Annak ellenére, hogy az iparban és a mindennapi életben egyre gyakrabban használnak mesterségesen előállított anyagokat, még mindig nem lehet megtagadni a fémek használatát. Tulajdonságok egyedülálló kombinációjával rendelkeznek, és az ötvözetek lehetővé teszik a bennük rejlő lehetőségek maximalizálását. Milyen területeken folyik a fémek előállítása és felhasználása?
Egy elemcsoport jellemzője
A fémek alatt jellegzetes tulajdonságokkal rendelkező szervetlen vegyi anyagok összességét értjük. Ezek általában a következőket tartalmazzák:
- magas hővezető képesség;
- hajlékonyság, viszonylag könnyű megmunkálás;
- viszonylag magas olvadáspont;
- jó elektromos vezetőképesség;
- jellegzetes "fémes" csillogás;
- redukálószer szerepe a reakciókban;
- nagy sűrűségű.
Természetesen ennek a csoportnak nem minden eleme rendelkezik mindezekkel a tulajdonságokkal, például a higany szobahőmérsékleten folyékony, a gallium az emberi kéz hőjétől megolvad, a bizmut pedig aligha nevezhető műanyagnak. De általában ezek a tulajdonságok a fémek összességében nyomon követhetők.
Belső osztályozás
A fémeket feltételesen több kategóriába sorolják, amelyek mindegyike olyan elemeket egyesít, amelyek különböző paraméterekben a legközelebb állnak egymáshoz. A következő csoportokat különböztetjük meg:
- lúgos - 6;
- alkáliföld - 4;
- átmeneti - 38;
- light - 7;
- félfém - 7;
- lantanidák - 14+1;
- aktinidák - 14+1;
A csoportok közül még kettő van: berillium és magnézium. Így jelenleg az összes felfedezett elem közül 94 tudós tulajdonít a fémeknek.
Emellett érdemes megemlíteni, hogy vannak más besorolások is. Ezek szerint külön figyelembe veszik a nemesfémeket, a platinacsoportba tartozó fémeket, az átmenet utáni, a tűzálló, a vas- és a színesfémeket stb.. Ennek a megközelítésnek csak bizonyos célokra van értelme, így kényelmesebb az általánosan elfogadott osztályozás alkalmazása..
Átvételi előzmények
Az emberiség fejlődése során szorosan összekapcsolódott a fémek feldolgozásával és felhasználásával. Amellett, hogy a legelterjedtebb elemek, csak mechanikai megmunkálással lehetett belőlük különféle terméket készíteni. Mivel nem voltak jártasságok az ércekkel való munkához, eleinte csak a rögök használatáról volt szó. Eleinte puha fém volt, amely a rézkornak adta a nevét, amely felváltotta a követ. Ebben az időszakban fejlesztették ki a hidegkovácsolás módszerét. Egyes civilizációkban lehetővé vált az olvasztás. Fokozatosan az emberek elsajátították a színezéstfémek, például arany, ezüst, ón.
Később a bronzkor váltotta fel a rézkort. Körülbelül 20 évezredig tartott, és fordulópontot jelentett az emberiség számára, mivel ebben az időszakban vált lehetővé az ötvözetek beszerzése. Fokozatosan fejlődik a kohászat, javulnak a fémek előállítási módjai. Azonban a 13-12. időszámításunk előtt e. megtörtént az úgynevezett bronzomlás, amely a vaskor kezdetét jelentette. Ennek feltehetően az óntartalékok kimerülése volt az oka. Az akkoriban felfedezett ólom és higany pedig nem helyettesíthette a bronzot. Tehát az embereknek ki kellett fejleszteniük a fémek ércekből történő előállítását.
A következő időszak nem tartott sokáig – kevesebb mint egy évezredet, de fényes nyomot hagyott a történelemben. Annak ellenére, hogy a vasat jóval korábban ismerték, a bronzhoz viszonyított hiányosságai miatt szinte soha nem használták. Ráadásul az utóbbit sokkal könnyebben lehetett beszerezni, míg az érc olvasztása munkaigényesebb volt. Az a tény, hogy a natív vas meglehetősen ritka, így nem meglepő, hogy a bronz elhagyása ilyen lassú.
A fémkivonási készség jelentése
Hasonlóan ahhoz, ahogy az emberi ős először készített szerszámot úgy, hogy egy éles követ egy pálcikára kötött, az új anyagra való átállás is éppoly grandiózusnak bizonyult. A fémtermékek fő előnye az volt, hogy könnyebben elkészíthetők és javíthatók. A kőnek nincs plaszticitása és alakíthatósága, ígyminden fegyvert csak újra lehetett készíteni, javítani nem lehetett.
Így éppen a fémek használatára való áttérés vezetett a szerszámok további tökéletesítéséhez, új háztartási cikkek, dekorációk megjelenéséhez, amelyeket korábban lehetetlen volt elkészíteni. Mindez lendületet adott a technológiai fejlődésnek, és megalapozta a kohászat fejlődését.
Modern módszerek
Ha az ókorban az emberek csak a fémek ércekből történő kinyerését ismerték, vagy megelégedhettek a rögökkel, akkor manapság más módszerek is léteznek. A kémia fejlődésének köszönhetően váltak lehetővé. Így két fő irány jelent meg:
- Pirometallurgia. Fejlesztését korábban megkezdte, és az anyag feldolgozásához szükséges magas hőmérséklethez kapcsolódik. A modern technológia ezen a területen is lehetővé teszi a plazma használatát.
- Hidrometallurgia. Ez az irány az elemek kivonásával foglalkozik ércekből, hulladékokból, koncentrátumokból stb. víz és kémiai reagensek felhasználásával. Például rendkívül elterjedt a fémek elektrolízissel történő előállítását magában foglaló eljárás, és a karburálási módszer is meglehetősen népszerű.
Van még egy érdekes technológia. Ennek köszönhetően lehetővé vált a nagy tisztaságú és minimális veszteséggel járó nemesfémek beszerzése. Ez a finomításról szól. Ez a folyamat a finomítás egyik fajtája, vagyis a szennyeződések fokozatos leválasztása. Például az arany esetében az olvadék klórral való telítését alkalmazzák, és a platinát feloldjákásványi savak, majd reagensekkel történő izolálás.
A fémek elektrolízissel történő kinyerését egyébként leggyakrabban akkor alkalmazzák, ha az olvasztás vagy kinyerés gazdaságilag nem életképes. Pontosan ez történik az alumíniummal és a nátriummal. Vannak innovatívabb technológiák is, amelyek lehetővé teszik színesfémek kinyerését még meglehetősen szegény ércekből is jelentős költségek nélkül, de erről egy kicsit később fogunk beszélni.
Az ötvözetekről
Az ókorban ismert fémek többsége nem mindig felelt meg bizonyos igényeknek. Korrózió, elégtelen keménység, törékenység, törékenység, törékenység - minden elemnek a tiszta formájában megvannak a maga hátrányai. Ezért szükségessé vált olyan új anyagok felkutatása, amelyek egyesítik az ismertek előnyeit, vagyis meg kell találni a fémötvözetek előállítási módjait. Ma két fő módszer létezik:
- Önküldés. A kevert komponensek olvadékát lehűtik és kristályosítják. Ez a módszer tette lehetővé az első ötvözetminták megszerzését: bronz és sárgaréz.
- Lenyomás. A porkeveréket nagy nyomásnak vetik alá, majd szinterelik.
További fejlesztés
Az elmúlt évtizedekben a legígéretesebb a fémek biotechnológiás előállítása, elsősorban baktériumok segítségével. A szulfidos nyersanyagokból már lehetővé vált a réz, nikkel, cink, arany és urán kinyerése. A tudósok azt remélik, hogy összekapcsolják a mikroorganizmusokat olyan folyamatokkal, mint a kilúgozás, oxidáció, szorpció és kicsapódás. Ráadásul rendkívül fontosmélységi szennyvíztisztítás problémája, erre is próbálnak megoldást találni a baktériumok részvételével.
Alkalmazás
Fémek és ötvözetek nélkül lehetetlen lenne az élet abban a formában, ahogyan azt az emberiség most ismeri. Sokemeletes épületek, repülőgépek, edények, tükrök, elektromos készülékek, autók és még sok minden más csak annak köszönhető, hogy az emberek a kőből a rézbe, bronzba és vasba való távoli átmenetnek köszönhetőek.
Kivételes elektromos és hővezető képességük miatt a fémeket számos célra használják vezetékekben és kábelekben. Az aranyat nem oxidáló érintkezők készítésére használják. Szilárdságuk és keménységük miatt a fémeket széles körben használják az építőiparban és a legkülönfélébb szerkezetekben. Egy másik alkalmazási terület az instrumentális. Egy működő, például vágórész gyártásához gyakran használnak keményötvözeteket és speciális acélfajtákat. Végül, a nemesfémeket nagyra értékelik ékszeranyagként. Tehát rengeteg alkalmazás van.
Érdekes a fémek és ötvözetek
Ezeknek az elemeknek a használata annyira elterjedt és olyan hosszú múltra tekint vissza, hogy nem meglepő, hogy különféle furcsa helyzetek adódhatnak. Őket és csak néhány érdekességet kell a végére hozni:
- Az alumíniumot széles körű használata előtt nagyra értékelték. Ebből az anyagból készültek az evőeszközök, amelyeket III. Napóleon a vendégek fogadásakor használtaz uralkodó büszkesége.
- A platina név spanyolul „ezüstöt” jelent. Az elem a viszonylag magas olvadáspontja miatt kapott ilyen nem hízelgő nevet, és ezért hosszú ideig nem lehetett használni.
- A legtisztább formájában az arany puha és könnyen megkarcolható egy körömmel. Ezért ötvözik ezüsttel vagy rézzel, hogy ékszereket készítsenek.
- Vannak olyan ötvözetek, amelyek különleges tulajdonsága a termoelaszticitás, vagyis az alakmemória effektus. Amikor deformálódnak, majd felmelegítik, visszatérnek eredeti állapotukba.
