Metale 2011 Metale
advertisement
Metale 2011 Metale Żelazo (Iron, Ferrum) Rok odkrycia: Liczba atomowa Masa atomowa Twardość Brinella Gęstość Wytrzymałość na rozciąganie Moduł Younga starożytność 26 55,847 650 3 7870 kg/m 250 MPa 200 GPa Temperatura Curie Temperatura topnienia Temperatura wrzenia Zawartość w … Ziemia Skorupa ziemi Wszechświat 770°C 1538°C 2800°C 32,07 % 6,2 % 0,136 % Rezystywność 9,71⋅10 Ωm Człowiek 5⋅10 % 6 Konduktywność 10,3⋅10 S/m 6 2 Konfiguracja elektronowa [Ar] 3d 4s Współczynnik przewodzenia ciepła 80,3 W/(K⋅m) -4 K: 2, L: 8, M: 14, N: 2 Współczynnik rozszerzalności cieplnej 0,12⋅10 1/K -4 Współczynnik cieplny rezystancji 45⋅10 1/K 52 54 55 56 57 58 Główne izotopy: Fe (8,3 h); Fe (5,84 %, trwały); Fe (2,7 a); Fe (91,66 %, trwały); Fe (2,17 %, trwały); Fe 59 60 6 (0,33 %, trwały); Fe (54,5 d); Fe (1,5⋅10 a). Minerały: magnetyt FeO5·Fe2O; hematyt Fe2O3; limonit Fe2O3·nH2O; syderyt FeCO3; piryt(markasyt) FeS2; wiwianit Fe3(PO4)2·8H2O; chalkopiryt CuFeS2. -8 -3 Żeliwa Surówka – wyjściowy stop żelaza zawierający 3 .. 4,5 % węgla – otrzymuje się metodą wielkopiecową. Żeliwo – to przetopiona po raz drugi surówka ze złomem żeliwnym lub stalowym wraz z dodatkami (żelazokrzem, żelazomangan). Węgiel może występować w postaci grafitu lub węglika żelaza Fe3C, czyli cementytu. Żeliwo szare – (przewaga grafitu) – dobre właściwości odlewnicze, dobra obrabialność. Żeliwo białe – (przewaga cementytu) – twarde, kruche, trudno obrabialne. Żeliwo modyfikowane – żeliwo z dodatkiem krzemu, aluminium, żelazokrzemu, magnezu, miedzi lub niklu. Żeliwo ciągliwe – otrzymywane przez długie wyżarzanie, poprzez co otrzymuje właściwości podobne do właściwości stali. Stale i staliwa Stal – stop o zawartości węgla mniejszej niż 2 % . Otrzymuje się przez wypalanie węgla z surówki (świeżenie) w konwertorach Bessemera i Thomasa oraz piecach Simens-Martina (stal martenowska). Wyższe gatunki stali podlegają dalszej obróbce w piecach elektrycznych lub tyglowych. Stal węglowa – głównym składnikiem domieszek jest węgiel. Stal stopowa – oprócz węgla są inne domieszki: Nikiel – polepsza własności hartowania; Chrom – zwiększa twardość; Mangan – daje większą wytrzymałość na rozciąganie; Wolfram – daje drobnoziarnistość, twardość, odporność; Molibden – zwiększa głębokość hartowania, zmniejsza kruchość, daje odporność na odpuszczanie; Wanad – sprzyja drobnoziarnistości, zwiększa twardość, polepsz ostrość podczas ostrzenia; Kobalt – w stalach szybkotnących zwiększa twardość; 1 Metale 2011 Krzem – stosowany w stalach resorowych i sprężynowych, zmniejsza straty mocy podczas przemagnesowania. Staliwo to stal o niskiej zawartości węgla (0,1 .. 0,6 %). Stale dzielą się na konstrukcyjne, narzędziowe i specjalne. Żelazo (Fe) Srebrzystobiałe żelazo jest bezwzględnie najważniejszym pierwiastkiem metalicznym cywilizacji. Znane było już w czasach prehistorycznych. Najwcześniejsze ślady wykorzystywania żelaza, datowane na 4000 r. p.n.e., znaleziono w Egipcie. Jest względnie miękkim, ciągliwym i kowalnym metalem przejściowym. Występuje w trzech odmianach alotropowych. Jest dość reaktywne, ale różnie reaguje z różnym pierwiastkami (z większością z nich dopiero po podgrzaniu). w zależności od temperatury i stężenia substratów tworzą się różne produkty. Lite żelazo, w temperaturach pokojowych, nie ulega reakcji w suchym powietrzu oraz w wolnej od dwutlenku węgla i powietrza wodzie. z tlenem utlenia się w suchym powietrzu w temp. 150°C. w temperaturze poniżej 200°C reaguje tylko z fluorowcami. Suchy chlor nie reaguje z żelazem, dlatego też metal ten służy do jego transportu. w wysokich temperaturach pierwiastek ten absorbuje wodór i azot. Ruguje inne, szlachetniejsze metale i wodór z ich roztworów. Para wodna rozkłada się na tlenek żelaza (Fe3O4) i wodór w temperaturze 500°C. Metal ten pokrywa się (jak wiele innych metali) chroniącą warstewką tlenków (pasywacja). Rozpuszcza się w kwasach rozcieńczonych. Ważną cechą żelaza jest proces rdzewienia. Polega ono na tworzeniu w wilgotnym powietrzu uwodnionego tlenku żelaza (ll) (FeO(OH)). Aby zaszła ta reakcja musi być dostarczony tlen, woda i elektrolit. w wodzie, która nie zawiera powietrza żelazo nie rdzewieje. Proces ten znacznie przyspiesza, zwłaszcza na terenach przemysłowych, obecność w powietrzu dwutlenku siarki (SO2), a co za tym idzie kwasów siarkowych. Zapobiec rdzewieniu można poprzez pokrywanie farbą, pokrywanie mniej szlachetnymi metalami (cynkowanie), które będąc anodą same korodują, stosowanie inhibitorów (fosforany żelaza) czy emaliowanie. Żelazo jest ferromagnetykiem o temperaturze Curie około 800°C. Nazwa pochodzi od łacińskiego słowa firmus, które oznacza coś silnego. Nazwa polska wywodzi się z sanskrytu (galga, nazwa rud i metali). Występowanie: Zawartość w skorupie ziemskiej żelaza wynosi około 6% wagowych i zajmuje ono czwarte miejsce pod względem występowania wśród wszystkich pierwiastków, a drugie po glinie wśród metali. Jest także najbardziej rozpowszechnionym metalem ciężkim. w stanie wolnym występuje na Ziemi bardzo rzadko (północna Grenlandia). Jest częstym składnikiem meteorów. Tworzy wiele rud, z których najważniejsze to tlenki (magnetyt) i węglany. Występują one w mniejszym lub większym stopniu na całej planecie. Żelazo jest także ważnym składnikiem tkanek organizmów. Otrzymywanie: Metal ten otrzymuje się w wyniku tzw. procesu wielkopiecowego, w którym tlenek żelaza redukuje się koksem. Węgiel jest jednocześnie paliwem, reduktorem oraz wchodzi w skład otrzymywanej surówki zmieniając jej właściwości. Czyste żelazo otrzymuje się dzięki redukcji tlenku żelaza wodorem lub dzięki elektrolizie czystych roztworów chlorku żelaza (ll) (FeCI2). Wykorzystanie: Czyste żelazo ma niewielkie zastosowanie. Używa się go głównie, jako rdzeni elektromagnesów (pętla histerezy jest węższa im żelazo jest czystsze). Dopiero po dodaniu węgla i innych pierwiastków (mangan, krzem, fosfor, siarka, nikiel, wanad i inne), w znacznym stopniu zmieniają się właściwości stopu. Nikiel daje stali ciągliwość i mały współczynnik rozszerzalności cieplnej, molibden wytrzymałość na zerwanie, mangan - twardość, chrom i wolfram - wielką twardość nawet w dużych temperaturach, wanad - nierdzewność, a stal z krzemem wykazuje się dużą kwasoodpornością. W organizmach zwierzęcych żelazo pełni bardzo ważną rolę w transporcie gazów. Będąc składnikiem hemoglobiny służy do wiązania tlenu i transportuje go we krwi. Brak żelaza powoduje ogólne 2 Metale 2011 osłabienie organizmu człowieka i chorobę zwaną anemią. U roślin pierwiastek ten pełni ważną rolę transportując tlen w procesie fotosyntezy. Związki żelaza występują bardzo szeroko, często mają one ciekawe barwy. Pierwiastek ten występuje w wielu stopniach utlenienia (od -2 do +6), najczęściej spotykane są stopnie +2 i +3. Tlenek żelaza (lll) (Fe2O3) wykorzystywany jest m.in. do polerowania, jako czerwony pigment (czerwień wenecka) i jako substancja magnetyczna w taśmach i dyskach magnetycznych. Czarny, ferromagnetyczny, przewodzący prąd magnetyt (Fe3O4) jest mieszaniną tlenków żelaza (ll) i żelaza (lll). Siarczek żelaza(ll) służy do produkcji siarkowodoru. Jony żelaza tworzą kompleksy z cyjankami, które używane są, jako niebieskie pigmenty (błękit pruski i błękit Turnbulla). 3 Metale 2011 Miedź (Copper, Cuprum) Rok odkrycia: Liczba atomowa Masa atomowa Twardość Brinella Gęstość Wytrzymałość na rozciąganie Moduł Younga starożytność 29 63,546 400 3 8950 kg/m 200 MPa 130 GPa Temperatura Curie diamagnetyk Temperatura topnienia Temperatura wrzenia Zawartość w … Ziemia Skorupa ziemi 1085 °C 2570 °C Wszechświat Człowiek -5 8,85⋅10 % -4 4⋅10 % Rezystywność 1,71⋅10 Ωm 6 Konduktywność 58,48⋅10 S/m 10 1 Konfiguracja elektronowa [Ar] 3d 4s Współczynnik przewodzenia ciepła 401,0 W/(K⋅m) -4 K: 2, L: 8, M: 18, N: 1 Współczynnik rozszerzalności cieplnej 0,162⋅10 1/K -4 Współczynnik cieplny rezystancji 39⋅10 1/K 61 62 63 64 65 67 Główne izotopy: Cu (3,4 h); Cu (9,7 min); Cu = 69,1 % (trwały); Cu (12,7 h); Cu = 30,9 % (trwały); Cu (2,6 d). Minerały: chalkopiryt CuFeS2; chalkozyn Cu2S; bornit Cu5FeS4; kowelin CuS; kupryt Cu2O; malachit Cu2(OH)2CO3; azuryt Cu3(OH)2(CO3)2. -8 Miedź (Cu) Miedź znana była już w czasach prehistorycznych, prawdopodobnie była pierwszym metalem, jaki wykorzystywali ludzie. Samorodków tego metalu używano do robienia grotów broni. Łacińska nazwa miedzi cuprum pochodzi od nazwy wyspy Cypr, gdzie eksploatowano ten pierwiastek już w starożytności. Miedź jest brązowo-czerwonym, średniotwardym, kowalnym i ciągliwym metalem przejściowym. Jest doskonałym przewodnikiem ciepła i elektryczności, ustępuje jedynie srebru. Jej własności fizyczne zależą w dużej mierze od zawartości tlenu i technologii produkcji. Domieszki pogarszają jej przewodnictwo, lecz zwiększają wytrzymałość. Wykazuje, jako metal półszlachetny, dużą odporność na korozję. Pod wpływem tlenu atmosferycznego pokrywa się chroniącą warstwą tlenku. Reaguje z fluorowcami, wilgotnymi fluorowcowodorami, siarką i dwutlenkiem siarki. w wyniku działania substancji zawartych w atmosferze, pokrywa się charakterystyczną zielonkawą patyną będącą mieszaniną zasadowego węglanu (CuCO3(OH)2), siarczanu (VI) miedzi (CuSO4(OH)6) oraz chlorku miedzi(II) (CuCl2). Kwasy nieutleniające atakują miedź tylko w obecności powietrza. Szybko rozpuszcza się w stężonym kwasie siarkowym i azotowym. Miedź i jej związki są zabójcze dla wielu mikroorganizmów. Występowanie: Występuje głównie w postaci siarczków, czasem tlenków. Sporadycznie spotyka się grudki czystego metalu (około 1% ogólnej ilości miedzi) głównie na terenach Ameryki Północnej (Jezioro Górne, USA). Znajdowano tam bryły miedzi o wadze dochodzącej nawet kilkudziesięciu ton. Najważniejsze złoża miedzi występują w Chile, USA, Rosji, Polsce i niektórych państwach afrykańskich. w wierzchniej warstwie skorupy ziemskiej (litosfera, hydrosfera, atmosfera) zajmuje pod względem występowania ok. 24 miejsca (procenty wagowe). Otrzymywanie: Produkcja miedzi jest skomplikowanym i dość kosztownym procesem. Głównym jej źródłem są siarczki, które metodami termicznymi i reakcjami redoks doprowadza się do tlenku miedzi, rozkładanego potem termicznie z wydzieleniem tzw. miedzi czarnej. Miedź taką można następnie rafinować dwoma metodami: suchą (stopienie miedzi i utlenienie zanieczyszczeń przy użyciu drewna) i mokrą, gdzie bardzo czystą miedź uzyskuje się dzięki elektrolizie. Ta ostatnia metoda, mimo że droższa, pozwala na odzysk szlachetnych domieszek, występujących w rudzie miedzi (srebro, złoto, platynowce). z powodu wysokich kosztów produkcji część miedzi jest na powrót odzyskiwana 4 Metale 2011 z odpadów. Rosnące zapotrzebowanie na ten metal powoduje powstawanie coraz to nowych metod pozwalających na ekonomiczne wykorzystywanie coraz mniej zasobnych złóż. Istnieje nawet metoda wykorzystywania drobnoustrojów do wzbogacania rud tego pierwiastka. Wykorzystanie: Miedź jest obecnie, obok żelaza i aluminium, jednym z najważniejszych metali używanych przez człowieka. Używa się jej głównie w elektrotechnice, choć zastępuje ją powoli aluminium. Duże przewodnictwo cieplne miedzi znalazło zastosowanie przy produkcji elementów grzejnych i wymienników ciepła. Odporność na korozję wykorzystuje się m.in. na morzu, w budownictwie i przemyśle. Metal ten jest także ważnym katalizatorem. Stopy miedzi znane były od tysiącleci. Najważniejsze z nich to brązy - stopy miedzi z cyną. Zawartość cyny waha się w nich od kilku do około 25 procent. Im większa jest zawartość cyny, tym brąz jest twardszy i wytrzymalszy. Brązy o zawartości cyny do 10% są jeszcze kowalne. Brąz, z którego produkuje się dzwony, zawiera około 25% cyny. Dodawanie niewielkich ilości innych pierwiastków znacznie zmienia właściwości brązu np. fosfor (0,3%) znacznie zwiększa ciągliwość (brąz fosforowy), a dodanie kilku procent krzemu znacznie zwiększa wytrzymałość stopu przy stosunkowo niewielkim wzroście oporności (produkcja styków elektrycznych). Stopy miedzi z cynkiem to tzw. mosiądze. Dzieli się je na kilka rodzajów w zależności od zawartości cynku. Mosiądz czerwony o zawartości cynku 5÷20% cechuje się znaczną ciągliwością i odpornością chemiczną. Mosiądz żółty (20÷% cynku) jest bardziej trwały i twardszy od czerwonego. Kruchy mosiądz biały (>50% cynku) znalazł zastosowanie, jako formy odlewnicze. Inne stopy miedzi to np. jednocześnie wytrzymały i ciągliwy stop z glinem (5÷10% Al), czy też bardzo odporny chemicznie i wytrzymały stop Monela (70% Ni i 30% Cu). Popularny konstantan jest stopem miedzi z niklem (40% Ni) i dzięki dużemu oporowi właściwemu, praktycznie niezależnemu od temperatury, stosowany jest w elektrotechnice. Związki miedzi są szeroko stosowane w różnych dziedzinach. Cyjanki tego metalu są ważnymi katalizatorami organicznymi. Związki kompleksowe miedzi używane są m.in. przy przetwarzaniu ropy naftowej. Związki miedzi(III) stosowane są, jako utleniacze. Roztwór siarczanu (VI) miedzi (II) (CuSO4) jest środkiem grzybobójczym. Wodorotlenek miedzi(II) (Cu(OH)2) ma właściwości rozpuszczania celulozy, którą można później wytrącić w postaci nitek tzw. jedwabiu miedziowego. Tlenek miedzi (I) (Cu2O), ze względu na własności trujące dla niektórych organizmów, jest używany, jako składnik farby do pokrywania dna statków. Utrudnia to przyczepianie się do niego wodorostów. Tlenek ten jest także stosowany w chemii analitycznej (wykrywanie reduktorów organicznych). 5 Metale 2011 Glin (Aluminium, Aluminium) Rok odkrycia: Liczba atomowa Masa atomowa Twardość Brinella Gęstość Wytrzymałość na rozciąganie Moduł Younga 1825 13 26,9815 180 3 2700 kg/m 64 MPa 71 GPa Temperatura Curie Temperatura topnienia Temperatura wrzenia Zawartość w … Ziemia Skorupa ziemi Wszechświat Człowiek paramagnetyk 660,3 °C 2520 °C 1,41 % 8,3 % -3 6,2⋅10 % -5 5⋅10 % Rezystywność 2,711⋅10 Ωm 6 Konduktywność 36,887⋅10 S/m 2 1 Konfiguracja elektronowa [Ne] 3s 3p Współczynnik przewodzenia ciepła 237,0 W/(K⋅m) -4 K: 2, L: 8, M: 3 Współczynnik rozszerzalności cieplnej 0,224⋅10 1/K -4 Współczynnik cieplny rezystancji 39⋅10 1/K 26 3 27 28 Główne izotopy: Al (730⋅10 a); Al = 100 % (trwały); Al (2,3 min). Minerały: boksyt AlO(OH); hydrargilit Al(OH)3; kriolit Na3AlF6; skaleń potasowy (ortoklaz) K(AlSi3O8); skaleń sodowy (albit) Na(AlSi3O8); anoryt Ca(Al2Si2O8); muskowit KAl2(AlSi3O10)(OH,F)2; biotyt K(Mg,Fe)3(AlSi3O10)(OH,F)2; kaoilin (kaolinit, glina) Al2O3·2SiO2·2H2O; korund (szmergiel) Al2O3. -8 Glin (Al) Ten lekki, srebrzystobiały metal o ciężarze około 1/3 ciężaru żelaza jest najbardziej rozpowszechnionym metalem na kuli ziemskiej. Pełni największą rolę w przemyśle ze wszystkich lekkich metali. Po raz pierwszy wyizolowany został w 1825 r. przez duńskiego chemika Hansa Christiana Oersteda w procesie ulepszonym później przez niemieckiego chemika Fryderyka Woehlera. Czystą postać tego metalu uzyskał w 1855 r. francuski uczony Henri Sainte-Claire Deville. Wykonał on pierwszy przedmiot z tego metalu - grzechotkę dla syna Napoleona III. Czysty glin był wówczas tak cenny jak złoto. Glin należy do bardzo reaktywnych pierwiastków. Na powietrzu pokrywa się natychmiast ochronną warstwą tlenków. Jest silnym reduktorem. Tlenek glinu jest amfoteryczny, przejawia właściwości zarówno tlenków kwasowych jak i zasadowych (zależy to od środowiska reakcji). Pierwiastek ten jest bardzo dobrym przewodnikiem ciepła i elektryczności. w temperaturach bliskich zeru bezwzględnemu wykazuje własności nadprzewodzące. Ma relatywnie duże ciepło topnienia. Jest łatwo ciągliwy i można go rozdrobnić na proszek. Jego nazwa pochodzi od łacińskiego słowa alumen oznaczającego ałun glinowo-potasowy. Występowanie: Aluminium jest najbardziej rozpowszechnionym metalem w skorupie ziemskiej. Wyprzedzają go jedynie tlen i krzem. Nie występuje w postaci wolnego metalu. Najczęściej tworzy krzemiany zmieszane z krzemianami innych metali, lecz trudno wyizolować go z tych związków. Wydobywa się go najczęściej w postaci uwodnionego tlenku i jego pochodnych. Otrzymywanie: Dawniej otrzymywano glin poprzez redukcję chlorku glinu potasem. Od roku 1886 r. uzyskuje się go poprzez elektrolizę tlenku glinu rozpuszczonego w stopionym kriolicie. Cały proces składa się z dwóch części: otrzymania czystego tlenku glinu, a następnie jego elektrolizy. Wykorzystanie: Lekkość i wytrzymałość aluminium sprawia, że pierwiastek ten używany jest do budowy elementów konstrukcyjnych wszędzie tam, gdzie wymagana jest szybkość i lekkość (samoloty, wagony i samochody). Ze względu na dużą przewodność cieplną jest wykorzystywany do budowy tłoków silników spalinowych. Używa się go do wyrobu przedmiotów gospodarstwa domowego. Lekkość glinu wykorzystywana jest w transmisji energii elektrycznej. Długie, wiszące aluminiowe kable są o wiele lżejsze od porównywalnych pod względem przewodności, kabli miedzianych. Pierwiastek ten 6 Metale 2011 wykorzystywany jest także w architekturze, w przemyśle spożywczym, jako folia aluminiowa czy materiał do produkcji opakowań (puszki). Odporność aluminium na korozyjne działanie wody morskiej znalazła zastosowanie przy budowie kadłubów statków oraz innych podwodnych urządzeń. Niewielkie pochłanianie neutronów przez ten pierwiastek wykorzystywane jest w reaktorach niskotemperaturowych. Ze względu na wytrzymałość, której nie utrzymują w niskich temperaturach inne materiały, używany jest w technice kriogenicznej. w technice wojskowej wzrasta jego rola, jako materiału do budowy pancerzy i powłok ochronnych. We wszystkich tych dziedzinach wykorzystuje się przede wszystkim stopy glinu z innymi metalami. 7 Metale 2011 Srebro (Silver, Argentum) Rok odkrycia: Liczba atomowa Masa atomowa Twardość Brinella Gęstość Wytrzymałość na rozciąganie Moduł Younga starożytność 47 107,8682 250 3 10490 kg/m 140 MPa 74 GPa Temperatura Curie Temperatura topnienia Temperatura wrzenia Zawartość w … Ziemia Skorupa ziemi Wszechświat Człowiek diamagnetyk 962,0 °C 2155 °C -% -% -7 1,6⋅10 % -% Rezystywność 1,617⋅10 Ωm 6 Konduktywność 61,843⋅10 S/m 10 1 Konfiguracja elektronowa [Kr] 4d 5s Współczynnik przewodzenia ciepła 429,0 W/(K⋅m) -4 K: 2, L: 8, M: 18, N: 18, O: 1 Współczynnik rozszerzalności cieplnej 0,189⋅10 1/K -4 Współczynnik cieplny rezystancji 43⋅10 1/K 105 105m 106m 107 108 108m Główne izotopy: Ag (41,3 d); Ag (7,2 min.); Ag (8,4 d); Ag = 51,8 % (trwały); Ag (2,4 min.); Ag 109 109m 110 110m 111 (130,0 a); Ag = 48,2 % (trwały); Ag (39,8 s); Ag (24,6 s); Ag (249,8 d); Ag (7,47 d). Minerały: argentyt Ag2S; pirargiryt Ag3SbS3; prustyt Ag3AsS3; chlorargiryt AgCl. -8 Srebro (Ag) Srebro jest białym lśniącym metalem przejściowym o przewodności cieplnej i elektrycznej lepszej niż jakikolwiek inny metal. Ten wartościowy i piękny metal znany był już w starożytności. Pierwsze udokumentowane ślady wydobywania srebra pochodzą z Azji Mniejszej z 2500 r. p.n.e. Alchemicy nazywali ten metal Luną lub Dianą i przyporządkowali mu symbol sierpa księżyca. Srebro, pod względem kowalności i plastyczności, ustępuje jedynie złotu. Jest twardsze niż złoto, lecz bardziej miękkie niż miedź. Pierwiastek ten nie jest aktywny chemicznie. Jest nierozpuszczalny w rozcieńczonych kwasach i w alkaliach, lecz rozpuszcza się w stężonym kwasie siarkowym(VI) i azotowym(V). w normalnych temperaturach z wodą i tlenem nie reaguje. Siarka i siarczki atakują srebro i niszczą jego powierzchnię tworząc siarczek srebra (Ag2S). Przekonać się o tym mogą ci, którzy używają srebrnych łyżeczek do jedzenia jajek (żółtko jaj zawiera duże ilości siarki). Powstający czarny siarczek srebra jest jedną z najbardziej nierozpuszczalnych soli i dlatego reakcja z siarką wykorzystywana jest w chemii analitycznej do oznaczania ilości jonów srebra. Nazwa łacińska pochodzi od słowa argentum, które wywodzi się z sanskryckiego agranta (jasny, biały). Występowanie: Srebro występuje najczęściej w postaci związków razem z rudami ołowiu, miedzi, cynku i złota. Jako czysty metal spotyka się je dość rzadko. Najbardziej znane, eksploatowane od wieków złoża, występują w Peru i Norwegii. Srebro można spotkać w również jako naturalny stop ze złotem nazywany elektrum. Pod względem występowania w wierzchniej warstwie skorupy ziemskiej (litosfera, hydrosfera, atmosfera) zajmuje ok. 71 miejsca (procenty wagowe). Otrzymywanie: Metalurgia srebra polega głównie na przekształceniu w wysokiej temperaturze siarczków srebra w siarczany, a następnie redukcji i wytrąceniu metalicznego srebra. Jedną z metod wyizolowywania srebra jest metoda amalgamatu. Do rudy, która zawiera ten metal, dodaje się rtęć, która tworzy ze srebrem amalgamat. Amalgamat ten jest następnie wydzielany, a czyste srebro otrzymywane jest drogą destylacji. Inną metodą ekstrakcji metalicznego srebra jest tzw. metoda liksydacyjna, w której zawarty w rudzie pierwiastek rozpuszcza się w soli np. cyjanku sodu (NaCN), a następnie wydziela na powierzchni metalicznego cynku lub glinu. z rud miedzi i ołowiu srebro izoluje się, wykorzystując proces Parkera. Srebro techniczne otrzymuje się najczęściej metodami elektrolitycznymi. Wykorzystanie: 8 Metale 2011 Powszechnie znanym wykorzystaniem srebra jest użycie go w wyrobach jubilerskich. Metal ten zwykle stapia się z innymi w celu zwiększenia twardości i wytrzymałości stopu. Srebro wykorzystywane jest również, jako warstwa odbijająca w niektórych lustrach. Ze względu na mały opór elektryczny używane jest w przemyśle elektrotechnicznym. Niektóre związki tego pierwiastka są stosowane są, jako środki antyseptyczne i bakteriobójcze. Ciemniejące na świetle związki srebra z fluorowcami używane są do produkcji błon światłoczułych. Rozpuszczają się one w tiosiarczanie sodu (Na2S2O3), który pełni rolę utrwalacza. 9 Metale 2011 Złoto (Gold, Aurum) Rok odkrycia: Liczba atomowa Masa atomowa Twardość Brinella Gęstość Wytrzymałość na rozciąganie Moduł Younga starożytność 79 196,96654 180 3 19280 kg/m 130 MPa 79 GPa Temperatura Curie Temperatura topnienia Temperatura wrzenia Zawartość w … Ziemia Skorupa ziemi Wszechświat Człowiek diamagnetyk 1064 °C 2800 °C -% -% -7 1,0⋅10 % -% Rezystywność 2,234⋅10 Ωm 6 Konduktywność 44,763⋅10 S/m 14 10 1 Konfiguracja elektronowa [Xe] 4f 5d 6s Współczynnik przewodzenia ciepła 317,0 W/(K⋅m) -4 K: 2, L: 8, M: 18, N: 32, O: 18, P: 1 Współczynnik rozszerzalności cieplnej 0,142⋅10 1/K -4 Współczynnik cieplny rezystancji 39,6⋅10 1/K 194 195 195 196 197 198 Główne izotopy: Au (1,6 d); Au (186,1 d); mAu (30,5 s); Au (6,2 d); Au = 100 % (trwały); Au (2,7 199 d); Au (3,14 d). Minerały: kawaleryt AuTe2. -8 Złoto (Au) Cywilizacja ludzka zna ten połyskliwy metal już od około 3000 r. p.n.e. Złoto jest miękkim, jasnożółtym metalem przejściowym. Niczym niezanieczyszczone, jest najbardziej miękkie, kowalne i ciągliwe ze wszystkich metali. Bardzo łatwo rozbija się je na super cienkie metaliczne błony i można z niego formować bardzo cienkie druty. Udaje się osiągać błony o grubości 0,00001 cm, a około 30 g złota rozciągnięto w drut o długości około 100 km. Jest doskonałym przewodnikiem ciepła i elektryczności. Metal ten jest praktycznie obojętny na działanie zwykłych substancji. Rozpuszcza się w wodzie królewskiej, w chlorkach, bromkach i niektórych jodkach. Symbol złota pochodzi od łacińskiego słowa aurora (jutrzenka, zorza poranna). Występowanie: Złoto występuje w naturze w postaci zarówno czystego metalu jak i związków. Najczęściej spotyka się je w osadach aluwialnych razem ze srebrem. Czasem tworzy z nim naturalny stop zwany elektrum. Złoto w związkach można spotkać w rudach telluru, ołowiu, antymonu, siarki i rtęci. Czasem, wraz ze srebrem, towarzyszy pirytom (siarczkom żelaza). Wody oceanów zawierają duże ilości rozrzedzonego złota (ok. 9 miliardów ton). Otrzymywanie: Najprostszym i głównym sposobem pozyskiwania złota jest wypłukiwanie czystego metalu z osadów. Metoda ta sprawdza się z powodzeniem tak w przypadku zwykłej patelni poszukiwacza złota jak i potężnych nowoczesnych kopalń. Umiejętnie kierowana woda unosi ze sobą piasek i inny bezwartościowy materiał pozostawiając w zagłębieniach cięższe złoto. Inną metodą pozyskiwania tego pierwiastka ze złotonośnego materiału jest przepłukiwanie substancjami go rozpuszczającymi: rtęcią i cyjankami. Opłaca się wydobywać złoto, gdy stosunek jego zawartości do zawartości bezwartościowego materiału wynosi 1÷300000. Wielką rzadkością są tzw. samorodki złota, będące bryłkami czystego metalu naturalnego pochodzenia. Największy znany samorodek tego metalu odkryto w okolicy miasta Victoria w Australii w 1869 roku. Leżał on tuż przy powierzchni i został przypadkowo odsłonięty przez koło wozu. Nazwano go "Mile widzianym przybyszem" (Welcome Stranger). Ważył podobno około 71 kg. Państwa będące liderami w produkcji złota to przede wszystkim RPA, USA, Rosja, Australia, Kanada, Chiny i Brazylia. Wykorzystanie: Od czasów prehistorycznych złoto, z racji swego pięknego połysku, koloru, odporności chemicznej, było wartościowym metalem. Ważną cechą była względnie łatwa, w porównaniu do innych metali, 10 Metale 2011 obrabialność i łatwość oczyszczania. Względna rzadkość występowania złota spowodowała, że pierwiastek ten od tysiącleci jest podstawą pieniądza. Znaczne ilości stopów złota z innymi metalami wykorzystywane są w jubilerstwie i do produkcji monet (czyste złoto nie nadaje się do produkcji monet ze względu na miękkość). Zawartość kruszcu w takich stopach wyrażana jest w karatach. Karat ma dwie definicje. Pierwsza to jednostka wagi używana w jubilerstwie - równa 0,2 g; druga, to miara zawartości szlachetnego metalu w stopie. Mówiąc, że złoto jest np. dwudziestokaratowe mamy na myśli to, że w 24 jednostkach masy stopu zawartych jest 20 jednostek masy czystego złota. Tak zwany stop złota pierwszej próby ma 23 karaty. Drugiej próbie odpowiadają 18 karatów, a stop próby trzeciej jest stopem czternastokaratowym. Czyste złoto jest oczywiście dwudziestoczterokaratowe. Złoto używane do produkcji monet zawiera zwykle 10% srebra. Obecność innych metali zmienia nieznacznie barwę stopu: zielonkawą daje miedź i srebro zaś białe złoto otrzymuje się stapiając je z cynkiem, niklem lub platyną. Metal ten wykorzystuje się także do uzyskania specyficznych barwników. Rozdrobnione złoto daje szkłu czerwonawe zabarwienie. Złoto używane jest również w dentystyce oraz jako promieniotwórczy izotop, w medycynie, do leczenia raka (znacznik izotopowy). 11 Metale 2011 Porównanie własności wybranych wybranyc metali: 70 59,59 Konduktywność [MS/m] (przewodność właściwa) 60 45,17 50 37,67 40 30 18,94 20 16,95 14,43 10,41 8,70 8,00 10 0 25 Srebro Miedź Złoto Glin Wolfram Cynk Nikiel Żelazo Cyna Ag Cu Au Al W Zn Ni Fe Sn 22,56 21,45 19,3 20 Gęstość [kg/m3] (masa właściwa) 19,28 15 11,34 10,5 10 8,93 8,91 7,87 5 2,7 0 Iryd Platyna Wolfram Złoto Ołów Srebro Miedź Nikiel Żelazo Glin Ir Pt W Au Pb Ag Cu Ni Fe Al 3 687,2 4000 3500 3000 Temperatura topnienia [K] i [° [°C] 3 414,0 2500 1 811,2 2000 1500 933,5 1000 500 4,2 14,1 234,3 505,1 231,9 660,3 1 234,9 1 337,3 1 357,8 1 538,0 961,8 1 064,2 1 084,6 0 -500 -268,9 -259,1 -38,8 38,8 Hel Wodór Rtęć Cyna Glin Srebro Złoto Miedź Żelazo Wolfram He H Hg Sn Al Ag Au Cu Fe W 12 Metale 2011 Zadania: Zadanie 1 Z m=1 kg miedzi (aluminium, żelaza) wykonano drut o średnicy d=1 mm.. Obliczyć rezystancję otrzymanego drutu. Dane: m=1 kg, d=1 mm = 0,001 m, σCu=8950 kg/m3, σAl=2700 kg/m3, σFe=7870 kg/m3, γCu=58,48⋅106 S/m, γAl=36,887⋅106 S/m, γFe=10,3⋅106 S/m. Szukane: RCu=?, RAl=?, RFe=? Rozwiązanie: W celu obliczenia rezystancji otrzymanych odcinków drutu, najpierw należy obliczyć: przekrój, objętość, długość a dopiero później rezystancję: ଶ 3,14 · 0,001ଶ 7,854 · 10ି ଶ 4 4 Odpowiedź: 1 1,1173 · 10ିସ ଷ 8950 1,1173 · 10ିସ 142,26 7,854 · 10ି 142,26 3,0973 Ω 58,48⋅10 · 7,854 · 10ି Wyniki obliczeń dla miedzi, aluminium i żelaza przedstawia poniższa tabela. tabel Metal Miedź Aluminium Żelazo Przekrój [mm2] 0,7854 Objętość [10-4 m3] 1,1173 1 3,7037 3,31 1,2706 1,14 Objętość 8 Długość Rezystancja [Ω] 3,0973 1 16,2772 5,26 19,9989 6,46 Rezystancja 6,46 5,26 6 3,31 4 2 Długość [m] 142,26 1 471,57 3,8 161,78 1,3 1 1 3,8 1,14 1 1,3 0 Cu Al Fe Zadanie 2 Jakie jest natężenie prądu wywołanego przepływem n=6,242⋅1017 elektronów w ciągu t=1 s? Dane: x=6,242⋅1017, t=1 =1 s, e=1,602⋅10-19 C. Szukane: I=? Rozwiązanie: W celu obliczenia prądu posługujemy się wzorem definiującym natężenie prądu w zależności od czasu i ładunku: · 1,602 · 10ିଵଽ · 6,242 · 10ଵ 0,01 1 Szukane natężenie prądu wynosi I=0,01 A. Odpowiedź: 13 Metale 2011 Zadanie 3 Przez przewód o przekroju S=5 mm2 przepływa x=1020 elektronów w ciągu sekundy. Jaka jest wartość gęstości i natężenia prądu? Dane: n=1⋅1020, t=1 s, e=1,602⋅10-19 C, S=5 mm2 = 5⋅10-6 m2. Szukane: j=?, I=? Rozwiązanie: Korzystamy z definicji gęstości prądu: ∙ 1,602 ∙ 10ିଵଽ ∙ 1 ∙ 10ଶ = = = = 3,2 ∙ 10 ଶ = 3,2 ଶ = 3,2 ି 1 ∙ 5 ∙ 10 ∙ ଶ = ∙ = 3,2 ∙ 5 = 16 Odpowiedź: Gęstość prądu wynosi j=3,2 A/mm2, natężenie prądu I=16 A. Zadanie 4 Obliczyć prędkość przemieszczania się elektronów podczas przepływu prądu o natężeniu I=12 A w przewodzie miedzianym o przekroju S=1,5 mm2. I=12 A, S=1,5 mm2 = 1,5⋅10-6 m2, e=1,602⋅10-19 C, na=8,5⋅1028 1/m3, x=0,25. Dane: v=? Szukane: Rozwiązanie: Korzystamy z definicji natężenia prądu i po prostych przekształceniach otrzymujemy zależność na prędkość poruszania się elektronów. ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ = = = = = ∙ ∙ ∙ ! = " ∙ = ∙ ∙ ! != → = ∙ ∙ ! ∙ W powyższych wzorach: I, j - natężenie prądu w [A], gęstość prądu w [A/m2]; q - ładunek elektryczny przenoszony przez prąd w [C]; t - czas w [s]; n - liczba elektronów; na, ne - liczba atomów i swobodnych elektronów w jednostce objętości [1/m3]; x - względna liczba swobodnych elektronów przypadająca na atom; V, S, l - objętość, przekrój i długość przewodu [m3, m2, m]; v - prędkość elektronów w [m/s]. Dane z zadania podstawiamy do powyższych wzorów i otrzymujemy: = 12 = = 8 ∙ 10 = 8 ଶ ି 1,5 ∙ 10 = " ∙ = 0,25 ∙ 8,5 ∙ 10ଶ଼ = 2,125 ∙ 10ଶ଼ 14 Metale 2011 ! Odpowiedź: 8 · 10 0,00235 · 2,125 · 10ଶ଼ · 1,602 · 10ିଵଽ % Prędkość poruszania ruszania się elektronów w przewodzie wynosi v=0,00235 =0,00235 m/s co odpowiada v=2,35 =2,35 mm/s. Zadanie 5 Porównać przekrój i masę trzech przewodów o tej samej długości i rezystancji, wykonanych z miedzi, aluminium oraz żelaza. Do obliczeń przyjąć długość l=100 m oraz przekrój przewodu miedzianego SCu=1,5 mm2. l=100 m, SCu=1,5 mm2, γCu=56 MS/m, γAl=34 MS/m, γFe=10 MS/m,, σCu=8950 kg/m3, Dane: σAl=2700 kg/m3, σFe=7870 kg/m3. Szukane: SCu : SAl : SFe =?, mCu : mAl : mFe =? Rozwiązanie: Najpierw obliczamy rezystancję przewodu przewodu miedzianego, następnie przekroje przewodów aluminiowego i żelaznego. Mając długość i przekroje obliczamy objętości a następnie masy wszystkich przewodów. ௨ 100 1,1905 Ω ௨ · ௨ 56 · 1,5 ௨ # ௨ · ௨ · ௨ ி # ௨ · ௨ ி · ி # ௨ # ௨ 56 1,5 2,47 ଶ 34 ி ௨ ௨ 56 1,5 8,4 ଶ ி 10 ௨ $ $ ி 1,5 $ 2,47 $ 8,4 1 $ 1,65 $ 5,6 ௨ ௨ · ௨ ௨ · ௨ · 8950 · 1,5 · 10ି · 100 1,3425 3425 &' · · · 2700 · 2,47 · 10ି · 100 0,6669 6669 &' ி ி · ி ி · ி · 7870 · 8,4 · 10ି · 100 6,6108 6108 &' ௨ $ $ ி 1,34 $ 0,67 $ 6,1 1 $ 0,5 $ 4,9 Porównanie przekrojów SCu : SAl : SFe Porównanie mas mCu : mAl : mFe 6 6 4 4 2 2 0 0 Cu Odpowiedź: Al Fe Cu Al Fe Stosunek przekrojów wynosi SCu : SAl : SFe = 1: 1,65 : 5,6 natomiast stosunek mas jest równy mCu : mAl : mFe = 1 : 0,5 : 4,9. 15 Metale 2011 Zadanie 6 Przewód miedziany o długości l1=100 m i przekroju S=2,5 mm2 umieszczono w temperaturze υ1=90 °C. Jaką długość mógłby mieć przewód umieszczony w temperaturze υ0=20 °C, aby jego rezystancja pozostała bez zmian? Dane: l1=100 m, S=2,5 mm2, γCu=56 MS/m, αCu=39⋅10-4 1/K, υ0=20 °C, υ1=90 °C. Szukane: l0 =? Rozwiązanie: Najpierw obliczamy rezystancję 100-metrowego przewodu w temperaturze υ0=20 °C, następnie jego rezystancję po ogrzaniu do υ1=90 °C. Dalsze obliczenia mają na celu obliczenie nowej długości przewodu, aby jego rezystancja była taka jak po ogrzaniu. ଵ,ଶ = ଵ 100 = = 0,7143 Ω ௨ ∙ 56 ∙ 2,5 ଵ,ଽ = ଵ,ଶ (1 + )௨ *+ଵ − + ,- = 0,7143(1 + 39 ∙ 10ିସ *90 − 20,- = 0,9093 Ω → = ଵ,ଽ ∙ ௨ ∙ = 0,9093 ∙ 56 ∙ 2,5 = 127,3 ௨ ∙ Przewód w temperaturze υ0=20 °C można wydłużyć do l0=127,3 m, aby jego rezystancja pozostała taka sama jak przewodu 100-metrowego w temperaturze υ1=90 °C. బ ,ଶ = ଵ,ଽ = Odpowiedź: 16
