebo elektrických oblúkových peciach. Surovina zároveň veľmi rýchlo zmäkne.
• Prášok, v ktorom sa na výrobu zliatiny používajú prášky jeho zložiek. Vďaka lisovaniu dostanú určitý tvar a potom sa spekajú v špeciálnych peciach.
