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
Download
Random flashcards
123

2 Cards oauth2_google_0a87d737-559d-4799-9194-d76e8d2e5390

ALICJA

4 Cards oauth2_google_3d22cb2e-d639-45de-a1f9-1584cfd7eea2

bvbzbx

2 Cards oauth2_google_e1804830-50f6-410f-8885-745c7a100970

Motywacja w zzl

3 Cards ypy

Create flashcards