§ 44. Сплави металів. Використання металів і сплавів

• До змісту відповідей

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.

Для першої реакції пропущеною простою речовиною є вуглець ($C$), а для другої — водень ($H_2$).

Рівняння реакцій:

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

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:
$TiCl_4 + 2Mg \xrightarrow{t} Ti + 2MgCl_2$

У цій реакції хімічний елемент Титан (у складі $TiCl_4$) є окисником, оскільки він приєднує електрони:
$Ti^{+4} + 4e^- \rightarrow Ti^0$

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

ВИКОНАЙМО ВПРАВУ

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

Для перетворення схеми на рівняння необхідно дібрати коефіцієнти для зрівнювання кількості атомів кожного елемента:
$2CaO + 4Fe_3P + 5O_2 = 2Ca(PO_3)_2 + 12Fe$

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. Обчислимо масову частку 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. Обчислимо масову частку 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 становить:
   $w(\text{домішки}) = 100\% - 80\% = 20\%$

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

Примітка: За умовою попередніх задач, 56 мл $CO_2$ містять 0,03 г Карбону, а маса наважки металу становила 2,4 г.

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

Оскільки масова частка Карбону менша за $2,14\%$ (межа для чавуну), цей порошок виготовлено зі сталі.

ШАНС ДЛЯ ТВОРЧОСТІ

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

Технологічний процес включає такі етапи:

1. Підготовка та збагачення руди (агломерація).
2. Відновлення заліза з оксидів у доменних печах за допомогою коксу для отримання чавуну.
3. Перетворення чавуну на сталь у кисневих конвертерах або електропечах шляхом випалювання зайвого вуглецю та шкідливих домішок (сірки, фосфору).

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?

Поширені сплави складаються з основного металу та легувальних домішок (інших металів або неметалів):

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

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

• Подібність: наявність металічного блиску, висока електро- та теплопровідність, пластичність.
• Відмінність: сплави зазвичай мають вищу твердість, іншу густину, кращу корозійну стійкість та часто значно нижчу температуру плавлення порівняно з чистими компонентами.

У яких сферах використовують метали і металеві сплави?

Метали та сплави використовують у будівництві, машинобудуванні, транспорті, виготовленні інструментів. Титанові та алюмінієві сплави незамінні в авіації та космонавтиці. Літій і берилій застосовують у виробництві акумуляторів та в ядерній енергетиці.

Чому перероблення металевих відходів є актуальним у наш час?

Перероблення важливе через вичерпність природних запасів руд. Вторинна переробка (ресайклінг) значно економить електроенергію та фінансові ресурси, а також зменшує екологічне навантаження порівняно з повним циклом видобутку металів.

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

1. Латунь: має жовтий колір, хоча складається з червонуватої міді та сріблясто-білого цинку.
2. Бронза: має золотисто-коричневий відтінок, відмінний від кольору міді та олова.

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

З хлоридною кислотою реагуватиме лише цинк. Це зумовлено тим, що цинк у ряду активності металів розташований до водню, а мідь — після нього, тому мідь не взаємодіє з розбавленою хлоридною кислотою.

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

Рівняння реакцій компонентів латуні з хлором:

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

Рівняння реакції латуні з хлоридною кислотою (реагує лише цинк):
$Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2\uparrow$

У яких сферах використовують алюміній і мідь?

• Алюміній: авіація, ракетобудування, будівництво, пакування (фольга), високовольтні лінії електропередач.
• Мідь: електротехніка (дроти, кабелі), електроніка, теплообмінники, труби, художні вироби.

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

Берилієва бронза — це високоміцний сплав міді з берилієм (0,5–3 %), який характеризується високою пружністю, твердістю, зносостійкістю та стійкістю до корозії. В аерокосмічній техніці вона незамінна для виготовлення відповідальних деталей: пружин, підшипників, контактів, елементів навігаційних приладів. Ключові переваги — відсутність іскріння при ударах та немагнітність, що є критичним для безпеки та точності приладів.

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

Склад залежить від проби. Наприклад, сплав 585-ї проби містить 58,5 % золота, а решту складають мідь та срібло. Мідь додають для твердості та червонуватого відтінку, срібло — для пластичності та зміни кольору в бік жовтого або білого.

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

Проба вказує на масову частку чистого золота у сплаві, виражену в проміле (тисячних частках). Наприклад, проба 750 означає, що у 1000 г сплаву міститься 750 г чистого золота.

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

• Для сталі (сплавів заліза): трикутник із цифрою 40 і написом FE.
• Для алюмінію: 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 є ефективнішими за чисті метали завдяки покращеним механічним властивостям (твердість, міцність, корозійна стійкість). Їх отримують сплавленням металів з іншими елементами (металами або неметалами, як-от Карбон у сталі). Це дозволяє широко застосовувати їх у всіх галузях. Важливим аспектом є переробка металобрухту, що заощаджує ресурси та енергію.

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

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

Порівняйте свою і їхні відповіді та оцініть їх.

Моя відповідь: Чисте золото занадто м’яке, вироби з нього швидко деформуються і дряпаються. Додавання міді та срібла підвищує твердість сплаву.
Оцінка: Правильна відповідь має базуватися на фізичних властивостях металів (твердість, пластичність), а не лише на загальних фразах про “зручність”.

ПЕРЕВІРМО СЕБЕ

Чому металеві сплави використовують частіше за метали?

Сплави мають кращі експлуатаційні характеристики: вищу міцність, твердість, стійкість до зношування та корозії, а також можуть мати спеціальні властивості (магнітні, теплові), яких немає у чистих металів.

Чим відрізняється латунь від бронзи?

Відмінність полягає у хімічному складі:

• Латунь — сплав міді з цинком ($Cu + Zn$).
• Бронза — сплав міді, зазвичай з оловом ($Cu + Sn$), хоча бувають безолов’яні бронзи (алюмінієві, берилієві тощо).

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

Переробка металобрухту потребує значно менше енергії (наприклад, для алюмінію — лише 5 % від енергії первинного виробництва), зменшує викиди в атмосферу та зберігає вичерпні природні ресурси.

ПОМІРКУЙМО

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

Такі сплави повинні поєднувати низьку густину (легкість) з високою міцністю та твердістю. Хімічно вони мають бути стійкими до корозії та витримувати різкі перепади температур і тиску.

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 — м’який метал, тому монети з нього швидко зношувалися, деформувалися і втрачали вигляд. Сталь значно твердіша, зносостійкіша і дешевша у виробництві, що робить її кращим матеріалом для обігових монет.

РОЗВ’ЯЗУЙМО ЗАДАЧУ

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

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

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

Приймемо масу сплаву за 100 г. Тоді маси елементів: $m(Cu)=85$ 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 у Стануму (Sn).

Скільки атомів Купруму припадає на кожні 10 атомів цього елемента?

Співвідношення кількості речовини $Cu$ до $Sn$:
$\dfrac{n(Cu)}{n(Sn)} = \dfrac{1,34}{0,076} \approx 17,6$
На 10 атомів Стануму припадає $17,6 \cdot 10 = 176$ (округлено 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 у сплаві:
   $m(Si) = 5 \cdot 0,14 = 0,7 \text{ г}$
   $m(Al) = 5 - 0,7 = 4,3 \text{ г}$
2. Рівняння реакцій:
   $Si + O_2 \rightarrow SiO_2$
   $4Al + 3O_2 \rightarrow 2Al_2O_3$
3. Маса утвореного $SiO_2$:
   $n(Si) = \dfrac{0,7}{28} = 0,025 \text{ моль} \Rightarrow n(SiO_2) = 0,025 \text{ моль}$
   $m(SiO_2) = 0,025 \cdot 60 = 1,5 \text{ г}$
4. Маса утвореного $Al_2O_3$:
   $n(Al) = \dfrac{4,3}{27} \approx 0,159 \text{ моль}$
   $n(Al_2O_3) = \dfrac{0,159}{2} \approx 0,0796 \text{ моль}$
   $m(Al_2O_3) = 0,0796 \cdot 102 \approx 8,12 \text{ г}$
5. Загальна маса суміші:
   $m_{\text{суміші}} = 1,5 + 8,12 = 9,62 \text{ г}$
6. Масові частки:
   $w(SiO_2) = \dfrac{1,5}{9,62} \approx 0,156 \text{ або } \mathbf{15,6\%}$
   $w(Al_2O_3) = \dfrac{8,12}{9,62} \approx 0,844 \text{ або } \mathbf{84,4\%}$

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: Надвисока корозійна стійкість у морській воді, здатність витримувати високий тиск, низька магнітна проникність (для непомітності), висока міцність.

СТВОРЮЙМО ПРОЄКТ

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

Історично чисте золото та срібло були занадто м’якими для довговічних прикрас, тому майстри додавали до них мідь. Сьогодні найпопулярнішими є сплави золота 585-ї та 750-ї проб. Лігатурою (домішками) виступають срібло, мідь, паладій, нікель або цинк. Варіюючи склад лігатури, отримують “біле”, “рожеве”, “зелене” та навіть “чорне” золото. Також набуває популярності титан через свою гіпоалергенність.

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 платформі LearningApps (співвідношення назв сплавів із їхнім складом та властивостями) виконано успішно. Це допомагає закріпити матеріал про застосування металів у техніці та побуті.