Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович

§ 65. Застосування металів та їх сплавів

Застосування металів

Із давніх-давен люди застосовують метали в різних галузях своєї діяльності. Важливість металів для еволюції людства відбита в назвах історичних епох: після кам’яної доби настала бронзова доба, а потім — залізна доба.

Застосування металів, як і інших матеріалів, насамперед ґрунтується на їхніх фізичних властивостях. Через велику міцність метали є поширеними конструкційними матеріалами. А завдяки здатності проводити електричний струм їх застосовують у різноманітних електротехнічних приладах: від величезних електрогенераторів до міні-комп’ютерів.

Чисті метали використовують досить рідко. З дуже чистої міді виготовляють дроти (наявність навіть десятих часток відсотка домішок суттєво зменшує електропровідність міді), а чисті залізо та нікель застосовують для виготовлення вакуумної техніки. У більшості випадків використання чистих металів або економічно невигідно, або їхні властивості не відповідають певним вимогам. Наприклад, чисте залізо недостатньо міцне, а чисте золото занадто м’яке. Тому сьогодні застосовують переважно сплави металів, до того ж дуже часто для певного використання розробляють спеціальний сплав. Наприклад, для виготовляння залізничних рейок використовують одну марку сталі, а для лопатей турбін електростанцій — іншу.

Поняття про сплави

У розплавленому стані метали зазвичай легко змішуються між собою, утворюючи однорідну суміш — розчин. Під час охолодження такої суміші утворюється сплав.

Властивості сплавів можуть значно відрізнятися від властивостей чистих металів. Температура плавлення сплаву зазвичай нижча за температуру плавлення його компонентів. Це дуже добре ілюструє сплав Вуда, який містить вісмут, свинець, олово і кадмій. Найбільш легкоплавкий із цих металів (олово) плавиться за 232 °С, а температура плавлення сплаву Вуда становить 69 °С, що нижче за температуру кипіння води (мал. 65.1). Якщо ложку, відлиту із цього сплаву, занурити в гарячий чай, то вона розплавиться, перетворившись на важку металеву краплю.

Мал. 65.1 Сплав Вуда плавиться за значно нижчої температури, ніж його складові

Хімія навколо нас

Сплав з пам'яттю

Уявіть, що ви випадково сіли на чиїсь окуляри і погнули їх. Ви почуваєтеся ніяково, але людина не засмутилася, а занурила погнуті окуляри у теплу воду, і вони відновили свою форму.

Така ситуація не фантастична, оскільки деякі сплави мають «пам'ять»: після деформації вироби в теплій воді відновлюють початкову форму. Наприкінці 1950-х років Вільям Дж. Булер із Лабораторії морської артилерії (США) розробив сплав нікелю з титаном, який назвав нітинол. У цьому сплаві співвідношення металів підібрано так, що кількості атомів Ніколу та Титану однакові. Якщо виріб з нітинолу сильно розжарити, атоми в ньому впорядковуються в певний спосіб і відбувається «запам'ятовування» форми. Цей виріб можна будь-як м'яти, але після нагрівання вище за 40 °С він відновлює форму, яку «запам'ятав» під час розжарювання. Вироби з нітинолу широко застосовують у медицині. З нітинолу виготовляють спеціальні гачки для кріплення зв'язок та сухожиль, брекет-системи тощо. У людей із тромбофлебітом є загроза життю через потрапляння тромбів у серце. Щоб уникнути цього, крізь крихітний отвір на стегні хірург прикріплює малесеньку нітинолову кульку на стінці нижньої полої вени. Під дією теплоти крові кулька розкривається, мов кошик спеціальної форми, і затримує згустки крові на шляху до серця.

Застосування сплавів

• Банківські метали (золото, срібло тощо) для карбування обігових монет майже не використовують, а лише для пам’ятних ювілейних. Білі монети в Україні карбують зі сталі, алюмінію, мельхіору або нейзильберу (сплав міді, нікелю та цинку), а жовті — з мідно-нікелевого сплаву.

• Золото, срібло, мідь, платину та паладій використовують для виготовлення ювелірних сплавів. Сплав золота з паладієм за кольором нагадує платину, тому його називають «білим золотом», домішки кадмію надають золотим виробам зеленуватого відтінку, а сплав паладію з індієм має незвичний для металів синій колір.

• Бронза — сплав олова з міддю (різні сорти бронзи містять від 75 до 90 % міді). Бронза тверда і стійка до корозії, тому з неї виготовляють деталі машин, свічники, статуї. Під час удару бронза дзенькає сильніше, ніж мідь або олово, завдяки високому вмісту інтерметаліду Cu₃₁Sn₈. Тому саме з бронзи відливають дзвони. Однак занадто високий уміст інтерметаліду робить сплав крихким. Давні майстри, не знаючи хімії, експериментально добирали таке співвідношення міді й олова, за якого звук загасає з найменшою швидкістю, а виріб зберігає міцність.

• Латунь — сплав міді (до 50 %) із цинком. Деякі сорти латуні містять невеликі добавки олова, алюмінію й інших металів. Латунь набагато твердіша, ніж метали у її складі, тому цей сплав застосовують для виготовлення деталей машин. Латунь має гарний золотавий колір, тому з неї виготовляють інтер’єрні прикраси, корпуси годинників, дверні ручки, сантехнічні крани тощо.

• Мідно-нікелевий сплав мельхіор через високий уміст нікелю (до 30 %) стійкий до корозії, тому з нього виготовляють деталі машин, високоякісні деталі морських човнів, посуд, столові прибори. Ще більшу корозійну стійкість і стійкість до стирання має сплав монель, який на дві третини складається з нікелю і на одну третину — з міді. Із нього виготовляють частини двигунів, лопаті турбін, а також монети.

• Радіолюбителям добре відомий припій — легкоплавкий сплав із двох частин олова та однієї частини свинцю. Оскільки в розплавленому стані припій легко прилипає до добре зачищеної металевої поверхні, його використовують для паяння.

• Найвідоміший алюмінієвий сплав — дюралюміній (дюраль) — окрім алюмінію (93,5 %) містить у невеликих кількостях мідь, манган і магній. Він трохи важчий за алюміній, але набагато твердіший (слово duros у перекладі з латинської означає «твердий, міцний»). Із дюралюмінію виготовляють корпуси суден і літаків, балки для перекриття будинків, корпуси годинників тощо.

ЛАБОРАТОРНИЙ ДОСЛІД № 18

Ознайомлення зі зразками металів, природними сполуками металічних елементів, сплавами

Обладнання й реактиви: колекції металів, їхніх сплавів та природних сполук металічних елементів.

Дотримуйтесь правил безпеки

Розгляньте видані вам колекції. Визначте характерні ознаки металів та їхніх сплавів. Визначте їхні спільні ознаки та відмінності. Запишіть у зошит їхні формули і опишіть зовнішній вигляд. Опишіть зовнішні ознаки природних сполук металічних елементів. Порівняйте їх зі зразками відповідних металів. Чи мають вони спільні характеристики?

Ключова ідея

Відмінність властивостей сплавів від індивідуальних металів — втілення природою українського прислів'я «Гуртом і батька легше бити».

Запитання та завдання

383. Що називають сплавом? Наведіть приклади сплавів.

384. Схарактеризуйте застосування чистих металів та їхніх сплавів у побуті, науці й техніці.

385. Чому зазвичай використовують не чисті метали, а їхні сплави?

386. Схарактеризуйте склад, властивості та застосування сплавів: бронза, латунь, мельхіор, монель, припій, дюралюміній.

387. Зразок заліза масою 8,4 г занурили в хлоридну кислоту масою 200 г із масовою часткою гідроген хлориду б %. Обчисліть масу солі у розчині після закінчення реакції.

388. Під час взаємодії сплаву міді з цинком масою 13 г із надлишком хлоридної кислоти виділився водень об'ємом 2,24 л (н. у.). Визначте масові частки металів у сплаві.

389. Зразок сталі масою 5 г спалили в струмені кисню. Під час реакції утворилися вуглекислий газ об'ємом 90 мл (н. у.) та силіцій(ІV) оксид масою 0,12 г. Обчисліть масові частки Карбону і Силіцію в цьому зразку сталі.

390. Чи коректно говорити, що сплав — це суміш різних металів? Відповідь обґрунтуйте.