Хімія. Рівень стандарту. 11 клас. Лашевська

§ 25. Застосування металів та їхніх сплавів

Після опрацювання параграфа ви зможете:

  • характеризувати застосування металів та їхніх сплавів;
  • доводити їхню практичну значущість.

Чисті метали широко застосовують у важливих напрямах нової техніки та суспільного господарства: атомній енергетиці, мікроелектроніці, космічній техніці, медицині, а також у фундаментальних наукових дослідженнях. Більше уявлень про це ви зможете дістати, проаналізувавши дані щодо використання надчистих нанопорошків металів, наведені в таблиці 25.1. (Зробіть це.)

Таблиця 25.1. Галузі застосування надчистих нанопорошків деяких металів1

Метал

Галузі застосування нанопорошку

Нікель

Виробництво водневих паливних елементів (каталізатор), покриттів, полімерів, текстилю; електроніка; оптика, медицина, дешевший замінник платини

Мідь

Антимікробні, фунгіцидні засоби; електроніка; оптика

Залізо

Очищення води; виробництво магнітів та запам’ятовувальних пристроїв, покриттів, полімерів; оптика; порошкова металургія; адитивні технології1

Алюміній

Антимікробні, фунгіцидні засоби; каталізатори з великою площею поверхні; дешевший замінник титану; адитивні технології

Титан

Антимікробні, фунгіцидні засоби; добавка для стійкості до УФ-променів; виробництво міцних покриттів; адитивні технології; порошкова металургія

Цинк

Антимікробні, фунгіцидні засоби; виробництво полімерів, текстилю, водневих паливних елементів, сонячних батарей

Вольфрам

Виробництво покриттів і полімерів; адитивні технології

Молібден

Каталізатор (зокрема, для виробництва нанотрубок); виробництво покриттів, полімерів; інгібітор і змащувач

Срібло

Антибактеріальні властивості (у косметології, фармацевтиці, текстильній промисловості); спеціальні покриття; каталізатори; адитивні технології (ювелірна справа)

Золото

Електроніка; медицина (маркер ДНК); каталізатор; адитивні технології (ювелірна справа)

Платина

Електроніка; виробництво водневих паливних елементів; медицина; адитивні технології (ювелірна справа)

1 Адитивні технології (Additive Manufacturing - від слова адитивність - що додають) - це пошарове нарощування й синтез об’єкта за допомогою комп’ютерних 3D-технологій.

Цікаво і пізнавально

3D-друк металами порівняно з традиційними технологіями споживає менше енергії та скорочує кількість відходів до мінімуму. Крім того, готовий 3D-друкований виріб може бути до 60 % легший порівняно з фрезерованою або литою деталлю. Також перевагою є те, що можна легко створювати фігури зі складною геометрією. Тож цю технологію застосовують у таких галузях, як авіація та космонавтика. Не менш актуальним є застосування 3D-друку металами для потреб медицини, зокрема протезування.

Однак застосування чистих металів у промисловості обмежене економічною вигідністю. Тому в техніці найчастіше використовують сплави. Тож розгляньмо ці системи докладніше.

Сплав - це система, яка складається принаймні з двох компонентів, з яких хоча б один є металом. Компонентами сплавів можуть бути метали, неметали, складні речовини. Наприклад, нейзильбер - сплав міді з нікелем та цинком (рис. 25.1). Він стійкий до корозії, міцний.

Рис. 25.1. Пам’ятні монети Національного банку України.

1. Тетяна Нилівна Яблонська - народна художниця України, лауреатка Національної премії України імені Тараса Шевченка та багатьох інших відзнак, її ім’я стало своєрідним символом українського образотворчого мистецтва. 2. Ольга Матвіївна Авілова - видатна лікарка, заслужена лікарка України, одна з-поміж засновників та засновниць торакальної1 хірургії в Україні, педагогиня

1 Хірургія, операції в якій виконують на органах грудної клітки (на легенях, серці тощо).

Сплав свинцю з арсеном використовують для виготовлення шроту. Арсен зміцнює свинець і полегшує одержання шротинок сферичної форми.

Сплави виявляють властивості металів: металічний блиск, високі електропровідність та теплопровідність. Властивості сплавів відрізняються від властивостей їхніх компонентів. Сплав золота зі сріблом досить твердий, натомість самі ці метали порівняно м’які. Залежність властивостей сплавів від їхнього складу вперше встановив М. С. Курнаков (рис. 25.2).

Рис. 25.2. Курнаков Микола Семенович (1860-1941).

Видатний російський фізико-хімік, основоположник фізико-хімічного аналізу. Створив наукову школу хіміків і металургів. Організатор металургійного виробництва платинових металів, алюмінію, магнію. Ініціатор створення металографічної комісії при Російському технічному товаристві

Сплави — найголовніші конструкційні матеріали. Їхні різноманітні властивості - жаростійкість, корозійна стійкість, міцність, твердість тощо - зумовлюють широке застосування в техніці. Сплавам на основі магнію притаманні легкість, міцність, стійкість до корозії. Тому їх використовують в автомобілебудуванні, для виготовлення штампованих виробів складної форми, деталей зварних конструкцій.

Мідні сплави міцні, мають високу електропровідність, корозійну стійкість, пластичність. З них виготовляють труби, теплотехнічну апаратуру, підшипники, шестерні, втулки, пружини, деталі приладів точної механіки, термопари, фасонні деталі, декоративно-прикладні вироби й скульптури. Бронза (рис. 25.3.1) та латунь - мідні сплави, які також широко використовують у різноманітних галузях промисловості, сільському господарстві, побуті.

Рис. 25.3. Бронза та чавун - художні матеріали.

1. Оранта-Україна. Тріумфальний монумент споруджено 2001 р. на честь десятиліття незалежності України. Скульптуру вилито з бронзи, орнаменти на одязі та стрічці вінка вкрито золотом. 2. Перший і тривалий час єдиний у світі пам’ятник мамонтові - чотиригранну чавунну стелу - встановлено на невеликому кам’яному постаменті в селі Кулішівка Недригайлівського району Сумської області

Титанові сплави є конструкційними матеріалами в авіації, ракетобудуванні. Їх застосовують для виготовлення хімічної апаратури, а також у медицині.

Цікаво і пізнавально

Застосування металів і сплавів для виготовлення імплантованих в організм матеріалів має давню традицію. Ще 2500 року до нашої ери у Фінікії для лікування зубів використовували металеві конструкції. У Давньому Римі були поширені штучні металеві зуби, а металевий дріт застосовували для фіксування кісткових відламків. Аж до кінця XVIII століття переважно використовували чисті метали: золото, срібло, мідь. У XIX столітті у зв’язку з удосконаленням технології виплавляння металів і сплавів поширення набули імплантати з високоякісних сплавів.

Сплави на основі титану та нікелю виявляють ефекти пам’яті форми й наделастичності, істотно відрізняються від звичайних металів і сплавів. Конструкції, виготовлені з них, здатні змінювати свою форму внаслідок зміни температури, тому їх застосовують у різних галузях медицини.

Сталі й чавуни є чи не найважливішими сплавами сучасної техніки. Обсяги виробництва цих залізовуглецевих сплавів перевищують виробництво всіх інших металів, разом узятих, більш ніж у десять разів. Чавуном називають сплав заліза з вуглецем з масовою часткою Карбону більше ніж 1,7 %.

Найчастіше чавун містить від 2,6 % до 3,6 % Карбону. Крім Карбону в чавуні є Силіцій, Манган, Сульфур, Фосфор та інші елементи. Чавун - твердий і крихкий матеріал. Його найширше застосовують у машинобудуванні для виготовлення різноманітних деталей. Також цей сплав - високохудожній матеріал (рис. 25.4).

Рис. 25.4. «Взуття на річці Дунай» - меморіал на згадку про жертв Голокосту - установлено 2005 року на березі річки Дунай у Будапешті (Угорщина). Матеріал - чавун

Поміркуйте й висловте припущення щодо природи рудого нальоту, яким укрито поверхню чавунного взуття на рис. 25.4

На відміну від чавуну, сталь ковка. Неіржавна сталь - сплав заліза з хромом - стійка проти корозії тому, що на її поверхні є захисний шар хром(ІІІ) оксиду (рис. 25.5).

Рис. 25.5. Обшивку статуї «Батьківщина-мати» (Київ, Національний музей історії України в Другій світовій війні) створено в Запоріжжі з неіржавної сталі. З окремих блоків-секцій масою 25-30 тонн кожна скульптуру було зварено на Київському заводі імені Паризької комуни з урахуванням рекомендацій Інституту електрозварювання імені Є. О. Патона. Статую ліплено з образу борзнянки1, скульпторки Галини Никифорівни Кальченко

1 Борзна - місто районного значення в Чернігівській області України, адміністративний центр Борзнянського району.

Застосування металів та їхніх сплавів широке й різноманітне, бо зумовлене широким спектром їхніх властивостей. Висновків щодо цього ви зможете дійти самостійно, проаналізувавши схему, зображену на рисунку 25.6 (зробіть це).

Рис. 25.6. Деякі галузі застосування металів та їхніх сплавів

https://www.youtube.com/watch?v=QRDctnk7sF4

https://www.youtube.com/watch?v=2lv6Vs12jLc

https://www.youtube.com/watch?v=X7b8_9wAREE

https://www.youtube.com/watch?v=wI-qAxKJoSU

ПРО ГОЛОВНЕ

• Чисті метали широко застосовують у важливих напрямах нової техніки та суспільного господарства.

• Сплав - це система, яка складається принаймні з двох компонентів, з яких хоча б один є металом.

• Застосування металів та їхніх сплавів широке й різноманітне, бо зумовлене розмаїттям їхніх властивостей.

Перевірте себе

  • 1. Перетворіть розповідні речення в рубриці ПРО ГОЛОВНЕ на питальні. Чи можете ви відповісти на ці запитання без допомоги підручника?

Застосуйте свої знання й уміння

  • 2. Схарактеризуйте застосування металів та їхніх сплавів.
  • 3. Доведіть практичну значущість: а) чистих металів; б) сплавів.
  • 4. Уявіть, що раптово зникли сплави заліза - чавун і сталь. Спрогнозуйте зміни, які б відбулися в житті людей унаслідок цього.
  • 5. Обчисліть: а) об’єм (м3) водню (н. у.), який витратиться на відновлення залізної ожарини масою 1 т, та масу (т) заліза, яке утвориться внаслідок цієї реакції, якщо його відносний вихід становить 94 %; б) масу (г) міді, яку можна відновити з купрум(ІІ) оксиду масою 40 г вуглецем масою 36 г, якщо відносний вихід металу становить 90 %.

Творча майстерня

  • 6. Створіть реальну або віртуальну колекцію «Метали та сплави в моєму побуті»