Поширення, властивості та застосування деяких рідкісних металів.

Літій поширений в природі досить широко. Супутник природних родовищ натрію і калію, він утворює складні мінерали типу алюмосилікатів, в яких вміст літію складає всього кілька відсотків.

Найбільший інтерес представляють собою сплави літію з кальцієм, що застосовуються для розкислення нікелю, міді та їх сплавів. В свинцеві бабіти літій додають в кількості 0,04 %. Він підвищує їх твердість при нормальній і підвищеній температурах і опір деформації, а також знижує коефіцієнт тертя, завдяки чому усувається «задирання» підшипників.

Металевий літій запропоновано використовувати також для створення його парами інертною газової атмосфери в відпаловому та інших печах для запобігання виробів в печі від окислення і зневуглецювання.

Розчини літію (LiOH) застосовуються для заливки лужних акумуляторів, збільшуючи їх ємність, термін служби і підвищуючи температурний діапазон дії. Різні сполуки літію застосовують в кераміці для отримання емалей і глазурі; при виготовленні скла, пропускають ультрафіолетові промені; як тверде джерело для отримання газоподібного водню в умовах, що виключають користування балонним воднем; як фіксатор азоту.

Літій можна використовувати в якості «палива» для реактивних двигунів. Ядро літію легко розщеплюється з виділенням великої кількості тепла.

Молібден.Хімічний елемент VI групи періодичної системи, атомний номер 42, атомна маса 95,94. Назва від грецького molybdos – свинець (за подібністю мінералів Мо і Рb). Світло-сірий метал, щільність 10,2 г/см³, t_пл 2623 °С. Хімічно стійкий (на повітрі окислюється при температурі вище 400 °С). Головний мінерал – молібденіт. Більше 75 % молібдену застосовують для легування чавунів і сталей, що використовуються в авіа- і автомобілебудуванні, при виготовленні лопаток турбін. Дуже перспективні жароміцні (для реактивних двигунів), кислототривкі (апарати хімічної промисловості) сплави; так, сплав Fe-Ni-Mo стійкий до всіх кислот (крім HF) до 100 °С. Важливий конструкційний матеріал у виробництві ниток для електричних ламп та катодів для електровакуумних приладів. Молібден відноситься до рідкісних елементів, його кларк в земній корі дорівнює 1,1·10^-4 % по масі.

Зараз 80 % одержуваного в світі молібдену використовується у чорній металургії: у виробництві низьколегованих нержавіючих сталей, що містять менше 4 % Mo, швидкорізальних та інших інструментальних сталей, частка молібдену в яких досягає 9,5 %. Молібден поліпшує легуючі властивості хрому в нержавіючих сталях, що особливо важливо при їх використанні в корозійних середовищах, наприклад, морський воді або в якості конструкційних матеріалів в процесах нафтохімії. Металорізальні молібденовмісні інструменти можуть гартуватися в процесі роботи. Чистий молібден знаходить обмежене застосування при виготовленні нагрівальних елементів, а також в електровакумній техніці і електроламповому виробництві.

Скандій (лат. Scandium), Sc, хімічний елемент III групи періодичної системи Менделєєва, атомний номер 21, атомна маса 44,9559; легкий метал з характерним жовтим відливом, який з'являється при контакті металу з повітрям.

В даний час скандій використовується в двох різних областях техніки-у виробництві феритів і як «мічений атом» у різних дослідженнях. Застосування скандію як добавки до фериту на основі оксидів марганцю, магнію і заліза, широко використовуваних в обчислювальній техніці, надзвичайно перспективно. Заслуговує на увагу застосування радіоактивного ізотопу 46Sc в якості «мітки», що дозволяє з великою точністю проводити контроль у ряді хімічних, металургійних, океанографічних та інших процесах і дослідженнях. За кордоном за допомогою 46Sc лікують ракові пухлини. Скандій та його сполуки застосовують також для отримання деяких практично важливих штучних радіоактивних ізотопів калію, кальцію і титану.

Ніобій.Хімічно ніобій досить стійкий. Застосування і виробництво ніобію швидко зростають, що обумовлено поєднанням таких його властивостей, як тугоплавкість, малий перетин захоплення теплових нейтронів, здатність утворювати жароміцні, надпровідні та ін сплави, корозійна стійкість, гетерогенні властивості, низька робота виходу електронів, хороші оброблюваність тиском на холоду і зварюваність. Основні області застосування ніобію: ракетобудування, авіаційна і космічна техніка, радіотехніка, електроніка, хімічна апаратобудування, атомна енергетика.

З чистого ніобію або його сплавів виготовляють деталі літальних апаратів; оболонки для уранових і плутонієвих тепловиділяючих елементів; контейнери і труби; для рідких металів; деталі електричних конденсаторів; «гарячу» арматуру електронних (для радарних установок) і потужних генераторних ламп (аноди, катоди, сітки тощо); коррозійнностійку апаратуру в хімічній промисловості. Ніобієм легують інші кольорові метали, в тому числі уран. Ніобій застосовують в кріотронах-надпровідних елементах обчислювальних машин.

У зв'язку з будівництвом термоядерних реакторів (початок будівництва ІТЕР в 2007 році) і розширенням термоядерної енергетики в найближчі 8 – 12 років будуть потрібні дуже великі кількості ніобію і в найближчі 3 – 4 роки ціни і попит на ніобій зростуть у 5 – 9 разів.

Реній.Промислове виробництво нового металу розгорнулося на початку 30-х років у Німеччині, де були знайдені молібденові руди з великим вмістом ренію – 100 грамів на тонну. Усього одна щіпка на гору руди, але для ренію і таку концентрацію можна вважати надзвичайно високою: адже його середній вміст в земній корі в десятки тисяч разів нижче. Небагато знайдеться елементів, котрі зустрічаються в природі ще рідше, ніж реній.

Він виявився одним з найбільш важких металів – мало не в три рази важче заліза. Тільки осмій, іридій і платина по щільності трохи перевершують реній.

Характерна його риса-надзвичайна тугоплавкість: по температурі плавлення (3180 °С) він поступається лише вольфраму. А температура його кипіння настільки висока, що до сих пір її не вдалося визначити з великим ступенем точності. Можна лише сказати, що вона близька до 6000 °С (тільки вольфрам кипить приблизно при такій же температурі).

Особливий інтерес металознавців викликає «ренієвий ефект» – благотворний вплив ренію на властивості вольфраму і молібдену.

Для надточних навігаційних приладів, якими користуються космонавти, льотчики, моряки, необхідні так звані торсони – найтонші (діаметром всього кілька десятків мікрон!), але на диво міцні металеві нитки.

Чудові властивості продемонстрували й інші сплави ренію – з ніобієм, нікелем, хромом, паладієм. Навіть невеликі добавки ренію підвищують, наприклад, температуру плавлення хромонікелевого сплаву приблизно на 200 – 250 градусів.

Широким діапазоном властивостей ренієвих сплавів пояснюється і різноманіття сфер їх застосування: від високочутливих термопар, які не бояться жарких обіймів розплавленої сталі, до кінчиків вічного пір'я, опор компасних стрілок та інших деталей, які повинні довгий час зберігати більшу твердість, міцність, зносостійкість.

Для боротьби з корозією – вічним ворогом металлу – вчені розробили чимало способів. Хромування, нікелювання, цинкування взяті на озброєння багато років тому, а ось реніювання – процес порівняно новий. Найтонші ренієві покриття по стійкості не знають собі рівних. Вони надійно захищають деталі від дії кислот, лугів, морської води, сірчистих з'єднань і багатьох інших небезпечних для металу речовин. Цистерни і баки, виготовлені з ренірованних сталевих листів, застосовують, наприклад, для перевезення соляної кислоти.

Уран– один з найбільш важких елементів, що зустрічаються в природі. Чистий метал дуже щільний, пластичний, електропозитивний з малою електропровідністю і високо реакційноздатний.

Уран має три алотропні модифікації: a-уран (орторомбічна кристалічна решітка), існує в інтервалі від кімнатної температури до 668 °С; b-уран (складна кристалічна решітка тетрагонального типу), стійкий в інтервалі 668 – 774 °С; g-уран (об'ємноцентрована кубічна кристалічна решітка), стійкий від 774 °С аж до температури плавлення (1132 °С). Оскільки всі ізотопи урану нестабільні, всі його сполуки виявляють радіоактивність.

Хоча радіоактивність солей урану була відома, його руди в першій третині нинішнього століття використовувалися лише для отримання супутнього радію, а уран вважався небажаним побічним продуктом. Його використання було зосереджено в основному в технології кераміки та в металургії; оксиди урану широко застосовували для фарбування скла в кольори від блідожовтого до темнозеленого, що сприяло розвитку недорогих скляних виробництв. Сьогодні вироби цих виробництв ідентифікують як флуоресціюючі під ультрафіолетовими променями. Під час Першої світової війни і незабаром після неї уран у вигляді карбіду застосовували у виробництві інструментальних сталей, аналогічно Mo і W; 4 – 8 % урану замінювали вольфрам, виробництво якого в той час був обмежений. Для отримання інструментальних сталей в 1914 – 1926 р.р. щорічно виробляли по кілька тонн фероурана, що містить до 30 % (мас.) U.

Індій.Однією з перших областей застосування індію стало виготовлення високоякісних дзеркал, необхідних для астрономічних приладів, прожекторів, рефлекторів і тому подібних пристроїв. Виявляється, звичайне дзеркало не однаково відображає світлові промені. Індій ж не тільки володіє надзвичайно високою відбивною здатністю, але і проявляє при цьому цілковиту об'єктивність, абсолютно однаково ставлячись до всіх кольорів веселки – від червоного до фіолетового. Ось чому, щоб світло, що випромінюється далекими зірками, доходило до астрономів неспотвореним, в телескопах встановлюють індієві дзеркала.

На відміну від срібла, індій не тьмяніє на повітрі, зберігаючи високий коефіцієнт відбиття.

Сплав індію з вісмутом, свинцем, оловом і кадмієм плавиться вже при 46,8 °С і завдяки цьому успішно справляється з роллю автоматичного контролера, що оберігає відповідальні вузли та деталі різних механізмів від перегріву. Відомий сплав індію з галієм і оловом, який навіть при кімнатній температурі знаходиться в рідкому стані: він плавиться при 10,6 °С. Плавкі запобіжники з індіевих сплавів широко використовують в системах пожежної сигналізації. Цінна властивість індію – його висока стійкість до дії їдких лугів і морської води. Цю здатність набувають і мідні сплави, в які введено навіть невелика кількість індію. Обшивка нижньої частини корабля, виконана з такого сплаву, легко переносить тривале перебування в солоному підводному царстві. Щоб метал підшипників не піддавався ерозії, вчені запропонували наносити на них тонкий шар індію. Його атоми не тільки щільно покривають робочу поверхню металу, але і проникають всередину, утворюючи з ним міцний сплав. Такий метал мастилі вже не по зубах: термін служби підшипників зростає в п'ять разів. З індіевих сплавів (наприклад, з сріблом, оловом, міддю і цинком), яким властиві висока міцність, корозійна стійкість, довговічність, виготовляють зубні пломби. У цих сплавах індій грає відповідальну роль: він зводить до мінімуму усадку металу при затвердінні пломби. Авіатори добре знайомі з цінкоіндіевим сплавом, який служить антикорозійним покриттям для сталевих пропелерів. Своєрідною найтоншою "ковдрою" з олова та оксиду індію "укутують" вітрове скло літаків. Таке скло не замерзає - на ньому не з'являються крижані візерунки, які навряд чи радували б погляд пілотів. Сплави індію широко використовують для склеювання скла або скла з металом (наприклад, у вакуумній техніці).

Деякі сплави індію дуже красиві – не дивно, що вони сподобалися ювелірам. Як декоративний метал використовують, зокрема, сплав 75 % золота, 20 % срібла і 5 % індію – так зване зелене золото. Відома американська фірма "Студебеккер" замість хромування зовнішніх деталей автомобілів не без успіху застосувала індирування. Індієві покриття значно довговічніші хромового.

В атомних реакторах індієва фольга служить контролером, що вимірює інтенсивність потоку теплових нейтронів і їх енергію: стикаючись з ядрами стабільних ізотопів індію, нейтрони перетворюють їх на радіоактивні; при цьому виникає випромінювання електронів, за інтенсивністю і енергії якого судять про нейтронний потік.

Світове виробництво індію поки дуже мале – лише кілька десятків тонн на рік. Зазвичай цей цінний метал отримують як ... побічний продукт при переробці руд цинку, свинцю, міді, олова.

ХХI століття характеризується надзвичайною різноманітністю застосовуваних матеріалів. Створення нових або поліпшення властивостей раніше відомих матеріалів, що використовуються в сфері науки і виробництва, в культурі та побуті, в значній мірі визначається застосуванням поки ще досить нових для техніки елементів, які зазвичай називають рідкісними.

Найважливішими областями застосування рідкісних металів є металургія (виробництво жаростійких, жароміцних, корозійностійких і надтвердих сплавів і спеціальних сортів сталі) і машинобудування (в тому числі авіа-, автобудування, а також хімічне машинобудування), які споживають літій, берилій, індії, титан, цирконій, ванадій, ніобій, тантал, молібден, вольфрам, рідкоземельні та інші метали; електротехніка (виробництво освітлювальних ламп, акумуляторів) та електронна техніка (виготовлення радіоламп, фотоелектричних приладів, рентгенівської апаратури та радіолокаційних пристроїв), які використовують цезій, індій, галій, германій, титан, цирконій, ніобій, тантал, молібден, вольфрам і деякі інші метали; хімічна промисловість, для якої велике значення мають сполуки рідкісних елементів (літію, ванадію, селену, телуру, рідкоземельних елементів); атомна техніки і ядерна енергетика (літій, берилій, торій, цирконій, уран); вакуумна техніка та ряд інших областей.

Рідкісні елементи увійшли в життя не відразу, але їх роль і значення безперервно зростали, і до теперішнього часу становище склалося таким чином, що без їх застосування існування і подальший розвиток найважливіших галузей техніки вже неможливо. Названі колись елементами майбутнього, вони стали елементами сьогодення. В роботі були висвітлені найважливіші галузі застосування рідкісних металів, їхніх сплавів і з'єднань, іноді в особливо чистому вигляді.

Порядок виконання роботи

1. Вивчити теоретичні відомості.

2. Описати класифікацію рідкісних елементів.

3. Особливості властивостей і застосування рідкісних металів.

Зміст звіту

1. Найменування роботи, мета й устаткування.

2. Основні положення теоретичних відомостей.

3. Фізичні властивості рідкісних металів.

4. Поширення, властивості та застосування деяких рідкісних металів ..

5. Висновок.

Контрольні запитання

1. Описати фізичні властивості рідкісних металів.

2. Класифікація рідкісних елементів.

3. Поширеність в природі хімічних елементів.

4. Властивості і застосування рідкісних металів.

Література: [2 – 9].

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

 

1. Ю. Д. Третьяков, E. A. Гудилин. Химические принципы получения металлооксидных сверхпроводников, Успехи Химии, 2000, т. 69, н. 1, с. 3 – 40.

2. А. М. Абакумов, Е. В. Антипов, Л. М. Ковба, Е. М. Копнин, С. Н. Путилин, Р. В. Шпанченко. Успехи Химии, 64, 769 (1995), Сверхпроводники в современном мире, – М.: Просвещение, 1991, 69 с.

3. Высокотемпературные сверхпроводники. (Под ред. Д. Нелсона, М. Уиттинхема, Т. Джорджа), – М.: Мир, 1988.

4. ЖВХО им.Д. И. Менделеева, 34, 436 – 536 (1989)

5. Физические свойства высокотемпературных сверхпроводников. (Под ред. Д. М. Гинзберга). – М.: Мир, 1990.

6. Высокотемпературная сверхпроводимость. Фундаментальные и прикладные исследования. Вып. 1. (Под ред. А. А. Киселева), – Л.: Машиностроение, 1990.

7. Дж. Блейкмор. Физика твердого тела. – М.: Мир, 1988, с. 325.

8. И. Е. Аршакян, Н. Н. Олейников, Ю. Д. Третьяков. Неорганические материалы. 30, 824 (1994).

9. Ю. И. Сиротин, М. П. Шаскольская, Основы кристаллофизики, –М.: Наука, 1979, 639 с.

Методичні вказівки щодо виконання практичних робіт з навчальної дисципліни "Сучасні функціональні матеріали" для студентів денної форми навчання за напрямом 6.050403 – "Інженерне матеріалознавство"

 

 

Укладач к.т.н., доц. А. Т. Хасанов

Відповідальний за випуск зав. кафедри інженерного матеріалознавства Ю. М. Гаврилюк

 

 

Підп. до др. _________. Формат 60х84 1/16. Папір тип. Друк ризографія.

Ум. друк. арк. _____. Наклад ____ прим. Зам. № ________. Безкоштовно.

 

Видавничий відділ

Кременчуцького національного університету

імені Михайла Остроградського

м. Кременчук, вул. Першотравнева, 20, 39600