Главная Обратная связь

Дисциплины:

Архитектура (936)
Биология (6393)
География (744)
История (25)
Компьютеры (1497)
Кулинария (2184)
Культура (3938)
Литература (5778)
Математика (5918)
Медицина (9278)
Механика (2776)
Образование (13883)
Политика (26404)
Правоведение (321)
Психология (56518)
Религия (1833)
Социология (23400)
Спорт (2350)
Строительство (17942)
Технология (5741)
Транспорт (14634)
Физика (1043)
Философия (440)
Финансы (17336)
Химия (4931)
Экология (6055)
Экономика (9200)
Электроника (7621)






дәріс. Металдар, олардың сыныптамасы мен қасиеттері



Металдық күй. «Металл дегеніміз не?» деген сұраққа бірмәнді жауап беру өте қиын. Орта ғасырда неміс ғалымы Агрикола (1494-1555 ж.) бірінші рет «О горном деле» еңбегінде кен-металлургиялық өндірістің тәжірибесін қорытындылады, осы еңбек XVIII ғасырға дейін геология, тау-кен ісі және металлургия бойынша негізгі оқу құрал ретінде қолданылды.

Теориялық металлургияның ары қарай дамуы ұлы орыс ғалымы М. В. Ломоносовтың (1711-1766 ж.) жұмыстарында қарастырылды. Өзінің «Первые основания металлургии или рудных дел» еңбегінде ол металдарға мынадай анықтама берді: «Металдар ашық денелер, оларды соғуға болады». Ломоносов алты металды атап көрсетті: алтын, күміс, мыс, темір, қорғасын және қалайы.

Қазіргі уақытта заттың металдық күйі келесідей негізгі белгілермен бағаланады: жоғары электр- және жылуөткізгіштікпен, электрөткізгіштіктің теріс температуралық коэффициентімен, олардың жалтырауы мен мөлдір еместігімен шартталатын жарық толқындарын шағылдыру қабілеттілігімен, жоғары илемділігімен (иілгіштігімен) және ашық сұрдан (күміс секілді) қара сұрға дейінгі түсімен. Соңғы белгісінің екі металға қатысы болмайды – қызыл мыс пен сары алтынға. Металдың түсі толқын ұзындықтарының көрінетін диапазонында жарықты шағылыстыру қабілеттілігінің нәтижесі болады. Жылтырланған металдық беттер оларға түсетін жарықтың 50-ден 95 % дейінгі мөлшерін шағылыстырады.

Металдық материалдарға легирлеу арқылы басқа түс беруге болады. Мысалы, жез – қызыл мыстың және ақ мырыштың қорытпасы – сары, қызыл, қызғылт-сары, және жасыл-сары бола алады. Құрамындағы күмістің мөлшеріне тәуелді алтынкүмісті қорытпалар үлкен түстік гаммаға ие. Алтын мен күмістің қорытпасы сары-алтын, қызыл, сұр, жасыл, тіпті ақ бола алады. Әртүрлі металдарды салыстыра отырып, олардың балқу температурасы бойынша ерекшеленетінін байқауға болады. Сынап бөлме температурасында сұйық күйінде қалады (балқу температурасы – 39 °С жуық), галлий 29,8 °С балқиды, ал вольфрамды немесе ренийді балқыту үшін оларды 3410 және 3180 °С дейін сәйкесті қыздыру керек.



Металдық материалдардың басқа физика-химиялық қасиеттеріде осыған ұқсас әртүрлі болады, мысалы, электрөткізгіштігі (электрлік кедергісі). Күмістің, мыстың, алюминийдің жақсы электр өткізгіштігі күмән туғызбайды, ал германий – олда металл – электр тогін нашар өткізеді және жартылай өткізгіш болып табылады.

Бүгінгі күнге дейін ғылыми негізделген металдар сыныптамасы жоқ. Мұндай мүмкіндікті бағалау үшін Д. И. Менделеев ашқан элементтердің Периодтық жүйесін қолдану қажет. Осы жүйе қазіргі кезде терең зерттеліп әзірленген және металлургтер алдына қойылатын көп мәселелерге жауап береге мүмкіндік береді.

Д.И. Менделеевтің элементтердің периодтық жүйесіндегі металдар. Элементтердің периодтық жүйесі – бұл химиялық элементтердің сыныптамасы және 1869 жылы ашылған Д.И.Менделеевтің Периодтық заңының графикалық көрінісі. Химиялық элементтердің қасиеттері олардың қатар санына периодтық тәуелділікте орналасқан.



Қазіргі уақытта белгілі 109 химиялық элементтер (олардың 89 табиғи күйде анықталған, ал қалғаны жасанды жолмен алынған) кіретін Периодтық жүйенің жүздеген нұсқалары бар. Әдебиетте (ғылымда) қолданылатын ұзын- (1 сурет) және қысқапериодты (2 сурет) нұсқалары, периодтық жүйенің негізгі және ең кең таралған әдістерімен көрсетілген.

 

 

1 сурет – Д.И. Менделеевтің элементтердің периодтық жүйесі (ұзынпериодты нұсқа)

 

Екі нұсқа бірін-бірі толықтырады. Элементтердің сыртқы қабығындағы электрондар саны мен олардың ядромен байланысының энергиясы элементтердің химиялық қасиеттерін, олардың валенттік күйін және металлургтер үшін өте маңызды, элементтердің металдық қасиеттерін анықтайды. Металдар үшін оң иондарды түзу қабілеттілік сипатты, яғни электрондарды жоғалту қабілеті. Периодтық кестені қарастыру кезінде, элементтердің осы қасиеттерінің солдан оңға бағытталуында біртіндеп төмендейтінін көруге болады.

 

2 сурет – Д.И. Менделеевтің элементтердің периодтық жүйесі (қысқапериодты нұсқа)

Барлық бейметалдардың оң бөлігінде орналасуы да осымен түсіндіріледі. Тек сілтілі металдар үстіне орналасатын сутегі бұл қатарға жатпайды. Элементтердің металдық қасиеттері жоғарыдан төмен бағытта да күшейеді, ең «металдық» элемент – цезий, ал ең «бейметалдық» – фтор.

Дегенмен, металдар мен бейметалдар арасының айқын шекарасын көрсету мүмкін емес. Кейбір элементтер бірмезгілде металдық та, бейметалдық та қасиетте болады, Мысалы, қалайы металдықпен қатар бейметалдық та модификациялы. Тіпті айқын бейметалл фосфордың да, қара фосфор деп аталатын түрде металдық қасиеттері бар. Периодтық кестеде айқын металдар мен типтік бейметалдар арасындағы шекараға жақын орналасқан кейбір металдарды, мысалы мышьякты, сурьманы және висмутты, кейде шала немесе 2-ші текті металдар деп атайды.

Атом аралық байланыс типтері және металдардың кристалдық құрылымы. Химиялық реакциялардың барлық түрлеріндегі бөлшектер аралық әрекеттесу байланысының төрт типке бөліп көрсетеді: иондық (электроста­тикалық немесе гетерополярлық), коваленттік (гомеополярлық), металдық және молекулааралық. Металдық байланыс электронға қауышпалылығы төмен бірвалентті металдарда толық айқындалады. Элементтердің Периодтық жүйесі бойынша солдан оңға қарай ығысу шамасына қарай, яғни металдық қасиеттердің төмендеу және бейметалға өтуіне қарай, металдық байланыс үлесі коваленттік байланыстың артуымен төмендейді. Жоғары валенттікті Si, Ge, a-Sn, As, Se, Те сияқты элемен­ттерде коваленттік байланыс басым, сондықтан олар шала өткізгіштер болып табылады.

Молекулааралық байланыс Ван-дер-Ваальстік күштермен шартталады және бір молекуланың электрондары мен ядроларының келесінің электрон­дарымен және ядроларымен электромагнитті өзара әрекеттесуіне негізделеді.

Металдық байланыстың ерекшелігі металдардың кристалдық құрылымын анықтайды, оның негізі – кристалдық тор. Металдық кристалдық тордың түйіндерінде металдар атомдары жайғасқан. Кристалдың қарапайым куб торы және оның элементарлық ұясы – куб, әрбір түйінде атом немесе ион орналасқан (3 сурет). Бұл жағдайда әрбір атом сегіз көрші элементарлық ұяларға жатады, яғни әрбір ұяға сегіз 1/8 атомнан келеді, яғни бір атом.

 

3 сурет – Қарапайым кубтық кеңістіктік тор

 

Металдар қасиеттерінің қалыптасуына барлық уақытта дерлік болатын ақаулық маңызды роль атқарады – кристалдық құрылымның ақаулығы. Метал­дар құрылымының осы жетімсіздігі олардың физика-химиялық, технологиялық және қолданыстық қасиеттеріне әсер етеді. Ақаулар кристалдардың біртегіс өспеуінен, қоспалар болған жағдайда, механикалық, жылулық, электрлік және басқа сыртқы әсерлерден пайда болады (4, 5 суреттер).

 

а б в
4 сурет – Кристалдық тордың ақаулары: а- бос орын (вакансия); б- енгізілу атомы; в- орын басу атомы  
5 сурет – Сыртқы күш әсерінен дислокацияның түзілу сұлбасы: а-сызықты (шеткі); б-шиыршықты

 

Кристалдық құрылымның ақаулары нүктелі, сызықты, жазықты және көлемді болып бөлінеді.

Металдардың өнеркәсіптік сыныптамасы. Барлық металдар үшін қандай да бір жалпы белгіні ескеретін, металдардың ғылыми негізделген сыныптамасы бүгінгі күнге дейін жоқ. Барлық металдарды екі сыныпқа бөлу қабылданған: қара және түсті. Қара металдарға темір, оның қорытпалары, және марганец, ванадий мен хром жатады, өндірісі мен қолданылуы шойын мен болат металлургиясымен тығыз байланыстылар. Қалған металдардың барлығы түстіге жатады. «Түсті металдар» термині шартты, өйткені мыс пен алтын ғана айқын көрінетін түске ие болады. Түсті металдар шартты бес топшаға бөлінеді:

1) негізгі ауыр металдар: мыс, никель, қорғасын, мырыш және қалайы. Өзінің атауын олар тығыздығына, өндірісінің үлкен масштабына және қолданылуының жоғалығына байланысты алған.

2) кіші ауыр металдар: висмут, мышьяк, сурьма, кад­мий, сынап және кобальт. Олар негізгі ауыр металдармен серіктес жүреді және солармен қоса өндіріледі, бірақ аз мөлшерде.

3) жеңіл металдар: алюминий, магний, титан, натрий, калий, барий, кальций, стронций. Бұл топшадағы металдар ең төменгі тығыздықты.

4) асыл металдар: алтын, күміс, платина және платиноидтар (пал­ладий, родий, рутений, осмий, иридий). Бұл металдардың қоршаған және агрессивті ортаға жоғары химиялық тұрақтылығы бар.

5) сирек металдар, бұрын «сирек металл» ұғымы аз тараған немесе өнеркәсіпте тіпті қолданбайтын металл ретінде қабылданған, қазіргі кезде олардың көп бөлігі өте кең таралған, тіпті техниканың заманауи салалары оларсыз дами алмайды десек болады. Өнеркәсіптік сыныптама бойынша сирек металдар бөлінеді:

а) қиын балқитындар – вольфрам, молибден, тантал, ниобий, цирконий,
гафний;

б) жеңіл сиректер – литий, бериллий, рубидий, цезий;

в) шашырандылар – табиғатта жеке кендік шикізат кен орынын түземейді – галлий, индий, таллий, германий, селен, теллур, рений;

г) радиоактивтілер – полоний, радий, актиний, актинидтер (торий, актиний, уран, ураннан кейінгі элементтер);

д) сирекжерлілер – скандий, индий, лантан, лантаниды (барлығы 14 церийден лютецияға дейін).

Металдардың физика-химиялық қасиеттері.Барлық белгілі металдар физика-химиялық қасиеттерінің әртүрлілігімен ерекшеленеді, осы қасиеттері олардың қолданылу аймағын ғана анықтап қоймай, сонымен қатар оларды алудың әдістері мен тәсілдерінде анықтайды. Ғылым мен техниканың көптеген салаларында қолданылатын металдардың ең маңызды қасиеттері:

– балқу температурасы Тбал [К, °С] – қатты кристалдық заттың толығымен сұйық күйге өтетін температурасы (бірінші текті фазалық өту). Тұрақты қысым кезінде, таза заттың балқуы, балқыту жылуы деп аталатын жылудың қатаң анықталған мөлшерін жұтумен тұрақты температурада жүреді. Балқыту процесіне кері процесс қатаю деп аталады. Таза заттардың қатаюыда тұрақты температура кезінде өтеді және шамасы бойынша балқыту температурасына тең жылудың шығындалуымен жүреді;

– жылулық кеңею α [К-1, (С)-1] – сызықтық немесе көлемдік кеңею коэффициентімен сипатталатын, температураның өзгерісі кезіндегі мөлшердің өзгеруі (ұзындықтың немесе көлемнің);

– жылуөткізгіштік λ [Вт/(м • К)] – жылулық қозғалыс және атомдық-моле­ку­лярлық деңгейде (металдар үшін-электрондар) бөлшектердің өзара әрекетте­суі­нен энергияның жоғары қызған аймақтан төменгіге тасымалдануы;

– меншікті жылусыйымдылық с [Дж/(г • К)] – зат температурасын 1 °С не 1 К жоғарылату үшін оның массасының бірлігіне келтірілетін жылудың мөлшері;

– электрөткізгіштік σ [Ом/м] – заттың электр тогін өткізу қабілеттігі, қозғалыстағы зарядталған бөлшектер – электрондардың болуымен шартталады;

– меншікті электр кедергісі ρ [Ом•м] –электр өткізгіштікке кері шама;

– заттың магнит өткізгіштігі χ 3/кг] – осы заттағы магниттік момент j пен магниттік өрістің кернеулігі арасындағы байланысты сипаттайды: χ = j/Н;

– бу қысымы (серпімділік) [Па] – нақты заттың берілген температура кезіндегі сублимация немесе оның бетінен булану нәтижесінде түзілген буларының қысымын сипаттайды. Қайнау тем­пературасы кезінде заттың буларының қысымы атмосфералыққа тең, яғни101,325 кПа;

– көп жағдайларда механикалық қасиеттер, үлкен мөлшерде өндірілген металдар мен қорытпалардың қажеттілігі мен қолданылуын анықтайды. Механикалық қасиеттер көптеген параметрлермен сипатталады. Олардың ең маңыздысы ығысу серпімділігінің модулі мен қаттылық болады.

Металдардың химиялық активтілігін бағалау үшін, ерекше маңызды теориялық және тәжірибелік мәні бар металдардың электрхимиялық қасиеттері болады. Теріс электродты потенциалды металдар үлкен химиялық активтілікпен ерекшеленеді, яғни жеңіл тотығады және көптеген бейметалл элементтермен активті өзара әрекеттеседі.

Элементтердің электрохимиялық қасиеттері бірқатар металдардың ерітінділерден цементациямен тұндырылу негізінде жатады, мысалы, мысты терісэлектрлірек темір, мырыш және никельді қолданумен, сонымен қатар активті металдар-тотықтырғыштар (алюминийдің, кремнийдің, каль­цийдің) көмегімен бірқатар металлотермиялық процестермен. Металлохи­мия қиын тотықсызданатын қосылыстардан бірқатар металдар алу үшін қолданылады. Металлургиялық және жылутехникалық есептеулерді жүргізу кезінде көбінесе металдардың және металлургиялық процеске қатысқан басқа материалдардың жылусыйымдылығын білу қажет етіледі

Металдық қорытпалар. Қорытпалар деп сипатты металдық қасиеттері бар екі және одан да көп металдардан (кейде металдар мен бейметалдардан) тұратын макроскопиялық біртекті жүйелерді атайды. Көптеген металдар өте жақсы балқиды, бұл металдық күйдің тағы бір маңызды белгісі болып табы­ла­ды. Көп жағдайларда қорытпаға кіретін компоненттер балқыған күйде толығы­мен бір-бірінде ериді, яғни әртүрлі элементтердің атомдары біркелкі араласқан сұйық ерітіндіні көрсетеді. Суыту кезінде қорытпаларда қатты ерітінділер, химиялық қосылыстар және механикалық жүзгіндер пайда бола алады.

Техникалық металдар көптеген жағдайларда талап етілетін механикалық және технологиялық қасиеттердің кешеніне ие бола алмайды және тұтынушылардың да талаптарын әркезде толық қанағаттандырмайды. Қорытпаларды алу кезінде металдық материалдардың физика-химиялық және физика-механикалық қасиеттерін өзгерту мүмкіндігі туындайды. Оларға жеңіл балқу немесе қиын балқу, жоғарғы механикалық беріктік, қаттылық немесе илемділік, жоғары коррозиялық тұрақтылық, ыстыққа тұрақтылық қажетті магниттік қабылдағыштық және таза металдардан табыла бермейтін басқа да спецификалық қасиеттер мен сапаның жоғарылауына қол жеткізуге болады. Заманауи жағдайларда техниканың әртүрлі салаларында 10 мыңнан аса қорытпалар қолданылады. Олардың барлығы үшін толық немесе бөлшекті күй диаграммалары құрылған.

Металлургиялық және хи­миялық жүйелердің өте күрделі күй диаграмма­ларының негізі болатын, күйдің қарапайым бинарлық диаграммаларының бір­неше түрін бөліп көрсетуге болады – шексіз қатты ерітінділер түзейтін (қатты ерітінділердің үздіксіз қатары), қатты күйдегі компоненттері шексіз ерітігіштікті қорытпалардың күй диаграммалары; эвтектикалық типтегі күй диаграммалары; химиялық қосылысты күй диаграммалары және т.б. Алынатын қорытпалардың қасиеттері толығымен компоненттердің балқыту және кристалдану процесіндегі өзара әрекеттесу сипатына тәуелді. Демек, қорытпа қасиеттері мен олардың күй диаграммалары арасында шынында да байланыс бар. Келтірілген 6 суретте қаттылықтың, меншікті электркедергіліктің, СКТК, созылудың күй диаграммасы типіне тәуелділігі сұлбалы көрсетілген, бұл сұлбадан механикалық қоспа түзілген кезде қасиеттері тіке сызықты өзгеретінін, қатты ерітінділер түзілгенде – баяулаған қисықпен және металлид түзілгенде – секірмелі өзгеретінін көруге болады.

 

6 сурет – Қаттылықтың, электрке­дер­гі­лік­тің, сызықтық кеңеюдің температуралық коэффициентінің (СКТК)

күй диаграм­масы типіне тәуелділігі

 

Диаграммалар бойынша қорытпалардың технологиялық қасиеттерін бол­жауға болады. Ликвидус және солидус сызықтары арасындағы температуралық интервал үлкен болған сайын, қорытпаның ликвацияға икемділігі артады және жарықшақтардың түзілуі жоғарылайды. Қатты ерітінділер (бірфазалық қорытпалар) суық және ыстық күйде жақсы деформацияланады.

Қорытпаның құрылымына суу жылдамдығы күшті әсер етеді. Баяу суыту қорытпаның тепе-теңдік күйге жақындауына әсер етеді және диффузия процесінің аяқталуына мүмкіндік береді. Нәтижесінде майда кристалды және біртекті құймалар алынады. Жылдам суыту кезінде олар біртексіз құрылымммен сипатталады. Майда кристалды құрылым алу үшін кейбір қорытпаларға модифицирлеуді қолданады – қорытпаға құрылымды ұнтақтаушы қосымшаның аз мөлшерін енгізуді.

Әдебиет: 1нег. [11-19, 48-54, 69-71, 182-183, 232-236], 4 қос. [43-87].

Бақылау сұрақтары

1. Металдардың негізгі физика-химиялық қасиеттері

2. Атомаралық байланыс типтері мен металдардың кристалдық құрылымы

3. Металдар және химиялық қосылыстың кристалдық құрылымының ақаулары

4. Металдардың өнеркәсіптік сыныптамасы

5. Металдық қорытпалар

 


Эта страница нарушает авторские права

allrefrs.ru - 2019 год. Все права принадлежат их авторам!