انسان مدرن در زندگی روزمره خود توسط فلزات مختلف احاطه شده است. بیشتر اقلامی که استفاده می کنیم حاوی این مواد شیمیایی هستند. همه اینها به این دلیل اتفاق افتاد که مردم راه های مختلفی برای به دست آوردن فلزات پیدا کردند.
فلزات چیست
شیمی معدنی با این مواد ارزشمند برای مردم سروکار دارد. به دست آوردن فلزات به فرد این امکان را می دهد که فناوری بیشتر و کامل تری ایجاد کند که زندگی ما را بهبود می بخشد. آنها چه هستند؟ قبل از بررسی روش های کلی برای به دست آوردن فلزات، لازم است بدانیم که آنها چیستند. فلزات گروهی از عناصر شیمیایی به شکل مواد ساده با خواص مشخص هستند:
• هدایت حرارتی و الکتریکی؛
• شکل پذیری بالا؛
• زرق و برق.
انسان به راحتی می تواند آنها را از سایر مواد تشخیص دهد. ویژگی بارز همه فلزات وجود درخشندگی خاص است. با انعکاس پرتوهای نور تابیده شده بر روی سطحی به دست می آید که آنها را منتقل نمی کند. درخشش ویژگی مشترک همه فلزات است، اما بیشتر در نقره مشخص می شود.
روشنتا به امروز، دانشمندان 96 عنصر شیمیایی از این قبیل را کشف کرده اند، اگرچه همه آنها توسط علم رسمی به رسمیت شناخته نشده اند. بسته به ویژگی های مشخصه آنها به گروه هایی تقسیم می شوند. فلزات زیر به این ترتیب جدا می شوند:
• قلیایی – 6;
• قلیایی خاکی – 6;
• انتقالی – 38;
• نور – 11;
• نیمه فلزات – 7;
• لانتانیدها - 14;
• اکتینیدها - 14.
دستیابی به فلزات
برای ساخت آلیاژ ابتدا باید فلز را از سنگ معدن طبیعی بدست آورید. عناصر بومی آن دسته از موادی هستند که در طبیعت در حالت آزاد یافت می شوند. اینها شامل پلاتین، طلا، قلع، جیوه است. آنها به صورت مکانیکی یا با کمک معرف های شیمیایی از ناخالصی ها جدا می شوند.
سایر فلزات با پردازش ترکیبات آنها استخراج می شوند. آنها در فسیل های مختلف یافت می شوند. کانه ها کانی ها و سنگ هایی هستند که شامل ترکیبات فلزی به شکل اکسید، کربنات یا سولفید هستند. برای به دست آوردن آنها از پردازش شیمیایی استفاده می شود.
روشهای به دست آوردن فلزات:
• کاهش اکسیدها با زغال سنگ؛
• گرفتن قلع از سنگ قلع؛
• ذوب سنگ آهن؛
• سوزاندن ترکیبات گوگردی در کوره های ویژه.
برای تسهیل استخراج فلزات از سنگهای معدنی، مواد مختلفی به نام فلاکس به آنها اضافه می شود. آنها به حذف ناخالصی های ناخواسته مانند خاک رس، سنگ آهک، شن و ماسه کمک می کنند. در نتیجه این فرآیند، ترکیبات ذوب پذیر به دست می آیند.به نام تفاله.
در حضور مقدار قابل توجهی ناخالصی، سنگ معدن قبل از ذوب فلز با حذف بخش زیادی از اجزای غیر ضروری غنی می شود. پرکاربردترین روش‌ها برای این درمان فلوتاسیون، مغناطیسی و گرانش است.
فلزات قلیایی
تولید انبوه فلزات قلیایی فرآیند پیچیده تری است. این به این دلیل است که آنها در طبیعت فقط به شکل ترکیبات شیمیایی یافت می شوند. از آنجایی که آنها عوامل کاهنده هستند، تولید آنها با هزینه های انرژی بالا همراه است. چندین راه برای استخراج فلزات قلیایی وجود دارد:
• لیتیوم را می توان از اکسید آن در خلاء یا از طریق الکترولیز مذاب کلرید آن که در طی فرآوری اسپودومن ایجاد می شود، به دست آورد.
• سدیم با کلسینه کردن سودا با زغال سنگ در بوته های کاملاً بسته یا با الکترولیز مذاب کلرید با افزودن کلسیم استخراج می شود. روش اول زمان‌برترین روش است.
• پتاسیم از الکترولیز مذاب نمک های آن یا عبور بخار سدیم از کلرید آن به دست می آید. همچنین از اثر متقابل هیدروکسید پتاسیم مذاب و سدیم مایع در دمای 440 درجه سانتیگراد تشکیل می شود.
• سزیم و روبیدیم با کاهش کلریدهای آنها با کلسیم در دمای 700-800 درجه سانتیگراد یا زیرکونیوم در دمای 650 درجه سانتیگراد استخراج می شوند. به دست آوردن فلزات قلیایی از این طریق بسیار انرژی بر و گران است.
تفاوت بین فلزات و آلیاژها
مرز کاملاً واضحی بین فلزات و آلیاژهای آنها عملاً وجود ندارد، زیرا حتی خالص ترین و ساده ترین مواد نیزمقداری ناخالصی پس تفاوت بین آنها چیست؟ تقریباً تمام فلزات مورد استفاده در صنعت و سایر بخش‌های اقتصاد ملی به شکل آلیاژهایی استفاده می‌شوند که به طور هدفمند با افزودن سایر اجزاء به عنصر شیمیایی اصلی به دست می‌آیند.
آلیاژ
تکنولوژی به انواع مواد فلزی نیاز دارد. در عین حال ، عناصر شیمیایی خالص عملاً مورد استفاده قرار نمی گیرند ، زیرا آنها خواص لازم برای افراد را ندارند. ما برای نیازهای خود راه های مختلفی برای به دست آوردن آلیاژها اختراع کرده ایم. این اصطلاح به یک ماده همگن ماکروسکوپی اشاره دارد که از 2 یا چند عنصر شیمیایی تشکیل شده است. در این حالت، اجزای فلزی در آلیاژ غالب هستند. این ماده ساختار خاص خود را دارد. در آلیاژها، اجزای زیر متمایز می شوند:
• پایه متشکل از یک یا چند فلز؛
• افزودن های کوچک عناصر اصلاح کننده و آلیاژی؛
• ناخالصی های پاک نشده (فناوری، طبیعی، تصادفی).
آلیاژهای فلزی مواد اصلی ساختاری هستند. در فناوری، بیش از 5000 مورد از آنها وجود دارد.
انواع آلیاژ
با وجود چنین آلیاژهای متنوعی، آلیاژهایی که بر پایه آهن و آلومینیوم ساخته شده اند برای مردم بیشترین اهمیت را دارند. آنها در زندگی روزمره رایج ترین هستند. انواع آلیاژها متفاوت است. علاوه بر این، آنها بر اساس چندین معیار تقسیم می شوند. بنابراین روش های مختلفی برای ساخت آلیاژها استفاده می شود. با توجه به این معیار، آنها به:تقسیم می شوند
• بازیگران، کهبه دست آمده از تبلور مذاب اجزای مخلوط.
• پودر، با فشار دادن مخلوطی از پودرها و سپس تف جوشی در دمای بالا ایجاد می شود. علاوه بر این، اغلب اجزای چنین آلیاژهایی نه تنها عناصر شیمیایی ساده، بلکه ترکیبات مختلف آنها مانند کاربیدهای تیتانیوم یا تنگستن در آلیاژهای سخت هستند. افزودن آنها در مقادیر معین، خواص مواد فلزی را تغییر می دهد.
روشهای بدست آوردن آلیاژها به شکل محصول نهایی یا بلانک به موارد زیر تقسیم می شوند:
• ریخته گری (سیلومین، چدن)؛
• فرفورژه (فولاد)؛
• پودر (تیتانیوم، تنگستن).
انواع آلیاژ
روش های به دست آوردن فلزات متفاوت است، در حالی که مواد ساخته شده به لطف آنها خواص متفاوتی دارند. در حالت جامد تجمع، آلیاژها عبارتند از:
• همگن (یکنواخت)، متشکل از بلورهایی از یک نوع. آنها اغلب به عنوان تک فاز نامیده می شوند.
• ناهمگن (ناهمگن)، چند فازی نامیده می شود. هنگامی که آنها به دست می آیند، یک محلول جامد (فاز ماتریس) به عنوان پایه آلیاژ در نظر گرفته می شود. ترکیب مواد ناهمگن از این نوع به ترکیب عناصر شیمیایی آن بستگی دارد. چنین آلیاژهایی ممکن است حاوی اجزای زیر باشند: محلولهای جامد بینابینی و جانشینی، ترکیبات شیمیایی (کاربیدها، بین فلزات، نیتریدها)، کریستالهای مواد ساده.
ویژگی های آلیاژ
صرف نظر از اینکه از چه روش هایی برای به دست آوردن فلزات و آلیاژها استفاده می شود، خواص آنها کاملاً توسط کریستالی تعیین می شود.ساختار فازی و ریزساختار این مواد. هر کدام از آنها متفاوت است. خواص ماکروسکوپی آلیاژها به ریزساختار آنها بستگی دارد. در هر صورت، آنها با ویژگی های فازهای خود، که صرفاً به ساختار کریستالی ماده بستگی دارد، متفاوت هستند. همگنی ماکروسکوپی آلیاژهای ناهمگن (چند فازی) در نتیجه توزیع یکنواخت فازها در زمینه فلزی به دست می آید.
مهمترین خاصیت آلیاژها جوش پذیری است. در غیر این صورت، آنها با فلزات یکسان هستند. بنابراین، آلیاژها دارای رسانایی حرارتی و الکتریکی، شکل پذیری و بازتابی (درخشندگی) هستند.
انواع آلیاژها
روش های مختلف به دست آوردن آلیاژها به انسان این امکان را داده است که تعداد زیادی مواد فلزی با خواص و ویژگی های متفاوت اختراع کند. با توجه به هدف، آنها به گروه های زیر تقسیم می شوند:
• سازه (فولاد، دورالومین، چدن). این گروه شامل آلیاژهای با خواص ویژه نیز می شود. بنابراین آنها با ایمنی ذاتی یا خواص ضد اصطکاک متمایز می شوند. اینها شامل برنج و برنز است.
• برای ریختن بلبرینگ (بابیت).
• برای گرمایش الکتریکی و تجهیزات اندازه گیری (نیکروم، منگانین).
• برای تولید ابزارهای برش (برنده).
در تولید، مردم از انواع دیگر مواد فلزی مانند آلیاژهای همجوشی، مقاوم در برابر حرارت، مقاوم در برابر خوردگی و آمورف استفاده می کنند. آهنرباها و ترموالکتریک ها (تلوریدها و سلنیدهای بیسموت، سرب، آنتیموان و غیره) نیز به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند.
آلیاژهای آهن
عملاً تمام آهن ذوب شده روی زمین به تولید فولادهای ساده و آلیاژی هدایت می شود. در تولید آهن نیز کاربرد دارد. آلیاژهای آهن به دلیل داشتن خواص مفید برای انسان محبوبیت خود را به دست آورده اند. آنها با افزودن اجزای مختلف به یک عنصر شیمیایی ساده به دست آمدند. بنابراین علیرغم اینکه آلیاژهای مختلف آهن بر اساس یک ماده ساخته می شوند، فولادها و چدن ها خواص متفاوتی دارند. در نتیجه کاربردهای متنوعی پیدا می کنند. اکثر فولادها سخت تر از چدن هستند. روش های مختلف برای به دست آوردن این فلزات به شما این امکان را می دهد که گریدهای مختلف (مارک) این آلیاژهای آهن را بدست آورید.
بهبود خواص آلیاژ
با ذوب برخی از فلزات و سایر عناصر شیمیایی، می توان موادی با ویژگی های بهبود یافته به دست آورد. به عنوان مثال، قدرت تسلیم آلومینیوم خالص 35 مگاپاسکال است. هنگام بدست آوردن آلیاژ این فلز با مس (1.6%)، روی (5.6%)، منیزیم (2.5%)، این رقم از 500 مگاپاسکال فراتر می رود.
با ترکیب نسبت های مختلف مواد شیمیایی مختلف، مواد فلزی با خواص مغناطیسی، حرارتی یا الکتریکی بهبود یافته را می توان به دست آورد. نقش اصلی در این فرآیند را ساختار آلیاژ که توزیع کریستال های آن و نوع پیوند بین اتم ها است، ایفا می کند.
فولاد و آهن
این آلیاژها از ترکیب آهن و کربن (2%) به دست می آیند. در تولید مواد آلیاژی به آنها اضافه می شودنیکل، کروم، وانادیوم. همه فولادهای معمولی به انواع زیر تقسیم می شوند:
• کربن کم (0.25٪ کربن) مورد استفاده برای ساختارهای مختلف؛
• کربن بالا (بیش از 0.55%) برای ابزارهای برش طراحی شده است.
درجات مختلف فولادهای آلیاژی در مهندسی مکانیک و سایر محصولات استفاده می شود.
آلیاژ آهن با کربن که درصد آن ۲ تا ۴ درصد است چدن نامیده می شود. این ماده حاوی سیلیکون نیز می باشد. محصولات مختلف با خواص مکانیکی خوب از چدن ریخته‌گری می‌شوند.
فلزات غیرآهنی
علاوه بر آهن، از عناصر شیمیایی دیگری نیز برای ساخت مواد فلزی مختلف استفاده می شود. در نتیجه ترکیب آنها، آلیاژهای غیر آهنی به دست می آید. در زندگی مردم، مواد مبتنی بر:بیشترین کاربرد را پیدا کرده اند
• مس، به نام برنج. آنها حاوی 5-45٪ روی هستند. اگر محتوای آن 5-20٪ باشد، برنج قرمز نامیده می شود و اگر 20-36٪ - زرد است. آلیاژهای مس با سیلیکون، قلع، بریلیم، آلومینیوم وجود دارد. به آنها برنز می گویند. انواع مختلفی از این آلیاژها وجود دارد.
• سرب که یک لحیم کاری معمولی (tretnik) است. در این آلیاژ ۲ قسمت قلع روی ۱ قسمت از این ماده شیمیایی می ریزد. بلبرینگ ها با استفاده از بابیت تولید می شوند که آلیاژی از سرب، قلع، آرسنیک و آنتیموان است.
• آلومینیوم، تیتانیوم، منیزیم و بریلیم که آلیاژهای غیرآهنی سبک با استحکام بالا و مکانیکی عالی هستند.خواص.
روش های به دست آوردن
روشهای اصلی برای به دست آوردن فلزات و آلیاژها:
• ریخته گری، که در آن مخلوط همگنی از اجزای مذاب مختلف جامد می شود. برای بدست آوردن آلیاژها از روشهای پیرومتالورژیکی و الکترومتالورژیکی برای به دست آوردن فلزات استفاده می شود. در نوع اول، انرژی حرارتی به دست آمده در فرآیند احتراق سوخت برای گرم کردن مواد خام استفاده می شود. روش پیرومتالورژیکی فولاد را در کوره‌های باز و چدن را در کوره‌های بلند تولید می‌کند. با روش الکترومتالورژی، مواد اولیه در کوره های القایی یا قوس الکتریکی گرم می شوند. در عین حال مواد اولیه خیلی سریع نرم می شود.
• پودری که در آن از پودرهای اجزای آن برای ساخت آلیاژ استفاده می شود. به لطف پرس، شکل خاصی به آنها داده می شود و سپس در کوره های مخصوص پخت می شوند.
