В нашей повседневной практике мы ежеминутно встречаемся с металлами. Нажимаем кнопку выключателя, и электроны начинают бег по металлическим проводникам, попадая в металлические детали лампочки, или плитки, или электромотора. Электроны пришли в движение потому, что где-то на электростанции работает генератор, в котором металлический ротор вращается в магнитном поле, усиленном за счет удивительных свойств металла - железа. Выглянув на улицу, мы видим сотни автомашин, каждая из которых сделана из металла. Стальные мосты, рельсы, мачты электропередач, трамваи и, наконец, самолеты, в конструкциях которых использованы алюминий, железо, медь, хром, ванадий и титан. Везде металлы!
Металлы и их сплавы - одни из главных конструкционных материалов современной цивилизации. Это определяется, прежде всего, их высокой прочностью, однородностью и непроницаемостью для жидкостей и газов. Кроме того, меняя рецептуру сплавов, можно менять их свойства в очень широких пределах.
Благодаря таким свойствам, как прочность, твёрдость, пластичность, коррозионная стойкость, жаропрочность, высокая электрическая проводимость и многое др., металлы играют громадную роль в современной технике, причём число металлов, находящих применение, постоянно растет. Характерно, что до начала 20 в. многие важнейшие металлы - Al, V, W, Mo, Ti, U, Zr и др. - либо не производились вообще, либо выпускались в очень ограниченных масштабах; такие металлы, как Be, Nb, Ta, начали сравнительно широко использоваться лишь накануне 2-й мировой войны 1939 - 45. В 70-х гг. 20 в. в промышленности применяются практически все металлы, встречающиеся в природе.
Все металлы и образованные из них сплавы делят на чёрные (к ним относят железо и сплавы на его основе; на их долю приходится около 95% производимой в мире металлопродукции) и цветные, или, точнее, не железные (все остальные металлы и сплавы).
Большое число не железных металлов и широкий диапазон их свойств не позволяют классифицировать их по какому-либо единому признаку. В технике принята условная классификация, по которой эти металлы разделены на несколько групп по различным признакам (физическим и химическим свойствам, характеру залегания в земной коре), специфичным для той или иной группы: лёгкие металлы (например, Al, Mg), тяжёлые металлы (Cu, Pb и др. ), тугоплавкие металлы (W, Mo и др. ), благородные металлы (Au, Pt и др. ), рассеянные металлы (Ga, In, TI), редкоземельные металлы (Sc, Y, La и лантаноиды), радиоактивные металлы (Ra, U и др. ).
Металлы, которые производят и используют в ограниченных масштабах, называются редкими металлами. К ним относят все рассеянные, редкоземельные и радиоактивные металлы, большую часть тугоплавких и некоторые лёгкие металлы.
Применение того или иного металла (или сплава) в значительной мере определяется практической ценностью его свойств; однако существенное значение имеют и др. обстоятельства, в первую очередь природные запасы металла, доступность и рентабельность его добычи. Из наиболее ценных и важных для современной техники металлов лишь немногие содержатся в земной коре в больших количествах: Al (8,8%), Fe (4,65%) Mg (2,1%), Ti (0,63%).
Природные ресурсы ряда весьма важных металлов измеряются сотыми долями процента (например, Cu, Mn, Cr, V, Zr) и даже тысячными долями (например, Zn, Sn, Pb, Ni, Co, Nb). Некоторые ценные металлы присутствуют в земной коре в ещё меньших количествах. Так, содержание урана - важнейшего источника ядерной энергии - оценивается в 0,0003%, вольфрама, являющегося основой твёрдых сплавов, - 0,0001% и т. д. Особенно бедна природа благородными и редкими металлами.
Давайте познакомимся поближе с самыми распространенными и наиболее важными металлами в нашей жизни.
Железо
Железо — ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовоспламеняется на воздухе. Температура плавления железа 1535 °C Обозначается символом Fe (лат. Ferrum). Один из самых распространённых в земной коре металлов (второе место после алюминия).Незаменимый элемент любых инженерных конструкций.
Железо — один из самых распространённых элементов в Солнечной системе, особенно на планетах земной группы, в частности, на Земле. Значительная часть железа планет земной группы находится в ядрах планет, где его содержание, по оценкам, около 90 %.
Впервые человек познакомился с железом очень давно. Это было метеоритное железо. Как инструментальный материал оно было известно с древнейших времён. Самые древние изделия из железа, найденные при археологических раскопках, датируются 4-м тысячелетием до н. э. и относятся к древнешумерской и древнеегипетской цивилизациям. Это изготовленные из метеоритного железа, то есть сплава железа и никеля (содержание последнего колеблется от 5 до 30 %), украшения из египетских гробниц (около 3800 года до н. э.) и кинжал из шумерского города Ура (около 3100 года до н. э.).
В самой глубокой древности железо ценилось дороже золота, и по описанию Страбона, у африканских племён за 1 фунт железа давали 10 фунтов золота, а по исследованиям историка Г. Арешяна стоимости меди, серебра, золота и железа у древних хеттов были в соотношении 1 : 160. В те времена железо использовалось как ювелирный металл, из него делали троны и другие регалии царской власти: например, в библейской книге Второзаконие 3,11 описан «одр железный» рефаимского царя Ога.
В земной коре железа очень много, оно практически повсеместно!
Известно большое число руд и минералов, содержащих железо. Наибольшее практическое значение имеют красный железняк (гематит, Fe2O3; содержит до 70 % Fe), магнитный железняк (магнетит, FeO · Fe2O3 или Fe3O4; содержит 72,4 % Fe), бурый железняк или лимонит. А так же в природе широко распространены сульфиды железа — пирит FeS2 (серный или железный колчедан) и пирротин. Они не являются железной рудой — пирит используют для получения серной кислоты, а пирротин часто содержит никель и кобальт.
Железо присутствует не только в горных породах и месторождениях, оно и внутри нас. Гемоглобин крови основан на содержании в нем ионов железа.
Считается, что в организме человека примерно 3-4 г железа. Вспомните притчу о влюбленном юноше, пообещавшем подарить возлюбленной кольцо, полученное из железа его крови. Печальная история…
Алюминий
Название элемента образовалось от лат. alumen — квасцы. Впервые алюминий был получен датским физиком Гансом Эрстедом в 1825 году. Впервые полупромышленным способом алюминий получил в 1854 г. Сент-Клер Девиль по методу Вёлера, заменив калий на более безопасный натрий. Год спустя на Парижской выставке 1855 г. он продемонстрировал слиток металла, а в 1856 г. получил алюминий электролизом расплава двойной соли хлорида алюминия-натрия.
До развития широкомасштабного промышленного электролитического способа получения алюминия из глинозема этот металл был дороже золота.
"Крылатый металл" – называют его авиаконструкторы. Чистый алюминий втрое легче стали, очень пластичен, но не очень прочен. Алюминий - это лёгкий металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Температура плавления 660 °C. Он третий по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода и кремния). Основная масса алюминия сосредоточена в бокситах и глиноземах. В природе его содержание составляет целых восемь процентов - это довольно много, например, содержание золота в земле составляет всего лишь 5 миллионных частей процента.
В современности сложно определить сферу производства, которая обходится, без этого метала. Алюминиевые сплавы применяются в производстве крупного транспорта, машиностроении, в бытовой технике и в электротехническом производстве. Без алюминия никак не обойтись и в строительстве.
Чтобы он стал хорошим конструкционным материалом, из него приходится делать сплавы. Исторически, первым был дуралюмин (дюралюминий, дюраль, как мы его чаще всего зовем) - такое имя дала сплаву немецкая фирма, впервые его предложившая в 1909 году (от названия города Дюрен). Этот сплав, кроме алюминия, содержит небольшие количества меди и марганца, резко повышающие его прочность и жесткость.
Но есть у дюраля и недостатки: его нельзя сваривать и сложно штамповать (нужна термообработка). Полную прочность он набирает со временем, этот процесс назвали «старением», а после термообработки состаривать сплав нужно заново. Поэтому детали из него соединяют клепкой и болтами, например, как в самолетах и легких катерах.
Основное место «жительства» алюминия в быту - это кухня. Почти все бытовые электроприборы содержат алюминиевые провода. На алюминиевой посуде готовится пища. Вторым по значимости является его применение в зеркалах. Алюминий наносится на стекло в вакууме методом напыления.
Медь
Простое вещество медь — это ковкий, пластичный металл золотисто-розового цвета (розового цвета при отсутствии оксидной плёнки).
Температура плавления 1082° С. Обладает хорошей тепло – и электропроводностью.
Медь — один из первых металлов, хорошо освоенных человеком из-за доступности для получения из руды и малой температуры плавления. Этот металл встречается в природе в самородном виде чаще, чем золото, серебро и железо. Одни из самых древних изделий из меди, а также шлак — свидетельство выплавки её из руд, найдены на территории Турции, при раскопках поселения Чатал-Гююк.
Медный век, когда значительное распространение получили медные предметы, следует во всемирной истории за каменным веком. Экспериментальные исследования С. А. Семёнова с сотрудниками показали, что, несмотря на мягкость меди, медные орудия труда по сравнению с каменными, дают значительный выигрыш в скорости рубки, строгания, сверления и распилки древесины, а на обработку кости затрачивается примерно такое же время, как для каменных орудий.
Это основной металл в электро - и тепловой техники. Довольно тяжелый, не слишком прочный, по сравнению со сталью - легкоплавкий, мягкий, по сравнению с алюминием - дорогой, но тем не менее незаменимый металл. Почему незаменимый? Все дело в чудовищной теплопроводности меди - она больше в десять раз по сравнению с дешевой сталью и в сорок раз по сравнению с дорогой нержавейкой. Алюминий тоже проигрывает меди по теплопроводности, а заодно и по температуре плавления.
В природе медь встречается в виде самородков и в виде различных химических соединений. Известны случаи, когда находили месторождение самородной меди массой в 400 тонн.
Чистая медь применяется в основном в электротехнике. Это печатные платы приборов, трансформаторы, электродвигатели. Из-за своей малой химической активности используется в производстве труб, для перекачки агрессивных веществ.
Основные сплавы меди, которые широко использует человек-бронза, латунь и дюраль.
Известны бактерицидные свойства меди. К примеру, в 18 веке дверные ручки делали из сплавов меди. Думаю, не надо объяснять – почему… Известны факты, что в некоторых деревнях России рачительные хозяева прибивают к дну корыт, из которых кормят животных, медные пластины. Оставшийся корм долго не закисает.
Серебро
Драгоценный металл, известный человечеству с древности. Металл, без которого не обойтись нигде. Как гвоздь, которого не оказалось в кузнице в известном стихотворении, он держит на себе все. Это ковкий, пластичный металл белого цвета.
Его плотность 10,5 г/см;, температура правления 960,5°С, температура кипения 2210°С. Серебро устойчиво в воде, практически не реагирует с кислородом воздуха при комнатной температуре, но из-за наличия в воздухе сероводорода со временем покрывается тончайшим тёмным налётом сульфида серебра.
Области применения серебра довольно широки. Основная масса металла применяется в ювелирной промышленности, электротехнике, изготовлении зеркал.
За все годы человеческой цивилизации у этого необыкновенного металла было огромное количество применений и разнообразных профессий. Ему приписывали множество уникальных свойств, люди использовали его не только в своей технической и научной деятельности, но и в магии. К примеру, долгое время считалось, что "его боится всевозможная нечисть" и микроорганизмы. На счет нечисти, не могу утверждать, а вот то, что серебро убивает микробов – это совершенно точно.
Одной из гипотез гибели Древнего Рима является утверждение, что империя погибла, биологически выродившись. Причина была в простом: вода в города подавалась по свинцовым трубам, жители готовили и принимали пищу из оловянной посуды. А эти металлы являются мощными угнетателями репродуктивной функции человека. Простые люди погибали. Аристократы ели и пили из серебряной посуды и были здоровы.
Так же существует заблуждение, что можно воду очищать от микробов, если положить в сосуд что – либо серебряное. Эффект будет, конечно, но мизерный – серебро в воде не растворимо. Этот процесс надо проделывать всю жизнь.
Главным недостатком этого металла является его дороговизна. Рано или поздно ему находили те или иные заменители, которые с течением времени с большим или меньшим успехом вытесняли его.
Золото
Золото было одним из первых металлов, открытых человеком. Декоративное золото, найденное в Болгарии, относят к к 4000 г до н.э. - эпоха каменной эры. Ещё в 7-м столетии до н.э. итальянские дантисты использовали золотую проволоку для вставки зубов. В древнем Египте золото считали кожей/плотью Богов. В частности, Бога Солнца Ра. По этой причине драгоценный металл был доступен только фараонам, членам их семьи и священнослужителям. Камеры, в которых располагали саркофаг царя, называли «дом золота».
Древние греки считали, что золото - плотное сочетание воды и солнечного света. Инки называли золото «Слезы Солнца». Считалось, что этот металл - это подарок людям от Бога Солнца. В 560 году до н.э. лидийцы выпустили первую в мире золотую монету. Правда, оно была не из чистого золота, а из электрума - сплава золота и серебра. По всему миру использование золотых монет началось после того, как земли лидийцев захватили персы.
Кстати, в Библии золото упоминается не менее 400 раз. В том числе, присутствуют указание от Бога на покрытие мебели в скинии «чистым золотом». Также этот металл упоминается в качестве одного из даров волхвов.
Химический элемент «Au» с латинского Aurum означает «сияющий свет». Русское же слово «золото» фактически является измененной формой прилагательного «желтый». Аналогичная история с английским словом «gold», которое произошло от староанглийского «geolu», обозначающего жёлтый цвет (родственность с ним можно проследить в слове «yellow».
Вес и отсюда цена золота формируется из термина «тройская унция», происходит от названия французского города Труа, в котором была создана первая в мире система весов для драгоценных металлов и камней.
Одна тройская унция равна 31,1 г
Чистота золота определяется в каратах. Термин «карат» произошел от семян рожкового дерева, которые используются в странах Ближнего Востока для взвешивания. Караты - бобовые плоды, каждый стручок рожкового дерева весит 1/5 г (200 мг). Вес золота в каратах может составлять 10, 12, 14, 18, 22 или 24. Чем больше этот показатель, тем выше качество золота. «Чистое золото» считается с минимальным весом в 10 карат. «Чистейшее золото» - 24 карата, однако и в нем содержится небольшое количество меди.
Чистое золото имеет 999 пробу. Так как оно слишком мягкое - его можно поцарапать ногтем, - в него добавляют другие металлы, такие как медь и серебро. Количество чистого золота в сплаве и определяет проба. В сплаве 585 пробы на 1 г приходится 0,585 мг золота.
Температура плавления золота равна 1064,43 градуса по Цельсию. Этот металл отлично проводит тепло и электричество, из-за своей малой химической активности никогда не ржавеет.
Оно очень гибкое и пластичное. Из него можно изготавливать швейные нити. Одна унция золота может быть растянута на 80 километров. 1 г. золотой крупинки можно раскатать в лист размером с квадратный метр. Такое золото называют сусальным. Оно применяется для покрытий изделий, придающих им «золотой вид».
В природе золото находится в виде соединений и в чистом виде – самородном. Вес одного из самых крупных золотых самородков равнялся 72 кг.
Его размеры составляют - 31;63,5 см.
В России, на Урале, 26 октября 1842 года крепостным рабочим Никифором Сюткиным был найден самородок весом 36 кг 21 г. Это самый крупный самородок из сохранившихся за всю историю золотодобычи в нашей стране. За свою форму он получил название «Большой треугольник».
Лишь около 10% всей мировой золотодобычи обеспечивает нужды промышленности, остальное же идёт на производство ювелирных изделий и золотых слитков.
Учёные считают, что около 10 миллиардов тонн золота содержится в водах мирового океана и на океанском дне, но методов, которые сделали бы его добычу в подобных условиях возможной и экономически оправданной, пока не существует.
Самый большой запас золота в мире находится в Федеральном резервном банке хранилища Нью-Йорка. Здесь находится 25% всего добытого золота. Оно принадлежит как Америке, так и другим странам.
При смешивании его с другими металлами, золото не меняет своих свойств, входя в другие металлы, но при этом не впускает их в свою структуру. Хочется сказать, что этот металл никогда не меняет своей формулы, меняет только количественные размеры своего присутствия. Поэтому золото легко выделить из любого вещества. Золото не переходит из одного состояния в другое, и даже находясь в теле человека, (а оно есть в любом человеке, только в космически малых размерах) остается, все-таки, золотой частичкой.
На протяжении многих тысячелетий золото сводило с ума людей: за него убивали, за него умирали, за него боролись. В наши дни нет повсеместной золотой лихорадки, так как большинство месторождений уже обнаружено, но в некоторых странах до сих пор можно найти золотоискателей, которые зарабатывают на жизнь исключительно поиском драгоценного металла. Конечно, не иссякает любовь к золоту и у обычных людей: золото всегда было и будет синонимом роскошной жизни, богатства и власти.
Ртуть
Пожалуй, ртуть является одним из немногих химических элементов, обладающих массой интересных свойств, а также обширнейшей сферой применения. В современном мире ртуть пригодилась в электронике, где компоненты на ее основе используются во всевозможных лампах и прочей электротехнике. Без солей ртути невозможен взрыв бризантных веществ, используемых в военной промышленности.
Ртуть - это единственный металл и второе (наряду с бромом) вещество, которое при комнатной температуре пребывает в жидком состоянии. Твердым она становится только при температуре –39 градусов. А вот повышение ее до +356 градусов заставляет ртуть закипать и превращаться в ядовитый пар. Металл может испаряться и при комнатной температуре.
В природе ртуть может встречаться, как в чистом виде - вкраплениями небольших капель в других породах. Но чаще всего ртуть добывали, обжигая ртутный минерал киноварь. Также присутствие ртути можно обнаружить в сульфидных минералах, глинистых сланцах и др.
Благодаря своему цвету в античные времена этот металл даже отождествляли с живым серебром, о чем свидетельствует одно из её латинских названий: argentumvivum. И это немудрено, ведь находясь в своем естественном состоянии – жидком, она способна «бежать» быстрее воды.
Человечество использует ртуть вот уже более 3000 лет. Благодаря своей токсичности она активно применялась древними химиками для того чтобы извлечь из руды золото, серебро, платину и другие металлы. Такой способ под названием амальгация позже был забыт, к нему вернулись только в XVI столетии. Возможно, благодаря именно ему, добыча золота и серебра колонизаторами Южной Америки в свое время достигла колоссальных размеров.
Между прочим, металлом ртуть стала только лишь в 1759 году, когда Михаил Ломоносов и Иосиф Браун смогли доказать этот факт, заморозив ее. Замороженная ртуть ведет себя подобно большинству металлов: куется, прокатывается, можно изготовлять различные изделия. Благодаря своей плотности ртуть имеет большой удельный вес. Так, например, 1 литр вещества весит более 13 килограммов.
Ртуть относится к ядовитым металлам, высокого, 1-го класса опасности. Но жидкая ртуть не ядовита, а ядовиты ее пары и соединения. Организм отравляется и при контакте с соединениями ртути. Помните безумного шляпника в сказке «Алиса в стране чудес?» Там довольно точно описываются симптомы отравления солями ртути.
В быту мы встречаемся с ртутью в термометрах и осветительных приборах. Особую панику вызывают разбитые термометры. Не надо паниковать. Ртуть начинает испаряться при высокой температуре, а при комнатной - незначительно. Поэтому, спокойно накиньте на лицо плотную маску, вооружитесь резиновой грушей, или шприцом с иглой и втягивайте рассыпанные шарики ртути. Пылесос использовать нельзя! Ртуть раздробится на мельчайшие частички и вылетит из выходного отверстия механизма, еще больше увеличив ее концентрацию в воздухе.
Хорошо помогает сбору мелких капель обыкновенный скотч. Если есть порошковидная сера-то засыпьте место разлива ртути этим порошком. Если вы уж так трепетно относитесь к своему здоровью, то вызовите МЧС.
Для паникеров: если вы съедите целиком сельдь, особенно балтийскую, то доставите в организм столько же ртути, сколько вдохнете при аварии. Так что причин для паники абсолютно нет!
Постепенно ртутные термометры и лампы дневного света заменяются на безопасные, экологически «чистые».
Вольфрам
А теперь давайте познакомимся с полной противоположности ртути — металле, именуемом вольфрамом. В то время, как ртуть может расплавиться на человеческой ладони, для расплавления вольфрама необходима температура на уровне 3422 градусов Цельсия.
С немецкого «Wolf Rahm» можно перевести как «волчьи сливки».
Сам по себе вольфрам не опасен, но изделия, в котором он используется, могут убить. Этот металл часто используется, как наконечник патронов, которые могут пробить даже бронежилет. Только его добавляют совсем чуть-чуть, потому что вольфрам — очень тяжелый металл.
Из-за своей тугоплавкости, вольфрам трудно поддается деформации, поэтому в чистом виде его используют очень редко. Как правило, изделия из вольфрама имеют и другие примеси — они делают его более податливым и значительно уменьшают вес.
В быту вольфрам применяется в электролампах. Из-за своей тугоплавкости и высокого сопротивления электрическому току, вольфрамовая нить светится при движении через нее электронов.
Человек в своей жизни почти не использует чистые металлы. Основная их область применения – сплавы. Об этом поговорим чуть позже.