الإنسان الحديث محاط بمعادن مختلفة في حياته اليومية. تحتوي معظم العناصر التي نستخدمها على هذه المواد الكيميائية. حدث هذا كله لأن الناس وجدوا طرقًا متنوعة للحصول على المعادن.
ما هي المعادن
الكيمياء غير العضوية تتعامل مع هذه المواد القيمة للناس. يتيح الحصول على المعادن للفرد إنشاء تقنية مثالية أكثر فأكثر تعمل على تحسين حياتنا. ما هم؟ قبل التفكير في الطرق العامة للحصول على المعادن ، من الضروري فهم ماهيتها. المعادن هي مجموعة من العناصر الكيميائية على شكل مواد بسيطة ذات خصائص مميزة:
• الموصلية الحرارية والكهربائية ؛
• ليونة عالية ؛
• لمعان.
يمكن لأي شخص أن يميزها بسهولة عن غيرها من المواد. السمة المميزة لجميع المعادن هي وجود تألق خاص. يتم الحصول عليها عن طريق عكس أشعة الضوء الساقط على سطح لا ينقلها. اللمعان خاصية مشتركة لجميع المعادن ، لكنها تظهر أكثر في الفضة.
تشغيلحتى الآن ، اكتشف العلماء 96 عنصرًا كيميائيًا من هذا القبيل ، على الرغم من عدم التعرف عليهم جميعًا من قبل العلم الرسمي. وهي مقسمة إلى مجموعات حسب خصائصها المميزة. يتم عزل المعادن التالية بهذه الطريقة:
• قلوي - 6 ؛
• الأرض القلوية - 6 ؛
• انتقالي - 38 ؛
• ضوء - 11 ؛
• شبه المعادن - 7 ؛
• لانثانيدات - 14 ؛
• أكتينيدات - 14.
الحصول على المعادن
من أجل صنع سبيكة ، يجب أولاً الحصول على المعدن من الخام الطبيعي. العناصر الأصلية هي تلك المواد الموجودة في الطبيعة في حالة حرة. وتشمل البلاتين والذهب والقصدير والزئبق. يتم فصلها عن الشوائب ميكانيكيا أو بمساعدة الكواشف الكيميائية.
يتم استخراج المعادن الأخرى عن طريق معالجة مركباتها. تم العثور عليها في الحفريات المختلفة. الخامات هي المعادن والصخور ، والتي تشمل المركبات المعدنية على شكل أكاسيد أو كربونات أو كبريتيدات. للحصول عليها ، يتم استخدام المعالجة الكيميائية.
طرق الحصول على المعادن:
• تقليل الأكاسيد بالفحم
• الحصول على القصدير من حجر القصدير ؛
• صهر خام الحديد
• حرق مركبات الكبريت في أفران خاصة.
لتسهيل استخراج المعادن من الصخور الخام ، يتم إضافة مواد مختلفة تسمى التدفقات إليها. تساعد في إزالة الشوائب غير المرغوب فيها مثل الطين والحجر الجيري والرمل. نتيجة لهذه العملية ، يتم الحصول على مركبات قابلة للانصهار ،دعاء الخبث.
في حالة وجود كمية كبيرة من الشوائب ، يتم تخصيب الخام قبل صهر المعدن عن طريق إزالة جزء كبير من المكونات غير الضرورية. الطرق الأكثر استخدامًا لهذا العلاج هي التعويم والمغناطيسية والجاذبية.
معادن قلوية
الإنتاج الضخم للمعادن القلوية عملية أكثر تعقيدًا. هذا يرجع إلى حقيقة أنها توجد في الطبيعة فقط في شكل مركبات كيميائية. نظرًا لأنهم يقومون باختزال العوامل ، فإن إنتاجهم يكون مصحوبًا بتكاليف طاقة عالية. هناك عدة طرق لاستخراج الفلزات القلوية:
• يمكن الحصول على الليثيوم من أكسيده في الفراغ أو بالتحليل الكهربائي لمصهور كلوريده ، والذي يتكون أثناء معالجة الإسبودومين.
• يتم استخلاص الصوديوم عن طريق تكليس الصودا بالفحم في بوتقات محكمة الإغلاق أو بالتحليل الكهربائي لمادة الكلوريد المنصهرة مع إضافة الكالسيوم. الطريقة الأولى هي الأكثر استهلاكا للوقت.
• يتم الحصول على البوتاسيوم عن طريق التحليل الكهربائي لذوبان أملاحه أو عن طريق تمرير بخار الصوديوم عبر كلوريده. يتكون أيضًا من تفاعل هيدروكسيد البوتاسيوم المنصهر والصوديوم السائل عند درجة حرارة 440 درجة مئوية.
• يتم استخراج السيزيوم والروبيديوم عن طريق اختزال الكلوريد مع الكالسيوم عند 700-800 درجة مئوية أو الزركونيوم عند 650 درجة مئوية. الحصول على المعادن القلوية بهذه الطريقة هو أمر مكلف للغاية ومكلف للطاقة
الفروق بين المعادن والسبائك
حد واضح بشكل أساسي بين المعادن وسبائكها غير موجود عمليًا ، نظرًا لأن حتى أنقى وأبسط المواد لديهابعض كمية الشوائب. إذن ما هو الفرق بينهما؟ يتم استخدام جميع المعادن تقريبًا المستخدمة في الصناعة وفي قطاعات أخرى من الاقتصاد الوطني في شكل سبائك يتم الحصول عليها بشكل هادف عن طريق إضافة مكونات أخرى إلى العنصر الكيميائي الرئيسي.
سبائك
تحتاج التكنولوجيا إلى مجموعة متنوعة من المواد المعدنية. في الوقت نفسه ، لا يتم استخدام العناصر الكيميائية النقية عمليًا ، حيث لا تحتوي على الخصائص اللازمة للناس. لتلبية احتياجاتنا ، اخترعنا طرقًا مختلفة للحصول على السبائك. يشير هذا المصطلح إلى مادة متجانسة عيانية تتكون من عنصرين كيميائيين أو أكثر. في هذه الحالة ، تسود المكونات المعدنية في السبيكة. هذه المادة لها هيكلها الخاص. في السبائك ، يتم تمييز المكونات التالية:
• تتكون القاعدة من معدن واحد أو أكثر ؛
• إضافات صغيرة من عناصر التعديل والسبائك ؛
• شوائب غير قابلة للإزالة (تكنولوجية ، طبيعية ، عشوائية).
السبائك المعدنية هي المادة الهيكلية الرئيسية. في التكنولوجيا ، هناك أكثر من 5000 منهم.
أنواع السبائك
على الرغم من هذه المجموعة المتنوعة من السبائك ، فإن تلك التي تعتمد على الحديد والألمنيوم لها أهمية قصوى بالنسبة للناس. هم الأكثر شيوعًا في الحياة اليومية. أنواع السبائك مختلفة. علاوة على ذلك ، يتم تقسيمهم وفقًا لعدة معايير. لذلك يتم استخدام طرق مختلفة لتصنيع السبائك. حسب هذا المعيار فهي مقسمة إلى:
• يلقي ، أيتم الحصول عليها عن طريق التبلور الذائب للمكونات المختلطة.
• مسحوق ، يتم إنشاؤه عن طريق الضغط على خليط من المساحيق ثم التلبيد عند درجة حرارة عالية. علاوة على ذلك ، غالبًا ما تكون مكونات هذه السبائك ليست فقط عناصر كيميائية بسيطة ، ولكن أيضًا مركباتها المختلفة ، مثل التيتانيوم أو كربيدات التنجستن في السبائك الصلبة. إضافتهم بكميات معينة يغير خواص المواد المعدنية.
تنقسم طرق الحصول على السبائك في شكل منتج نهائي أو فارغ إلى:
• مسبك (سيلومين ، حديد زهر) ؛
• مشغول (فولاذ) ؛
• مسحوق (تيتانيوم ، تنجستن).
أنواع السبائك
تختلف طرق الحصول على المعادن ، في حين أن المواد المصنوعة بفضلها لها خصائص مختلفة. في الحالة الصلبة للتجميع ، السبائك هي:
• متجانس (موحد) ، يتكون من بلورات من نفس النوع. غالبًا ما يشار إليها على أنها أحادية الطور.
• غير متجانسة (غير متجانسة) ، تسمى متعددة الأطوار. عندما يتم الحصول عليها ، يتم أخذ محلول صلب (مرحلة المصفوفة) كقاعدة للسبيكة. يعتمد تكوين المواد غير المتجانسة من هذا النوع على تكوين عناصرها الكيميائية. قد تحتوي هذه السبائك على المكونات التالية: محاليل صلبة من الخلالي والاستبدال ، مركبات كيميائية (كربيدات ، انتيريدات ، نيتريد) ، بلورات من مواد بسيطة.
خصائص السبائك
بغض النظر عن طرق الحصول على المعادن والسبائك المستخدمة ، يتم تحديد خصائصها بالكامل بواسطة البلوراتهيكل الطور والبنية المجهرية لهذه المواد. كل واحد منهم مختلف. تعتمد الخصائص المجهرية للسبائك على بنيتها المجهرية. على أي حال ، فهي تختلف عن خصائص مراحلها ، والتي تعتمد فقط على التركيب البلوري للمادة. يتم الحصول على التجانس العياني للسبائك غير المتجانسة (متعددة الأطوار) نتيجة للتوزيع المنتظم للمراحل في المصفوفة المعدنية.
أهم خصائص السبائك هي قابلية اللحام. خلاف ذلك ، فهي متطابقة مع المعادن. لذلك ، فإن السبائك لها موصلية حرارية وكهربائية وليونة وانعكاسية (بريق).
أنواع مختلفة من السبائك
سمحت الطرق المختلفة للحصول على السبائك للإنسان باختراع عدد كبير من المواد المعدنية ذات الخصائص والخصائص المختلفة. وفقًا لغرضهم ، يتم تقسيمهم إلى المجموعات التالية:
• إنشائي (فولاذ ، دورالومين ، حديد زهر). تشمل هذه المجموعة أيضًا السبائك ذات الخصائص الخاصة. لذلك فهي تتميز بالسلامة الجوهرية أو خصائص مضادة للاحتكاك. وتشمل هذه النحاس والبرونز.
• لصب المحامل (babbit).
• للتدفئة الكهربائية ومعدات القياس (نيتشروم ، مانغانين).
• لإنتاج أدوات القطع (فوز).
في الإنتاج ، يستخدم الأشخاص أيضًا أنواعًا أخرى من المواد المعدنية ، مثل السبائك القابلة للانصهار والمقاومة للحرارة والمقاومة للتآكل وغير المتبلورة. المغناطيسات والكهرباء الحرارية (تيلورايد وسيلينيدات البزموت والرصاص والأنتيمون وغيرها) تستخدم أيضًا على نطاق واسع.
سبائك الحديد
عمليًا يتم توجيه كل الحديد المصهور على الأرض لإنتاج فولاذ بسيط وسبائك. كما أنها تستخدم في إنتاج الحديد. اكتسبت سبائك الحديد شعبيتها بسبب حقيقة أن لها خصائص مفيدة للبشر. تم الحصول عليها بإضافة مكونات مختلفة إلى عنصر كيميائي بسيط. لذلك ، على الرغم من حقيقة أن سبائك الحديد المختلفة مصنوعة على أساس مادة واحدة ، فإن الفولاذ والحديد الزهر لهما خصائص مختلفة. نتيجة لذلك ، وجدوا مجموعة متنوعة من التطبيقات. معظم أنواع الفولاذ أصلب من الحديد الزهر. تتيح لك الطرق المختلفة للحصول على هذه المعادن الحصول على درجات (ماركات) مختلفة من سبائك الحديد هذه.
تحسين خصائص السبائك
بدمج معادن معينة وعناصر كيميائية أخرى ، يمكن الحصول على مواد ذات خصائص محسنة. على سبيل المثال ، تبلغ مقاومة الخضوع للألمنيوم النقي 35 ميجا باسكال. عند الحصول على سبيكة من هذا المعدن مع النحاس (1.6٪) والزنك (5.6٪) والمغنيسيوم (2.5٪) فإن هذا الرقم يتجاوز 500 ميجا باسكال.
من خلال الجمع بين نسب مختلفة من المواد الكيميائية المختلفة ، يمكن الحصول على مواد معدنية ذات خصائص مغناطيسية أو حرارية أو كهربائية محسنة. الدور الرئيسي في هذه العملية هو هيكل السبيكة ، وهو توزيع بلوراتها ونوع الروابط بين الذرات.
فولاذ ومكاوي
يتم الحصول على هذه السبائك عن طريق الجمع بين الحديد والكربون (2٪). يتم إضافتها في إنتاج سبائك الموادالنيكل والكروم والفاناديوم. جميع أنواع الفولاذ العادي مقسمة إلى أنواع:
• منخفض الكربون (0.25٪ كربون) يستخدم في الهياكل المختلفة ؛
• نسبة عالية من الكربون (أكثر من 0.55٪) مصممة لأدوات القطع.
تُستخدم درجات مختلفة من سبائك الفولاذ في الهندسة الميكانيكية ومنتجات أخرى.
سبيكة الحديد مع الكربون ونسبة 2-4٪ منها تسمى الحديد الزهر. تحتوي هذه المادة أيضًا على مادة السيليكون. يتم صب منتجات مختلفة ذات خصائص ميكانيكية جيدة من الحديد الزهر.
معادن غير حديدية
إلى جانب الحديد ، تُستخدم عناصر كيميائية أخرى أيضًا لصنع مواد معدنية مختلفة. نتيجة لتوليفها ، يتم الحصول على سبائك غير حديدية. في حياة الناس ، وجدت المواد المبنية على:أكبر استخدام
• النحاس ، ودعا النحاس. تحتوي على 5-45٪ زنك. إذا كان محتواها 5-20 ٪ ، يسمى النحاس الأحمر ، وإذا كان 20-36 ٪ - أصفر. هناك سبائك من النحاس مع السيليكون والقصدير والبريليوم والألمنيوم. يطلق عليهم البرونز. هناك عدة أنواع من هذه السبائك
• الرصاص ، وهو لحام شائع (tretnik). في هذه السبيكة ، يسقط جزءان من القصدير على جزء واحد من هذه المادة الكيميائية. يتم إنتاج المحامل باستخدام babbitt ، وهي سبيكة من الرصاص والقصدير والزرنيخ والأنتيمون.
• الألومنيوم والتيتانيوم والمغنيسيوم والبريليوم ، وهي سبائك خفيفة غير حديدية ذات قوة عالية وميكانيكية ممتازةالخصائص.
طرق الحصول على
الطرق الرئيسية للحصول على المعادن والسبائك:
• مسبك ، حيث يتم ترسيخ خليط متجانس من مكونات منصهرة مختلفة. للحصول على السبائك ، يتم استخدام طرق استخراج المعادن بالحرارة والكهرباء المعدنية للحصول على المعادن. في المتغير الأول ، يتم استخدام الطاقة الحرارية التي يتم الحصول عليها في عملية احتراق الوقود لتسخين المواد الخام. تنتج طريقة المعالجة المعدنية الحرارية الفولاذ في أفران ذات مواقد مكشوفة والحديد الزهر في أفران الصهر. باستخدام الطريقة الكهربية المعدنية ، يتم تسخين المواد الخام في أفران الحث أو أفران القوس الكهربائي. في نفس الوقت ، يتم تنعيم المادة الخام بسرعة كبيرة.
• مسحوق ، حيث تستخدم مساحيق مكوناته لصنع السبيكة. بفضل الضغط ، يتم إعطاؤهم شكلًا معينًا ، ثم يتم تلبيدهم في أفران خاصة.
