Металлы и их применение

Металлы и их применение

Козлова Юлия 9б класс

Введение.

Медь и алюминий – два металла, наиболее часто используемых при изготовлении токопроводящих жил в кабельно-проводниковой продукции. Несмотря на то, что оба вещества обладают одним и тем же явлением – способностью проводить электроток, их физико-химические свойства сильно отличаются.

Основная часть.

Цели исследования:

Сравнить физико-химические свойства распространенных таких металлов как алюминий и медь и выяснить, какой из них лучше использовать как проводник.

Задачи:

1. Рассмотреть общие свойства металлов-химических элементов.

2. Рассмотреть общие свойства металлов-простых веществ.

3. Подробно рассмотреть свойства алюминия и меди.

4. Сравнить свойства алюминия и меди.

МЕТАЛЛЫ (от лат. metallum — шахта, рудник) — группа элементов, обладающая характерными металлическими свойствами, такими как высокая тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и металлический блеск.

ПОЛОЖЕНИЕ МЕТАЛЛОВ В ПЕРЕОДИЧЕСКОЙ СИТСТЕМЕ

В периодической системе Д. И. Менделеева из 110 элементов 87 являются металлами. Они находятся в I, II, III группах, в побочных подгруппах всех групп. Кроме того, металлами являются наиболее тяжелые элементы IV, V, VI и VII групп.

СТРОЕНИЕ АТОМОВ МЕТАЛЛОВ

Особенности атомов металлов — небольшое число (1-3) электронов на внешнем слое и сравнительно большой радиус атомов, а следовательно, и стремление атомов к отдаче внешних электронов и превращение их в положительные ионы, которые и обуславливают два вида химической связи, характерной для металлов: ионную и металлическую. Чем легче атом металла отдает свои электроны, тем сильнее выражены его металлические свойства.

СТРОЕНИЕ ПРОСТЫХ ВЕЩЕСТВ МЕТАЛЛОВ (МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ)

Металлическая связь— связь между положительными иона­ми в кристаллах металлов, осуществляемая за счет притяжения электронов, свободно перемещающихся по кристаллу. В соот­ветствии с положением в периодической системе атомы металлов имеют небольшое число валентных электронов. Эти электроны достаточно слабо связаны со своими ядрами и могут легко отры­ваться от них. В результате в кристаллической решетке металла появляются положительно заряженные ионы и свободные элек­троны. Поэтому в кристаллической решетке металлов существует большая свобода перемещения электронов: одни из атомов будут терять свои электроны, а образующиеся ионы могут принимать эти электроны из «электронного газа». Как следствие, металл представляет собой ряд положительных ионов, локализованных в определенных положениях кристаллической решетки, и большое количество электронов, сравнительно свободно перемещающихся в поле положительных центров. В этом состоит важное отличие металлических связей от ковалентных, которые имеют строгую направленность в пространстве.

Металлическая связь отличается от ковалентной также и по прочности: ее энергия в 3-4 раза меньше энергии ковалентной связи.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Все металлы (кроме ртути и, условно, франция) при нормальных условиях находятся в твёрдом состоянии, однако обладают различной твёрдостью. Так, некоторые щелочные металлы легко режутся кухонным ножом, а такие металлы, как ванадий, вольфрам и хром легко царапают самую твёрдую сталь и стекло.

Температуры плавления металлов лежат в диапазоне от −39 °C (ртуть) до 3410 °C (вольфрам). Температура плавления большинства металлов (за исключением щелочных) высока, однако некоторые «нормальные» металлы, например олово и свинец, можно расплавить на обычной электрической или газовой плите.

В зависимости от плотности, металлы делят на лёгкие (плотность 0,53 ÷ 5 г/см³) и тяжёлые (5 ÷ 22,5 г/см³). Самым лёгким металлом является литий (плотность 0.53 г/см³). Самый тяжёлый металл в настоящее время назвать невозможно, так как плотности осмия и иридия — двух самых тяжёлых металлов — почти равны (около 22.6 г/см³ — ровно в два раза выше плотности свинца), а вычислить их точную плотность крайне сложно: для этого нужно полностью очистить металлы, ведь любые примеси снижают их плотность.

Все металлы хорошо проводят электрический ток; это обусловлено наличием в их кристаллических решётках подвижных электронов, перемещающихся под действием электрического поля. Серебро, медь и алюминий имеют наибольшую электропроводность; по этой причине последние два металла чаще всего используют в качестве материала для проводов. Очень высокую электропроводность имеет также натрий, в экспериментальной аппаратуре известны попытки применения натриевых токопроводов в форме тонкостенных труб из нержавеющей стали, заполненных натрием. Благодаря малому удельному весу натрия, при равном сопротивлении натриевые «провода» получаются значительно легче медных и даже несколько легче алюминиевых.

Высокая теплопроводность металлов также зависит от подвижности свободных электронов. Поэтому ряд теплопроводностей похож на ряд электропроводностей и лучшим проводником тепла, как и электричества, является серебро. Натрий также находит применение как хороший проводник тепла; широко известно, например, применение натрия в клапанах автомобильных двигателей для улучшения их охлаждения.

Гладкая поверхность металлов отражает большой процент света — это явление называется металлическим блеском. Однако в порошкообразном состоянии большинство металлов теряют свой блеск; алюминий и магний, тем не менее, сохраняют свой блеск и в порошке. Наиболее хорошо отражают свет алюминий, серебро и палладий — из этих металлов изготовляют зеркала. Для изготовления зеркал иногда применяется и родий, несмотря на его исключительно высокую цену: благодаря значительно большей, чем у серебра или даже палладия, твёрдости и химической стойкости, родиевый слой может быть значительно тоньше, чем серебряный.

Цвет у большинства металлов примерно одинаковый — светло-серый с голубоватым оттенком. Золото, медь и цезий соответственно жёлтого, красного и светло-жёлтого цвета.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

На внешнем электронном уровне у большинства металлов небольшое количество электронов (1-3), поэтому они в большинстве реакций выступают как восстановители (то есть «отдают» свои электроны)

ОБЩЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

Конструкционные материалы

Металлы и их сплавы — один их главных конструкционных материалов современной цивилизации. Это определяется прежде всего их высокой прочностью, однородностью и непроницаемостью для жидкостей и газов. Кроме того, меняя рецептуру сплавов, можно менять их свойства в очень широких пределах.

Электротехнические материалы

Металлы используются как в качестве хороших проводников электричества (медь, алюминий), так и в качестве материалов с повышенным сопротивлением для резисторов и электронагревательных элементов (нихром и т. п.).

Инструментальные материалы

Металлы и их сплавы широко применяются для изготовления инструментов (их рабочей части). В основном это инструментальные стали и твёрдые сплавы. В качестве инструментальных материалов применяются также алмаз, нитрид бора, керамика.

АЛЮМИНИЙ,  химический элемент III группы периодической системы, атомный номер 13, относительная атомная масса 26,98. В природе представлен лишь одним стабильным нуклидом 27Al. Искусственно получен ряд радиоактивных изотопов алюминия, наиболее долгоживущий – 26Al имеет период полураспада 720 тысяч лет.

СТРОЕНИЕ АТОМА АЛЮМИНИЯ

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛЮМИНИЯ

Алюминий — мягкий, легкий, серебристо-белый металл с высокой тепло- и электропроводностью. Температура плавления 660°C.

По распространенности в земной коре алюминий занимает 3-е место после кислорода и кремния среди всех атомов и 1-е место — среди металлов.

К достоинствам алюминия и его сплавов следует отнести его малую плотность (2,7 г/см3), сравнительно высокие прочностные характеристики, хорошую тепло- и электропроводность, технологичность, высокую коррозионную стойкость. Совокупность этих свойств позволяет отнести алюминий к числу важнейших технических материалов.

Алюминий и его сплавы делятся по способу получения на деформируемые, подвергаемые обработке давлением и литейные, используемые в виде фасонного литья; по применению термической обработки — на термически не упрочняемые и термически упрочняемые, а также по системам легирования.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛЮМИНИЯ

Алюминий (Aluminium, от лат. alumen—квасцы) Al—элемент III группы 3-го периода периодич. системы Д. И. Менделеева, п. н. 13, атомная масса 26,9815, имеет один стабильный изотоп 27Al. Металлический алюминий был получен в 1827 г. Ф. Вёлером и в менее чистом виде в 1825 г. X. К. Эрстедом. По содержанию в земной коре (8,8%) алюминий занимает 3-е место после О и Si, с которыми алюминий (в виде различных алюмосиликатов) составляет более 82% массы земной коры. В свободном виде не встречается. Основное сырье для производства алюминия — бокситы.

Алюминий —серебристо-белый металл, легкий, прочный, пластичный, ковкий, обладает высокой электро- и теплопроводностью, высокой химической активностью. В соединениях алюминий трехвалентен. Алюминий легко соединяется с кислородом воздуха, покрываясь плотной, прочной пленкой окиси А12 03; это обусловливает высокую коррозионную стойкость алюминия; концентрированная азотная кислота на алюминий не действует. Алюминий легко растворяется в щелочах, разбавленных соляной и серной кислотах. Гидроокись алюминия (как и А1203) амфотерна: с кислотами в водных растворах она дает соли, содержащие гидратированный ион [Al(Н20)6]3+, со щелочами — алюминаты. Алюминий получают электролизом А1203 (из боксита), растворенной в расплавленном криолите Na3AlF6.

ПРИМИНЕНИЕ

Широко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве — лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость (на воздухе алюминий мгновенно покрывается прочной плёнкой Al2O3, которая препятствует его дальнейшему окислению), высокая теплопроводность, неядовитость его соединений. В частности, эти свойства сделали алюминий чрезвычайно популярным при производстве кухонной посуды, алюминиевой фольги в пищевой промышленности и для упаковки.

Основной недостаток алюминия как конструкционного материала — малая прочность, поэтому его обычно сплавляют с небольшим количеством меди и магния (сплав называется дюралюминий).

Электропроводность алюминия всего в 1,7 раза меньше, чем у меди, при этом алюминий приблизительно в 4 раза дешевле [8] за килограмм, но, за счёт в 3,3 раза меньшей плотности, для получения равного сопротивления его нужно приблизительно в 2 раза меньше по весу. Поэтому он широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования и даже в микроэлектронике при изготовлении проводников в чипах. Меньшую электропроводность алюминия (37 1/ом) по сравнению с медью (63 1/ом) компенсируют увеличением сечения алюминиевых проводников. Недостатком алюминия как электротехнического материала является наличие прочной оксидной плёнки, затрудняющей пайку.

    * Благодаря комплексу свойств широко распространён в тепловом оборудовании.

    * Алюминий и его сплавы сохраняют прочность при сверхнизких температурах. Благодаря этому он широко используется в криогенной технике.

    * Высокий коэффициент отражения в сочетании с дешевизной и лёгкостью напыления делает алюминий идеальным материалом для изготовления зеркал.

    * В производстве строительных материалов как газообразующий агент.

    * Алитированием придают коррозионную и окалиностойкость стальным и другим сплавам, например клапанам поршневых ДВС, лопаткам турбин, нефтяным платформам, теплообменной аппаратуре, а также заменяют цинкование.

    * Сульфид алюминия используется для производства сероводорода.

    * Идут исследования по разработке пенистого алюминия как особо прочного и лёгкого материала.

В качестве восстановителя

    * Как компонент термита, смесей для алюмотермии

    * Алюминий применяют для восстановления редких металлов из их оксидов или галогенидов.

Алюминий как добавка в другие сплавы

Алюминий является важным компонентом многих сплавов. Например, в алюминиевых бронзах основные компоненты — медь и алюминий. В магниевых сплавах в качестве добавки чаще всего используется алюминий. Для изготовления спиралей в электронагревательных приборах используют (наряду с другими сплавами) фехраль (Fe, Cr, Al).

Ювелирные изделия

Когда алюминий был очень дорог, из него делали разнообразные ювелирные изделия. Так, Наполеон III заказал алюминиевые пуговицы, а Менделееву в 1889 г. были подарены весы с чашами из золота и алюминия. Мода на них сразу прошла, когда появились новые технологии его получения, во много раз снизившие себестоимость. Сейчас алюминий иногда используют в производстве бижутерии.

Стекловарение

В стекловарении используются фторид, фосфат и оксид алюминия.

Пищевая промышленность

Алюминий зарегистрирован в качестве пищевой добавки Е173.

Алюминий и его соединения в ракетной технике

Алюминий и его соединения используются в качестве высокоэффективного ракетного горючего в двухкомпонентных ракетных топливах и в качестве горючего компонента в твёрдых ракетных топливах. Следующие соединения алюминия представляют наибольший практический интерес как ракетное горючее:

    * Порошковый алюминий как горючее в твердых ракетных топливах. Применяется в также виде порошка и суспензий в углеводородах.

    * Гидрид алюминия.

    * Боранат алюминия.

    * Триметилалюминий.

    * Триэтилалюминий.

    * Трипропилалюминий.

МЕДЬ,

 химический элемент I группы периодической системы Менделеева, атомный номер 29, атомная масса 63,546.Расположена в четвертом периоде и входит в группу IВ.

Электронное строение атома меди 1s22s22p63s23p63d104s1. Атом меди легко отдает внешний электрон, образуя соединения Cu(I).

ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕДИ

Медь — тяжелый розово-красный металл, мягкий и ковкий, ее температура плавления 1083° С, является отличным проводником электрического тока и теплоты электрическая проводимость меди в 1,7 раза выше, чем алюминия, и в 6 раз выше железа.

В повседневной жизни все время приходится иметь дело с медью и ее сплавами: включаем компьютер или настольную лампу — ток идет по медным проводам, пользуемся металлическими деньгами, которые, как желтые, так и белые, изготовлены из сплавов меди. Некоторые дома украшают изделия из бронзы, из меди изготавливается посуда. Тем временем медь- далеко не самый распространенный в природе элемент: содержание меди в земной коре составляет 0,01%, что позволяет ей занимать лишь 23-е место среди всех элементов.

Медь – первый металл, который впервые стал использовать человек в древности за несколько тысячелетий до нашей эры. Первые медные орудия изготовлялись из самородной меди, которая встречается довольно часто. Самый крупный самородок меди был найден на территории США, он имел массу 420 т.

Но в виду того, что медь – мягкий металл, медь в древности не смогла вытеснить каменные орудия труда. Лишь когда человек научился плавить медь и изобрел бронзу (сплав меди с оловом), металл заменил камень. Широкое использование меди началось в IV тысячелетии до н. э.

Медь - малоактивный металл, в электрохимическом ряду напряжений она стоит правее водорода. Она не взаимодействует с водой, растворами щелочей, соляной и разбавленной серной кислотой. Однако в кислотах — сильных окислителях (например, азотной и концентрированной серной) — медь растворяется:

Сu + 4НМО3 - Сu(NO3)2 + 2NO+ 2Н2О концентрированная

Медь обладает достаточно высокой стойкостью к коррозии. Однако во влажной атмосфере, содержащей углекислый газ медь покрывается зеленоватым налетом основного карбоната меди:

2Сu + O2 + СO2 + Н2O = СU(ОН)2 • СuСО3

В соединениях медь может проявлять степени окисления +1,

+•2 и +3, из которых +2 — наиболее характерная и устойчивая.

Медь (II) образует устойчивые оксид СuО и гидроксид Си(ОН)2.

Этот гидроксид амфотерен, хорошо растворяется в кислотах

Сu(ОН)2 + 2НСl = СuСl2 + 2Н2О и в концентрированных щелочах. Соли меди (II) нашли широкое применение в народном хозяйстве. Особенно важным является медный купорос — кристаллогидрат сульфата меди (II) СuSО4 • 5Н2.

ПРИМЕНЕНИЕ МЕДИ

    Медь, ее соединения и сплавы находят широкое применение в различных отраслях промышленности.

    В электротехнике медь используется в чистом виде: в производстве кабельных изделий, шин голого и контактного проводов, электрогенераторов, телефонного и телеграфного оборудования и радиоаппаратуры. Из меди изготавливают теплообменники, вакуум-аппараты, трубопроводы. Более 30% меди идет на сплавы. Сплавы меди с другими металлами используют в машиностроении, в автомобильной и тракторной промышленности (радиаторы, подшипники), для изготовления химической аппаратуры.

    Высокая вязкость и пластичность металла позволяют применять медь для изготовления разнообразных изделий с очень сложным узором. Проволока из красной меди в отожженном состоянии становится настолько мягкой и пластичной, что из нее без труда можно вить всевозможные шнуры и выгибать самые сложные элементы орнамента. Кроме того, проволока из меди легко спаивается сканым серебряным припоем, хорошо серебрится и золотится. Эти свойства меди делают ее незаменимым материалом при производстве филигранных изделий.

    Коэффициент линейного и объемного расширения меди при нагревании приблизительно такой же , как у горячих эмалей, в связи с чем при остывании эмаль хорошо держится на медном изделии, не трескается , не отскакивает. Благодаря этому мастера для производства эмалевых изделий предпочитают медь всем другим металлам.

    Как и некоторые другие металлы, медь входит в число жизненно важных микроэлементов. Она участвует в процессе фотосинтеза и усвоении растениями азота, способствует синтезу сахара, белков, крахмала, витаминов. Чаще всего медь вносят в почву в виде пятиводного сульфата - медного купороса CuSO4.5H2O. В большом количестве он ядовит, как и многие другие соединения меди, особенно для низших организмов. В малых же дозах медь необходима всему живому.

Сравнение алюминия и меди

Выводы

Литература