Я познаю мир. Сокровища Земли

Цветные металлы

К цветным металлам сегодня относят любые металлы, кроме железа. Цветными металлы названы потому, что они имеют разные цвета (белый, желтый, серый, красный), входят в состав различных красок, которыми пишут картины, покрывают стены и окна квартир, окрашивают машины и механизмы.

Наиболее распространенные цветные металлы — медь, свинец, цинк, никель.

Медь — хотя и достаточно тугоплавкий металл, но не очень твердый. Цвет меди может быть различным и колебаться от желтого до красноватого. В отличие от железа медь не магнитный металл. Однако она очень хорошо проводит тепло и электричество.

Вот почему медь чаще всего используют в электрических проводах. Внутри пластмассовых проводов, которые можно увидеть в любом доме, находится медная проволока.

Люди давным-давно задумались над тем, как сделать медные инструменты более прочными. Для этого они стали экспериментировать — соединять медь с другими металлами Чаще всего люди смешивали медь с оловом Вот так и получилась бронза — один из самых древних сплавов, созданных человеком

Бронза стала известна человеку очень давно. Но в различных частях Земли ее выплавляли по-разному. Так, в бронзовых изделиях, найденных в Западной Африке, ученые обнаружили примерно 40% олова. В Передней Азии количество олова очень редко превышает 20%. Сегодня к бронзе добавляют немного цинка и свинца. Тогда она становится более мягкой и текучей. Из такого металла легко отливать различные предметы: медали, скульптуры, а также корабельные винты.

Интересно, что народы Центральной и Южной Америки бронзы не знали и пользовались в основном золотом и серебром.

Что такое сплав

Сплавы, или твердые растворы, образуются при застывании жидких смесей двух или более компонентов. Сплавы делятся на металлические, состоящие преимущественно или исключительно из металлов, и неметаллические. Примером неметаллического сплава может служить стекло.

Некоторые сплавы встречаются в природе, однако их основная масса получена искусственным путем. Физические свойства сплавов совсем иные, чем свойства составляющих их компонентов. Причем значение имеет не только качественный, но и количественный состав компонентов. Взять, к примеру, чистое железо. Это довольно мягкий и малопригодный для использования материал. Но если сделать сплав железа с 1-1,5%-ным углеродом, получится твердая сталь.

А если создать сплав железа с 2,5%-ным углеродом, получится чугун. Он обладает еще большей твердостью, чем сталь, но в то же время хрупок.

Небольшие добавки таких элементов, как марганец, хром, ванадий, титан и другие, улучшают механические свойства стали, придают ей полезные качества, например, делают ее нержавеющей.

В настоящее время в мире выплавляются тысячи различных видов сплавов, обладающих теми или иными ценными свойствами: высокой или, наоборот, низкой тепло- или электропроводностью, тугоплавкостью, механической прочностью, устойчивостью к агрессивным средам. Поэтому сплавы человек применяет в самых разных сферах своей деятельности.

Про металл, который можно резать ножом

Свинец используется человеком давным-давно и в самых разных целях. Почему?

Наши предки обнаружили, что металл этот мягкий, легко плавится, хорошо куется, свинцовую пластину довольно легко можно согнуть рукой или разрезать ножом.

Поэтому в Древнем Риме был сооружен водопровод из свинцовых труб.

Весь мир научился выплавлять свинцовые пули.

Без свинца не может быть качественной краски, глазури, эмали.

Если вы попадаете на обследование в рентгеновский кабинет, вас защитит от излучения свинцовый фартук.

«Ай да чудо-металл!» — хочется поаплодировать свинцу. Но в то же время, радуясь мягкому «характеру» свинца, надо помнить, что многие его соединения ядовиты. Особенно если они попадают в пищу.

Основной свинцовой рудой является минерал галенит, или «свинцовый блеск». Он содержит больше 80% свинца и серу. Если геолог подходит к рудной жиле, которая содержит галенит, то он сразу узнает этот минерал — по серому цвету, сильному блеску и кубическим кристаллам. Кто хоть однажды видел галенит, запоминает его на всю жизнь.

Из свинцовых руд получают серебро, которое находится там в виде примеси.

Галенит образуется из горячих, так называемых гидротермальных растворов с температурой в недрах Земли до 200 °С и более. Неразлучный друг галенита в природе — сфалерит. Его иначе называют «цинковой обманкой» из-за сходства со многими другими минералами.

Металлы из "обманчивой" руды

Цинк, кадмий, галлий, индий получают из цинковой руды — сфалерита. Название это происходит от греческого слова «сфалерос» — «обманчивый». Очевидно, тот, кто давал название этой руде, обратил внимание, что она не похожа на обычные сульфиды металлов. Цинковая руда бывает и бесцветной, и светлоокрашенной, бывает и черной (когда в руде много железа), и красных, желтых, зеленоватых оттенков. Такой цвет цинковые руды имеют, когда они богаты кадмием. Блеск у цинковой руды алмазный» но отражательная способность низкая.

Сокровищница российских цинковых РУД — Урал (месторождения Капуцинское, Третьего Интернационала и другие), Алтай, Приморье. В ближнем зарубежье это, конечно, Украина, Грузия, Абхазия. А во всем мире известны цинковые руды Чехословакии, Швейцарии, Испании, Африки и США. Главная добыча цинка производится в США.

Цинк — довольно активный металл и на воздухе покрывается защитной пленкой. Около половины производимого цинка идет на защиту от коррозии различных металлических изделий. Цинк отличается от всех других распространенных металлов тем, что при температуре плавления он сразу превращается в пар. Цинк — составная часть латуней и других сплавов.

Сульфид цинка обладает люминесцентными свойствами, и в смеси с сульфидом кадмия им покрывают экраны телевизоров, осциллографов и другие тонкие приборы. Цинк употребляется и при изготовлении цинковых белил — художественной краски.

И конечно же всем знакомы предметы, которые сопровождают нас в повседневном быту: крыши, покрытые оцинкованным железом, оцинкованные ведра, баки и другие предметы.

Уже около двух тысяч лет назад умели получать латунь — сплав цинка с медью из руд этих металлов. Чистый цинк в Европе научились получать лишь в XVIII веке. Но в Индии чистый цинк выплавляли уже в XII веке, как «металл, похожий на олово, но добываемый перегонкой». Из цинка делали монеты, сосуды, а в основном он шел на получение той же латуни...

Попутно из цинковых руд добывают кадмий, галлий и индий.

Кадмий необходим в борьбе с коррозией металлов: им покрывают изделия из стали и железа. Кадмий используют в производстве аккумуляторов, автоматических противопожарных аппаратов.

Галлий представляет собой металл, во многом напоминающий алюминий. Но он плавится при температуре 29 °С. Галлием в ряде случаев вместо ртути наполняют термометры, другие точные приборы. Галлиевые лампы дают свет, близкий к солнечному.

Индий имеет давнишнюю репутацию антикоррозионного металла. Им покрывают металлические изделия, кроме того, он необходим при производстве рефлекторов для прожекторов и автомобильных фар. Органические соединения индия применяются для борьбы с сонной болезнью.

В честь горного духа

В 1751 году шведский химик А. Кронстедт открыл новый, доселе неизвестный серебристо-белый металл, назвал его «никель» в честь горного духа, гнома, который, по поверью, мешает горнякам работать под землей, строя различные козни.

Никель используется для легирования сталей — они становятся жаропрочными; отличается механической прочностью, антикоррозийными и другими полезными свойствами. Он входит в состав монетного сплава, поэтому можно смело утверждать, что с никелем знаком каждый человек нашей страны.

В самородном виде никель в сплавах с железом обнаружен в метеоритах. Метеориты бывают трех видов: железные, железокаменные и каменные. Есть такая научная догадка, что ядро Земли имеет сходный состав с железными посланцами неба.

Основные руды никеля — сульфиды и силикаты. Первые находятся в древних глубинных магматических породах в форме залежей. Вместе с никелем всегда находятся руды меди, кобальта, а в них примеси золота, серебра, платины, селена и теллура.

Силикаты никеля образуются на поверхности Земли при выветривании магматических пород. Их геологический возраст часто совсем небольшой — всего 10-15 миллионов лет.

В промышленных масштабах никель начали получать в середине XIX века в Канаде. А основные месторождения в России находятся на севере Красноярского края (Норильск), на Кольском полуострове (Печенга) и Урале. Мировые запасы сосредоточены в Канаде и Австралии.

Никель имеет одно прекрасное свойство — он морозостоек. Обычная сталь становится хрупкой, начиная с температуры -30 °С: это мешает работе и строительству в Арктике и Антарктике. Добавка 0,4% никеля позволяет увеличить морозостойкость стали до 40%. Сталь с добавкой 0,5% никеля не боится и более сильного мороза, но цена стали от этого... удваивается.

Чтобы добывать полезные ископаемые в Арктике, нужна сталь с 5% никеля. В этом сочетании она выдерживает температуру -60 °С, но по цене такая сталь сравнима с драгоценными металлами и к тому же плохо сваривается.

Редкие металлы

Есть среди металлов — сокровищ Земли — довольно большая группа так называемых редких металлов. Их более пятидесяти. В своей сумме они составляют 0,53% земной коры. Они редко образуют собственные минералы, но входят в состав других минеральных соединений.

Редкие металлы имеют прямое отношение к драгоценным камням. Например, бериллий — основной компонент изумрудов и аквамаринов. Цирконий входит в состав драгоценного камня солнечного цвета — гиацинта.

Редкие металлы среди сокровищ Земли, как песчинка в стоге сена. Например, крупные месторождения молибдена известны всего в нескольких местах земного шара. Геологам, чтобы найти редкие металлы, приходится много трудиться, используя все существующие методы научных поисков.

В небольшом, но известном на весь мир своими знаменитыми учеными шведском городке Упсала в 70-80-х годах XVIII века жил застенчивый, малообщительный человек по имени Карл Вильгельм Шееле (1742—1786). Он был аптекарем и одновременно — академиком Стокгольмской академии наук. Прославился же Шееле как один из величайших химиков-экспериментаторов своего времени.

Современники считали упсальского аптекаря чудаком: он неизменно отказывался от многочисленных предложений занять почетные посты в университетах. Громогласной славе и чопорному почету он предпочитал тишину провинциального городка и удовольствие проводить интересующие его опыты.

Аптекарь Шееле сделал целый ряд научных открытий, в том числе подарил человечеству металл вольфрам в 1781 году...

Так какой же из редких металлов «похищает» олово? Конечно, вольфрам — тяжелый (плотность 19,3), твердый и тугоплавкий металл. Температура его плавления 3410 °С.

По тугоплавкости вольфрам уступает только углероду, и это его удивительное свойство дало возможность использовать вольфрамовые нити в электролампах.

Свое название этот химический элемент получил от минерала вольфрамита. Еще в средние века было замечено: выход олова уменьшается, если этот минерал содержится в оловянной руде. Он как бы похищает олово, пожирая его, как волк овцу. Отсюда и название минерала от немецкого слова «вольф» — «волк» и древнегерманского «рам» — «баран».

Вольфрам применяется как легирующая добавка, особенно для быстрорежущей стали, которая сохраняет твердость даже при 800 °С.

Из сплава вольфрама, меди и никеля изготавливают контейнеры для хранения радиоактивных веществ, поскольку такой сплав поглощает радиоактивные излучения лучше, чем свинец. Правда, получить сплавы вольфрама обычным способом трудно: при температуре его плавления многие металлы превращаются в пар. Вот почему чаще всего вольфрамовые сплавы создают с помощью порошковой металлургии — смесь металлических порошков прессуют и спекают при высоких температурах.

Вольфрам пластичен. Это позволяет из одного килограмма металла вытягивать проволоку длиной до 3,5 километра, а этого хватает на изготовление 23 тысяч электроламп мощностью по 60 ватт.

Несколько фактов из жизни стронция

В 1790 году шотландский врач А. Крауфорд, изучая минерал стронцианит, пришел к выводу, что он содержит новые элементы.

Затем пробежало еще несколько лет, и лишь в 1808 году Гемфри Дэви (1778-1829) путем электролиза выделил два новых элемента. Первый назвали барием (от «барюс» — «тяжелый»), второй — стронцием (от названия минерала, в который он входит).

Стронций — щелочно-земельный металл, химически очень активный. Соли стронция горят красным цветом, и когда вы видите салют, знайте: вас восхищает не какое-то небывалое чудо, а металл стронций. А вот соли натрия, например, дают желтый цвет. В этом легко убедиться, если бросить несколько крупинок соли в пламя.

Стронций используют для поглощения газов в электровакуумной установке, для раскисления меди и бронз, получения сплавов. В атомной промышленности без стронция тоже дело не обходится: один из его радиоактивных изотопов применяют в атомных электрических батареях.

Соли стронция — это краски, глазури, эмали, кинескопы телевизоров, белизна рафинированного сахара, специальные сорта бронзы.

Установлено, что стронций накапливается в глубоких подземных рассолах, в водах нефтяных месторождений. Такие рассолы можно рассматривать как жидкую руду, из которой извлекают бром, йод и литий. Весь йод в России получают именно из таких подземных вод.

Из чего делали оловянную посуду

Олово — это металл, лежащий в основе оловянного сплава. Обычно рецепт его такой: на одну часть свинца приходится 4-6 частей олова.

Сплав олова и свинца знаком человечеству не одну тысячу лет. О нем знали еще в Древнем Китае, Египте, Греции и даже в Древнем Риме.

Но самое широкое распространение сплав металлов на оловянной основе получил в Англии. Благодаря оловянным рудникам, а ими Англия богата, англичане научились получать сплав на оловянной основе. Английское олово вывозилось и в другие европейские страны.

Что делали из этого сплава? В основном различную церковную и домашнюю утварь, посуду. Правда, потом богатые люди стали пользоваться серебряной посудой.

Что же касается других европейских стран, то уже в XIV веке во Франции, Германии, Голландии, Швейцарии, России и Скандинавских странах посуду делали из сплава олова со свинцом.

В США оловянной посудой пользовались первые переселенцы. Мастерить различные изделия из этого сплава начали в XVII веке, но самый расцвет оловянного американского производства пришелся на период с 1750 по 1850 год.

А в Китае, Корее и Японии изготовление изделий из такого сплава началось более тысячи лет назад.