على الرغم من حقيقة أن المواد المُصنّعة تُستخدم بشكل متزايد في الصناعة والحياة اليومية ، فلا يزال من غير الممكن رفض استخدام المعادن. لديهم مجموعة فريدة من الخصائص ، والسبائك تسمح لك بتعظيم إمكاناتها. في أي مجالات يتم إنتاج واستخدام المعادن؟
خاصية مجموعة من العناصر
تُفهم المعادن على أنها مجموعة من المواد الكيميائية غير العضوية ذات الخصائص المميزة. وهي تشمل عادةً ما يلي:
- الموصلية الحرارية العالية
- ليونة ، سهولة نسبية في التصنيع ؛
- نقطة انصهار عالية نسبيًا
- موصلية كهربائية جيدة ؛
- بريق مميز "معدني" ؛
- دور الاختزال في التفاعلات ؛
- كثافة عالية
بالطبع ، ليست كل عناصر هذه المجموعة لها كل هذه الخصائص ، على سبيل المثال ، الزئبق سائل في درجة حرارة الغرفة ، والجاليوم يذوب من حرارة الأيدي البشرية ، وبالكاد يمكن تسمية البزموت بالبلاستيك. لكن بشكل عام ، يمكن تتبع كل هذه الميزات في مجموع المعادن.
التصنيف الداخلي
المعادن مقسمة بشكل مشروط إلى عدة فئات ، كل منها يجمع بين العناصر الأقرب لبعضها البعض في معايير مختلفة. تتميز المجموعات التالية:
- قلوي - 6 ؛
- الأرض القلوية - 4 ؛
- انتقالي - 38 ؛
- ضوء - 7 ؛
- semimetals - 7 ؛
- اللانثانيدات - 14 + 1 ؛
- أكتينيدات - 14 + 1 ؛
من بين المجموعات يوجد مجموعتان أخريان: البريليوم والمغنيسيوم. وهكذا ، في الوقت الحالي ، من بين جميع العناصر المكتشفة ، ينسب 94 عالمًا إلى المعادن.
بالإضافة إلى ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن هناك تصنيفات أخرى. وفقًا لهم ، تعتبر المعادن النبيلة ، ومعادن مجموعة البلاتين ، ومعادن ما بعد الانتقال ، والمعادن المقاومة للصهر ، والمعادن الحديدية وغير الحديدية ، وما إلى ذلك بشكل منفصل. هذا النهج منطقي فقط لأغراض معينة ، لذلك يكون أكثر ملاءمة لاستخدام التصنيف المقبول عمومًا
تاريخ الاستلام
ارتبطت الإنسانية طوال فترة تطورها ارتباطًا وثيقًا بمعالجة واستخدام المعادن. بالإضافة إلى كونها العناصر الأكثر شيوعًا ، لا يمكن تصنيعها في منتجات مختلفة إلا بمساعدة المعالجة الميكانيكية. نظرًا لعدم وجود مهارات في العمل مع الركاز ، كان الأمر في البداية يتعلق فقط باستخدام القطع الذهبية. في البداية كان معدنًا ناعمًا ، والذي أطلق اسمه على العصر النحاسي ، والذي حل محل الحجر. خلال هذه الفترة ، تم تطوير طريقة الطرق الباردة. أصبح الصهر ممكناً في بعض الحضارات. تدريجيًا ، أتقن الناس التلوينمعادن مثل الذهب والفضة والقصدير.
لاحقًا حل العصر البرونزي محل العصر النحاسي. استمرت حوالي 20 ألف سنة وأصبحت نقطة تحول للبشرية ، حيث أنه خلال هذه الفترة أصبح من الممكن الحصول على السبائك. هناك تطور تدريجي في علم المعادن ، ويجري تحسين طرق الحصول على المعادن. ومع ذلك ، في القرنين 13 و 12. قبل الميلاد ه. حدث ما يسمى بالانهيار البرونزي ، والذي كان بمثابة بداية العصر الحديدي. كان هذا على الأرجح بسبب استنفاد احتياطيات القصدير. والرصاص والزئبق ، اللذان تم اكتشافهما في ذلك الوقت ، لا يمكن أن يصبحا بديلاً للبرونز. لذلك كان على الناس تطوير إنتاج المعادن من الخامات
الفترة التالية لم تدم طويلا - أقل من ألف عام ، لكنها تركت بصمة مشرقة في التاريخ. على الرغم من حقيقة أن الحديد كان معروفًا في وقت مبكر ، إلا أنه لم يتم استخدامه تقريبًا بسبب عيوبه مقارنة بالبرونز. بالإضافة إلى ذلك ، كان الحصول على الأخير أسهل بكثير ، بينما كان صهر الخام أكثر كثافة في العمل. الحقيقة هي أن الحديد الأصلي نادر جدًا ، لذا فليس من المستغرب أن يكون التخلي عن البرونز بطيئًا للغاية.
معنى مهارات استخراج المعادن
على غرار الطريقة التي صنع بها سلف الإنسان أداة لأول مرة عن طريق ربط حجر حاد بعصا ، تبين أن الانتقال إلى مادة جديدة كان عظيماً. تتمثل المزايا الرئيسية للمنتجات المعدنية في سهولة صنعها وإصلاحها. الحجر ليس لديه اللدونة والمرونة ، لذلكلا يمكن تصنيع أي أسلحة منه إلا من جديد ، ولا يمكن إصلاحه.
وهكذا ، كان الانتقال إلى استخدام المعادن هو الذي أدى إلى مزيد من التحسين في الأدوات ، وظهور أدوات منزلية جديدة ، وزخارف ، والتي كان من المستحيل صنعها في السابق. كل هذا أعطى دفعة للتقدم التكنولوجي وأرسى الأساس لتطوير علم المعادن.
الأساليب الحديثة
إذا كان الناس في العصور القديمة على دراية فقط بالحصول على المعادن من الخامات ، أو يمكن أن يكونوا راضين عن الشذرات ، فهناك طرق أخرى في الوقت الحالي. أصبحت ممكنة بفضل تطور الكيمياء. وهكذا ظهر اتجاهان رئيسيان:
- استخلاص المعادن الحرارية. بدأ تطويره في وقت سابق ويرتبط بدرجات الحرارة المرتفعة المطلوبة لمعالجة المواد. كما تسمح التكنولوجيا الحديثة في هذا المجال باستخدام البلازما.
- علم المعادن. يعمل هذا الاتجاه في استخراج العناصر من الخامات والنفايات والمركزات وما إلى ذلك باستخدام الماء والكواشف الكيميائية. على سبيل المثال ، الطريقة التي تنطوي على إنتاج المعادن عن طريق التحليل الكهربائي شائعة للغاية ، كما أن طريقة الكربنة شائعة جدًا.
هناك تقنية أخرى مثيرة للاهتمام. أصبح الحصول على معادن ثمينة عالية النقاء وبأقل الخسائر ممكنًا بفضله. يتعلق الأمر بالصقل. هذه العملية هي إحدى أنواع التكرير ، أي الفصل التدريجي للشوائب. على سبيل المثال ، في حالة الذهب ، يتم استخدام تشبع الذوبان بالكلور ، ويتم إذابة البلاتين فيالأحماض المعدنية تليها العزلة مع الكواشف.
بالمناسبة ، غالبًا ما يتم استخدام الحصول على المعادن عن طريق التحليل الكهربائي إذا كان الصهر أو الاستعادة غير مجدي اقتصاديًا. هذا بالضبط ما يحدث للألمنيوم والصوديوم. هناك أيضًا المزيد من التقنيات المبتكرة التي تجعل من الممكن الحصول على المعادن غير الحديدية حتى من الخامات الفقيرة إلى حد ما دون تكاليف كبيرة ، لكننا سنتحدث عن هذا بعد قليل.
حول السبائك
معظم المعادن المعروفة في العصور القديمة لم تكن دائما تلبي بعض الاحتياجات. تآكل ، صلابة غير كافية ، هشاشة ، هشاشة - كل عنصر في شكله النقي له عيوبه. لذلك ، أصبح من الضروري إيجاد مواد جديدة تجمع بين مزايا المواد المعروفة ، أي إيجاد طرق للحصول على السبائك المعدنية. اليوم هناك طريقتان رئيسيتان:
- صب. يتم تبريد وتبلور ذوبان المكونات المختلطة. كانت هذه الطريقة هي التي جعلت من الممكن الحصول على العينات الأولى من السبائك: البرونز والنحاس الأصفر.
- الضغط. خليط المساحيق يتعرض لضغط عالي ثم متكلس
مزيد من التحسين
في العقود الأخيرة ، كان الأمر الواعد هو إنتاج المعادن باستخدام التكنولوجيا الحيوية ، في المقام الأول بمساعدة البكتيريا. أصبح من الممكن بالفعل استخراج النحاس والنيكل والزنك والذهب واليورانيوم من المواد الخام للكبريتيد. يأمل العلماء في ربط الكائنات الحية الدقيقة بعمليات مثل النض والأكسدة والامتصاص والترسيب. بالإضافة إلى ذلك ، من المهم للغايةمشكلة معالجة مياه الصرف الصحي العميقة ، لهذا أيضًا ، يحاولون إيجاد حل يتضمن مشاركة البكتيريا.
التطبيق
بدون المعادن والسبائك ، ستكون الحياة بالشكل الذي تعرفه الآن للبشرية مستحيلة. المباني الشاهقة والطائرات والأواني والمرايا والأجهزة الكهربائية والسيارات وأكثر من ذلك بكثير موجودة فقط بفضل انتقال الناس من الحجر إلى النحاس والبرونز والحديد.
بسبب الموصلية الكهربائية والحرارية الاستثنائية ، تُستخدم المعادن في الأسلاك والكابلات لمجموعة متنوعة من الأغراض. يستخدم الذهب لعمل اتصالات غير مؤكسدة. نظرًا لقوتها وصلابتها ، تُستخدم المعادن على نطاق واسع في البناء وفي مجموعة متنوعة من الهياكل. هناك مجال آخر للتطبيق مفيد. لتصنيع العمل ، على سبيل المثال ، غالبًا ما تستخدم أجزاء القطع والسبائك الصلبة وأنواع خاصة من الفولاذ. أخيرًا ، تحظى المعادن النبيلة بتقدير كبير كمواد للمجوهرات. إذن هناك الكثير من التطبيقات.
مثيرة للاهتمام حول المعادن والسبائك
استخدام هذه العناصر منتشر على نطاق واسع وله تاريخ طويل لدرجة أنه ليس من المستغرب ظهور مواقف غريبة مختلفة. يجب تقديمهم بالإضافة إلى حقائق مثيرة للاهتمام في النهاية:
- قبل استخدامه على نطاق واسع ، كان الألمنيوم ذو قيمة عالية. أدوات المائدة ، التي استخدمها نابليون الثالث عند استقبال الضيوف ، كانت مصنوعة من هذه المادة وكانت موضوعًا لهافخر الملك
- اسم البلاتين في الاسبانية يعني "الفضة". تلقى العنصر اسمًا غير مبهج بسبب نقطة الانصهار العالية نسبيًا ، وبالتالي استحالة استخدامه لفترة طويلة.
- الذهب في أنقى صوره ناعم ويسهل خدشه بأظافر الأصابع. وهذا هو السبب في أنها مصنوعة من الفضة أو النحاس لصنع المجوهرات.
- هناك سبائك ذات خاصية غريبة تتعلق بالمرونة الحرارية ، أي تأثير ذاكرة الشكل. عند تشوهها ثم تسخينها ، تعود إلى حالتها الأصلية.
