Хімія. Рівень стандарту. 11 клас. Ярошенко

§ 25. Застосування металів та їхніх сплавів

Інформаційна довідка

• Сплави — це системи, утворені сплавленням двох і більше компонентів (металів з металами або металів з неметалами).

• Поміж сплавів розрізняють механічні суміші, тверді розчини і хімічні сполуки.

• Сплави виявляють як загальні властивості металів, так і нові, відсутні у кожного окремо взятого компонента.

• Температура плавлення, тепло- й електропровідність сплавів нижчі, твердість і механічна міцність вищі порівняно з індивідуальними властивостями металів, з яких виготовлений сплав.

Серед металів є такі, що вже кілька тисячоліть використовуються людиною, а є відкриті набагато пізніше.

Завдяки своїм фізичним властивостям метали та їхні сплави широко використовують у різноманітних виробництвах.

Пригадайте з історії, які епохи одержали свої назви від назв металів чи їх сплавів.

Залізо. Серед металів його видобувають і використовують найбільше. Світовий видобуток заліза приблизно у 20 разів перевищує видобуток усіх інших металів, разом узятих. Основна галузь застосування цього металу — машинобудування. У літакобудуванні використання заліза обмежене через його густину, що майже втричі більша, ніж в алюмінію. Залізо використовується переважно у вигляді сплавів, що називаються чавун і сталь. Наша держава належить до світових лідерів з виробництва чавуну і сталі.

Чавун — крихкий сплав заліза з вуглецем, вміст якого становить 2-4 %, і домішок сірки, фосфору, силіцію (кремнію), марганцю.

Десяту частину видобутого чавуну використовують як матеріал у машинобудуванні, решту переробляють на сталь. У сталі менший вміст домішок, порівняно з чавуном.

Сталь — ковкий сплав заліза з вуглецем (зазвичай не більше 2 %), сіркою, силіцієм (кремнієм), фосфором і марганцем, вміст яких становить близько 0,1 %. Високоякісні сталі містять менше 0,2 % вуглецю.

Залізо та його сплави мають унікальну здатність притягуватися магнітом. На цій властивості засновано їх використання у вантажопіднімачах. Недоліком заліза є його здатність до корозії — руйнування під впливом чинників навколишнього середовища.

З іменем видатного винахідника і вченого-металурга Миколи Іларіоновича Мозгового пов'язано відкриття та промислове впровадження сучасних способів переробки чавуну на сталь.

Біографічна довідка

Микола Іларіонович Мозговой (1901-1959). Видатний винахідник і вчений. Народився у м. Києві, вищу освіту здобув на механічному факультеті Київського політехнічного інституту (нині Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»). У 1936 р. вперше у світовій практиці здійснив продувку рідкого чавуну киснем. З 1956 р. цей винахід було впроваджено у промислових масштабах на металургійних комбінатах України.

Кисневий конвертор

Іван Павлович Бардін (1883-1960). Учений-металург зі світовим ім'ям, вищу освіту здобув у Київському політехнічному інституті. Певний час перебував на керівних посадах кількох металургійних заводів України, багато зробив для розвитку їх потужності, зокрема, для запуску першої 100-тонної доменної печі з виплавки чавуну. У 1944 р. ініціював створення металургійного факультету в Київському політехнічному інституті. Іван Павлович підтримував М. І. Мозгового у його дослідженнях, усіляко сприяв їх проведенню.

Нереально уявити повний перелік усіх галузей використання чавуну і сталі. Із канцелярської скріпки і швацької голки, станків й автомобілів, кораблів і сільськогосподарських машин, мостів і залізобетонних конструкцій буде він складатись і не закінчуватись.

Сплави чавун і сталь стали основними матеріалами для спорудження пам'ятника Батьківщина-Мати на високому пагорбі Києва. Каркас виготовлений із нержавіючої сталі, виплавленої на заводі Запоріжсталь. Скульптуру встановлювали стометровим краном, який був виготовлений спеціально для цього із чавуну та інших матеріалів. Суцільнозварна споруда сягає у висоту 102 м і важить 450 т (мал. 58).

Мал. 58. Пам'ятник Батьківщина-Мати (м. Київ)

АЛЮМІНІЙ. Електричний струм передається від джерела струму алюмінієвими або мідними дротами. Хоча алюміній за електропровідністю посідає третє місце після срібла й міді, найбільше електричних дротів виготовляють саме з нього. Пояснюється це, по-перше, поширенням Алюмінію у природі, по-друге, він найлегший серед цих металів, по-третє, собівартість його виробництва найнижча.

З нього виготовляють тоненьку плівку (алюмінієву фольгу), яку застосовують у харчовій і фармацевтичній галузях для пакування продуктів і пігулок. Проте основне застосування алюмінієвих сплавів — це машинобудування, літакобудування, конструкційні матеріали тощо. Воно пов'язане з його високими електро- й теплопровідністю, здатністю до утворення легких, міцних і корозійностійких сплавів.

Мала густина та інші його властивості визначили застосування Алюмінію та його сплавів у ракето-, літако-, авто- і кораблебудуванні. Потрібно зазначити, що понад 60 % корпусу літака складається зі сплавів алюмінію з міддю, магнієм, титаном, силіцієм. Літак українського виробництва Ан-225 «Мрія» другий за величиною і потужністю у світі повітряний транспортний засіб. Він може піднімати й транспортувати вантажі на далекі відстані масою до 250 т. Маса порожнього літака теж становить 250 т, довжина — 84 м, висота — 18,1 м, розмах крил — 88,4 м (мал. 59).

Мал. 59. Ан-225 «Мрія»

МІДЬ. На використанні цього металу ґрунтується вся електротехніка. Досить поширеними є сплави міді — бронза (основу становлять мідь та олово), латунь (основу становлять мідь і цинк), мельхіор (основу становлять мідь та нікель). Завдяки цінним механічним властивостям, стійкості до корозії, легкому литву й обробці сплави на основі міді широко використовують у техніці, виготовленні дзвонів для храмів (мал. 60, в), посуду, художніх та інших виробів. Так, із бронзи виготовлені пам'ятники Богдану Хмельницькому (мал. 60, б) й Тарасу Шевченку (мал. 60, а) в Києві.

Мал. 60. Вироби із сплавів міді

Титан удвічі міцніший за сталь й ненабагато важчий за алюміній, має високу температуру плавлення та стійкий до корозії. Титанова пластинка може роками перебувати під водою й не піддаватися корозії. Сплави з додаванням титану легкі, міцні, антикорозійні, тому титан, як і алюміній, незамінний у корабле-, ракето- і літакобудуванні, а знедавна і в медицині.

Свинець належить до важких й відносно м'яких металів, використовується у виготовленні боєприпасів, свинцевих акумуляторів, підшипників. Свинець здатний поглинати рентгенівські й інші шкідливі промені, тому його використовують у виготовленні засобів захисту від опромінення. Щоб локалізувати небезпечне випромінювання після аварії на Чорнобильській АЕС, на зруйнований реактор та прилеглу територію було скинуто тисячі тонн свинцевовмісних матеріалів.

Тонким шаром цинку покривають поверхню залізних листів і виготовляють дахи з оцинкованого заліза, вироби побутового призначення (відра, тази), з метою захисту від корозії.

Єдиний рідкий за звичайних умов метал ртуть використовують у ядерних реакторах для відведення тепла та у медичних термометрах.

Олово застосовують у виробництві різних сплавів. Так, виконуючи паяльні роботи, користуються легкоплавким сплавом олова із свинцем, що має назву «припой». Консервні банки зсередини покривають тонким шаром олова.

Тантал має властивість, яка відсутня у будь-якого з металів: він не взаємодіє з живими тканинами організму людини, нешкідливий для них. Завдяки цьому тантал використовують для скріплення кісток при переломах, виготовлення хірургічних інструментів.

У виробництві сучасних автомобілів використовують багато металів і сплавів, де не обходиться без ванадію. Лише 0,1-0,2 % ванадію, доданого до сталі, робить її стійкою до тертя. З такого сплаву виготовляють рухомі деталі машин, щоб запобігти їх спрацюванню.

Високу стійкість сталі до корозії надають добавки хрому. Відома вам нержавіюча сталь містить у своєму складі 18 % хрому та 8 % нікелю. Серед металів хром має найбільшу твердість і високу стійкість до корозії. На цих властивостях засновано хромування поверхонь залізних виробів з метою захисту від корозії і подряпин. Причому товщина хромової плівки становить 0,005 мм. Блискучі частини автомобілів покриті такою плівкою.

За золотом здавна закріпилася назва «царя металів». Золото — це не лише блискучий яскраво-жовтий дорогоцінний метал, що широко використовують у виробництві ювелірних виробів, а його злитки становлять золотовалютні запаси держав. Й дотепер паперові гроші і монети, що їх держави випускають в обіг, тільки тоді мають цінність, якщо підкріплені наявністю у державній казні золотого еквівалента. Завдяки хімічній стійкості й пластичності цей метал використовують у хімічній промисловості, техніці. Із 1 г золота можна виготовити до 50 м2 тонкої золотої плівки.

Без срібла, як і без золота, не обходиться виготовлення ювелірних прикрас. Проте найбільше його використовують у техніці (виготовлення запобіжників, радіодеталей тощо). Тонким шаром срібла часто покривають поверхню дзеркал, ялинкові прикраси.

Значну частину видобутої платини використовують як каталізатор у виробництві високоякісного бензину, нітратної кислоти окисненням амоніаку.

Завдяки тугоплавкості вольфраму з нього виготовляють нитки розжарювання електричних ламп.

Опис застосування металів можна було б продовжувати. Проте наведених прикладів цілком достатньо, щоб зрозуміти, що завдяки фізичним властивостям метали широко використовують у господарському комплексі України.

Знаємо, розуміємо

  • 1. Дайте визначення сплавів. Наведіть приклади сплавів.
  • 2. Чи відрізняються властивості сплавів від властивостей окремих їх компонентів?
  • 3. Наведіть приклади використання металів у різних галузях суспільного господарства та побуті.
  • 4. Поясніть, чому в техніці більше використовуються сплави, ніж чисті метали.

Застосовуємо

  • 1. Опрацюйте текст параграфа та заповніть у робочих зошитах таблицю:

Назва металу або сплаву

Застосування

Властивості, що зумовили застосування

  • 2. Використайте додаткову інформацію з різних інформаційних джерел та підготуйте повідомлення про властивості й застосування металів і сплавів, про які не йшлося в параграфі.
  • 3*. У складі малих груп підготуйте проект міжпредметного змісту на тему «Металургійні виробництва в Україні».