§ 44. Сплави металів. Використання металів і сплавів

Зміст

Допишіть формули простих речовин у схемах реакцій і перетворіть схеми на хімічні рівняння: $Cu_2O + \dots \rightarrow \dots + CO_2$; $Bi_2O_3 + \dots \rightarrow \dots + H_2O$. Для кожного хімічного перетворення запишіть схему відновлення.

У першій реакції пропущено вуглець ($C$), у другій — водень ($H_2$).

Рівняння реакцій:

1. $2Cu_2O + C \xlongequal{t} 4Cu + CO_2$
2. $Bi_2O_3 + 3H_2 \xlongequal{t} 2Bi + 3H_2O$

Схеми відновлення:

1. $Cu^{+1} + 1e^- \rightarrow Cu^0$ (Купрум відновлюється)
2. $Bi^{+3} + 3e^- \rightarrow Bi^0$ (Бісмут відновлюється)

Складіть рівняння реакції титан(IV) хлориду з магнієм, яка відбувається за високої температури. Який хімічний елемент є окисником, а який — відновником?

Рівняння хімічної реакції: $$TiCl_4 + 2Mg \xlongequal{t} Ti + 2MgCl_2$$

Титан у складі $TiCl_4$ є окисником, бо приєднує електрони: $$Ti^{+4} + 4e^- \rightarrow Ti^0$$

Магній віддає електрони, тому є відновником: $$Mg^0 – 2e^- \rightarrow Mg^{+2}$$

ВИКОНАЙМО ВПРАВУ

Перетворіть схему реакції $CaO + Fe_3P + O_2 \rightarrow Ca(PO_3)_2 + Fe$ на хімічне рівняння.

Добір коефіцієнтів для зрівнювання кількості атомів дає таке рівняння: $$2CaO + 4Fe_3P + 5O_2 = 2Ca(PO_3)_2 + 12Fe$$

РОЗВ’ЯЗУЙМО ЗАДАЧУ

Масова частка Феруму в залізній руді, що містить оксид $Fe_2O_3$, становить 56 %. Обчисліть масову частку домішок у цій руді.

1. Масова частка Феруму в чистому оксиді $Fe_2O_3$: $$w(Fe)_{оксид} = \dfrac{2 \cdot Ar(Fe)}{Mr(Fe_2O_3)} = \dfrac{112}{160} = 0,7 \text{ або } 70%$$
2. Масова частка чистого оксиду в руді: $$w(Fe_2O_3)_{руда} = \dfrac{w(Fe)_{руда}}{w(Fe)_{оксид}} = \dfrac{0,56}{0,7} = 0,8 \text{ або } 80%$$
3. Масова частка домішок: $$w(\text{домішки}) = 100% – 80% = 20%$$

Обчисліть масову частку Карбону в залізі (за даними задачі 455). Цей порошок виготовлено зі сталі чи чавуну?

Примітка: За умовами попередніх задач, 56 мл $CO_2$ містять 0,03 г Карбону, маса металу — 2,4 г.

Масова частка Карбону в зразку: $$w(C) = \dfrac{0,03}{2,4} \cdot 100% = 1,25%$$

Порошок виготовлено зі сталі, бо вміст Карбону менший за 2,14% (межа для чавуну).

ШАНС ДЛЯ ТВОРЧОСТІ

Здійсніть віртуальну екскурсію на металургійний завод і напишіть довідку про технологію перероблення на ньому руди на метал.

Етапи технологічного процесу:

1. Підготовка та збагачення руди (агломерація).
2. Відновлення заліза в доменних печах за участю коксу для отримання чавуну.
3. Виплавляння сталі з чавуну в кисневих конвертерах або електропечах (видалення зайвого вуглецю та шкідливих домішок).

ФОРМУЙМО СЛОВНИЧОК

Випишіть ключові слова і словосполучення з тексту параграфа для укладання двомовного словничка.

• Металевий сплав — metal alloy
• Чавун — cast iron
• Сталь — steel
• Корозійна стійкість — corrosion resistance
• Латунь — brass
• Бронза — bronze
• Дюралюміній — duralumin
• Перероблення відходів — waste recycling

ОЦІНЮЙМО СВОЇ ЗНАННЯ

458. Створіть у зошиті таблицю оцінювання ваших знань і заповніть її.

ДІЗНАЄТЕСЯ, ЗРОЗУМІЄТЕ, ВИКОРИСТАЄТЕ

Який склад мають поширені металеві сплави?

Сплави містять основний метал і легувальні домішки:

• Неіржавна сталь: залізо, хром, нікель, вуглець.
• Бронза: мідь, олово.
• Латунь: мідь, цинк.
• Дюралюміній: алюміній, мідь, магній.

Чим металеві сплави відрізняються від металів за фізичними властивостями і чим подібні до них?

• Подібність: металічний блиск, висока електро- та теплопровідність, пластичність.
• Відмінність: сплави твердіші, мають іншу густину, краще протистоять корозії та часто мають нижчу температуру плавлення.

У яких сферах використовують метали і металеві сплави?

Їх застосовують у будівництві, машинобудуванні, транспорті та виробництві інструментів. Сплави титану й алюмінію необхідні в авіації та космонавтиці. Літій і берилій потрібні для акумуляторів та ядерної енергетики.

Чому перероблення металевих відходів є актуальним у наш час?

Природні запаси руд вичерпуються. Вторинна переробка (ресайклінг) значно економить енергію, кошти та зменшує забруднення довкілля порівняно з повним циклом видобутку металів.

Назвіть два поширених металевих сплави, які відрізняються за кольором від своїх компонентів.

1. Латунь: має жовтий колір, хоча утворена червоною міддю та сріблясто-білим цинком.
2. Бронза: золотисто-коричнева, що відрізняється від кольору міді та олова.

Якщо до порошку латуні додати хлоридну кислоту, то з нею реагуватиме лише один компонент сплаву (який?)

З кислотою реагуватиме лише цинк. Він стоїть у ряду активності металів до водню, а мідь — після нього, тому вона з розбавленою хлоридною кислотою не взаємодіє.

Напишіть рівняння зазначених реакцій (латуні з хлором та латуні з хлоридною кислотою), враховуючи, що складниками сполук є двозарядні катіони.

Реакції компонентів латуні з хлором:

1. $Cu + Cl_2 \xlongequal{t} CuCl_2$
2. $Zn + Cl_2 \xlongequal{t} ZnCl_2$

Реакція з хлоридною кислотою (лише цинк): $$Zn + 2HCl \xlongequal ZnCl_2 + H_2\uparrow$$

У яких сферах використовують алюміній і мідь?

• Алюміній: авіа- та ракетобудування, будівництво, фольга для пакування, лінії електропередач.
• Мідь: електротехніка (кабелі, дроти), електроніка, теплообмінники, труби, художні вироби.

За матеріалами з інтернету підготуйте повідомлення про берилієву бронзу та її використання в аерокосмічній техніці.

Берилієва бронза — високоміцний сплав міді з берилієм (0,5–3%). Має високу пружність, твердість і зносостійкість. В аерокосмічній галузі з неї виготовляють пружини, підшипники, контакти та деталі навігаційних приладів. Головні переваги — відсутність іскріння під час ударів і немагнітність.

За інформацією з інтернету з’ясуйте склад ювелірних сплавів золота з міддю і сріблом.

Склад залежить від проби. Сплав 585-ї проби містить 58,5% золота, решта — мідь і срібло. Мідь додає твердості та червонуватого відтінку, срібло — пластичності й висвітлює колір (до жовтого або білого).

Про що інформує проба, яку нанесено на золотій обручці або сережці?

Проба показує масову частку чистого золота у сплаві в проміле (тисячних частках). Проба 750 означає, що 1000 г сплаву містять 750 г золота.

Знайдіть на виробі із заліза, сплаву заліза або алюмінію знак, який означає, що метал або сплав може бути використаний повторно.

• Сталь (сплави заліза): трикутник із цифрою 40 і маркуванням FE.
• Алюміній: трикутник із цифрою 41 і написом ALU.

ВИОКРЕМЛЮЄМО ОСНОВНЕ

Проаналізувавши матеріал, викладений у параграфі, запишіть у зошиті висновки про металеві сплави, їхній склад, а також використання металів і сплавів.

Сплави мають кращі механічні властивості (твердість, міцність, стійкість до корозії), ніж чисті метали. Їх виготовляють сплавленням металів між собою або з неметалами. Це розширює сфери їхнього застосування. Переробка металобрухту є обов’язковою для збереження природних ресурсів та електроенергії.

Сформулюйте цікаве запитання за темою параграфа і поставте його своїм однокласникам / однокласницям.

Запитання: Чому ювелірні прикраси не роблять із чистого золота 999-ї проби, і як це вплинуло б на їхню довговічність?

Порівняйте свою і їхні відповіді та оцініть їх.

Відповідь: Чисте золото дуже м’яке, вироби б швидко деформувалися та дряпалися. Мідь і срібло додають для міцності. Оцінка: Правильна відповідь має ґрунтуватися на фізичних властивостях металів.

ПЕРЕВІРМО СЕБЕ

Чому металеві сплави використовують частіше за метали?

Сплави міцніші, твердіші, краще опираються корозії та зношуванню. Також вони можуть мати специфічні властивості (магнітні, теплові), відсутні у чистих металів.

Чим відрізняється латунь від бронзи?

Вони мають різний хімічний склад:

• Латунь — сплав міді та цинку ($Cu + Zn$).
• Бронза — сплав міді переважно з оловом ($Cu + Sn$) або іншими елементами (алюмінієм, берилієм).

Чому одержання металу з відходів вигідніше, ніж його видобування з руди?

Переробка брухту потребує значно менше енергії (для алюмінію — лише 5% від початкової потреби). Вона зменшує викиди в атмосферу та зберігає природні ресурси.

ПОМІРКУЙМО

462. Які фізичні та хімічні властивості, на вашу думку, повинні мати металеві сплави, що використовують у літакобудуванні?

Вони мають бути легкими (низька густина), але міцними і твердими. Хімічно потрібна стійкість до корозії та здатність витримувати температурні перепади й тиск.

ДІЗНАВАЙМОСЯ

463. Перші монети незалежної України номіналом 2 копійки було виготовлено з алюмінію. Потім їх почали виготовляти зі сталі. Чому, на вашу думку, відбулася така заміна?

Алюміній надто м’який, монети швидко стиралися та деформувалися. Сталь значно твердіша, краще протистоїть зношуванню та дешевша у виробництві.

РОЗВ’ЯЗУЙМО ЗАДАЧУ

464. За результатами експерименту (задача 464) обчисліть густину сплаву.

Об’єм сплаву дорівнює об’єму витісненої води: $$V = 640 \text{ мл} – 600 \text{ мл} = 40 \text{ см}^3$$. Маса сплаву — $100$ г (з умови). Густина: $$\rho = \dfrac{m}{V} = \dfrac{100}{40} = 2,5 \text{ г/см}^3$$.

465. Атомів якого хімічного елемента в спеціальній бронзі найменша кількість ($Cu$ — 85 %, $Sn$ — 9 %, $Zn$ — 6 %)?

Візьмемо 100 г сплаву. Маси: $m(Cu)=85$ г, $m(Sn)=9$ г, $m(Zn)=6$ г. Кількість речовини ($n = m/M$):

• $n(Cu) = 85 / 63,5 \approx 1,34$ моль
• $n(Sn) = 9 / 118,7 \approx 0,076$ моль
• $n(Zn) = 6 / 65,4 \approx 0,092$ моль

Найменша кількість атомів належить Стануму (Sn).

Скільки атомів Купруму припадає на кожні 10 атомів цього елемента?

Відношення кількості речовини $Cu$ до $Sn$: $$\dfrac{n(Cu)}{n(Sn)} = \dfrac{1,34}{0,076} \approx 17,6$$. На 10 атомів Стануму припадає $17,6 \cdot 10 = 176$ атомів Купруму.

РОЗВ’ЯЗУЙМО ЗАДАЧУ

Порошок силуміну масою 5 г із масовою часткою силіцію 14 % спалили в надлишку кисню. Обчисліть масові частки оксидів в утвореній суміші сполук.

1. Маси компонентів сплаву: $$m(Si) = 5 \cdot 0,14 = 0,7 \text{ г}; m(Al) = 5 – 0,7 = 4,3 \text{ г}$$.
2. Рівняння реакцій: $$Si + O_2 \xlongequal SiO_2$$; $$4Al + 3O_2 \xlongequal 2Al_2O_3$$.
3. Маса $SiO_2$: $$n(Si) = 0,7 / 28 = 0,025 \text{ моль} \Rightarrow n(SiO_2) = 0,025 \text{ моль}$$; $$m(SiO_2) = 0,025 \cdot 60 = 1,5 \text{ г}$$.
4. Маса $Al_2O_3$: $$n(Al) = 4,3 / 27 \approx 0,159 \text{ моль}$$; $$n(Al_2O_3) = 0,159 / 2 \approx 0,0796 \text{ моль}$$; $$m(Al_2O_3) = 0,0796 \cdot 102 \approx 8,12 \text{ г}$$.
5. Загальна маса суміші: $$1,5 + 8,12 = 9,62 \text{ г}$$.
6. Масові частки: $$w(SiO_2) = 1,5 / 9,62 \approx 15,6%$$; $$w(Al_2O_3) = 8,12 / 9,62 \approx 84,4%$$

У КОМАНДІ

Необхідно створити новий металевий сплав для виготовлення обладнання підводного човна. Які компоненти сплаву і його властивості ви закладете в програму ШІ?

• Компоненти: титан ($Ti$), нікель ($Ni$), хром ($Cr$), молібден ($Mo$).
• Властивості: максимальна стійкість до корозії у солоній воді, міцність до високого тиску, низька магнітність.

СТВОРЮЙМО ПРОЄКТ

Підготуйте за матеріалами з інтернету повідомлення на тему «Сплави металів у ювелірній справі (історія, сьогодення)».

Історично чисті золото й срібло були занадто м’якими, тому до них додавали мідь. Зараз популярні сплави золота 585-ї та 750-ї проб. Лігатурою є срібло, мідь, паладій, нікель або цинк. Залежно від складу отримують біле, рожеве або зелене золото. Також популярним стає гіпоалергенний титан.

ФОРМУЙМО СЛОВНИЧОК

Випишіть ключові слова і словосполучення з тексту параграфа для укладання двомовного словничка (завдання 469).

• Сплави металів — metal alloys
• Корозійна стійкість — corrosion resistance
• Неіржавна сталь — stainless steel
• Твердість — hardness
• Температура плавлення — melting point
• Масова частка — mass fraction

Складіть двомовний словничок із ключових слів і словосполучень, виписаних вами з параграфів 40—44.

• Металічний зв’язок — metallic bond
• Кристалічна ґратка — crystal lattice
• Пластичність — plasticity
• Електропровідність — electrical conductivity
• Лужні метали — alkali metals
• Оксидна плівка — oxide film
• Амфотерність — amphotericity
• Відновлення металів — reduction of metals
• Лігатура — alloying metal / ligature
• Домішки — impurities

ОЦІНЮЙМО СВОЇ ЗНАННЯ

471. Створіть у зошиті таблицю оцінювання ваших знань і заповніть її.

472. Виконайте розміщені за QR-кодом або покликанням завдання за матеріалом розділу 4.

Інтерактивні вправи на співвідношення назв сплавів, їхнього складу та властивостей виконано. Це закріплює знання про застосування металів.