Stopy metali
Stopy metali znane są już od czasów prehistorycznych. Od umiejętności wyrabiania i powszechnego wykorzystywania jednego z nich, jedną z epok w dziejach ludzkości nazwano epoką brązu. W dzisiejszych czasach stopy metali wykorzystujemy równie często, jeśli nie częściej niż czyste metale. Dlaczego? Czym się od siebie różnią? Czy w skład stopu mogą wchodzić wyłącznie metale?
właściwości materii w różnych stanach skupienia;
właściwości substancji zaliczane do właściwości fizycznych i właściwości chemicznych;
symbole pierwiastków chemicznych oraz sposób posługiwania się nimi;
definicję metali;
właściwości fizyczne metali;
zastosowanie metali w życiu codziennym oraz kryteria klasyfikacji mieszanin.
wyjaśniać, dlaczego zamiast metalu często używa się jego stopu z innymi pierwiastkami chemicznymi;
wymieniać przykłady zastosowań stopów metali w życiu codziennym;
projektować i wykonywać doświadczenia pozwalające porównać wybrane właściwości fizyczne metali i ich stopów;
opisywać skład chemiczny i właściwości fizyczne wybranych stopów.
1. Co to są stopy metali?
Polska nazwa „stop” pochodzi od najstarszej ze znanych metod jego otrzymywania w odpowiednich procesach hutniczych. Polegała na stapianiu ze sobą odpowiednich pierwiastków chemicznych (głównie metali), a następnie schładzaniu otrzymanej masy. Obecnie są już i inne sposoby otrzymywania stopów, ale nazwa omawianego materiału nie uległa zmianie.
Stop metaliStop metali to materiał utworzony przez połączenie metalu z innym pierwiastkiem (bądź pierwiastkami), zwykle metalem. Możesz spotkać się również ze stwierdzeniem, że stop metali to tworzywo o właściwościach metalicznych.
W skład stopu mogą wchodzić nie tylko metale, ale także niemetale (najczęściej węgiel). W przypadku, gdy stop ma zostać wytworzony z metalu (bądź metali) i niemetalu (bądź niemetali), dany metal musi w tym stopie stanowić zdecydowaną większość (musi być jego głównym składnikiem).
W większości znanych stopów jesteśmy w stanie wskazać ich składnik główny – jest nim metal, którego zawartość procentowa (w procentach masowych) jest największa. Pozostałe pierwiastki chemiczne, które wchodzą w skład stopu, nazywane są dodatkami stopowymi.
W poniższej galerii zdjęć opisano pokrótce skład oraz wybrane zastosowania niektórych z wykorzystywanych w życiu codziennym stopów. Zapoznaj się z nimi, za pomocą strzałek umieszczonych po bokach grafiki, a następnie wykonaj polecenie .
Indeks górny Przybliżony skład procentowy (w procentach masowych) oraz wybrane zastosowania niektórych ze stopów metali Indeks górny koniecPrzybliżony skład procentowy (w procentach masowych) oraz wybrane zastosowania niektórych ze stopów metali
Żelazo, dzięki swoim właściwościom, jest jednym z najbardziej użytecznych metali. Jednak ze względu na to, że jego czysta odmiana łatwiej ulega procesom korozji, częściej wykorzystuje się jego stopy. Jest między innymi głównym składnikiem powszechnie stosowanej stalistali, którą otrzymuje się z surówki (wytwarzanej w wielkim piecu z rudy żelaza) oraz którą uszlachetnia się metalami – manganem, niklem czy chromem. Stop ten jest wykorzystywany głównie w konstrukcji mostów, drapaczy chmur, statków, platform morskich, samochodów, pociągów, pokryć dachów czy w produkcji puszek do konserw. Do wytwarzania elementów konstrukcji samolotów bądź puszek do napojów używany jest inny stop – duraluminiumduraluminium. Jego głównym składnikiem jest glin.
Stop w kolorze rdzy Stop ten otrzymano po raz pierwszy w Stanach Zjednoczonych w czasie wielkiego kryzysu (). Jest to materiał ceniony ze względu na szczególne właściwości, dzięki którym nie wymaga częstej konserwacji. Corten (czyt. korten), czyli gatunek stali, został opatentowany w Nazwa materiału powstała z określenia jego właściwości corrosion resistant (czyt. korożion resistant), co oznacza „odporny na korozję”, i high tensile strength (czyt. haj tensajl strent), czyli „wytrzymały na rozciąganie”. Do jego produkcji użyto między innymi chromu, miedzi, krzemu i fosforu. Pod wpływem czynników atmosferycznych, pokrywa się on cienką powłoką ochronną o brązowej barwie, przypominającą rdzę, co sprawia, że opisana stal nie ulega korozji, jest wytrzymała i odporna na naprężenia.
Obecnie ze stali kortenowskiej wykonuje się ogrodzenia, elewacje budynków oraz różnego rodzaju rzeźby i elementy dekoracyjne.
Przeanalizuj poniższą oś czasu, na której uwzględniono trzy z epok. Na podstawie wiadomości zdobytych na lekcjach historii oraz korzystając z dostępnych źródeł informacji (np. internetu, encyklopedii lub czasopism naukowych), sporządź krótką notatkę na temat wykorzystywanych w tych epokach metali oraz ich stopów. Wymień nazwy przedmiotów, jakie można znaleźć z uwzględnionych w Twojej notatce metali lub ich stopów, charakterystycznych dla danej epoki.
2. Jak się otrzymuje stopy metali i jakie są ich właściwości?
Jak już wspomniano, jedną z metod otrzymywania stopów jest stapianie odpowiedniego metalu z innymi pierwiastkami chemicznymi (głównie innymi metalami, ale często również niemetalami), a następnie chłodzenie otrzymanej masy.
Jak myślisz, w jakim celu produkuje się stopy? Czy różnią się właściwościami od czystych metali? Próbując odpowiedzieć na to pytanie, zapoznaj się z poniższym materiałem filmowym, w którym zaprezentowano otrzymywanie tak zwanego stopu Wooda.
W oparciu o przedstawione w powyższym materiale filmowym doświadczenie, uzupełnij poniższy dziennik laboratoryjny. Wymień niezbędne odczynniki i sprzęt laboratoryjny. Zapisz instrukcję wykonania doświadczenia. Zanotuj obserwacje i sformułuj odpowiednie wnioski.
W powyższym materiale filmowym wykonano doświadczenie chemiczne, które miało na celu zbadanie właściwości stopów metali, takich jak barwa i połysk. Zapoznaj się z opisem doświadczenia, a następnie rozwiąż zadanie.
Problem badawczy:
Czy stopy ma taką samą barwę i połysk jak metale, z których został utworzony?
Hipoteza:
Stop wyglądem różni się od tworzących go metali.
Co było potrzebne:
bizmut;
cyna;
ołów;
kadm;
kalafonia;
trójnóg z płytą grzewczą lub trójkątem kaolinowym;
tygiel żelazny lub porcelanowy;
metalowe szczypce;
pręt żelazny;
waga;
palnik gazowy;
rurka wykonana z tektury.
Uwaga: Kalafonia to krucha, miękka i łatwo topliwa żywica pochodzenia naturalnego. W doświadczeniu pełni funkcję tak zwanego topnika, ułatwiając łączenie się metali dzięki ich chemicznemu oczyszczaniu i zapobieganiu dostania się tlenu do stapianych ze sobą metali.
Przebieg doświadczenia:
W tyglu umieszczono cyny i dodano kalafonię tak, aby przykryła cynę jednocentymetrową warstwą. Tygiel ogrzewano aż do stopienia cyny, a następnie, stale ogrzewając, dodano kolejno: ołowiu,
kadmu i bizmutu. Zawartość tygla mieszano żelaznym prętem, aż do uzyskania jednorodnej mieszaniny. Otrzymany stop pozostawiono do skrzepnięcia, a następnie wyjęto z tygla i usunięto pozostałą na nim kalafonię. Stop przetopiono ponownie i odlano z niego pręty, wykorzystując tekturową rurkę.
Obserwacje:
Wszystkie użyte w doświadczeniu metale (cyna, bizmut, ołów, kadm) mają charakterystyczny połysk. Metale te mają srebrzystoszare barwy, choć różnią się ich intensywnością i odcieniem. Uzyskana po stopieniu metali masa jest jednolita (jednorodna). Ma nieco bardziej srebrzyste zabarwienie od każdego z użytych w doświadczeniu metali. Uzyskana masa połyskuje.
Wnioski:
Otrzymany stop wygląda inaczej niż metale wchodzące w jego skład (ma inną barwę), lecz zachowuje charakterystyczny metaliczny połysk.
W wyniku stopienia dwóch lub większej liczby różnych metali (a często również metali i niemetali) otrzymuje się tworzywa zwane stopami. Zarówno metale, jak i otrzymane z nich stopy, mają metaliczny połysk. Mogą różnić się barwą od metali, z których zostały wytworzone.
Przeprowadzono doświadczenie chemiczne, które miało na celu zbadanie właściwości metali i ich stopów.
Problem badawczy:
Czy stopy mają takie same właściwości jak metale, z których zostały utworzone?
Hipoteza:
Stopy różnią się właściwościami od tworzących go metali.
Co było potrzebne:
płytki wykonane z metali: cynku i miedzi,
płytka wykonana z mosiądzu.
Przebieg doświadczenia:
Porównaj twardość miedzi, cynku i mosiądzu. W tym celu:
powierzchnię płytki mosiężnej spróbuj zarysować narożem płytki cynkowej i miedzianej,
płytką mosiężną spróbuj zarysować powierzchnię płytki cynkowej i miedzianej.
Obserwacje:
Obserwacja powierzchni miedzi, cynku i mosiądzu, w czasie prób zarysowywania pozwoliła ustalić, że płytka mosiężna zarysowuje płytkę cynkową i miedzianą. Jednak ani płytka miedziana, ani płytka wykonana z cynku nie zarysowują powierzchni płytki mosiężnej.
Wnioski:
Na podstawie prób zarysowania powierzchni płytek stwierdzono, że mosiądz (stop miedzi z cynkiem) charakteryzuje się większą twardością (odpornością na zarysowania) niż czyste metale – miedź i cynk.
Można zatem stwierdzić, że badany w doświadczeniu stop (mosiądz) charakteryzuje się innymi właściwościami fizycznymi niż metale, z których został wykonany.
Stop najczęściej ma odmienne właściwości od jego elementów składowych. W niektórych przypadkach, nawet niewielka ilość dodatków stopowych wpływa znacząco na właściwości fizykochemiczne określonego stopu. Zazwyczaj stopy wykorzystywane przez człowieka są bardziej odporne na działanie powietrza i wody, a także twardsze oraz bardziej wytrzymałe mechanicznie niż czyste metale. Charakteryzują się również innymi temperaturami topnienia niż metale, z których zostały wykonane.
Lutowanie bezołowiowe, pomimo zdrowotnych korzyści płynących z braku ołowiu w lucie, może być problematyczne. Na powierzchniach niektórych metali i ich stopów, w tym bezołowiowych stopów cyny, mogą bowiem powstawać cienkie, włosowate struktury – w przypadku cyny nazywane wąsami cynowymi.
Struktury te dobrze przewodzą prąd elektryczny i mogą osiągać długość od kilku do kilkudziesięciu milimetrów. W przypadku gdy wąsy cynowe tworzą się między położonymi stosunkowo blisko siebie elementami obwodów elektrycznych, mogą je ze sobą zwierać. To z kolei prowadzi do awarii urządzenia. Dla przykładu, w latach wieku, wąsy cynowe powstałe w przekaźnikach elektromagnetycznych, doprowadziły do kilku awarii satelitów komercyjnych (Galaxy ). Co ciekawe, opisane zjawisko nie występuje w przypadku lutowania stopami cyny z ołowiem. W Unii Europejskiej obowiązuje jednak zakaz wykorzystywania ołowiu w produktach elektronicznych. Obecnie, aby zapobiec powstawaniu wąsów cynowych lub spowolnić ich powstawanie, stosuje się różne metody. Jedną z nich jest stosowanie tak zwanych powłok pośredniczących pomiędzy cyną i miedzią (metalem lutowanym). Powłokę taką mogą stanowić np. nikiel lub srebro.
Na poniższym filmie zilustrowano przebieg doświadczenia, w którym do zlewki z gorącą wodą (o temperaturze około ) wprowadzono łyżeczkę wykonaną ze stopu Wooda.
Zapoznaj się z poniższym materiałem filmowym i na jego podstawie spróbuj odpowiedzieć na pytanie, czy właściwości stopu wpływają na jego zastosowanie.
W wyniku stapiania odpowiednich metali (a często również metali i niemetali), można uzyskać materiały o określonych właściwościach, innych niż czyste składniki, z których zostały utworzone. Najczęściej stopy metali produkuje się w celu otrzymania materiałów o zwiększonej wytrzymałości.
Przeprowadź poniższą symulację, przeciągając kolejno odpowiednią parę pierwiastków chemicznych w zaznaczone na pomarańczowo miejsce. Zapamiętaj jak najwięcej informacji zawartych w symulacji, a następnie oceń poprawność znajdujących się pod nią stwierdzeń.
Stop z pamięcią kształtu: niklowo‑tytanowy
Stop o nazwie nitinol jest materiałem „inteligentnym”. Charakteryzuje się unikalnymi właściwościami – pamięcią kształtu. Nazwa nitinol pochodzi od jego składu: (nikiel), (tytan) oraz miejsca odkrycia: Naval Ordnance Laboratory (czyt. nejwel ordnenc laboratri), tj. laboratorium badawcze Marynarki Wojennej USA. Stop ten został odkryty w przez Williama Buehlera (czyt. łiliama błalera) i Fryderyka Wanga (czyt. łanga).
Odkrycie samych właściwości pamięci kształtu sięga , kiedy to szwedzki chemik Arne Ölander (czyt. arn olander) zaobserwował ten efekt w stopie złota z kadmem. Materiały z pamięcią kształtu mają zdolność do odwzorowania nadanej im pierwotnie formy oraz jej odtworzenia pod wpływem np. zmiany temperatury lub pola magnetycznego.
Mimo trudności z przetwarzaniem i obróbką, nitinol znalazł praktyczne zastosowanie już w latach , np. do produkcji drutów i sprężyn (także w biustonoszach), jako składnik mechanizmu zabawek, w medycynie (szczególnie w dentystyce i ortopedii do zabezpieczenia ścięgien, więzadeł i innych miękkich tkanek w kościach) oraz jako biomateriał. Wśród materiałów z pamięcią kształtu, ponad komercyjnych stanowią te, które są wykonane z nitinolu. Jeśli nosisz aparat korekcyjny na zębach, być może jest zrobiony właśnie z tego stopu. W poniższym materiale filmowym zaprezentowano doświadczenie, które pokazuje „zdolność” nitinolu do zapamiętywania kształtu. Zapoznaj się z zawartymi w nim informacjami.
3. Co stopy metali mają wspólnego z muzyką?
Słuchając koncertu organowego, warto zastanowić się, z czego zbudowane są najważniejsze elementy organów, czyli piszczałki. Najczęściej jest to stop cyny i ołowiu. Blacha do budowy piszczałek może mieć różną zawartość cyny, a procentowy udział tego pierwiastka w stopie określa tak zwana próba cyny. Przyjmuje ona wartości od do . Zawartość cyny w kolejnych próbach można wyliczyć, mnożąc przez „numer” próby (przykładowo próba zawiera masowych cyny; próba – cyny, próba – cyny itd.). Próba oznacza brak domieszki ołowiu – w skład takiego materiału wchodzi wyłącznie cyna
(). Jest ona jednak używana bardzo rzadko i ma głównie walory dekoracyjne.
Im większa zawartość cyny, tym stop ma mniejszą gęstość i jest jaśniejszy. Natomiast im więcej ołowiu, tym gęstość stopu jest większa, a barwa – ciemniejsza.
W dolnej części piszczałek organów ścianki są często grubsze niż na górze. Dzięki temu wytrzymują duży nacisk korpusu piszczałki na jej dolną część, co zapobiega jej deformacji (spłaszczeniu). Czasem duże piszczałki są wykonywane z cynku – lżejszego i tańszego od ołowiu, jednak wydają wtedy dźwięki gorszej jakości oraz mają matową, pozbawioną połysku powierzchnię, ponieważ cynk na powietrzu ulega pasywacji.
Instrumenty dęte blaszane, takie jak puzon czy trąbka, najczęściej są wykonane z mosiądzumosiądzu, czyli stopu miedzi i cynku, rzadziej z metali szlachetnych.
Flety altowe mogą być produkowane z tak zwanego złotego mosiądzu (z dużą zawartością miedzi), dzięki czemu są lżejsze od tradycyjnych instrumentów i mają optymalne brzmienie.
Ze stopów metali korzystają także producenci gitar, którzy ciągle poszukują nowych sposobów, aby struny tych instrumentów były trwalsze i miały coraz lepsze walory dźwiękowe. Większość obecnie wytwarzanych strun do gitar elektrycznych zrobiona jest ze stali niklowej, zapewniającej dobrą jakość dźwięku. Struny do gitar produkuje się również ze stali nierdzewnej – są one wówczas bardzo mocne, wytrzymałe i twarde.
Dlaczego struny gitar są powlekane tworzywami sztucznymi? Dawniej produkowano je z przetworzonych jelit zwierząt. Obecnie w gitarach klasycznych najczęściej stosuje się struny nylonowe, a w pozostałych typach – stalowe lub wykonane z brązubrązu. Podczas grania, struny pokryte brudem, potem i tłuszczem narażone są na korozję. Dlatego zabezpiecza się je przed zanieczyszczeniami, pokrywając powłokami z tworzyw sztucznych.
Podsumowanie
Właściwości stopu zależą od jego składu i sposobu jego otrzymywania.
Stopy metali otrzymuje się między innymi w wyniku zmieszania dwu lub więcej metali (a czasem również metalu bądź metali i stosunkowo niewielkiej ilości niemetali), po stopieniu ich ze sobą i schłodzeniu otrzymanej masy.
Stopy różnią się od metali wchodzących w ich skład właściwościami, takimi jak: twardość, wytrzymałość mechaniczna, ciągliwość czy temperatura topnienia (na ogół niższa w przypadku stopu). Stopy metali są odporniejsze na korozję od czystych metali.
Stopy metali zachowują niektóre z właściwości czystych metali – należy do nich między innymi charakterystyczny połysk.
Stal to stop żelaza z domieszką węgla, który zapewnia większą twardość i wytrzymałość stopu oraz obniża jego kowalność i ciągliwość.
Mosiądz to stop miedzi i cynku (do ) oraz dodatków stopowych, takich jak np.: ołowiu, glinu, cyny, manganu, żelaza, chromu oraz krzemu.
Odszukaj w swoim otoczeniu przedmioty, które zostały wykonane ze stopów metali. Zrób zdjęcia tych przedmiotów. Następnie przygotuj album bądź prezentację multimedialną, w których zamieścisz wykonane przez siebie zdjęcia, które przedstawiają zastosowanie stopów w życiu codziennym, wraz z ich krótkim opisem. Efekty swojej pracy zaprezentuj na forum klasy.
Zastanów się, jakie przedmioty w Twoim otoczeniu zostały wykonane ze stopów metali. Opisz krótko zastosowanie tych stopów w życiu codziennym.
Słownik
mieszanina jednorodna metali (np. brąz, mosiądz, cyna do lutowania) lub metalu z dodatkiem metali i niemetali (stal), uzyskiwana między innymi przez stopienie składników, a następnie schłodzenie otrzymanej masy; często stop definiowany jest jako tworzywo (lub materiał) o właściwościach metalicznych – pomimo różnic w niektórych właściwościach stopów i czystych metali, stopy charakteryzują się między innymi metalicznym połyskiem, a także przewodzą prąd elektryczny i ciepło
stop żelaza z węglem i dodatkami innych pierwiastków, np. chromu, niklu, manganu, krzemu; zawartość węgla w stali nie może przekraczać masy stopu
stop glinu, zawierający między innymi dodatki takie jak: miedź, mangan, magnez
stop miedzi i cynku, zawierający od do masowych cynku
stop miedzi i cyny, w którym miedź stanowi od do masy całego stopu
Ćwiczenia
Wstaw w odpowiednie miejsca tabeli po dwa główne składniki poszczególnych stopów metali.
miedź, rtęć, srebro, cyna, żelazo, chrom
brąz | |
---|---|
stal nierdzewna | |
amalgamat |
Stal węglowa, pomimo dużej wytrzymałości mechanicznej, jest podatna na korozję. Uczeń wykonał doświadczenie zilustrowane na poniższym schemacie.
Stal węglowa, pomimo dużej wytrzymałości mechanicznej, jest podatna na korozję. Uczeń wykonał doświadczenie, które polegało na umieszczeniu w dwóch zlewkach, zawierających wodę z solą kuchenną, stalowych gwoździ. Gwóźdź znajdujący się w drugiej zlewce został dodatkowo szczelnie owinięty drucikiem wykonanym z cynku.
Po kilku dniach uczeń zaobserwował, że na gwoździu w zlewce nr pojawił się brunatnoczerwony nalot. Podobnych zmian nie zaobserwował w zlewce nr .
O jakim stopie mowa w poniższym tekście? Zaznacz poprawną odpowiedź.
It is a non‑ferrous metal alloy. It is malleable and has a relatively low melting point. Its main ingredient is copper. It is not attracted to a magnet (it does not have ferromagnetic properties). It is resistant to corrosion. It has anti‑bacterial properties. It is used, inter alia, in the production of musical instruments and door handles.
Bibliografia
Encyklopedia PWN.
Łasiński D., Sporny Ł., Strutyńska D., Wróblewski P., Chemia. Podręcznik dla klasy siódmej szkoły podstawowej, Kielce .
Jaworowska M., Czym grożą wąsy cynowe i jak ich unikać, „ElektronikaB2B” , online: https://elektronikab2b.pl/biznes/24063-czym-groza-wasy-cynowe-i-jak-ich-unikac, dostęp: .