Сторінка
2

Класифікація, техніко-економічні та екологічні характеристики сировини

ІІ група — елементи середньотоннажного виробництва, «стотисячники» (від 1 kt до 1 Mt).

ІІІ група — елементи «тисячники» (до 1 kt).

IV група — елементи, які видобувають у відносно невеликій кіль­кості (kg…t), але особливо цінні для галузей нових технологій, медицини і наукових дослідів.

Узагальнені (орієнтовні) дані щодо економічних характеристик деяких металів наведено на рис. 43.

Рис. 43. Узагальнені дані економічних характеристик деяких найважливіших металів сучасної промисловості

Конструкційні матеріали

Конструкційні матеріали — це матеріали з точно визначеними фізико-хімічними і механічними властивостями. Конструктори і технологи враховують значення цих властивостей на всіх стадіях процесу виготовлення виробу з наперед заданими характеристиками, а економісти прогнозують ефективність їх використання в народному господарстві. Порівняння деяких основних фізико-механічних властивостей конструкційних матеріалів (табл. 22) показує, що між ними не спостерігається очевидно закономірної залежності.

Таблиця 22

Фізико-механічні характеристики конструкційних матеріалів

Звичайно, у довідниках завжди можна знайти детальні їхні харак­теристики, але для розуміння загальних зв’язків між ними корисно хоч побіжно розглянути залежність між властивостями елементів та їхніми фундаментальними характеристиками.

Фундаментальною і точною характеристикою будь-якого матеріалу є його атомний склад і будова міжатомного зв’язку, що зумовлюються місцем елемента в Періодичній системі. На рис. 44 наведено фрагмент таблиці Періодичної системи хімічних елементів у її так званому «довгому» варіанті (періоди розміщені в одну лінію від елементів першої групи до інертних газів) з елементами, які є компонентами сплавів конструкційних металів. Неважко помітити, що метали з лівої частини таблиці є переважно представниками s-елементів (Li—2s1, Be—2s2, Mg3—s2), і лише алюміній має триелектронну конфігурацію (3s2p1) зовнішнього (валентного) електронного шару.

Уся ця група металів — це легкі, низькоплавкі (виняток — Ве), корозійно нестійкі метали. Температура їх плавлення, стійкість проти корозії і щільність збільшуються зліва направо, що зумовлено збільшенням кількості валентних електронів від одного s1 (Li) до трьох s2p1 (Al), отже міцністю міжатомного зв’язку. У центрі таблиці — дев’ять металів IV, V і VI груп 4, 5, 6 періодів, які є представниками так званих перехідних d-елементів (d-металів).

Зовнішня (валентна) електронна конфігурація в металах представлена d і s-електронами. Як і в групі s-металів (ліворуч), так і в дев’ятці d-металів можна легко виявити закономірність підвищення температури плавлення і густини зі збільшенням кількості електронів у зовнішній (валентній) конфігурації від Ті (3d 24s2) до Cr (3d 54s1), від Zr (4d 25s2) до Мо (4d 55s1) і від Нf (5d 26s2) до W (5d 46s2). Така сама закономірність спостерігається в групах згори донизу від елементів 4-го до 6-го періодів.

Отже, знаючи цю закономірність, достатньо запам’ятати, в якого металу найбільші числові значення характеристик (температура плавлення і щільність) і в якого — найменші, щоб орієнтовно оцінити ці характеристики в інших металів дев’ятки. Такими металами відповідно будуть титан і вольфрам. Наприклад, температура плавлення титану tпл = 1670°С, а вольфраму tпл = 3380°С. Для ніобію, який розміщено між ними в V групі 5-го періоду, температуру визначимо (приблизно) як середню арифметичну

Насправді температура плавлення ніобію 2400°С (розбіжність лише 5 %). Хоча не в кожному випадку числові значення, отримані в такий спосіб, матимуть достатню точність, але послідовність у ряду збільшення (чи зменшення) таких характеристик є цілком вірогідною.

Вода й повітря у промисловості

Особливу роль у природних і технологічних процесах відіграють вода й повітря. Понад 85 % води, яка застосовується в промисловості, витрачається в процесах охолодження і нагрівання матеріальних потоків. Це пояснюється унікальними властивостями води: високою теплоємністю і ентальпією випаровування. Так, нагадаємо (табл. 16), що для підігрівання 1 kg води на один градус потрібно витратити 4,2 kJ (1 kkal), а для її випаровування — 2,26 MJ (539 kkal). За зворотних процесів — конденсації пари й охолодження води — буде виділятися така сама кількість теплоти. Під час випаровування кожна тонна води поглинає 2,26 GJ, що еквівалентно енергії, яка виділяється під час згоряння понад 100 kg вугілля.