Металдардың қаттылығы

Металдар– Электр тоғы мен жылуды жақсы өткізетін, пластикалық қасиеті жоғары, жылтыр заттар. Мұндай қасиеттердің болуы металдардың ішкі құрылымымен байланысты.

Металдардың (сынаптан басқа) кристалдық тор көздерінде металл атомдары орналасқан. Олар бір-бірімен металдық байланыспен байланысады. Металдардың иондану энергиясы аз болғандықтан олардың валенттік электрондары оңай бөлініп, бүкіл кристалдың бойында еркін қозғала алады. Сондықтан олардың жиынтығын электрон газы деп те атайды. Су ерітінділеріндегі реакциялар үшін металдың активтілігі оның активті қатардағы орнына байланысты.

Металдардың қаттылығы, температураға  төзімділігі күнделікті тәжірибеде шешуші рөл атқарады. Егер шыны хроммен кесілсе, ал цезийді адам тырнағымен-ақ кесе алады. Кейбір металдар жұмсақ (күміс, алтын, т.б.) болғандықтан таза металдардың орнына олардың бір-бірімен құймалары қолданылады. Ең алғаш алынған құймалардың бірі – қола.

Темір мен оның құймалары (шойын, болат) қара металдар, ал қалғандары түсті металдар; алтын, күміс, платина химиялық реактивтерге төзімділігіне байланысты асыл металдар; сумен әрекеттесіп сілті түзетін металдарды сілтілік (Lі, Na, K, Rb, Cs), ал жер қыртысының негізін құрайтындарын сілтілік жер металдар; массалық үлесі 0,01%-дан аспайтындарын сирек металдар деп атайды. Өнеркәсіпте металдарды негізінен пирометаллургия, гидрометаллургия және электрметаллургия әдістерімен алады. Металдар электр сымдарын, тұрмысқа қажет бұйымдар (қазан, балға, т.б.) жасауда, т.б. кеңінен қолданылады.

Сілтілік металдар:

Литий

Натрий

Калий

Рубидий

Цезий

Франций

 

Сітілік-жер металдар:

Магний

Кальций

Стронций

Барий

Радий

Амфотерлі (екідайлы) металдар:

Алюминий

Галлий

Қорғасын

Қалайы

Бериллий

Мырыш

Бағалы металдар:

Рутений

Родий

Палладий

Осмий

Иридий

Платина

 

 

 

 

 

Табиғатта көп кездесетін металдар қатарына жатады:

Al (8,1%)

Fe (4,65%)

Ca (3,6%)

Na (2,64%)

K (2,5%)

Mg (2,1%)

Tі (0,57%)

Mn (0,1%)

Ba (0,05%)

Sr (0,03%)

Қалғандары (0,1365%)

Металдардың химиялық қасиеттері

Металдардың көпшілігі химиялық активті элементтер болғандықтан жай және күрделі заттармен әрекеттеседі:

Жай заттармен:

2Mg + 02 = 2MgO + Q жану реакциясы

Fe + S = FeS темір (II) сульфиді

Са + Сl2 = СаСl2 кальций хлориді

Металл гидридтері тұз сияқты қатты заттар. Металл гидридтерінде ғана сутегінің тотығу дәрежесі - 1 болады, себебі металдар электрондарын сутектің атомдык радиусы кіші болғандықтан оңай береді.

Күрделі заттармен:[өңдеу]

Сілтілік және сілтілік жер металдар сумен куатты әрекеттесіп, судағы сутекті ығыстырып шығарады.

2Na + 2Н2O = 2NaOH + Н2↑

Металдар қышқылдармен әрекеттеседі. Реакция нәтижесінде түзілетін өнімнің табиғаты металдың белсенділігіне жөне қышқылдардың концентрациясына тәуелді

Zn + H2SO4 (сұйык) = ZnSO4 + Н2

Zn + 2H2SO4(конц.) = ZnSO4 + SO2↑ + 2H2O

4Mg + 10HNO3 (сұйық) = 4Mg(NO3)2+ NH4NO3 + 3H2O

Ag + 2HNO3 (конц.) = AgNO3 + NO2↑ + H2O

Металдар тұздармен әрекеттеседі. Белсендірек металдар (химиялық белсенді металл) белсенділігі темен металды оның қосылыстарынан ығыстырып шығарады.

Cu + Hg (NO3)2 = Cu (NO3)2+Hg

Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu

2Mg + TiCl4 = 2MgCl2 + Ti

Металдар оксидтермен әрекеттеседі:

2Al + Fe2O3 = Al2O3 + 2Fe

Mg + CO2=MgO + CO

Металдар органикалық қосылыстармен де әрекеттеседі:

Na + C2H5OH = C2H5ONa + 0,5H2

2Na + CH3Cl = C2H6 + 2NaCl

Металдарды алу әдістері[өңдеу]

Құрамында металл қосылыстары бар минералдар мен тау жыныстарынан металды өнеркөсіптік жолмен беліп алу экономикалық тиімді болса, олар кен деп аталады.

Металдар табиғи кендерден алынады. Кендегі металды бос жынысынан айыру арқылы байыту жүргізіледі — олардың бірі флотацияәдісі. Алу әдістері металдардың химиялық белсенділіктеріне негізделген.

Қазақстандагы металл кендері және металл өндірісі аймақтарда төмендегідей болып шоғырланған.

Pb, Zn - Текелі, Малеевск, Ащысай;

Mg, Ti, Zn, In, Be, Ta, Nb - Өскеменде өндіріледі (Қорғасын-мырыш, Титан-магний комбинаттары, Қазмырыш АҚ);

Мn - Қаражал, Жезді;

Сr - Хромтау (Кемпірсайда), Ақтөбе облысы;

Cu - Жезқазған, Ақтоғай, Айдарлы;

Fe - Қарағанды, Орал, Рудный, Соколов-Сарыбай, Лисаковск;

W, Мо - Ағадыр, Катонқарағайда (Шығыс Қазақстан облысы);

Sn - Көкшетау (Сырымбет), Қорғалжын;

Аu - Бақыршық, Майқайың, Жітіқара.

 Барлық химиялық элементтердің 4/5-нен көбі металдар. Менделеев кестесін сол жақтағы жоғарғы бүрышынан оң жақтағы төменгі бұрышына қарай, Be, A1, Ge, Sb, Po элементтерінің үстімен екіге бөлсек, астыңғы үшбұрышта (және 8-топта) металдар болады. Кестеден металдар негізгі топтарда да, қосымша топтарда да бар екенін, ал қосымша топтардағы элементтердің барлығы металдар, негізгі топтардан, біз әлі оқымаған ІІІ-, II-, І-топтардың да элементтерінің көпшілігі металдар екенін көреміз.Табиғаттағы металдар және оларды алудың негізгі тәсілдері. Табиғатта металдар көбіне түрлі қосылыстар түрінде кездеседі, кейбіреулері бос, еш затпен қосьілыспаған күйде болады. Ондай жеке кездесетін түрін сап металдар дейді, ол — платина, алтын, күміс және мыс, қалайы, сынап сияқты металдар. Соңғы үш металл, көбіне қосылыс түрінде болады.Металдардың жер қыртысында кездесетін қосылыстары, түрлі минералдар түрінде болады.Ішінде минералдардың қосылыстары бар минералдар мен тау жыныстарын, қүрамындағы металды өнеркәсіптік жолмен шығарып алу экономика жағынан тиімді болса, кен (руда) деп атайды. Демек қандайда болсын кен қүрамында керекті бөлігімен қатар, керексіз қүм, саз, әктас т.б. бос жыныс деп аталатын болімі болады. Мысалы, темір кендерінде таза темір 50-70% болса, ондай кенді іске асыру экономика жағынан пайдалы дейді, мыс кендерінде, таза мыс 1% болса да, ол бай кен болып саналады, ал алтынға келеек, онда пайыздың оннан, жүзден боліктері бар жыныстардың озі тиімді деп есептеледі.Металдардың кені болып саналатын қосылыстар кобіне оксидтер, сульфидтер және түрлі түздар (карбонат, галогенид, сульфат, силикат, фосфат т.б.).

 

1.  Оксид кендерінщ мысалдары - қызыл темір тас (Ғе2Оз),

қоңыр темір тас (2Ғб2Оз-ЗН2О), магнитті темір тас (ҒеО- Ғв2Оз);

боксит  (А12Оз-2Н2О);  пиролюзит  (МпО2);   қалайы тас   (SnCh);қызыл мыс кені (Си2О), хромды темір тас [Ғе(СгО2)2І т.т.

2.   Сульфид   кендері,   жер   қыртысында   біраз терендікте жатады, мысалы, колчедандар: мыс колчеданы (CuFeS2)i; темір колчеданы (FeS2); жалтырлар: мыс жалтыры (Cu2S); қорғасын жалтыры

(PbS); алдауыштар: мырыштікі (ZnS), күмістікі (Ag2S);сыр (HgS) т.б. Сульфид кендерінің көпшілігінде бірнеше металл аралас болады, мысалы, қорғасын мен мырыш аралас, оның үстіне алтын, күміс т.б. қоспасы болады. Мұндай көп металды кенді полиметалды кен деп атайды. 3. Түз кендері. Кейбір металдар, әсіресе, периодтық жүйенің І-, ІІ-негізгі топтарындағы металдар және сирек металдардың біразы жаратылыста көбінесе тұздар түрінде кездеседі. Ол тұздар теңіздердің, не ащы көлдердің суында еріген күйде жөне қазба тұз түрінде жер қабатында болады (бұлар да бұрынғы теңіздердің қалдығы). Ол тұздардың да химиялық құрамына қарай химиялык атымен катар минералдық аты бар. Айталық, галогенидтер — карналит (KCl-MgCl2-6H2O), сильвинит (KCl-NaCl), сильвин (КС1), галит (NaCl), флюорит (СаҒ2), бишофит (MgCl2-6H2O).

Сулъфаттар

каинит (KCl-MgSO4-3H2O), серит (MgSO4-H2O),полигалит     (K2SO4-MgSO4-2CaSO4-3H2O),

лангбейнит (K2SO4-2MgSO4), эпсомит (MgSO4-7H2O), гипс (CaSO4-2H2O), ангидрид (CaSO4), тенардит (NaSO4), мирабилит (Na2SO4-10H2O).

Карбонаттар — доломит (CaCO3-MgCO3), мрамор (СаСО3), сидерит (FeCO3), смитсонит (ZnCO3), церусит (РЬСО3), сода (Na2CO340H2O) т.б.

Енді кен ішінде осы қосылыстар түрінде болатын металдарды шыгарып алу мәселесіне келелік. Металды адам баласы мұнан 5000 жылдай бұрын өндіре бастаған. Содан кейінгі жердегі адамзаттың материалдық, рухани жөне мәдени тұрмысының дамуы, металл алу және оны пайдалана білумен байланысты болган. Бірақ, XX ғасырдың басында бар болғаны 15 металл, негізінен темір, мыс, қорғасын калайы, мырыш, күміс, алтын ғана қолданылып келді.

Соңғы қысқы мерзімде алюминий, магний, хром, никель, марганец және басқа  металдардың аңызы артып, сонымен  қатар қазіргі ғылым мен техника  металдардың бәріне де қолданылатын орын тауып, барлығын адам баласының қызметіне қосты.Қазіргі кезде адам керегіне түтынылатын металл мөлшері орасан көп, мысалы, осы ғасырдың ортасында бүкіл жер жүзінде жылына 150 миллион тонна темір, мыс, қорғасын, алюминий әрқайсысы 2 миллион тоннадан, қалайы, никель әрқайсысы 200 мың тоннадан артық өндіріледі.Металл қоры жағынан, оны өндіруде Қазақстанның қосар үлесі зор. Академик Қ.И. Сәтпаевтың айтуынша Қазақстан еліміздің гауһар қоры; Қазақстан хром және ванадий байлығынан жер жүзінде бірінші орын алады, ал темір, мыс, қорғасын, мырыш, күміс, кадмий, ванадий, хром, вольфрам, молибден және баска кейбір метаддардың қоры жөнінде біздің елде бірінші орын алады.Кендегі металды шығарып алудан бүрын көп жағдайда ол кенді әуелі байыту керек. Кенде керекті бөлігімен қатар, керексіз құм, саз, әктас т.б. сияқты, бос жыныстар болады, ол бос жыныстар кейде өте көп те болады, кеннің сол керекті бөлімін бос жыныстан бөліп ажыратуды кенді байыту деп атайды. Кен байытудың қарапайым түрлерінен басқа флотация (ағылшыншы flotation қалқып шығу деген созден) көп қолданылады. Флотацияның техникасы оңай, оның негізі — кен мен бос жыныстың болшектерінің адсорбциялағыш қасиеттерінің әр түрлі болуыңда. Флотация жасау үшін кеңці өте үсақ етіп үнтақтап, сумен араластырып (пульпа түрінде) арнаулы ыдысқа қүяды; суға полюстілігі нашар бір органикалық зат, айталық қарағай майын қосады (1 т кенге 400 г есебінен). Бос жыныс бөлшектерінің сыртына су молекулалары адсорбцияланады (өйткені олар гидрофильдік заттар), кеннің, әсіресе сульфидтің, болшектерінің сыртына су молекулалары адсорбцияланбайды (өйткені олар гидрофобтық заттар) ал майдың молекулалары адсорбцияланады.Ыдыстың астыңғы жағынан сығылган ауа жібергенде, сол ауа көпіршіктерінің сырты майдың жүқа қабыршағымен қапталады. Осындай ауаның көпіршігі жоғары көтеріліп ыдыстың бетінде көбік түзеді, оның сыртындағы маймен адсорбцияласқан кеннің бөлшектері, ілесіп жоғары шығып, кобік ішінде болады. Бөлшектеріне су сіңген бос жыныс ауырлап ыдыс түбіне шөгеді.

Көбікті сыпырып алып, сығып байытылған кенді алады.Кен ішіндегі металды алу әдісі — оның химиялық қүрамына байланысты. Оксид-кендерін тотықсыздандырып барып ішіндегі металды алады. Тотықсыздандырғыш ретінде көбінесе коміртек қолданылады, мысалы:

SnO2+2C=Sn+2CO Fe2O3+3C=2Fe+3CO

Кенмен араласып пешке түскен бос жыныстарды (олар көбіне құм) бөліп шығару үшін шикіқүрамға флюс, немесе балқытқыш араластырады.Бос жыныспен флюс реакцияласып оңай балқитын қосылыстар — қож түзеді. Қож жеңіл болғандықтан сүйық күйде балқыған металдың үстінде болады, оны пештің арнаулы аузынан бөлек ағызып алады. Кейбір қиын балқитын металдарды алуда тотықсыздандырғыш ретінде алюминий қолданады, өйткені алюминийтотыққанда өте көп жылу бөліп шығарады (бір моль (А12Оз) түзілгенде 1,6'1033 кДж), бүл реакцияны шағын ыдыста өткізсе, 3500°-қа дейін қызу береді. Бұл әдісті алюминотермия

дейді, оны орыс ғалымы Н.Бекетовүсынған. Хром, марганец, молибден және басқа қиын балқитын металдар осы алюминотермия арқылы алынады:

МоОз+2А1=Мо+А12О3

Таза металл жене сирек  металдар алу үшін тотықсыздандырғыш  ретінде сутек қолданылады:

WO3+3H2=W+3H2O

Сульфид кендерін әуелі арнаулы  пештерде (конвертор, немесе ватер жакет) күйдіріп, қүрамындағы күкіртті де, металды да оксидке айналдырады:

2ZnS+3O2=2ZnO+2SO2 2Cu2S+302=2Cu2O+2SO2

Қайнаган тәрізді күйде" күйдіру

Үсақталған қатты заттарды "қайнаған тәрізді күйде" әрекеттестіру, өнеркәсіптін түрлі салаларында өріс алды. Үсақ ұнтақталған затты шілтер үстіне салып, астынан шілтердің тесік-тесігінен ауа (басқа газ) үрлейді, сонда үнтақ заттың ауа тесіп шыққан беті бүлкілдеп, қайнап жатқан тәрізді болады. Соның нәтижесінде үнтақ зат. тозаң түрінде көтеріліп, ауамен (басқа газбен) жақсы араласып, бүл "қайнаған тәрізді күйде" реакцияласуы өте жьшдам болады.

Тұз кендеріндегі -литий, натрий, калий, кальций, магний, бериллий т.б. сияқты металдарды, олардың түздарын балқытып, электролиздеп алады. Алюминийді балқыған глиноземді (АІ2О3) электролиздеп алады.Тұздар қүрамындағы металдар, оң зарядты ион түрінде болады. Электролиздегенде ол оң иондар теріс электродқа (катодқа) келіп, тиісті мөлшерде электронқосып алып, бейтарап атомға айналып, балқыған түздан бөлініп шығады.

Электролиз әдісін тек  балқыган емес, еріген түздарга және мыс, никель т.б. металлы тазалауга (рафинация) қолданады.Электролизден басқа өдістердің барлығы жоғары температурада жүреді, оларды пирометаллургия әдістері деп атайды.Кейбір кендерде керекті метадцың аздығы сондай, олар флотациямен де байымайды, ондай кендерге гидрометаллургия өдістерін қолданады. Оның мазмүны — кенді өте үсақтап түрлі реагенттермен (қышқыл, сілтілердің ерітінділері) әрекеттестіреді. Сонда ерітіндіге тұз түрінде көшкен металды көбінесе электролиздеу арқылы шығарып алады.

Таза металдарды алу. Қазіргі  металлургияның алдында түрған басты міндеттердің бірі : кейбір металдарды аса таза күйінде бөліп алу. Оның себебі, олар бүгінгі техникада шектен асқан таза күйінде қолданылады. Мөселен, жартылай (шала) өткізгіштерде ядролық реакторлар мен қазіргі аса төзімді болаттың арнайы түрлерінде м-еталдардың тазалығы өте жоғары болуы талап етіледі. Осыған орай өнеркәсіп кейбір металдардың тазалығын 99,999999%-дан астам етіп отыр.Металдарды тазалаудың әр түрлі әдістері бар. Мәселен, вакуумда айдау мен қайта балқыту арқылы металдардың өртүрлі үшқыштығына сай қоспадан бөліп алады. Ал, кейбір металдар төменгі температурада аса үшкыш қосылыстар түзеді, оларды қатты қыздырса, ыдырап таза металл бөледі. Зоналап балқыту әдісі қоспаның қатты және балқыған металда әртүрлі еруіне негізделген. Өте жоғары қызуы бар зонадан өрлі-берлі баяу жылжып өтіп түратын металдың таза кристалдары ортасына шоғырланып, қоспасы шеттеріне ығысады. Осылайша көптеген қайталаулардан соң өте таза металл алынады.

Металдардың физикалық қасиеттері. Металдарды сипатгаушы қасиеттерінің  бастылары олардың электр және жылуөткізгіштігі, бүлар бүрында айтылған бос электрондардың болуынан. Металдардың бүл қасиетін электртехникада, қыздырғыш жөңе суытқыш аспаптар жасауда кең қолданады. Электрөткізгіштік пен жылуөткізгіштік пропорциялы, бір бағытта өзгереді. Жылуды да, электр тогын да жақсы өткізетін элементтер — күміс, мыс, алтын мен алюминий болып есептеледі.

Кейбір металдар абсолюттік нөл температурасына жуық суығанда, асқынөткізгіштік деп аталатын қасиет көрсетеді. Бүл кезде металдар электр тогының өтуіне ешбіркедергі келтіре алмай, іс жүзінде озінің бойынан кез келген мөлшерлі токты өткізіп жіберіп отырады. Металдардың асқынөткізгіштік қасиеті температура төмендеген сайын туа бастамайтын, белгілі бір кризистік температурада бірден пайда болатын құбылыс.

Металдардың барлығы жалтырайды, оның себебін былай түсіндіреді. Жарық сеулесі жолында кездескен  заттан богелмей өтіп жатса, ондай зат біздің көзімізге мөлдір (шыны) болып корінеді, сәуле түгел сіңіп жатса, зат қара (күйе) болып көрінеді, шағылысып бетінен қайтып жатса-ақ, ақ жалтыр болып көрінеді. Демек, металдардың жалтырауы түскен сәуленің шағылуынан. Металдар тек кесек, түтас күйінде жалтырайды, үнтақ түрінде, алюминий мен магнийден басқасы, жалтырамайды. Металдардың өте жалтырауығы күміс, одан кейін палладий; бүлардың ол қасиеттерін айна жасауға пайдаланады.Металдардың пластикалық-созылғыш, иілгіш, созылғыш қасиеті де ішкі құрылымымен байланысты. Сырттан механикалық эсер еткенде ион қабаттары жанасқан жерлерінде ығысып, сәл ауысады. Ертедегі адам металлы балқытудан бүрын оны соғып, керекті балға, балта, садақ жебесін т.т. жасауды білген. Пластикалық жағынан металдарда бірінші орынды алтын алады — алтыннан тартқан сым қылдан жіңішке, көзге көрінер-көрінбес болады. Сурьма мен висмут морт келеді.