12.3: Метали та руди
- Page ID
- 20700
- Визначте важливі метали та опишіть їх видобуток з основних руд.
- Перерахуйте різні метали, їх використання та сплави.
- Охарактеризуйте вплив на навколишнє середовище виробництва металу.
Більшість металів зустрічаються як види гірських порід в земній корі. Ці руди містять достатню кількість корисних копалин з важливими елементами, включаючи метали, які можуть бути економічно витягнуті з гірської породи. Металеві руди, як правило, оксиди, сульфіди, силікати (таблиця \(\PageIndex{1}\)) або «рідні» метали (наприклад, нативна мідь), які зазвичай не концентруються в земній корі, або «благородні» метали (зазвичай не утворюють сполуки), такі як золото (рис.\(\PageIndex{1}\)). Руди повинні бути оброблені для вилучення металів, що представляють інтерес, з відходів породи і з рудних мінералів.
Сплави
Сплав являє собою суміш, що складається з двох або більше елементів, принаймні один з яких є металом. Ви напевно знайомі з деякими сплавами міді (наприклад, латунь і бронза) і заліза (сталь). Сплави можуть бути одного з двох загальних типів. В одному типі, званому сплавом заміщення, різні атоми просто замінюють один одного в кристалічній структурі. В іншому типі, званому інтерстиціальним сплавом, менші атоми, такі як вуглець, поміщаються між більшими атомами в кристалічній упаковці.
Сталі є дуже важливим класом сплавів. Багато типів сталей в основному складаються з заліза, з різною кількістю елементів вуглецю, хрому, марганцю, нікелю, молібдену та бору. Сталі широко використовуються в будівельному будівництві через їх міцності, твердості і стійкості до корозії. Більшість великих сучасних споруд на зразок хмарочосів і стадіонів підтримуються сталевим каркасом (див. Малюнок нижче).
Мідь, латунь та бронза
Мідь - хімічний елемент з символом Cu (від лат.: cuprum) і атомним номером 29. Це м'який, ковкий і пластичний метал з дуже високою тепло- та електропровідністю. Свіжооголена поверхня чистої міді має рожево-помаранчевий колір. Мідь використовується як провідник тепла і електрики і як будівельний матеріал.
Мідь - один з небагатьох металів, які можуть зустрічатися в природі в безпосередньо придатній для використання металевій формі (нативні метали). Це призвело до дуже раннього використання людиною в декількох регіонах, починаючи з 8000 р. До н.е. Тисячі років потому, це був перший метал, виплавлений з сульфідних руд, c. 5000 до н.е., перший метал, який був відлитий у форму у формі, c. 4000 до н.е., і перший метал, який був цілеспрямовано легований іншим металом, оловом, для створення бронзи, c. 3500 до н.е.
Більшість комерційних руд - це сульфіди, особливо халькопірит (CuFeS 2), борніт (Cu 5 FeS 4) і, в меншій мірі, ковеліт (Cu) і халькоцит (Cu 2 S).
Cu 2 S, перетворюється в оксиди:
- 2 Су 2 С+ 3 О 2 → 2 Су 2 О + 2 СО 2
Потім оксид міді перетворюється на мідь при нагріванні:
- 2 Куб 2 О → 4 Су + О 2
Мідь є складовою різних металевих сплавів, таких як срібло, що використовується в ювелірних виробах, мельхіор, який використовується для виготовлення морських виробів та монет, і константан, який використовується в тензодатчиках та термопарах для вимірювання температури. Бронза, сплав міді і олова використовується з давніх часів. Бронзовий вік побачив збільшення використання металів, а не каменю для зброї, інструментів та декоративних предметів. Латунь, сплав міді та цинку, широко використовується в музичних інструментах, таких як труба і тромбон. Сплави зазвичай використовуються у виготовлених предметах, оскільки властивості цих металевих сумішей часто перевершують чистий метал. Бронза твердіше міді і легше відливається. Латунь дуже податлива, а її акустичні властивості роблять її корисною для музичних інструментів (рис.\(\PageIndex{1}\)).
Залізо і сталь
Раннє застосування заліза для виготовлення знарядь праці та зброї стало можливим завдяки широкому поширенню залізних руд і легкості, з якою сполуки заліза в рудах могли бути зменшені за рахунок вуглецю. Залізну руду відновлюють коксом в доменній печі (рис.\(\PageIndex{1}\)). У доменну піч завантажують залізні руди, зазвичай гематит Fe 2 O 3 або магнетит Fe 3 O 4, разом з коксом (вугіллям, який окремо випікався для видалення летючих компонентів). Повітря, попередньо нагріте до 900 °С, продувається крізь суміш, в достатній кількості для перетворення вуглецю в чадний газ:
- 2 С + О 2 → 2 СО
Ця реакція підвищує температуру приблизно до 2000° С. Окис вуглецю зводить залізну руду до металевого заліза [112]
- Фе 2 О 3 + 3 СО → 2 Фе + 3 СО 2
Деяка кількість заліза в високотемпературній нижній області печі реагує безпосередньо з коксом: [112]
- 2 Фе 2 О 3 + 3 С → 4 Фе + 3 СО 2
Значна частина виробленого заліза вдосконалюється і перетворюється на сталь. Сталь виготовляється із заліза шляхом видалення домішок та додавання таких речовин, як марганець, хром, нікель, вольфрам, молібден та ванадій, для отримання сплавів з властивостями, які роблять матеріал придатним для конкретних цілей. Більшість сталей також містять невеликі, але певні відсотки вуглецю (0,04% — 2,5%). Однак значна частина вуглецю, що міститься в залізі, повинна бути видалена при виготовленні сталі; інакше надлишок вуглецю зробить залізо крихким. Однак існує не одна речовина під назвою сталь - вони являють собою сімейство сплавів заліза з вуглецем або різними металами.
Домішки в залізі з доменної печі включають вуглець, сірку, фосфор і кремній, які доводиться видаляти.
- Видалення сірки: Сірка повинна бути видалена спочатку в окремому процесі. Порошок магнію продувається через розплавлене залізо, і сірка реагує з ним з утворенням сульфіду магнію. Це утворює шлак поверх заліза і може бути видалений. \[ Mg + S \rightarrow MgS \label{127} \]
- Видалення вуглецю: все ще нечисте розплавлене залізо змішується з металобрухтом (від переробки) і кисень видувається на суміш. Кисень вступає в реакцію з рештою домішками з утворенням різних оксидів. Вуглець утворює чадний газ. Так як це газ, він видаляє себе з праски! Цей чадний газ можна очищати і використовувати в якості паливного газу.
- Видалення інших елементів: Такі елементи, як фосфор і кремній, реагують з киснем з утворенням кислих оксидів. Вони видаляються за допомогою негашеного вапна (оксиду кальцію), який додається в піч під час продувки киснем. Вони реагують на утворення таких сполук, як силікат кальцію або фосфат кальцію, які утворюють шлак поверх заліза.
C чавунним вже говорилося вище. У цьому розділі розглядаються види чавуну і сталі, які виробляються в результаті процесу виготовлення сталі.
- Коване залізо: Якщо весь вуглець видаляється із заліза, щоб надати залізо високої чистоти, воно відоме як коване залізо. Коване залізо досить м'яке і легко обробляється і має невелику міцність конструкції. Колись він використовувався для виготовлення декоративних воріт і перил, але в наші дні замість нього зазвичай використовується м'яка сталь.
- М'яка сталь: М'яка сталь - це залізо, що містить близько 0,25% вуглецю. Наявність вуглецю робить сталь міцніше і твердіше чистого заліза. Чим вище відсоток вуглецю, тим твердіше стає сталь. М'яка сталь використовується для багатьох речей - цвяхів, дроту, кузовів автомобілів, суднобудування, прогонів та мостів серед інших.
- Високовуглецева сталь: Високовуглецева сталь містить близько 1,5% вуглецю. Наявність додаткового вуглецю робить його дуже твердим, але він також робить його більш крихким. Високовуглецева сталь використовується для різання інструментів і цвяхів для кладки (цвяхи, призначені для забивання в бетонні блоки або цегляну кладку без згинання). Високовуглецева сталь, як правило, руйнується, а не згинається при поганому поводженні.
- Спеціальні сталі: це залізо, леговане іншими металами (табл.\(\PageIndex{1}\)).
| Залізо змішане з | особливі властивості | Використання включає | |
|---|---|---|---|
| нержавіюча сталь | хром і нікель | протистоїть корозії | столові прилади, кухонне начиння, кухонні мийки, промислове обладнання для переробки продуктів харчування та напоїв |
| титанова сталь | титан | витримує високі температури | газові турбіни, космічний апарат |
| марганцева сталь | марганець | дуже важко | машини, що руйнують породи, деякі залізничні колії (наприклад, точки), військові шоломи |
Відео\(\PageIndex{1}\) Процес виплавки сталі.
Алюміній
Алюміній занадто високий в електрохімічному ряду (серія реакційної здатності), щоб витягти його з руди за допомогою зменшення вуглецю. Необхідні температури занадто високі, щоб бути економічними. Замість цього він витягується електролізом. Руда спочатку перетворюється в чистий оксид алюмінію процесом Байєра, а потім електролізується в розчині в розплавленому кріоліті - іншому з'єднанні алюмінію. Оксид алюмінію має занадто високу температуру плавлення, щоб електролізуватися самостійно. Звичайна алюмінієва руда - боксити. Боксит - це по суті нечистий оксид алюмінію. Основні домішки включають оксиди заліза, діоксид кремнію і діоксид титану.
Подрібнений боксит обробляють помірно концентрованим розчином гідроксиду натрію. Концентрація, температура і тиск, що використовуються, залежать від джерела бокситу і саме від того, яку форму оксиду алюмінію він містить. Температура, як правило, від 140° C до 240° C; тиск може становити приблизно до 35 атмосфер. З гарячим концентрованим розчином гідроксиду натрію оксид алюмінію реагує з отриманням розчину тетрагідроксоалюмінату натрію.
\[ Al_2O_3 + 2NaOH + 3H_2O \longrightarrow 2NaAl(OH)_4 \nonumber \]
Розчин тетрагідроксоалюмінату натрію охолоджують, і «засівають» деякими раніше отриманими гідроксидом алюмінію. Це забезпечує щось для нового гідроксиду алюмінію, щоб осад навколо.
\[ NaAl(OH)_4 \longrightarrow Al(OH)_3 + NaOH \nonumber \]
Оксид алюмінію (іноді відомий як глинозем) виготовляється шляхом нагрівання гідроксиду алюмінію до температури близько 1100 - 1200° C.
\[ 2Al(OH)_3 \longrightarrow Al_2O_3 + 3H_2O \nonumber \]
Оксид алюмінію електролізується в розчині в розплавленому кріоліті, Na 3 AlF 6. Кріоліт - ще одна алюмінієва руда, але зустрічається рідко і дорого, і більшість зараз виготовляється хімічним шляхом.
Використання алюмінію
Алюміній зазвичай легують іншими елементами, такими як кремній, мідь або магній. Чистий алюміній не дуже міцний, і легування його додає йому міцності. Алюміній особливо корисний тим, що він
- має низьку щільність;
- міцний при легуванні;
- є хорошим провідником електрики;
- має хороший зовнішній вигляд;
- протистоїть корозії через міцного тонкого шару оксиду алюмінію на його поверхні. Цей шар можна додатково зміцнити анодуванням алюмінію.
Анодування по суті включає травлення алюмінію розчином гідроксиду натрію для видалення існуючого оксидного шару, а потім виготовлення алюмінієвого виробу анодом в електролізі розведеної сірчаної кислоти. Кисень, що подається на аноді, реагує з алюмінієвою поверхнею, утворюючи плівку оксиду товщиною приблизно до 0,02 мм. Так само як і підвищення корозійної стійкості алюмінію, ця плівка є пористою на даному етапі і також буде братися за барвники. (Його додатково обробляють, щоб згодом зробити його повністю непористим.) Це означає, що ви можете виготовляти алюмінієві вироби з кольором, вбудованим у поверхню.
Деякі види використання включають:
| Алюміній використовується для | оскільки |
|---|---|
| літальний апарат | легкий, міцний, протистоїть корозії |
| інші види транспорту, такі як надбудови кораблів, кузови контейнерних транспортних засобів, поїзди метро (поїзди метро) | легкий, міцний, протистоїть корозії |
| накладні силові кабелі (зі сталевим сердечником для їх зміцнення) | світло, протистоїть корозії, хороший провідник електрики |
| каструлі | світло, протистоїть корозії, хороший зовнішній вигляд, хороший провідник тепла |
Переробка
Алюміній - це матеріал, що підлягає нескінченній переробці, і для його переробки потрібно до 95 відсотків менше енергії, ніж для виробництва первинного алюмінію, що також обмежує викиди, включаючи парникові гази. Сьогодні близько 75 відсотків всього алюмінію, виробленого в історії, майже мільярд тонн, все ще використовується. [6]
Переробка алюмінію, як правило, дає значну економію коштів у порівнянні з виробництвом нового алюмінію, навіть коли враховуються витрати на збір, поділ та переробку. [7] У довгостроковій перспективі ще більша національна економія робиться, коли розглядається зменшення капітальних витрат, пов'язаних зі звалищами, шахтами та міжнародними перевезеннями сирого алюмінію.
Вплив на навколишнє середовище виробництва сталі та алюмінію
Вплив виробництва сталі та алюмінію на навколишнє середовище можна простежити від видобутку руд до виробництва кінцевої комерційної продукції (тобто сталі та алюмінію). Основними джерелами викидів на різних фазах виробництва є такі продукти згоряння, як закис азоту, вуглекислий газ, окис вуглецю, а також діоксид сірки та пил, що викидається від роботи обладнання. Вплив різних викидів на якість повітря (тобто утворення смогу, парниковий ефект, кислотні дощі тощо) буде розглянуто більш детально в розділі 13.
Сірчана кислота створюється при взаємодії води і кисню з сіркосодержащими мінералами і хімічними речовинами в гірських породах. Багато металів стають рухливими, оскільки вода стає більш кислою і при високих концентраціях ці метали стають токсичними для більшості форм життя. Також відбувається виробництво величезної кількості забруднюючих речовин стічних вод, небезпечних відходів та твердих відходів.
Резюме
- Металеві руди містять достатню кількість корисних копалин з важливими елементами, включаючи метали, які можуть бути економічно витягнуті з породи. Руди повинні бути оброблені для вилучення металів, що представляють інтерес, з відходів породи і з рудних мінералів.
- Сплави - це суміші матеріалів, принаймні один з яких - метал.
- Бронзові сплави широко застосовувалися в озброєнні.
- Латунні сплави здавна застосовуються в музичних інструментах.
- Сталеві сплави міцні і довговічні.
- Алюмінієві сплави широко використовуються завдяки своїй довговічності, стійкості до корозії та хорошої провідності.
Дописувачі та атрибуція
- Template:ContribCK12
- TextMap: General Chemistry: General Chemistry (Petrucci et al.)
- Template:ContribAgnewM
- Wikipedia