Самый распространенный металл в земной коре. Металлы в природе

Классификация по группам

Металлы относятся к самым распространенным материалам, которые используются человечеством на протяжении всей его истории. Большинство из них находится в средних слоях земной коры, но есть и те, что спрятаны глубоко в горных залежах. На данный момент металлы занимают большую часть таблицы Менделеева (94 из 118 элементов). Из официально признанных стоит отметить следующие группы: 1. Щелочные (литий, калий, натрий, франций, цезий, рубидий). При контакте с водой они образуют гидроксиды. 2. Щелочноземельные (кальций, барий, стронций, радий). Отличаются плотностью и твердостью.

3. Легкие (алюминий, свинец, цинк, галлий, кадмий, олово, ртуть). Из-за незначительной плотности часто используются в сплавах. 4. Переходные (уран, золото, титан, медь, серебро, никель, железо, кобальт, платина, палладий и пр.). Обладают изменчивой степенью окисления. 5. Полуметаллы (германий, кремний, сурьма, бор, полоний и др.). В своей структуре имеют кристаллическую ковалентную решетку. 6. Актиноиды (америций, торий, актиний, берклий, кюрий, фермий и пр.). 7. Лантаноиды (гадолиний, самарий, церий, неодим, лютеций, лантан, эрбий и др.). Стоит отметить, что есть металлы в земной коре и такие, которые не определены в группы. К ним относят магний и бериллий.

Сортируем цветмет

Цветмет и сплавы распределяют по группам по нескольким основаниям:

1. Тяжелые: медь, олово, ртуть, свинец, цинк.
2. Легкие: алюминий, бериллий, кальций, магний.
3. Благородные: золото, серебро, платина, палладий, радий, рутений, иридий, осмий.
4. Редкие: ванадий, вольфрам, молибден, радий, тантал, хром и др.
5. Тугоплавкие: ванадий, вольфрам, марганец, молибден, титан, хром.

Гораздо больше существует сплавов металлов в разнообразных комбинациях и пропорциях. Тогда получаемый материал приобретает необходимые свойства для использования в отраслях народного хозяйства.

Металлолом из цветмета и сплавов также принято классифицировать:

1. По виду преобладающего металла: медный лом и лом медных сплавов, алюминиевый, магниевый, титановый, свинцовый, лом редких металлов, полупроводниковый, драгоценный.
2. По физическим показателям лом делят на классы;
3. По химсоставу — на марки.
4. По качеству — на сорта.

В металлургии их сортируют в зависимости от:

• характерных свойств;
• значения.

Шкала важности для промышленного производства распространенных металлов и сплавов выстраивается так:

• алюминий и алюминиевые сплавы;
• медь и медноникелевые сплавы;
• бронза и оловянные бронзы;
• магний;
• никель;
• титан;
• олово;
• свинец;
• цинк.

В пунктах приема с охотой берут любой цветмет. Первенство по праву принадлежит алюминию, а точнее — его сплавам. На втором месте – медь.

Оба интенсивнее других применяются в:

• промышленном производстве;
• строительстве.

Очень распространено использование алюминиевых проводов.
Электропроводящие свойства выше у серебра, но оно дорогое. Поэтому в кабелях и проводах для проведения тока делают жилы из другого отличного проводника — меди.

Она активно используется в:

• электротехнике;
• производстве труб.

Самородные соединения

В природе существует отдельный класс кристаллохимической кодификации. К таким элементам относят самородные металлы. Это минералы по составу между собой не связанные. Чаще всего самородные металлы в природе образуются в результате геологических процессов.

В кристаллическом состоянии в земной коре известны 45 веществ. Большинство из них в природе встречается крайне редко, отсюда и их высокая стоимость. Доля таких элементов составляет всего 0,1 %. Стоит отметить, что нахождение этих металлов также является трудоемким и недешевым процессом. Он основывается на использовании атомов с устойчивыми оболочками и электронами. Самородные металлы называются также благородными. Для них характерны химическая инерция и устойчивость соединений. К таковым относят золото, палладий, платину, иридий, серебро, рутений и пр. Чаще всего в природе встречается медь. Железо в самородном состоянии присутствует в основном в горных залежах в виде метеоритов. Самыми редкими элементами группы являются свинец, хром, цинк, индий и кадмий.

Основные виды классификации металлов

Существует несколько видов классификации металлов. Начнем с основного типа – деления на две большие группы: черные и цветные. Черные металлы отличает высокая температура плавления, плотность и повышенная твердость. Цветные металлы, в большинстве случаев, плавятся при более низких температурах и обладают повышенной электро и теплопроводимостью.

Такое разделение обусловлено распространением элементов в природе. На добычу черных элементов приходится более 90 процентов от всей массы добываемых металлов, в то время как на цветную группу приходится не более 5-10 процентов. Необходимо отметить, что виды классификации являются условными, и используются в зависимости от назначения конечного продукта, который производят из этих металлов. Так, для изготовления крепежа используется классификация по техническим характеристикам, а для изготовления сложных сплавов химическая и кристаллическая. Рассмотрим эти виды подробнее.

Химическая классификация металлов

Все элементы в периодической таблице делятся на четыре основных группы, маркируемые латинскими буквами:

• S. Отмечены розовым цветом.
• P. Желтые элементы.
• D. Бирюзовый цвет.
• F. Зеленые элементы в таблице.

Каждая группа содержит в себе металлы. Элементы из первых двух категорий (S и P) называют простым видом, а элементы из групп D и F переходным. Также каждая группа делится еще на несколько категорий. В группу S входят щелочные и щелочеземеленые металлы, а в группы D и F платиновые, урановые и редкоземельные. При этом в каждой группе существуют исключения, из чего можно сделать вывод, что деление металлов по химическим группам является условностью, и редко применяется в практических сферах. Такое деление интересно только для научных изысканий, и практически не применимо в промышленности и производстве. Например, изготовление крепежа отталкивается от технических аспектов, и лишь в малой степени от химических.

Классификация металлов по кристаллической решетке

Все элементы имеют, так называемую, кристаллическую решетку. Абстрактная структура, определяющая расположение атомов и электронов, а также их привязку к ядру. В аморфных материалах, таких как стекло, атомы расположены хаотично, и не имеют строгой конструкции. В отличие от металлов, которые в твердом виде обладают строго структурированной решеткой, с четким построением молекулярных элементов. Всего разделяют 4 вида кристаллических решеток, которые проще представить в виде таблицы:

Это наиболее распространенные типы кристаллических решеток, часто встречающиеся у металлов. В общей сложности система классификации насчитывает 14 конфигураций, но у металлов они или встречаются крайне редко, или не встречаются вообще. Также следует отметить, что правильное построение решетки возможно только при естественном затвердевании металла, без искусственных ускорений. Если процесс остывания был ускорен, форма решетки изменится. В производстве это называют закаливанием, в результате которого меняется не только молекулярная структура, но и технические свойства.

Также, при нарушении норм производства металлического проката, может наблюдаться замена в кристаллической решетке. Это ведет к полному изменению качеств готового изделия. Чтобы условия производства соблюдались, были разработаны нормы стандартизации, гарантирующие четкое соответствие готового проката техническому описанию его свойств.

Техническая классификация металлов

Наиболее полную систему классификации предложил профессор Гуляев, хотя современные ученые и не согласны с некоторыми ее аспектами, ничего нового пока предложено не было. Итак, черные металлы делят на 5 основных подгрупп:

1. Железные металлы. Сюда входят марганец, кобальт, никель, и конечно, железо. Наиболее распространенная в природе группа, используемая в сплавах как основной компонент.
2. Тугоплавкие. Элементы, имеющие высокую температуру расплавления. В качестве эталона принята мера в 1539 градусов по Цельсию.
3. Редкоземельные. Дорогостоящие в плане добычи и обработки элементы, к которым относят неодим, европий, самарий и другие металлы, используемые в качестве присадок к основному сплаву. Способны даже при небольшом проценте вмешательства существенно повысить или полностью изменить характеристики сплава.
4. Щелочные. Особая группа, практически не применяемая в чистом виде. Чаще всего используются в атомной энергетике. Сюда относят: литий, барий, радий и другие.
5. Урановые. Торий, уран, плутоний. Применяются исключительно в атомной энергетике.

Цветные металлы также делят на несколько подгрупп. Их три:

1. Легкие. Алюминий, магний, бериллий. Обладают низким удельным весом и часто применяются в авиастроении и прочих сферах, где необходим твердый, но в то же время легкий материал.
2. Легкоплавкие. Металлы с наиболее низкой температурой плавления: цинк, олово, свинец. Используются как в чистом виде, в качестве припоя и соединительного элемента, и как легирующие добавки, повышающие или изменяющие характеристики сплава.
3. Благородные или драгоценные металлы. Наиболее редкие элементы, к которым относят: золото, серебро, палладий, платину. Обладают максимальной устойчивостью к коррозии и окислению, благодаря чему получают широкое распространение в различных промышленных сферах.

Практически все металлы из двух групп поддаются смешению, то есть производству из них сплавов с необходимыми техническими характеристиками.

Основные свойства

Практически все металлы в нормальных условиях отличается твердостью и стойкостью. Исключение — франций и ртуть, щелочные металлы. Температура плавления для всех элементов группы разная. Ее диапазон колеблется от -39 до +3410 градусов по Цельсию. Самым устойчивым к плавлению считается вольфрам. Его соединения теряют стойкость только при температуре выше +3400 С. Из легкорасплавляемых металлов следует выделить свинец и олово.

Также элементы делятся относительно плотности (легкие и тяжелые) и пластичности (твердые и мягкие). Все металлические соединения отлично проводят ток. Данное свойство обуславливается наличием кристаллических решеток с активными электронами. Максимальную проводимость имеют медь, серебро и алюминий, чуть меньшую – натрий. Стоит отметить и высокие термические свойства металлов. Наилучшим теплопроводником считается серебро, наихудшим – ртуть.

Виды цветных металлов

Данная группа является наиболее востребованной, так как большинство материалов является сырьем для получения металлопроката. Если говорить о сфере применения, то она достаточно обширна, это: машиностроение, металлургия, радиоэлектроника, сфера высоких технологий и т. д. По физическим свойствам бывают следующие виды цветных металлов:

• тяжелые (свинец, цинк, олово, никель и др.);
• легкие (алюминий, титан, магний и др.).

Согласно данной классификации, существует металлургия легких и тяжелых металлов. Не секрет, что из данной группы можно изготовить совершенно любую технику. Обратите внимание, что к цветным относятся все виды сплавов металлов, кроме железа. А сейчас давайте пойдем дальше.

Металлы в окружающей среде

Чаще всего такие элементы можно встретить в виде соединений и руд. Металлы в природе образуют сульфиты, оксиды, карбонаты. Для очищения соединений сперва необходимо выделить их из состава руды. Следующим шагом будет легирование и финальная обработка. В промышленной металлургии различаются черные и цветные руды. Первые строятся на основе железных соединений, вторые – на прочих металлах. Драгоценными металлами считаются платина, золото и серебро. Большая их часть находится в земной коре. Тем не менее, малая доля приходится и на морскую воду.

Есть благородные элементы даже в живых организмах. В человеке содержится около 3 % металлических соединений. По большей степени в организме находятся натрий и кальций, которые выступают в роли межклеточного электролита. Магний необходим для нормальной работы ЦНС и мышечной массы, железо полезно для крови, медь – для печени.

Особенности чугуна и стали в подробностях

В настоящее время существует несколько видов чугуна, которые используются в быту, а также промышленности: литейный (серый) и передельный (белый). Последний отличается от первого вида тем, что углерод находится в связанном состоянии в виде цемента, в первом же случае — в свободном состоянии в виде графита. Понижение прочности данного материала обусловлено тем, что пластинки графита нарушают металлическую структуру, тем самым ослабляя ее. Существует модифицированный серый чугун. Его особенности в том, что графит находится в шаровидной форме, что повышает механические свойства изделия.

Вы наверняка уже успели понять, что стали более универсальны, что обусловлено не таким большим количеством углерода в составе. Так, конструкционные стали содержат от 0,02 до 0,85% углерода и используются для строительства. Основное их преимущество заключается в хорошей пластичности. Степень хрупкости низкая. Есть еще инструментальные, в которых содержание углерода несколько больше – от 0,65 до 1,4%, следовательно, это более прочный сплав, но хрупкий. Используется, как можно понять из названия, в качестве заготовки для создания инструментов (режущих, пилящих рабочих органов машин и агрегатов). Вот мы рассмотрели виды черных металлов, поэтому давайте пойдем дальше.

Нахождение металлических соединений

Большинство элементов располагается под верхним слоем грунта повсеместно. Самый распространенный металл в земной коре – это алюминий. Его процентное содержание варьируется в пределах 8,2 %. Найти самый распространенный металл в земной коре несложно, так как он встречается в виде руд. Железо и кальций в природе встречают чуть реже. Их процентное содержание равно 4,1 %. Далее идут магний и натрий – по 2,3 %, калий – 2,1 %. Остальные металлы в природе занимают не более 0,6 %. Примечательно, что магний и натрий в равной степени можно добывать как в земле, так и в морской воде.

Металлические элементы в природе встречаются в виде руд или в самородном состоянии, как медь или золото. Есть вещества, которые нужно получать из оксидов и сульфидов, например, гематит, каолин, магнетит, галенит и пр.

Что такое черный металл

К категории «черные металлы» относится железо и все его сплавы, которые ныне существуют. В чистом виде железо встречается разве что только в исследовательских лабораториях. Главным образом это стали.

Такой тип металлов образуется путем соединения железа с углеродом и добавления дополнительных элементов, которые придают полученному металлу те или иные свойства, необходимые в конкретном производстве (например, магнитные).

Производство металлов

Процедура добычи элементов сводится к извлечению полезных ископаемых. Нахождение металлов в природе в виде руд является самым простым и распространенным процессом в широкой промышленности. Для поиска кристаллических залежей используется специальное геологическое оборудование, анализирующее состав веществ на конкретном участке земли. Реже нахождение металлов в природе сводится к банальному открыто-подземному методу. После добычи наступает этап обогащения, когда из исходного минерала выделяется рудный концентрат. Для отличия элементов используют смачивание, электрический ток, химические реакции, термообработку. Чаще всего выделение металлический руды происходит в результате плавления, то есть разогрева с восстановлением.

Выводы

Любое государство заинтересовано в сборе и переработке металлолома. Как в экологическом, так и экономическом аспектах.

Месторождения полезных ископаемых уменьшаются в размерах, нужны новые ресурсы. Главный из них – использовать вторичные цветные металлы.

Переработанный цветной металл используется в виде сплавов, в которых остро нуждается современная промышленность. А сборщики получают доход. Поэтому можно развернуть неплохой бизнес не цветном металле. Так что в выигрыше оказываются все.

Добыча алюминия

Данным процессом занимается цветная металлургия. По масштабам потребления и производства она является лидером среди прочих отраслей тяжелой промышленности. Самый распространенный металл в земной коре очень востребован в современном мире. По объему производства алюминий уступает только стали.

Больше всего данный элемент используется в авиационной, автомобильной и электротехнической промышленности. Примечательно, что самый распространенный металл в земной коре можно получить и «искусственным» путем. Для такой химической реакции потребуются бокситы. Из них формируется глинозем. При соединении этого вещества с угольными электродами и фтористой солью под действием электрического тока можно получить чистейшую алюминиевую руду. Страной-лидером среди производителей данного компонента является Китай. В год там выплавляется до 18,5 млн тонн металла. Компанией-лидером в аналогичном рейтинге по добыче алюминия является российско-швейцарское объединение UC RUSAL.

Ртуть, свинец и кадмий

Это самые опасные цветные металлы, относящиеся к тяжелым. Являются основными загрязнителями окружающей среды. Ртуть – высокотоксичный металл для человека, в океан попадает через атмосферу и со сточными водами. Когда на электростанциях сжигают уголь, то соединения ртути попадают в атмосферу, а затем выпадают в океан в виде осадков. Кроме того, многие пресноводные и морские обитатели накапливают в своем организме значительное количество ртути, что не один раз приводило к отравлению человека, и даже смерти.

Кадмий – рассеянный и достаточно редкий элемент, который попадает в океан вместе со сточными водами металлургических и рудообогатительных производств. Следует отметить, что кадмий присутствует в организме человека, но его очень мало. При хроническом отравлении разрушаются кости, и начинается анемия. Что касается свинца, то этот металл в рассеянном состоянии есть практически везде. Такие виды металлов, фото которых мы привели выше, выводятся из организма, но достаточно медленно, поэтому их избыточное количество вызывает серьезные проблемы со здоровьем. Наряду с континентальной пылью в океан вместе с атмосферными осадками попадает примерно 25 тысяч тонн свинца.