Свойства металлов, сплавы и их применение

Как свойства определяют применение металла

Металлы различаются пластичностью, проводимостью, температурой плавления и устойчивостью к окружающей среде. Состав и обработка сплава позволяют получать материалы для разных задач. Рассмотрим свойства металлов, получение железа из руды, коррозию и переработку металлических изделий.

Для этого урока нужно помнить различие элемента и вещества, чистого вещества и смеси, физического изменения и химической реакции. Формула Fe₂O₃ описывает соединение железа, а Fe — простое вещество. Слово «железо» в бытовом названии предмета не гарантирует его чистоты: инструмент обычно сделан из сплава.

Что называют металлами

Металлы — группа простых веществ с характерными свойствами. Для большинства знакомых металлов типичны металлический блеск, способность проводить ток и тепло, пластичность. Многие можно ковать и вытягивать. Однако свойства выражены по-разному: одни металлы мягки, другие твёрды; одни лёгкие, другие плотные.

Большинство металлов при обычной комнатной температуре твёрдые. Ртуть Hg — известное исключение: при 20 °C она жидкая. Не обращайтесь с ртутью и повреждёнными ртутными приборами самостоятельно; в уроке нет опыта с ней. Медь красноватая, золото жёлтое, тогда как многие другие металлы серебристые. Магнетизм тоже не общий признак: магнит не притягивает, например, медь так, как железо.

Ни один из признаков по отдельности не служит абсолютной проверкой. Графит проводит ток, но относится к неметаллам. Блестеть могут и минералы, не являющиеся простыми металлическими веществами.

Названия и химические символы металлов

Символ элемента начинается с заглавной буквы; вторая, если она есть, строчная. Co — кобальт, а CO — угарный газ. Вещества и элементы нужно различать даже тогда, когда их названия похожи.

Пластичность, ковкость и тягучесть

Пластичность — способность материала изменять форму под нагрузкой и сохранять изменение после её снятия. Ковкость проявляется при расплющивании, например при изготовлении листа; тягучесть — при вытягивании в проволоку. Это связанные, но не тождественные свойства.

Волочение протягивает металл через отверстие: проволока становится тоньше и длиннее. Для неизменного объёма однородного образца V = A·L, где A — площадь поперечного сечения, L — длина. Если длину увеличить вдвое, площадь сечения уменьшится вдвое. Это не значит, что диаметр тоже уменьшается вдвое: у круглой проволоки площадь пропорциональна квадрату диаметра.

Изменение формы не меняет элемент Cu на другой элемент. Но материал может упрочняться при обработке; это изменение его структуры и свойств, а не превращение меди в железо. Хрупкий материал при слишком большой деформации может разрушиться. Пластичность и упругость тоже различны: пружина в пределах допустимой нагрузки возвращается к прежней форме.

Почему металлы используют в проводах и посуде

Медь и алюминий проводят электрический ток. Металлическая жила кабеля создаёт проводящий путь, а полимерная оболочка изолирует его. Для небольшой гибкой жилы важны одновременно проводимость и возможность вытянуть металл. В линиях электропередачи применяют и алюминиевые проводники, где существенны масса и конструкция.

Хорошая теплопроводность помогает дну посуды передавать тепло. Но теплопроводность не то же самое, что температура плавления: первая характеризует перенос тепла, вторая — переход вещества между состояниями. Для рукоятки обычно важно уменьшить передачу тепла к руке, поэтому она может быть сделана из другого материала.

Лампа в учебной цепи лишь показывает правило качественной модели. По ней нельзя определить точное сопротивление вставки или доказать экспериментально все свойства металлов.

Плавление и затвердевание

При плавлении чистый металл переходит из твёрдого состояния в жидкое. Химический элемент сохраняется. После охлаждения расплав может затвердеть в форме, получившей нужную конфигурацию. Это основа литья. Нагрев сам по себе не доказывает химическую реакцию.

Для сравнения используем округлённые температуры плавления: Al — 660 °C, Au — 1064 °C, Cu — 1085 °C, Fe — 1538 °C. Данные относятся к чистым веществам при обычном давлении. При самой температуре плавления твёрдая и жидкая фазы могут сосуществовать: нужна ещё информация о переданном тепле, чтобы определить их количество. Изменение температуры ползунком — выбор состояния модели, не отсчёт времени нагревания.

Сплавы нередко плавятся в интервале температур; свойства чистого металла нельзя автоматически приписывать любому сплаву на его основе. Например, чугун и чистое Fe не имеют одинакового состава и одинаковых условий плавления.

Справочные значения: Royal Society of Chemistry, периодическая таблица.

Сплавы: состав и обработка

Сплав — металлический материал, в состав которого входят два или более элемента. Среди компонентов есть хотя бы один металл. Сплав может содержать несколько фаз; его нельзя считать одной молекулой с постоянной формулой для всех образцов.

Латунь — семейство медно-цинковых сплавов. Оловянная бронза содержит медь и олово; существуют также алюминиевые и другие бронзы. Название «бронза» не означает, что всякая бронза обязательно состоит только из Cu и Sn. Цвет и свойства зависят от состава, состояния поверхности и обработки. По оттенку фотографии невозможно надёжно установить марку сплава.

Добавки могут повысить твёрдость, прочность или устойчивость к среде, но способны изменить другие важные свойства. Чистое золото мягко; его сплавы удобнее для многих украшений. Чистый алюминий и алюминиевые сплавы используют для разных задач. Нельзя делать вывод «любой сплав лучше любого чистого металла».

Разбор. Нужно 50 кг латуни с 30% Zn по массе. Масса Zn: 50·0,30 = 15 кг. Масса Cu: 50−15 = 35 кг. Проверка: 15+35 = 50 кг; 15/50 = 0,30. Это состав материала, а не число атомов каждого вида. Для расчёта по атомам потребуются другие данные.

Семейства сплавов: Copper Development Association.

Сталь, чугун и чистое железо

Сталь и чугун — материалы на основе железа, обычно содержащие углерод и другие элементы. Для первого сравнения используют границу около 2% C по массе: меньше — область сталей, больше — область чугунов. Точная классификация требует стандарта и состава; значение у границы нельзя объявлять универсальным правилом.

Многие чугуны хорошо отливаются, но хрупки и плохо выдерживают сильные удары. Их используют, например, для массивных деталей и посуды. Стали бывают конструкционные, инструментальные, нержавеющие и другие. Свойства зависят не только от C, но и от легирующих добавок, структуры и термической обработки. Больше C не означает неограниченный рост прочности; чистое Fe не равно любой стали.

Доменный чугун переделывают в сталь, снижая содержание углерода и некоторых примесей окислением, затем корректируют состав. Простое охлаждение не удаляет углерод и не превращает чугун в сталь. Сталь можно получать и по другим маршрутам, в том числе с использованием металлического лома.

Определение стали: World Steel Association.

Руды и самородные металлы

Многие металлы взаимодействуют с кислородом, серой и другими веществами. Поэтому в природе часто встречаются их соединения. Руда — природное сырьё, из которого при данных условиях целесообразно извлекать металл. Это не обязательно один чистый минерал: присутствует пустая порода. Месторождения могут содержать жилы или вкрапления минералов.

Примеры: гематит Fe₂O₃ — минерал железа; сфалерит ZnS — минерал цинка; боксит — сырьё для получения алюминия, содержащее несколько минералов, а не вещество с одной простой формулой. Самородное золото Au уже является металлом, а не оксидом, который сначала нужно восстановить.

При разрушении золотоносных пород тяжёлые крупинки могут накапливаться в россыпях. Промывка разделяет смесь за счёт свойств частиц. Извлечение металла из соединения, напротив, требует химического процесса. Не следует смешивать «найти металлическую крупинку» и «получить металл из оксида».

Что происходит при получении металла

Восстановление оксида можно сначала понимать как удаление кислорода из соединения металла. Для железа в домне важную роль играет CO. Одна реакция: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Слева 2 Fe, 3 C и 6 O; справа столько же. Три O из руды присоединяются к трём CO. Это не исчезновение атомов.

В домну подают подготовленную руду, кокс и флюсы. Кокс участвует в образовании тепла и восстановительных газов, флюсы помогают вывести примеси в шлак. Железный расплав содержит углерод и другие компоненты: выходящий чугун не является чистым Fe. В школьном суммарном описании встречается также 2Fe₂O₃ + 3C → 4Fe + 3CO₂. Это укрупнённый баланс, а не утверждение, что домна выполняет лишь одну прямую реакцию углерода с рудой.

Для цинковой руды можно рассмотреть историческую пирометаллургическую последовательность. Обжиг: 2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂. Затем высокотемпературное восстановление: ZnO + C → Zn + CO. Цинк выделяется в виде паров, которые нужно собрать и сконденсировать. Реальные технологии сложнее и различаются; газы очищают. Эти реакции нельзя превращать в домашнюю инструкцию.

Получение алюминия в обычной промышленности использует электролиз расплава с растворённым оксидом алюминия. Углеродный маршрут железа не подходит автоматически всем металлам. Добыча, подготовка руды, химическое извлечение и придание формы — разные этапы.

Разбор расчёта выхода железа

В 1000 кг руды 80% Fe₂O₃ по массе, остальные 20% считаем пустой породой без железа. По условным относительным атомным массам Fe = 56, O = 16: масса формульной порции Fe₂O₃ равна 2·56 + 3·16 = 160, а вклад железа — 112. Массовая доля Fe равна 112/160 = 0,70.

1. Масса оксида: 1000·0,80 = 800 кг.
2. Теоретическая масса Fe: 800·0,70 = 560 кг.
3. Проверка остатка: кислород оксида — 240 кг, пустая порода — 200 кг. Сумма 560+240+200 = 1000 кг.

560 кг — предел для чистого Fe при полном извлечении из указанного оксида. Реальный выход может быть ниже. Этот расчёт не включает расход кокса, поступление кислорода с воздухом, состав шлака и все потоки печи. Нельзя назвать разность «выбросами»: часть её — пустая порода, а кислород переходит в продукты реакций с другими веществами.

Коррозия и защита

Коррозия — химическое разрушение материала при взаимодействии со средой. Обычное ржавление железа связано с присутствием воды и кислорода. Ржавчина — не само железо и не одно чистое вещество: это продукты превращения поверхности, в том числе гидратированные оксиды и другие соединения. Её слой обычно порист и не прекращает коррозию.

У меди и бронзы могут образовываться зелёные слои патины. Их состав зависит от среды; патина не равна железной ржавчине. Некоторые поверхностные плёнки тормозят дальнейшую реакцию. Например, тонкая оксидная плёнка помогает защищать алюминий при обычных условиях, но не делает его неуязвимым в любой среде.

Краска и другие сплошные покрытия ограничивают контакт металла со средой. Царапина может нарушить защиту. Для наружной конструкции выбирают и материал, и подходящий способ защиты, и обслуживание. Название «нержавеющая сталь» тоже не обещает абсолютную стойкость при любых условиях.

Повторное использование и ответственный выбор

Металлический лом может снова стать сырьём. Сортировка важна: случайное смешивание изменяет состав будущего материала. Магнит помогает выделить многие железные компоненты, но не всю смесь металлов. Медь и алюминий требуют других способов разделения; некоторые стали также слабо магнитны.

Переплавка сохраняет металлическое сырьё, однако расходует энергию. Во время обработки возможны окисление, потери и загрязнения. Восстановление металла из руды и переплавка уже металлического лома — разные маршруты. Долговечный ремонтируемый предмет иногда экономит сырьё ещё до стадии переработки.

Для выбора задайте четыре вопроса: какое свойство необходимо; какой материал его обеспечивает; как придать форму; в какой среде будет служить изделие? Обоснование важнее привлекательного цвета образца.

Практика с решениями

Сначала ответь самостоятельно. После открой решение и сравни ход рассуждения.

1. Назови три общих свойства металлов и приведи пример применения каждого.

Решение и объяснение

Проводимость — медная жила; теплопроводность — дно посуды; пластичность — лист или проволока. Не объявляй свойства одинаковыми для всех металлов.

2. Запиши символы меди, железа, алюминия, цинка, олова и ртути.

Решение и объяснение

Cu, Fe, Al, Zn, Sn, Hg. Регистр букв важен.

3. Почему вытягивание Cu в проволоку не является получением нового элемента?

Решение и объяснение

Меняются форма и структура материала, но атомы остаются атомами Cu. Деформация не создаёт другой химический элемент.

4. Для 25 кг оловянной бронзы выбраны 12% Sn. Найди массы компонентов.

Решение и объяснение

Sn: 25·0,12 = 3 кг. Cu: 25−3 = 22 кг. Проверка: 3+22 = 25 кг.

5. При 600 °C чистый Al в модели твёрдый или жидкий? Почему?

Решение и объяснение

Твёрдый: 600 ниже округлённой температуры плавления 660 °C. Это сравнение при обычном давлении.

6. В сплаве на основе Fe 0,8% C, в другом — 3,5% C. Сравни их названия и не делай лишних выводов.

Решение и объяснение

Первый относится к сталям, второй к чугунам в данном сравнении. По одному числу C нельзя точно предсказать прочность или марку.

7. Проверь атомы в Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂.

Решение и объяснение

С каждой стороны: Fe — 2, C — 3, O — 6. CO принимает кислород из оксида.

8. Из 1000 кг руды с 75% Fe₂O₃ какой теоретический выход Fe?

Решение и объяснение

Оксид: 750 кг. Железо: 750·0,70 = 525 кг. Предполагаем полное извлечение и отсутствие Fe в пустой породе.

9. Почему бронзовая наружная деталь может стать зелёной? Соль или металл появились из ничего?

Решение и объяснение

Поверхность реагирует со средой, образуются соединения патины. Используются атомы материала и веществ среды; новая окраска не означает рождения атомов.

10. Предложи металл или сплав для вещи и обоснуй обработку и защиту.

Решение и объяснение

Пример: наружная стальная балка — конструкционная сталь нужной марки, прокатка, защитное покрытие и осмотр. Допустимы другие варианты с правильным обоснованием.

Проверь типичные ошибки

• Латунь и бронза — сплавы; их нельзя обозначить одной формулой для всех марок.
• Твёрдость, прочность, хрупкость и пластичность — разные свойства.
• Переплавка металлического лома и восстановление руды — разные процессы.
• Нагрев может вызывать физическое или химическое изменение; решает результат.
• Массовая доля добавки не равна доле её атомов.
• В теоретическом выходе нужно учесть и долю оксида в руде, и долю металла в оксиде.

Заметки учителю

Материал можно распределить на два занятия. На первом: предметы, свойства, различие упругости и пластичности, плавление и состав сплавов. На втором: руды, баланс реакции, теоретический выход, коррозия и итоговое задание о выборе материала. Не требуйте одновременно освоить промышленную технологию и все количественные расчёты без промежуточного разбора.

Спросите, какие данные нужны для реального выбора материала. Обсудите стоимость, марку, технологию, нагрузку и среду. В итоговом интерактиве проверяется один распространённый вариант; для открытого проекта допустимы иные аргументированные решения. Ученик должен связать свойство с применением, отличить изменение формы от химического превращения и правильно учитывать состав.

Пруток, лампа, фазовое состояние, кислородные метки и коррозия — учебные модели с заранее заданными правилами. Они не заменяют измерения. Не задавайте учащимся плавку, обжиг сульфидов, работу с CO, ртутью или промышленным оборудованием. По изображениям оценивайте смысл материала, а не подлинность фотографии: все они являются художественными реконструкциями.

Цифровая доступность: все действия доступны кнопками, полями и клавиатурой; обязательного перетаскивания нет. Движение отключается на телефоне и при системном reduced motion. Чтение и задания работают без внешних ресурсов. Реальные 3D-сцены загружаются только после подключения и по нажатию.