StopystopStopy są istotne w naszym życiu i wcale nie mowa tu o ludzkich kończynach. Znane są już od czasów prehistorycznych, a umiejętność ich wytwarzania wiąże się z rozwojem cywilizacji. Umiejętność wyrabiania brązubrązybrązu, czyli stopu miedzi i cyny (głównie, ale nie tylko), była tak znacząca, że zdefiniowała całą epokę historyczną. Skończyła się dopiero z wyparciem brązu przez kolejny metal – żelazo (a dokładnie przez jego stopy). Stopy więc są już od starożytności jednym z podstawowych typów materiałów, wykorzystywanych przez człowieka. Co ciekawe, dużo częściej można spotkać się z zastosowaniem stopów niż czystych metali. Wynika to po pierwsze z faktu, że większość metali rzadko występuje wolna od zanieczyszczeń, ale przede wszystkim z tego, że stopy mają inne, na ogół lepsze, właściwości mechaniczne i antykorozyjne od swoich składników. Jedynie ich przewodnictwo elektryczne ulega zazwyczaj pogorszeniu względem czystych metali. Warto podkreślić, że właściwości stopów nie są średnią właściwości substancji wchodzących w ich skład. Połączenie srebrzystego cynku i czerwonawej miedzi daje w odpowiednich proporcjach złocisty, choć bezwartościowy tombak. Z kolei stop złota, miedzi i srebra jest twardym materiałem, mimo że metale, które się na niego składają, uznawane są za miękkie.

Stopy najprościej można opisać jako tworzywa powstałe poprzez połączenie i zmieszanie atomów co najmniej dwóch pierwiastków, z których ten o największej zawartości jest metalem. Polskie słowo „stop” wskazuje na najstarszą i podstawową, choć nie jedyną metodę ich wytwarzania – topienie razem z metalem (głównym składnikiem) innych pierwiastków (dodatków stopowych, głównie metali), mieszanie ich, a następnie zestalanie jako jednolitych materiałów. Tak np. wytwarzany jest mosiądzmosiądzmosiądz, czyli stop miedzi i cynku. Stopy mogą powstawać nie tylko w procesach hutniczych, ale również w czasie wydzielania metali z roztworów wodnych (elektroosadzanie), mechanicznego ucierania różnych pierwiastków (mechanochemia), ale także poprzez jednoczesne naparowanie różnych metali na podłoże.

RAeWU9zuHGo73

Zdjęcie przedstawia saksofon. Widać prawą dłoń osoby, która na nim gra. Instrument ma złoty kolor.

RXU5NLBNw0tV41

Na ilustracji widoczny mosiężny talerz z wizerunkiem Adama i Ewy stojącymi pod drzewem. Wokół pnia drzewa owinięty jest wąż. Talerz ma złoty kolor.

R10Fd4NthOj09

Zdjęcie ukazuje dwa mosiężne dzwony - jeden mniejszy, drugi większy - zawieszone w murowanej dzwonnicy.

Niezależnie od metody przygotowania, wszystkie stopy łączy kilka podstawowych cech. Kryterium odróżniającym ich od innych tworzyw jest to, że są pomieszaniem co najmniej dwóch pierwiastków, z których głównym składnikiem jest metal. Poza tym zachowują właściwości metaliczne, takie jak umiejętność przewodzenia prądu elektrycznego czy metaliczny połysk. Istotna jest także ich zdolność do obróbki mechanicznej, czyli kowalność i ciągliwość. Metale stanowią większość układu okresowego pierwiastków. Każdy charakteryzuje się różną reaktywnością chemiczną, gęstością, masą atomową, a nawet stanem skupienia.

Mimo tych różnic, wiele metali da się połączyć, tworząc ich stopy. Tak powstałe materiały mogą przejawiać inne właściwości (zarówno chemiczne, jak i fizyczne) niż pierwiastki, z których powstały. Dodać należy, że nie tylko same składniki, ale i wzajemne proporcje wpływają na właściwości materiałów. Liczba możliwych kombinacji dwu- i wieloskładnikowych jest ogromna, a właściwości często są trudne do przewidzenia. Przykładem może być stalstalstal, czyli połączenie żelaza z niewielkim, bo kilkuprocentowym dodatkiem stopowym – węglem. Istotną zmianę we właściwościach (np. odporności na korozję) można uzyskać, dodając do stali nawet niewielkie ilości innych pierwiastków, np. chromu, molibdenu, wanadu. Dzięki temu uzyskamy tzw. stale stopowe. Z kolei stopy glinu, nazywane inaczej aluminium, nawet, jeśli zawierają tylko niewielką domieszkę innych pierwiastków, znacznie zwiększają swoją odporność mechaniczną (nawet dwu‑trzykrotnie), zachowując typową dla glinu niską gęstość.

RGgTK4qxB0NMb

Na ilustracji widoczne są stalowe podkładki.

RnmzAiieYAPFX

Na ilustracji widoczne są aluminiowe puszki bez etykiet. Są srebrne.

Takie różnice we właściwościach chemicznych i mechanicznych stopów na ogół wynikają z ich struktury wewnętrznej, która jest zdecydowanie bardziej skomplikowana niż struktura czystych metali.

Wynika to z prostego faktu – atomy każdego pierwiastka mają swoje specyficzne promienie. Ta różnica w wymiarach powoduje, że nie zawsze atomy mogą być rozłożone w objętości stopu równomiernie. Dlatego, ze względu na strukturę wewnętrzną, stopy możemy podzielić na jednofazowe – homogeniczne i wielofazowe – heterogeniczne.

Mosiądz, czyli stop cynku i miedzi, jest przykładem stopu jednofazowego, a więc takiego, gdzie atomy tworzących go pierwiastków rozłożone są równomiernie. Innym przykładem może być stop miedzi i niklu, często wykorzystywany jako materiał do wytwarzania monet. Dla odmiany, amalgamat dentystyczny (mieszanina rtęci i srebra), dawniej wykorzystywany w stomatologii do wytwarzania plomb, jest materiałem wielofazowym. Trzeba również wspomnieć o wykorzystywanym w elektronice stopie lutowniczym – połączeniu ołowiu i cyny. W jego strukturze wewnętrznej można odnaleźć wiele drobnych krystalitów.

Słownik

Bibliografia

Bard A. J., Inzelt G., Scholtz F., Electrochemical dictionary, Berlin 2008.

Jones L., Atkins P., Kuryłowicz J., Chemia Ogólna, Warszawa 2004.

Lautenschlager K. H., Schroter W., Wanninger A., Mlostoń G., Nowoczesne Kompendium Chemii, Warszawa 2007.

Rudnik S., Budowa Stopów. Metaloznawstwo, Warszawa 1998.