СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

МЕТАЛЛЫ И СГТЛАВЫ

З всех известных в природе химических элементов около 70 являются металлами. Металлы — весьма рас­пространённые элементы. В недрах земли, в водах рек, озёр, морей и океанов, в организмах животных и расте­ний, даже в атмосфере — всюду есть металлы.

На стр. 7 мы приводим таблицу, в которой показано распространение различных химических элементов в зем­ной коре[47]).

Самыми распространёнными металлами являются алюминий и железо. За ними следуют кальций, натрий, магний, калий. Есть металлы, содержание которых в зем­ной коре исчисляется лишь миллионными (золото), мил­лиардными (радий) и ещё меньшими долями процента по отношению к общему весу земной коры.

В далёких глубинах земных недр количество метал­лов возрастает; здесь находятся главным образом такие металлы, как железо, кобальт, никель, титан, платина. Центральное ядро Земли, по современным предположе­ниям учёных, составляют железо и никель с небольшой примесью кобальта, хрома и элементов-неметаллов — фосфора, углерода и серы.

В водах рек и морей содержатся самые различные ме­таллы и всегда — натрий, калий, магний, кальций; они

Входят в состав солей, растворённых в воде. Хотя боль­шинство металлов находится в морской воде в ничтожно малых концентрациях, однако общее количество метал­лов, рассеянных в водах всех морей и океанов Земли, до­вольно велико: миллионы тонн золота, десятки миллионов тонн серебра, ртути и т. д.

Много различных металлов — в виде соединений — есть в организмах животных и растений. Всегда встре­чаются в них кальций, калий, железо. Есть также медь, цинк, кадмий, литий и т. д., но количество их очень мало.

В окружающей Землю атмосфере всегда носятся мель­чайшие кристалики морских солей и различные пылинки, в состав которых также входят металлы.

Металлы по своим свойствам сильно отличаются от других элементов, неметаллов. Двести лет назад М. В. Ло­моносов впервые дал ясное понятие о том, что такое металл. Он писал: «Металлы — тела твёрдые, ковкие, блестящие». Это простое определение сохранило свой смысл и в настоящее время. Мы знаем, что все металлы имеют особый «металлический» блеск. Почти все метал­лы ковки и прочны. Металлы хорошо проводят тепло и электрический ток. Благодаря этим качествам они и получили самое разнообразное применение в технике и в быту.

Вполне очевидно, что широкое использование того или иного металла в промышленных целях во многом зависит от того, насколько много этого металла в земной коре и насколько богаты им те или другие руды.

В земной коре лежат миллиарды тонн железа. Многие железные руды богаты железом. Металлурги используют сейчас руды, содержащие не менее 30% железа. Из каж­дой тонны такой руды можно выплавить примерно 300 ки­лограммов металла. Поэтому железо — один из металлов, наиболее широко используемых в технике.

Медные и свинцовые руды обычно содержат 1—2% меди или свинца. Из каждой тонны таких руд можно добыть 10—20 килограммов металла.

В одной тонне золотоносной руды часто содержится в среднем лишь 5 граммов золота. В ещё меньших коли­чествах встречаются в рудах такие металлы, как воль­фрам, молибден, рений. Ясно, что ни золото, ни рений не могут быть использованы в промышленности так же ши­роко, как, например, железо или медь.

Чистые металлы, то-есть металлы, не содержащие в себе никаких примесей, не обладают достаточна высокой прочностью и применяются сравнительно мало. В тех­нике используются главным образом сплавы.

Сплавы — это сложные вещества. В состав сплава могут входить два или несколько химических эле­ментов. Так, например, латунь — это сплав меди с цин­ком, обычная сталь — сложный сплав железа с угле­родом и неизбежной примесью кремния, марганца, серы и фосфора.

Иногда самых незначительных примесей другого эле­мента достаточно, чтобы резко изменились свойства сплава. Так, если в стали содержится всего лишь около 0,2% углерода, то её прочность возрастает более чем в два раза по сравнению с чистым железом. Сплав алю­миния с 4% меди, магния и марганца в 3—4 раза прочнее, чем чистый алюминий.

Сплав всегда прочнее, чем чистые металлы, которые входят в его состав. Повышенная прочность сплавов имеет громадное практическое значение. Чем выше прочность сплава, тем меньше его надо для постройки той или дру­гой машины, тем легче вес и меньше стоимость этой ма­шины. Поэтому советские учёные непрерывно ведут поиски всё новых и новых высокопрочных сплавов.

Все металлы и сплавы, которые использует техника, делятся на два основных класса (рис. 1).

Первый класс — это чёрные металлы. К этому классу относятся железо и все железные сплавы, в кото­рых железо составляет основную часть: чугуны и стали. Чугун — это железный сплав, который содержит больше 2% углерода и небольшие количества кремния, марганца, серы и фосфора. В стали углерода не более 2%.

При изготовлении специальных, так называемых л е - гированных сталей и чугунов в сплав вводят хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий, кобальт, титан и другие металлы, иногда до 5—6 различных металлов. Та­ким путём получают различные ценные стали, которые обладают в одних случаях повышенной прочностью, в дру­гих — высоким сопротивлением истиранию, свойством не окисляться на воздухе, не разрушаться под действием кислот и других химических веществ и т. д.

Кроме того, к чёрным металлам относятся ферро­сплавы. Это — сплавы железа с марганцем (ферро­марганец), с кремнием (ферросилиций), с хромом (фер­рохром), с титаном (ферротитан) и др. Эти сплавы содер­жат приблизительно от 15 до 60% специальных элементов, Ферросплавы нужны для изготовления сталей.

Второй класс — это цветные металлы. Назва­ны они так потому, что имеют различную окраску. Медь, например, — светлокрасная, никель и олово — серебристо­белые, цинк — светлосерый, свинец — голубовато-белый, золото — жёлтое. К цветным металлам относятся и сплавы этих металлов: различные бронзы (сплавы меди с оловом и другими металлами, кроме цинка), латуни, баббиты (сплавы олова с сурьмой и медью) и другие.

Нужно отметить, что деление на чёрные и цветные ме­таллы условно, так как и среди цветных металлов встре­чаются металлы более чёрные, чем «чёрные металлы», например некоторые свинцовые сплавы.

Цветные металлы, в свою очередь, можно разделить на четыре группы: тяжёлые, лёгкие, редкие и благородные металлы (см. рис. 1).

К тяжёлым металлам относятся: медь, ни­кель, свинец, олово, цинк, хром, марганец и их сплавы. Тяжёлыми их называют потому, что они имеют сравни­тельно высокий удельный вес (удельный вес — это вес одного кубического сантиметра вещества),

На рисунке 2 приведены удельные веса различных ме­таллов.

Лёгкие металлы — металлы с небольшим удель­ным весом. Это алюминий, магний, литий, бериллий и др. Алюминий легче железа почти в 3 раза, а магний — в 4,5 раза. Самый лёгкий из всех металлов — литий: он в 15 раз легче железа и почти в 2 раза легче воды.

Лёгкие металлы стали известны сравнительно недавно: самый старший из них — бериллий — был открыт около полутораста лет назад. Алюминий и магний имеют сейчас исключительно важное промышленное значение. Без алю­миниевых и магниевых сплавов трудно представить само­лётостроение. Лёгкие алюминиевые сплавы нужны для автомобильной, машиностроительной промышленности, для судостроения.

Алюминий нередко называют металлом XX века. Он производится теперь в громадных количествах. А ведь лет 50 назад он считался драгоценным металлом; в 1899 го­ду великий русский учёный Д. И. Менделеев во время своего пребывания в Лондоне получил от английских учёных подарок — весы, сделанные из золота и алюминия.

Таких металлов, как ванадий, цирконий, молибден, кобальт, теллур, вольфрам, очень мало в земной коре; в настоящее время не известно ни одной руды, тонна кото­рой содержала бы их в количестве, большем, чем тысяч­ные доли грамма. Поэтому они называются редкими

Металлами. Правда, циркония и ванадия, например, в земной коре гораздо больше, чем хорошо всем извест­ного свинца. Но цирконий и ванадий — более рассеянные элементы, и извлечение их из руд связано с громадными трудностями.

В современной технике значение редких металлов растёт с каждым годом. Они используются главным обра­зом для производства легированных сталей и других цен­ных сплавов, необходимых для химической промышлен­ности, электротехники, радиотехники и приборостроения.

Наконец, последняя группа цветных металлов — бла­городные металлы: серебро, золото, платина, ру­тений, палладий и некоторые другие. Эти металлы не окисляются на воздухе даже при повышенной температуре и не разрушаются при действии многих химических веществ. Используются они в приборостроении, в элек­троламповой промышленности, для изготовления химиче­ской аппаратуры и т. д.

В настоящее время в технике применяются все имею­щиеся в земной коре металлы.