אדם מודרני מוקף במתכות שונות בחיי היומיום שלו. רוב הפריטים שאנו משתמשים בהם מכילים כימיקלים אלו. כל זה קרה בגלל שאנשים מצאו מגוון דרכים להשיג מתכות.
מהן מתכות
כימיה אי-אורגנית עוסקת בחומרים יקרי ערך אלה עבור אנשים. השגת מתכות מאפשרת לאדם ליצור עוד ועוד טכנולוגיה מושלמת המשפרת את חיינו. מה הם? לפני ששוקלים את השיטות הכלליות להשגת מתכות, יש צורך להבין מהן. מתכות הן קבוצה של יסודות כימיים בצורה של חומרים פשוטים בעלי תכונות אופייניות:
• מוליכות תרמית וחשמלית;
• משיכות גבוהה;
• נצנצים.
אדם יכול בקלות להבחין ביניהם מחומרים אחרים. תכונה אופיינית של כל המתכות היא נוכחות של ברק מיוחד. הוא מתקבל על ידי החזרת קרני אור בולטות על משטח שאינו מעביר אותן. הברק הוא תכונה רווחת של כל המתכות, אבל הוא מבוטא ביותר בכסף.
מופעלעד כה, מדענים גילו 96 יסודות כימיים כאלה, אם כי לא כולם מוכרים על ידי המדע הרשמי. הם מחולקים לקבוצות בהתאם למאפיינים האופייניים להם. המתכות הבאות מבודדות בצורה זו:
• אלקליין – 6;
• אדמה אלקליין – 6;
• מעבר – 38;
• אור – 11;
• מתכת למחצה – 7;
• Lanthanides – 14;
• אקטינידים – 14.
השגת מתכות
כדי ליצור סגסוגת, תחילה עליך להשיג מתכת מעפרה טבעית. יסודות מקומיים הם אותם חומרים שנמצאים בטבע במצב חופשי. אלה כוללים פלטינה, זהב, פח, כספית. הם מופרדים מזיהומים בצורה מכנית או בעזרת ריאגנטים כימיים.
מתכות אחרות נכרות על ידי עיבוד התרכובות שלהן. הם נמצאים במאובנים שונים. עפרות הן מינרלים וסלעים, הכוללים תרכובות מתכת בצורה של תחמוצות, קרבונטים או סולפידים. כדי להשיג אותם, נעשה שימוש בעיבוד כימי.
שיטות להשגת מתכות:
• הפחתת תחמוצות עם פחם;
• קבלת פח מאבן פח;
• התכת עפרות ברזל;
• שריפת תרכובות גופרית בתנורים מיוחדים.
כדי להקל על הפקת מתכות מסלעי עפרות, מוסיפים להן חומרים שונים הנקראים שטפים. הם עוזרים להסיר זיהומים לא רצויים כגון חימר, אבן גיר, חול. כתוצאה מתהליך זה מתקבלות תרכובות מתמזגות,נקרא דרוס.
בנוכחות כמות משמעותית של זיהומים, העפר מועשר לפני התכת המתכת על ידי הסרת חלק גדול מהרכיבים המיותרים. השיטות הנפוצות ביותר לטיפול זה הן ציפה, מגנטיות וכוח משיכה.
מתכות אלקליות
ייצור המוני של מתכות אלקליות הוא תהליך מורכב יותר. זאת בשל העובדה שהם נמצאים בטבע רק בצורה של תרכובות כימיות. מכיוון שהם חומרי צמצום, הייצור שלהם מלווה בעלויות אנרגיה גבוהות. ישנן מספר דרכים למיצוי מתכות אלקליות:
• ניתן להשיג ליתיום מהתחמוצת שלו בוואקום או על ידי אלקטרוליזה של התכה של הכלוריד שלו, שנוצרת במהלך עיבוד הספודומן.
• מיצוי הנתרן מתבצע על ידי סידוד סודה עם פחם בכור היתוך סגור היטב או על ידי אלקטרוליזה של נמס כלוריד בתוספת סידן. השיטה הראשונה היא הדורשת ביותר זמן.
• אשלגן מתקבל על ידי אלקטרוליזה של נמס ממלחיו או על ידי העברת אדי נתרן דרך הכלוריד שלו. הוא נוצר גם על ידי אינטראקציה של אשלגן הידרוקסיד מותך ונתרן נוזלי בטמפרטורה של 440 מעלות צלזיוס.
• צזיום ורובידיום נכרים על ידי הפחתת הכלורידים שלהם עם סידן ב-700-800 מעלות צלזיוס או זירקוניום ב-650 מעלות צלזיוס. השגת מתכות אלקליות בדרך זו היא עתירת אנרגיה ויקרה במיוחד.
הבדלים בין מתכות וסגסוגות
גבול ברור ביסודו בין מתכות וסגסוגותיהן כמעט ולא קיים, שכן אפילו החומרים הטהורים והפשוטים ביותרכמות מסוימת של זיהומים. אז מה ההבדל ביניהם? כמעט כל המתכות המשמשות בתעשייה ובמגזרים אחרים של הכלכלה הלאומית משמשות בצורה של סגסוגות המתקבלות בכוונה על ידי הוספת רכיבים אחרים ליסוד הכימי הראשי.
סגסוגות
הטכנולוגיה זקוקה למגוון חומרי מתכת. יחד עם זאת, אלמנטים כימיים טהורים כמעט ואינם משמשים, מכיוון שאין להם את התכונות הדרושות לאנשים. לצרכינו, המצאנו דרכים שונות להשיג סגסוגות. מונח זה מתייחס לחומר הומוגני מקרוסקופי המורכב משני יסודות כימיים או יותר. במקרה זה, רכיבי מתכת שולטים בסגסוגת. לחומר זה יש מבנה משלו. בסגסוגות, הרכיבים הבאים מובחנים:
• בסיס המורכב ממתכת אחת או יותר;
• תוספות קטנות של אלמנטים משנים וסגסוגים;
• זיהומים שלא הוסרו (טכנולוגיים, טבעיים, אקראי).
סגסוגות מתכת הן החומר המבני העיקרי. בטכנולוגיה, יש יותר מ-5000 כאלה.
סוגי סגסוגות
למרות מגוון כזה של סגסוגות, אלו המבוססות על ברזל ואלומיניום הן בעלות החשיבות הגדולה ביותר עבור אנשים. הם הנפוצים ביותר בחיי היומיום. סוגי הסגסוגות שונים. יתרה מכך, הם מחולקים לפי מספר קריטריונים. אז נעשה שימוש בשיטות שונות לייצור סגסוגות. לפי קריטריון זה, הם מחולקים ל:
• יצוק, אשרמתקבל על ידי התגבשות נמס של רכיבים מעורבים.
• אבקה, שנוצרה על ידי לחיצה של תערובת אבקות ולאחר מכן סינטר בטמפרטורה גבוהה. יתר על כן, לעתים קרובות המרכיבים של סגסוגות כאלה הם לא רק יסודות כימיים פשוטים, אלא גם תרכובות שונות שלהם, כגון טיטניום או טונגסטן קרבידים בסגסוגות קשות. הוספה שלהם בכמויות מסוימות משנה את התכונות של חומרים מתכתיים.
שיטות להשגת סגסוגות בצורה של מוצר מוגמר או ריק מחולקות ל:
• יציקה (סילומיניום, ברזל יצוק);
• מחושל (פלדות);
• אבקה (טיטניום, טונגסטן).
סוגי סגסוגות
השיטות להשגת מתכות שונות, בעוד שלחומרים המיוצרים בזכותן יש תכונות שונות. במצב מוצק של צבירה, סגסוגות הן:
• הומוגנית (אחידה), המורכבת מגבישים מאותו סוג. לעתים קרובות הם מכונה חד פאזי.
• הטרוגני (הטרוגני), הנקרא רב-פאזי. כאשר הם מתקבלים, תמיסה מוצקה (פאזה מטריצה) נלקחת כבסיס הסגסוגת. ההרכב של חומרים הטרוגניים מסוג זה תלוי בהרכב היסודות הכימיים שלו. סגסוגות כאלה עשויות להכיל את הרכיבים הבאים: תמיסות מוצקות של אינטרסטיציאל והחלפה, תרכובות כימיות (קרבידים, אינטר-מטאלידים, ניטרידים), גבישים של חומרים פשוטים.
נכסי סגסוגת
ללא קשר לאילו שיטות להשגת מתכות וסגסוגות משתמשים, התכונות שלהם נקבעות לחלוטין על ידי הגבישמבנה השלב והמיקרו של חומרים אלה. כל אחד מהם שונה. התכונות המקרוסקופיות של סגסוגות תלויות במבנה המיקרו שלהן. בכל מקרה, הם שונים מהמאפיינים של השלבים שלהם, התלויים אך ורק במבנה הגבישי של החומר. ההומוגניות המקרוסקופית של סגסוגות הטרוגניות (רב-פאזיות) מתקבלת כתוצאה מהתפלגות אחידה של שלבים במטריצת המתכת.
התכונה החשובה ביותר של סגסוגות היא יכולת הריתוך. אחרת, הם זהים למתכות. לכן, לסגסוגות יש מוליכות תרמית וחשמלית, משיכות והשתקפות (ברק).
זנים של סגסוגות
שיטות שונות להשגת סגסוגות אפשרו לאדם להמציא מספר רב של חומרים מתכתיים בעלי תכונות ומאפיינים שונים. לפי מטרתם, הם מחולקים לקבוצות הבאות:
• מבני (פלדה, דוראלומין, ברזל יצוק). קבוצה זו כוללת גם סגסוגות בעלות תכונות מיוחדות. אז הם נבדלים על ידי בטיחות פנימית או תכונות אנטי חיכוך. אלה כוללים פליז וברונזה.
• למזיגת מיסבים (babbit).
• לציוד חימום חשמלי ומדידה (ניכרום, מנגנין).
• לייצור כלי חיתוך (win).
בייצור, אנשים משתמשים גם בסוגים אחרים של חומרי מתכת, כגון סגסוגות ניתנות להתיך, עמידות בחום, עמידות בפני קורוזיה וסגסוגות אמורפיות. גם מגנטים ותרמו-אלקטריים (טלורידים וסלנידים של ביסמוט, עופרת, אנטימון ואחרים) נמצאים בשימוש נרחב.
סגסוגות ברזל
כמעט כל הברזל המומס בכדור הארץ מופנה לייצור פלדות פשוטות וסגסוגות. הוא משמש גם לייצור ברזל. סגסוגות ברזל זכו לפופולריות שלהן בשל העובדה שיש להן תכונות מועילות לבני אדם. הם הושגו על ידי הוספת רכיבים שונים ליסוד כימי פשוט. אז למרות העובדה שסגסוגות ברזל שונות עשויות על בסיס חומר אחד, לפלדות ולברזל יצוק יש תכונות שונות. כתוצאה מכך, הם מוצאים מגוון יישומים. רוב הפלדות קשות יותר מברזל יצוק. שיטות שונות להשגת מתכות אלו מאפשרות להשיג דרגות שונות (מותגים) של סגסוגות ברזל אלו.
שפר את מאפייני הסגסוגת
על ידי איחוי מתכות מסוימות ואלמנטים כימיים אחרים, ניתן להשיג חומרים בעלי מאפיינים משופרים. לדוגמה, חוזק התפוקה של אלומיניום טהור הוא 35 MPa. כאשר משיגים סגסוגת של מתכת זו עם נחושת (1.6%), אבץ (5.6%), מגנזיום (2.5%), נתון זה עולה על 500 MPa.
על ידי שילוב פרופורציות שונות של כימיקלים שונים, ניתן להשיג חומרי מתכת בעלי תכונות מגנטיות, תרמיות או חשמליות משופרות. את התפקיד העיקרי בתהליך זה ממלא מבנה הסגסוגת, שהוא חלוקת הגבישים שלה וסוג הקשרים בין האטומים.
פלדות ומגהצים
סגסוגות אלו מתקבלות על ידי שילוב של ברזל ופחמן (2%). בייצור של חומרים סגסוגת, הם מתווספיםניקל, כרום, ונדיום. כל הפלדות הרגילות מחולקות לסוגים:
• פחמן נמוך (0.25% פחמן) המשמש למבנים שונים;
• פחמן גבוה (יותר מ-0.55%) מיועד לכלי חיתוך.
דרגות שונות של פלדות סגסוגת משמשות בהנדסת מכונות ומוצרים אחרים.
הסגסוגת של ברזל עם פחמן, ששיעורה הוא 2-4%, נקראת ברזל יצוק. חומר זה מכיל גם סיליקון. מוצרים שונים בעלי תכונות מכניות טובות יצוקים מברזל יצוק.
מתכות לא ברזליות
מלבד ברזל, אלמנטים כימיים אחרים משמשים גם לייצור חומרים מתכתיים שונים. כתוצאה משילובם, מתקבלות סגסוגות לא ברזליות. בחייהם של אנשים, חומרים המבוססים על:מצאו את השימוש הגדול ביותר
• נחושת, הנקראת פליז. הם מכילים 5-45% אבץ. אם התוכן שלו הוא 5-20%, אז פליז נקרא אדום, ואם 20-36% - צהוב. יש סגסוגות של נחושת עם סיליקון, פח, בריליום, אלומיניום. הם נקראים ברונזה. ישנם מספר סוגים של סגסוגות אלו.
• עופרת, שהיא הלחמה נפוצה (טרטניק). בסגסוגת זו, 2 חלקי פח נופלים על חלק אחד של הכימיקל הזה. מיסבים מיוצרים באמצעות בביט, שהיא סגסוגת של עופרת, פח, ארסן ואנטימון.
• אלומיניום, טיטניום, מגנזיום ובריליום, שהן סגסוגות קלות לא ברזליות בעלות חוזק גבוה ומכני מעולהנכסים.
שיטות להשגה
שיטות עיקריות להשגת מתכות וסגסוגות:
• יציקה, שבה מתמצקת תערובת הומוגנית של רכיבים מותכים שונים. כדי להשיג סגסוגות, נעשה שימוש בשיטות פירומטלורגיות ואלקטרו-מטלורגיות להשגת מתכות. בגרסה הראשונה, אנרגיה תרמית המתקבלת בתהליך של בעירת דלק משמשת לחימום חומר הגלם. השיטה הפירומטלורגית מייצרת פלדה בתנורים פתוחים וברזל יצוק בתנורי פיצוץ. בשיטה האלקטרו-מטלורגית, חומרי הגלם מחוממים בתנורי אינדוקציה או קשת חשמלית. במקביל, חומר הגלם מתרכך מהר מאוד.
• אבקה, שבה משתמשים באבקות ממרכיביה לייצור הסגסוגת. הודות ללחיצה, נותנים להם צורה מסוימת, ולאחר מכן חוטאים בתנורים מיוחדים.
