Справочники. Словари. Энциклопедии

 Энциклопедический словарь юного техника

Железо и его «производные»— сталь и чугун (см. Железо, сталь, чугун)—называют черными металлами. Все остальные металлы относятся к категории цветных. Золото, серебро, платина и другие благородные металлы тоже цветные. Все цветные металлы играют важную   роль в промышленности.

Алюминий — самый распространенный на Земле металл — называют летающим металлом. Из него, вернее из его сплавов, самый известный из которых дуралюмин (сплав алюминия с медью, магнием и марганцем), делают фюзеляжи и крылья самолетов. Из сплавов алюминия была изготовлена оболочка нашего первого в мире искусственного спутника Земли.

Алюминий широко применяют в различных отраслях промышленности и в строительстве. Многие детали самых разных машин, перекрытия, наружная облицовка и оконные рамы высотных зданий, аппаратура для производства кислот и многих органических веществ, резервуары для хранения жидкого кислорода, моторные и весельные лодки, посуда,  мебель — все это делается  из  алюминия.

Во Франции построен целиком алюминиевый океанский лайнер длиной свыше 300 м. Не только его корпус, но и внутренние переборки, стены кают, даже мебель — алюминиевые.

Медь имеет самую высокую (после серебра) электрическую проводимость. Из нее делают обмотки трансформаторов и генераторов, линии электропередачи (ЛЭП), электрические провода внутри машин и зданий и многие другие электротехнические изделия, а также коррозионностойкую химическую аппаратуру. Широко используют в технике и медные сплавы — латунь, бронзу и др.

Металл серебристо-белого цвета — магний химически очень активен. Если магний сильно нагреть, он ослепительно вспыхивает, давая яркое белое пламя. Раньше такой вспышкой магния пользовались при фотографировании.

Однако сплавы магния не только не загораются с повышением температуры, но остаются твердыми даже при таком нагреве, когда сталь плавится и течет. Поэтому из сплавов магния делают детали самолетов и двигателей, которые работают при очень высокой температуре. Применяются магниевые сплавы и в космических ракетах.

Еще большую роль играет в технике т и-т а н. Он почти вдвое тяжелее алюминия, зато в 6 раз прочнее его. Поэтому титановые детали можно делать очень тонкими, и они будут легче и прочнее алюминиевых. Кроме того, титан — чрезвычайно тугоплавкий металл. Его температура плавления 1668° С — выше, чем у стали. Поэтому самолеты из титановых сплавов достигли скоростей, в 2 и 3 раза превышающих скорость звука: их обшивка не плавится при больших температурах, образующихся при трении об атмосферу. Уникальна химическая стойкость титана. Химическое оборудование из титановых сплавов служит во много раз дольше, чем из нержавеющей стали.

Все большее применение в промышленности находит ртуть. Все знают ртутные термометры. Но ртуть входит и в состав некоторых лекарств, употребляется в горном деле («гремучая ртуть» в детонаторах), в электротехнике, в химической промышленности.

Разнообразие свойств цветных металлов обусловило и разные методы их получения.

Как и черные металлы, цветные получают из рудного концентрата: предварительно обогащенной руды (см. Обогащение полезных ископаемых). Но здесь процесс обогащения сложнее, поскольку в рудах всегда присутствуют и «посторонние» элементы, от которых необходимо избавляться. В первую очередь это сера, железо и кислород.

Сначала из руды путем «обмена» удаляют серу: место серы временно должен занять другой элемент. Обычно «заменителем» оказывается кислород. Делают это при обжиге руды: при высокой температуре металлы «соглашаются» расстаться с серой и принять на ее место кислород. Теперь перед металлургами новое соединение — оксид: соединение металла с кислородом. Иногда серу вытесняют не кислородом, а хлором. Тогда концентрат не обжигают, а хлорируют. Затем необходимо освободить металл от кислорода или хлора. С этим процессом — восстановлением металла — вы можете познакомиться в статье Доменная печь. При высоких температурах в расплав вводят углерод, водород или кремний. Кислород покидает металл и соединяется с этими элементами. Также и для хлора подбирают элементы, которые он «любит»: например, титан или цирконий освобождают от хлора с помощью магния.

Сложность получения цветных металлов хорошо видна на примере меди. Ее плавят в печах, напоминающих мартеновские (см. Мартеновская печь). Но выходит из печей не чистая медь, а так называемый штейн — сплав меди с железом, серой, серебром, золотом, цинком и другими элементами. Этих примесей в штейне 70—80%. Затем штейн заливают в конвертор и продувают через него воздух, в результате чего выжигаются остатки серы и удаляется железо. Занимает этот процесс часы, а не минуты, как в конверторе для переработки чугуна. Штейн превращается в черновую медь, которая содержит всего 1—2% примесей. Но и это слишком много.

Следующая стадия — очистка меди от примесей — огневое рафинирование. Выжигаются последние остатки серы и некоторых других элементов. Зато часть меди вновь окисляется. Чтобы освободить медь от кислорода, в ванну с расплавом погружают деревянные жерди, словно «дразнят» медь. Расплав при этом бурлит и фыркает. Эта операция так и называется — дразнение. Потом в печь забрасывают древесный уголь, который окончательно отбирает от меди кислород. Теперь примесей уже только десятые доли процента, и среди них золото и серебро.

С этим можно было бы мириться. Но электротехнике нужна очень чистая медь. Поэтому в дело вступает электролиз (см. Электрохимические методы обработки). Пластину очищаемой меди — анод — помещают в электролитическую ванну с раствором серной кислоты и медного купороса. Катодом служит лист чистой меди. Электрический ток переносит на катод только медь. Золото, платина и серебро опускаются на дно ванны, а другие примеси остаются в растворе. С помощью электролиза получают и многие другие цветные металлы. В первую очередь алюминий.

Получать алюминий тоже очень сложно. Его рудный концентрат — глинозем (оксид алюминия) плавится при 2050° С (это почти в 2 раза выше температуры плавления меди), да еще не отдает кислород углероду. Поэтому, чтобы снизить температуру плавки, приходится растворять глинозем в расплавленном криолите — минерале, в состав которого входят алюминий,   натрий   и   фтор.   Точка   плавления этого раствора ниже 1000° С, а с такой температурой уже можно работать.

В электролитической ванне молекулы глинозема распадаются на составные части — ионы алюминия и кислорода. Электрический ток разносит их в разные стороны. Алюминий осаждается на катод, которым является угольное дно самой ванны. Отсюда его потом и собирают.

Так же с помощью электролиза получают титан, магний, кальций, бериллий и другие металлы, разлагая их соединения с хлором. Хлористые соли этих металлов нагревают до 500—700° С и заливают в ванну с электролитом.

Однако цветные металлы можно получать и без нагрева — с помощью жидкости. Есть целая отрасль — гидрометаллургия (см. Металлургия). Металл переводят в раствор с помощью химического растворителя — воды или растворов кислот, щелочей и солей.

Из раствора чистый металл извлекают разными способами. В одних случаях с помощью электролиза (см. Электрический ток), в других прибегают к обменным химическим реакциям, но тоже в электролизной ванне. Суть их в том, что анодом служит какой-либо другой металл, который отдает в раствор свои ионы. А из раствора извлекают ионы нужного металла. Так получают, например, цинк.

В рудных концентратах цветных металлов присутствует ряд элементов. Поэтому у нас есть комбинаты, получающие из концентрата (его называют комплексным или полиметаллическим) около 20 химических элементов. Их последовательно извлекают из раствора каждый раз особым реактивом. Для 'этого применяют и о н и т ы — особые синтетические смолы. Они обладают избирательной способностью: погруженные в соответствующий раствор, Забирают из него только один элемент, скажем ионы золота. Иониты значительно ускоряют и удешевляют получение металлов. С их помощью выгодно даже извлекать драгоценные металлы  из  морской  воды.

В последнее время все большее распространение получило бактериальное выщелачивание. Некоторые виды бактерий растворяют в воде определенные металлы или их соединения, а также вредные примеси (например, мышьяк).

Так называемые тионовые бактерии растворяют медь, уран, цинк, кобальт, марганец и др. Для растворения и извлечения золота применяют гетеротрофные бактерии, выделенные из рудниковых вод золотоносных приисков.

Аппаратура для бактериального выщелачивания   очень   проста.   Это дает  возможность резко снизить себестоимость полезных ископаемых и значительно увеличить их добычу за счет использования бедных руд и отвалов из   отходов   обогащения  руды,   шлаков   и  др.