Metallid ja nende kasutamine (2)

Metallid ja nende kasutamine
Essee
Metallide kasutamine igapäevaelus sõltub paljuski nende omadustest.
Metallid on suhteliselt hästi töödeldavad. Nendest on võimalik venitada traati , valtsida õhukesi lehti, sepistada väga erineva kujuga esemeid. Sulatatud metalle saab valada vajaliku kujuga vormidesse . Metallide heaks omaduseks on ka see, et neid on võimalik kokku keevitada. Metalli valikul tuleb silmas pidada tema keemilist vastupidavust antud tingimustes. Olulised on aga ka metallide füüsikalised omadused: tihedus, sulamistemperatuur , kõvadus jne.
Lisaks metalli omadustele tuleb arvestada ka tema kättesaadavust ning hinda. Mida haruldasem on vastav element looduses ning mida keerulisem ja kulukam on metalli tootmine maagist , seda kõrgem on metalli hind.
Kergesti sulavaid metalle (näiteks tina ja plii) ei saa kasutada kõrgel temperatuuril töötavate seadmete valmistamiseks. Õnnevalamiseks jõulu- või uusaastaööl sobib tina, mitte tsink või alumiinium , rääkimata rauast ja teistest vel kõrgema sulamistemperatuuriga metallidest.
Tehnikas on paljudel juhtudel oluline, et kasutatav materjal oleks võimalikult kerge(st väikese tihedusega). Nn kergmetallid on eelkõige alumiinium ja magneesium , aga ka argielus vähem tuntud metall titaan (see paistab silma ka keemilise vastupidavuse poolest, kuid tema kasutamist piirab suhteliselt kõrge hind).
Enamik metalle on küllaltki kõvad. Eriti kõva on kroom . Samas on ka võrdlemisi pehmeid metalle, mida on võimalik isegi küünega kriimustada, näiteks plii ja puhas kuld .Metallide kõvadus sõltub oluliselt metalli puhtusest. Lisandeid sisaldavad metallid on enamasti märgatavalt kõvemad kui puhtad metallid. Kõvaduse suurendamiseks sulatatakse metallidesse mitmesuguseid lisandeid (enamasti teisi metalle).
Hea elektrijuhtivuse tõttu kasutatakse metalle elektrijuhtmete ja mitmesuguste elektriseadmete valmistamisel. Parima elektrijuhtivusega metallid on hõbe ning vask. Võrdlemisi hästi juhib elektrit ka alumiinium.
Hea peegeldumisvõime tõttu saab metalle kasutada peeglite valmistamisel. Vanasti kasutati peeglina siledaid poleeritud metallpindu. Tänapäeval kantakse õhuke peegelsile metallikiht (enamasti hõbe või alumiinium) peegliklaasi tagaküljele.
Praktikas eelistatakse juhtmete materjalina enamasti vaske. Hõbe on laialdasemaks kasutamiseks liiga kallis. Alumiinium on küll vasest odavam, kuid tema elektrijuhtivus on märgatavalt väiksem. Alumiiniumjuhtmete läbimõõt peab seetõttu samades tingimustes kasutamisel olema mitu korda suurem kui vaskjuhtmetel.
Alumiiniumil on elektrijuhtmete materjalina veel üks puudus. Et ta on palju aktiivsem metall kui vask, tekib tema pinnale kergemini oksiidikiht. See kiht halvendab elektrijuhtivust juhtmete ühenduskohtades. Soovitatav on vältida vask- ja alumiiniumjuhtmete omavahelist ühendamist. Sel juhul oksüdeerub alumiinium kui aktiivsem metall eriti tugevasti. Üleminekuks alumiiniumilt vasele võib kasutada kokkusulatatud ühenduskohti.
Kõige tuntum metall on raud ja tema sulamid - teras ja malm . Rauatoodang moodustab 90% kõigi metallide aastasest kogutoodangust! Rauast ja tema sulamitest valmistatakse tööriistu, autosid, ronge, tööstusseadmeid jne.
Mis on sulamid ja miks eelistatakse neid sageli puhastele metallidele?
Sulam on mitme metalli (või ka metalli ja mõne mittemetalli) kokkusulatamisel saadud materjal. Sulamid on enamasti küllaltki ühtlase koostisega- silmaga vaatlemisel või ka lihtsamate mikroskoopide abil ei ole võimalik nende koostisosi üksteisest eritada.
Argielus on tuntuimad sulamid teras ning malm (nende põhikoostisosa on raud), pronks (vase ning tina sulam), messing ehk valgevask (vase ning tsingi sulam) ja paljud teised.
Erinevalt keemilistest ühenditest on sulamite koostist võimalik varieerida, lisades sulatamisel segusse mõnda koostiselementi rohkem, mõnda vähem. Sel teel saab varieerida ka sulami omadusi.
Mõnede sulamite omadused on koostismetallide omadustega võrreldes vahepealsed- näiteks tihedus.
Mitmete omaduste poolest võivad aga sulamid koostismetallidest erineda ning on paljudel juhtudel kasutamiseks sobivamad. Sulamid on enamasti paremate mehhaaniliste omadustega (kõvemad, tugevamad, kulumiskindlamad) kui vastavad puhtad metallid. Sageli on nad ka keemiliselt vastupidavamad.
Paljud metallid, näiteks hõbe ja eriti kuld, on liiga pehmed ja seetõttu sobimatud tarbeesemete valmistamiseks. Nende metallide sulamid on aga palju kõvemad ja kulumiskindlamad. Seepärast ongi argielus kasutatavad kuld- ja hõbeesemed valmistatud tegelikult nende metallide sulamitest (kulla lisandiks on kas hõbe või vask, hõbedal tavaliselt vask). Kulla (või hõbeda) sialdust vastavas sulamis näitab esemele märgitud proov .
Paljude metallide sulamid sulavad madalamal temperatuuril kui vastavad puhtad koostismetallid. Üks tuntumaid selliseid sulameid on jootetina (sulamistemperatuur umbes 180ºC). Madala sulamistemperatuuri tõttu saab jootetinaga kergesti ühendada elektrijuhtmeid või teha teisi jootmistöid.
Mõnel juhul võib isegi väike kogus lisanmetalli oluliselt muuta põhimetalli omadusi. Näiteks paranevad terase omadused, kui lisada sellele väikeses koguses haruldasemaid siirdemetalle (näiteks vanaadium, molübdeen jt).
Leelismetallidest tuntuimat metalli, naatriumi, kasutatakse hõõglampide tootmisel, mis annavad kuldkollast valgust; temaga redutseeritakse maakidest tantaali , titaani ja tsirkooniumi. Naatriumiühendite kasutamine on laialdasem - igapäevane söögisool, sooda , kõik seebi baasil toodetud pesuvahendid , meditsiinis on isegi füsioloogiline lahus  söögisoola lahus jne.
Liitiumi kasutatakse soojuskandjana tuumareaktorites, teda peetakse perspektiivseks tuumkütuseks. Liitiumi sisaldavad emailid ja glasuurid ning opaalklaas. Teda kasutatakse alumiiniumsulamite tugevuse suurendamiseks ning pliisulamite kõvaduse tõstmiseks.
Rubiidiumist ja tseesiumist valmistatakse fotoelektroonikas fotoelemente.
Kulda ja hõbedat on aastasadu kasutatud ehete valmistamiseks, kuid lisaks sellele kaetakse kullaga detaile täppisaparaadiehituses ning hõbedat kasutatakse foto- ja kinotööstuses. 19. sajandil läks moodi nn valge kuld, mis on kulla ja pallaadiumi sulam.
Vask on tuntuim ja levinuim värviline metall, millest vermitakse peenraha ja tehakse elektrijuhtmeid. Vase sulamitest on tuntud messing ehk valgevask; melhior, pronks amalgaamid, joodis jne.
Leelismuldmetallidest tuntuim on kaltsium .
Kaltsium on väga tugev redutseerija , mistõttu kasutatakse teda teiste metallide ( näit. vanaadiumi , berülliumi) saamiseks maakidest ja erisulamite valmistamisel. kaltsiumiühenditest on tuntuim kaltsiumkarbonaat , mis on paekivi , kriidi, lubjakivi peamiseks komponendiks. Lubjakivist saame lupja, mida kasutatakse hoiuruumide desinfitseerimisel, aga ka happeliste muldade neutraliseerimisel. Paekivi ehitusel, kaltsiumkloriidi gaaside kuivatamiseks jne.
Baarium neelab hästi röntgenkiiri, mistõttu lisatakse teda kaitsematerjalidele, baariumsulfaati kasutatakse maohaiguste diagnoosimisel, täiteainena paremate paberisortide valmistamisel ja temast toodetakse valget värvi.
Magneesium kulub peamiselt kergete gaasepidavate sulamite valmistamiseks, millest omakorda valmistatakse tsentrifuuge, lennukiosi, täppisaparaate. Magneesium on signaal - ja valgusrakettide ning kõigile tuntud säraküünalde koostisosa.
Ligi pool toodetavast tsingist kulub korrosioonitõrjeks, tsinki sisaldavad ka mitmed sulamid. Tsinksulfiid luminestseerib ja seetõttu kasutatakse teda koos kaadmiumsulfiidiga televiisorite ja ostsillograafide ekraanide katmiseks.
Alumiinium on levikult metallidest esikohal, kuid mitte toodangult. Kuna puhas alumiinium on liiga pehme, kasutatakse ehitus- ning konstruktsioonimaterjalina peamiselt alumiiniumi sulameid. Alumiiniumi sulamid on palju paremate mehhaaniliste omadustega kui alumiinium. Kõvaduselt on nad lähedased terasele, olles seejuures terasest mitu korda kergemad. Alumiiniumi tähtsaim sulam on duralumiinium. Peale põhikoostisaine (alumiiniumi) sisaldab see vähesel määral vaske, magneesiumi ja veel mõünda metalli. Duralumiiniumil on eriline koht lennukiehituses, aga ka laevadetailide valmistamisel, ehituses ja mujal.
Alumiiniumiga kaetakse konservipurkide sisepindu ning valmistatakse fooliumpaberit, mida kasutatakse isolatsioonimaterjalina, aga ka toiduainete säilitamiseks ja küpsetamiseks., peent alumminiumpulbrit kasutatakse hõbevärvi pigmendina.
Nii tööstuses kui argielus tekib hulgaliselt alumiiniumjäätmeid. Arenenud riikides kogutakse need kokku ja töödeldakse kasutuskõlblikuks materjalik. See annab majanduslikku kokkuhoidu ning vähendab ka looduse saastumist.
Alumiiniumil kui materjalil on teiste metallidega võrreldes terve rida eeliseid : kergus, vastupidavus õhuhapniku ning vee suhtes (tavatingimustes), hea elektri- ning soojusjuhtivus jpm. Oluline on ka alumiiniumi võrdlemisi madal hind (suure osa alumiiniumi hinnast moodustab tema tootmiseks kulutatud elektrienergia maksumus).
Alumiiniumil kui materjalil on ka puudusi: pehmus, vähene mehhaaniline vastupidavus, keemiline aktiivsus hapete suhtes jt.
Alumiiniumi analoogid on gallium , indium ja tallium . Indiumi ja tema hõbedasulameid kasutatakse spetsiaalsete reflektorite ja peeglite valmistamisel.
Tina on jootemetalliks ning plii ja antimon kuuluvad autoaku koostisse.
Germaaniumi kasutatakse peamiselt pooljuhttehnikas
(pooljuhid on olulised telerites, arvutites, mõõteriistades jne).
Kroom on teraste tähtis legeerimislisand. Kroomikihiga kaetakse esemeid hõbedase läike saamiseks, pargitakse nahku , kroomi ühendeid kasutatakse värvainetena. Kroomi ja nikli sulam on elektriküttekeha materjal elektripliidis ja triikrauas.
Volfram on raske ja kõva metall, mida kasutatakse hõõglampide niitide valmistamiseks.Plaatinametalle kasutatakse keemiatööstuses katalüsaatoritena ja neist valmistatakse laboratooriumiseadmeid ning laborinõusid.
Titaanist saadakse laeva- ja lennukiehitusele ning raketitehnikale vajalikke suure tugevusega sulameid; samuti kasutatakse seda eriteraste tootmisel.
Lantanoidid on haruldased muldmetallid , mida kasutatakse klaasitööstuses erineva värvusega klaaside tootmiseks: tseeriumiga valmistatakse õrnkollast, neodüümiga violetset kuni punast, praseodüümiga rohelist jne. Värviteler oleks mõeldamatu luminofoorideta, mille koostisse kuuluvad lantanoidid ning samuti kuuluvad nad raalide mäluseadmeisse.