Raskmetallid ja nende sulamid (0)

Raskmetallid ja nende sulamid
Referaat
Õppeaines: Tehnomaterjalid
Transporditeaduskond
Õpperühm: AT31B
Üliõpilane: Rauno Pello
Juhendaja : A.Koitmäe
Tallinn 2009
Raskmetallid ja nende sulamid
Termin raskemetallid võeti kasutusele 20. sajandi alguses ja see tähendas tol ajal ainult kolme metalli: elavhõbedat, pliid ja kaadmiumi, raskemetallide ritta on lisandunud nii mitmedki teised metallid. Nende korrektne nimetus on nüüdseks toksilised jälgmetallid. Raskmetallideks nimetame metalle mille tihedus on suurem kui 10000 . Järgnevates peatükkides tuleb juttu tuntumatest rasmetallidest ja nende sulamitest: elavhõbe, plii, nikkel , titaan ja kuld . Mis on väga väike osa kõikidest raskmetallidest.
Elavhõbe
Elavhõbe ( Hg) on keemiline element järjenumbriga 80, üks kuuest elemendist (tseesiumi, frantsiumi, galliumi ja mittemetall broomi kõrval), mis on normaaltingimuste lähedastel temperatuuridel vedel. Lihtainena on elavhõbe hõbevalge läikiv metall . Niiskes õhus kattub aegapidi oksiidikilega ja kaotab varsti oma läike. Vedelas olekus on elavhõbe väga halva elektrijuhtivusega. Elavhõbe reageerib ainult nende hapetega, mille anioonid on tugevamad oksüdeerijad. Õhus on elavhõbe püsiv. Kui teda õhus kuumutada, siis ta ühineb hapnikuga ning annab kollakaspunase värvusega elavhõbeoksiidi, mis omakorda kõrgemal temperatuuril laguneb taas lihtaineteks. Looduses on elavhõbe väga haruldane aine. Elavhõbedat leidub jäljeelemendina paljudes kivimites ja mineraalides. Elavhõbedat eraldub looduslikest allikatest, näiteks vulkaanide kaudu, kuid eraldumine toimub ka inimtekkelistest allikatest, nagu söe põletamine ja elavhõbeda kasutamine toodetes. Varasemad heitmed on juba tekitanud keskkonnas elavhõbeda jääva kogumi, millest osa on pidevalt ringluses, sadestub ja satub uuesti ringlusesse. Suurem osa elavhõbedast satub atmosfääri fossiilsete kütuste põletamisel. Nii kivisüsi kui nafta sisaldavad märkimisväärselt elavhõbedat. Elavhõbeda allikaks on veel kloori, polümeeride ja värvide tootmine. Merekeskkonnas esineb elavhõbe peamiselt lahustunud ioonidena. Elavhõbe kuulub mitmekümne mineraali koostisse, kuid ainus elavhõbeda saamiseks kaevandatav mineraal on kinaver (HgS). Suurimad kinaveri leiukohad on Hispaanias. Elavhõbeda tihedus normaaltingimustel on 13,6 g/cm³. Elavhõbe tahkub temperatuuril –38,8 ° C ja keeb temperatuuril 356° C. Tänu madala keemistemperatuurile saab toota sellest kergesti puhast hapnikku.
Elavhõbeda kasutusalad:
Elavhõbedal on suur temperatuurist tingitud soojuspaisumine , mis võimaldab tema kasutamist termomeetrites. Elavhõbedaga on teadusajaloos seotud paljud avastused ja aparaatide konstruktsioonid. Varem kasutati mõõtühikutena mitmeid elavhõbedaga seotud suurusi: õhurõhku avaldati elavhõbedasamba millimeetrites, elektritakistusühikut oom defineeriti aga elavhõbedasamba takistusena. Hästi tuntud on ka elavhõbedabaromeeter või vererõhu mõõtmise seade. Tänapäeval vajatakse elavhõbedat kõige rohkem elektrivoolualaldite ja kvartslampide valmistamiseks.
Plii
Puhas plii on sinaka läikega hõbevalge, pehme raskemetall. Plii on suhteliselt halb soojus- ja elektrijuht (alla 10% hõbeda, mis on parim elektri- ja soojusjuht , elektrijuhtivusest). Plii korral värvub leek leekreaktsioonil ehk leegi värvumisreaktsioonil valkjassiniseks. Tuntud on umbes 80 mineraali, mis sisaldavad Pb, neist tööstuslikult tähtsaim on galeniit ehk pliiläik PbS. Pliiga koos esinevad maakides Cu, Zn, Cd, Bi, Te, väärismetallid jt. Tihedus normaaltingimustel on 11,34 g/cm³. Sulamistemperatuur 327,46 °C ning keemistemperatuur 1751 °C. Plii on vastupidav hapniku, vee ja hapete suhtes; mõnel juhul tekib pinnale oksiidikiht, mis ei lase edasistel reaktsioonidel toimuda. Näiteks õhu käes tuhmub plii väga kiiresti. Plii neelab hästi rõntgen- ja radioaktiivkiirgust, summutab vibratsiooni ja heli, on kõrgplastne, märgub hästi teiste metallidega ( katab kergesti teiste metallide pinnad). Plii on halb soojus- ja elektrijuht.
Toodangult on plii metallide seas kõrgel viiendal kohal (raua, alumiiniumi, vase ja tsingi järel). Pliid kasutatakse muuhulgas autode jaoks mõeldud akudes koos väävelhappega, kuna väävelhappes on plii korrosioonikindel. Kasutatakse ka kaablikatete, haavlite, konteinerite ja soolade tootmisel ning ka klaasi- ja emailitööstuses. Plii ja tina sulamit ( jootetina ) kasutatakse elektriliste kontaktide ja muude metalldetailide jootmiseks. Kui pliid on 37% ja tina 63%, siis on sulamistemperatuur kõige madalam (183 °C).
Nikkel
Nikkel on keemiline element, mille keemiline sümbol on Ni ja järjenumber 28. See on hõbevalge läikiv metall, kerge kuldse varjundiga. See on üks neljast elemendist, mis on ferromagnetilised toatemperatuuril. Nikkel on plastne hästi töödeldav ja korrosioonikindel metall, mille sulamistemperatuuriks on 1455 °C. Suur osa niklist (u 15 % kogu niklitoodangust ) kasutatakse legeeriva elemendina terastes ja malmides, aga ka mitterauasulemites, Niklit kasutatakse ka puhta metallina ja paljude sulamite põhikomponendina. Puhas nikkel on suurepärase korrosioonikindlusega alustes, hapetes ja siit tulenevalt kasutatakse seda keemiatööstuse seadmeis ja toiduainetööstuses. Hinna odavdamise eesmärgil kasutatakse niklit sageli õhukese lehena mittelegeerterastest pleki plakeerimisel. Niklit kasutatakse paljude materjalide elektrolüütpindadena, aga ka aluskihina mittelegeerteraste kroomimisel.
Nikli sulamid
Kuigi niklil on suurepärane korrosioonikindlus, on see veegi parem vase, kroomi või molübdeniga legeeritud niklisulamitel. Parima korrosioonikindlusega on tuntud Ni-Cu-sulamitest monelmetall, millest nikli ja vase vahekord on 2:1. Monelmetalli head omadused ilmnevad merevees . Lisaks korrosioonikindlusele iseloomustab monelmetalli ka hea tugevus ja sitkus, need säilivad laias temperatuurivahemikus. Karastamise ja järgneva vanandamise tulemusena on saavutatav tugevus kuni 1400 . Ni-Cr-sulamid on tuntud eelkõige kuumuspüsivate materjalidena, mida suurest elektritakistusest tingituna kasutatakse kütteelemenides. Ni-Cr-sulamid on tundtud nimonikina, mida kasutatakse kuumustugevate sulamitena gaasiturbiinide ja muude kõrgtemperatuursetes keskkondades töötavate masinaosade materjalina. Eriti kuumuspüsivad ja kuumustugevad Ni-sulamid on legeeritud kroomi ja rauaga , mis on tuntud inkonelli ja inkolloi nime all. Samasse gruppi kuuluvad lisaks rauale ka molübdeeniga legeeritud Ni-sulamid- hastelloid. Peale kuumuspüsivuse ja –tugevuse on nimetatud sulamid korrosioonikindlad ka mineraalhapetes, kloori sisaldavais happelistes keskondades.
Titaan
Titaan on looduses üks levinumaid elemente. Tema suhteline sisaldus maakoores on ca 0,6%, see on vähem ainult alumiiniumi (7,5%), raua (4,2%) ja magneesiumi (2,1%) sisaldusest. Kuigi titaan avastati juba 1792. aastal, saadi esimene keemiliselt puhas metall alles XX sajandil. Probleemid titaani taandamisel tema ühenditest on seotud nende äärmiselt suure keemilise inertsusega (termodünaamilise stabiilsusega), mistõttu on raske lõhkuda titaani ja temaga reageerinud elemendi keemilist sidet. Titaani sulamistemperatuuriks on 1660 °C, ta on väga korrosioonikindel element. Titaanil on suhteliselt väike tihedus (4540 kg/m³) ja madal elastsusmoodul, mis soodustab titaani roomavust nii normaal - kui ka kõrgetel temperatuuridel. Titaani tugevus ja kõvadus sõltuvad suurel määral ta puhtusest. Kõik lisandid eriti lahustunud gaasid ja süsinik, suurendavad oluliselt tugevust ja kõvadust.
Temperatuuridel üle 550...600 °C hakkab titaan energiliselt reageerima ümbritseva keskkonnaga, moodustades gaasidega sisendus - ja metallidega asendustardlahuseid, mille tulemusena kasvab ta tugevus ja langeb plastsus .
Titaani sulamid
Laia kasutust leiavad titaanisulamid alumiiniumi, kroomi, vanaadiumi, molübteeni ja mangaaniga. Neist peamine on alumiinium mis sisaldub peaaegu kõkides titaanisulamites. Toatemperatuuril tekib titaani pinnal väga tihe ja inertne passiveeriv titaanoksiidi kiht, mistõttu nii titaan kui selle sulamid ei korrodeeru atmosfääris, mage - ja merevees, peaaegu kõikides orgaanilistes ja paljudes anorgaanilistes hapetes, leeliste lahustes, nad on vastupidavad kavitatsioonile ja pingekorrosioonile. Metallsetest lisanditest avaldavad titaanisulamite tugevusele olulist mõju tina, alumiinium ja vanaadium, mistõttu kasutatakse neid legeerivate elementidena titaanisulamites.
Kuld
Kuld on keemiline element järjenumbriga 79. Keemilistelt omadustelt on kuld väheaktiivne metall. Ei reageeri vee ega hapetega. Kuld on väärismetall. Normaaltingimustel on ta võrdlemisi pehme kollane metall, mille tihedus on 19,7 g/cm³. Kuld on plastiline, seega kergesti töödeldav ja võimaldab sepistada väga erineva kujuga esemeid. Lõhenevus ja magnetilisus kullal puuduvad. Ning ta on kõige vormitavam ning plastilisem väärismetall (1g kulda saab venitada traadiks, mille pikkus on 3km). Kulla sulamistemperatuur on 1064 ,18 °C. Kuld on ka hea elektrijuht ning keemiliselt inertne - viimane väide, aga lakkab olemast õige, kui tegemist on väga väikeste kullaosakestega. Keemilistelt omadustelt on kuld väheaktiivne metall. Kulda nimetatakse metallide kuningaks. Seda seepärast et kuld ei reageeri vee ega hapetega. On olemas vaid üks eriline hapete segu - kuningvesi . See koosneb kolmest mahuosast soolhappest ja ühest mahuosast kontsentreeritud lämmastikhappest. Õhu käes ei muutu kuld isegi tugeval kuumutamisel.
Looduses esineb kuld väikeste terakeste või kamakatena kivis . Esineb kvartsisoontes ja murendsetetes. Maailma suurimad kullavarud asuvad Lõuna-Aafrika Vabariigis. Kulda toodetakse mehhaaniliselt sõeludes või pestes, samuti ka keemiliste meetoditega (tsüaanides või amalgaamides) ning puhastatakse harilikult elektrolüütiliselt või kuuma väävelhappe abil.