Лабораторная работа № 2. Металлы и сплавы

Тема «Металлы. Неметаллы»

Учебная цель: ознакомление с основными видами металлов и сплавов, их физико-механическими свойствами и областью применения; изучение общей терминологии, принятой действующими стандартами на металлы и сплавы.

Образовательные результаты, заявленные во ФГОС третьего поколения:

Обучающийся должен знать:

- положение металлов в Периодической системе химических элементов им. Д.И. Менделеева;

- физические свойства металлов;

- классификацию сплавов на основе черных (чугун и сталь) и цветных металлов;

- общие химические свойства металлов.

Обучающийся должен уметь:

- характеризовать металлы на основе их положения в Периодической системе химических элементов им. Д.И. Менделеева и особенности строения их атомов;

- использовать приобретенные знания и умения в практической деятельности и повседневной жизни.

Задачи практического занятия:

1. Закрепить теоретические знания о металлах и сплавах.

2. Ответить на вопросы для закрепления теоретического материала.

3. Ознакомиться с коллекцией «Металлы и сплавы», систематизировать основные свойства материалов.

4. Ответить на вопросы для контроля.

Обеспеченность занятия:

1. Учебно-методическая литература:

• Габриелян О.С. Химия для профессий и специальностей технического профиля: учебник / О.С. Габриелян, И.Г. Остроумов.  М.: Академия, 2015.  256 с.

1. Справочная литература:

• Периодическая система химических элементов им. Д.И. Менделеева (приложение 1);

• карта запасов железной руды России (приложение 2);

• рисунок «Процесс выплавки чугуна» (приложение 3);

• рисунок «Кислородный конвертер для выплавки стали» (приложение 4);

• таблица «Типы кристаллических решеток» (приложение 5).

1. Оборудование:

• коллекция «Металлы и сплавы».

1. Тетрадь для практических и контрольных работ.

2. Ручка.

Краткие теоретические и учебно-методические материалы по теме лабораторной работы

Металлы  группа элементов , в виде простых веществ, обладающих характерными металлическими свойствами, такими, как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность, ковкость и металлический блеск.

Свойства металлов, обусловлены наличием в их кристаллической решетке большого числа свободных электронов.

Обычно металлы применяют в виде сплавов. Металлический сплав представляет собой вещество, обладающее свойствами металлов и получаемое в результате взаимодействия двух или нескольких элементов.

Все металлы и сплавы можно разделить на черные (железо и сплавы на его основе) и цветные (все остальные металлы и сплавы).

Железо (Fе) блестящий серебристо-белый металл с сероватым оттенком, легко обрабатывается резанием и давлением. Его плотность 7,8 г/см³, температура плавления 1812 К. В чистом виде из-за низкой прочности практически не используется.

Добыча железной руды – одна из ведущих отраслей производственного комплекса в России. Карта запасов железной руды России представлена в приложении 2 Наша страна добывает только 5,6% от общей добычи руды в мире. Всего же мировые запасы составляют более 160 миллиардов тонн. По предварительным подсчётам, содержание чистого железа может доходить до 80 миллиардов тонн.

Чугун  сплав железа с углеродом (более 2,14%), некоторым количеством марганца, кремния, серы, а иногда другими элементами. Чугун более хрупок, чем сталь, он хуже сваривается, но обладает лучшими литейными свойствами. Поэтому изделия из чугуна получают исключительно литьем. Плотность чугуна 7-8 г/см³. Процесс выплавки чугуна представлен в приложении 3.

Но назначению и химическому составу чугуны разделяются на литейные, передельные, ковкие и. специальные.

Если из чугуна удалить часть углерода, понизив его содержание до 0,2  1,9%, полученный сплав будет называться сталью. Излишек углерода из чугуна «выжигают» с помощью кислорода в аппаратах, называемых конвертерами (приложение 4).

Сталь  сплав железа с углеродом (до 2,14%) и другими элементами. Содержание углерода оказывает определенное влияние на свойства стали: с увеличением углерода возрастают, например, твердость, предел прочности сплава, но уменьшаются пластичность и ударная вязкость. Плотность стали 7,7-7,9 г/см³.

По химическому составу стали подразделяются на углеродистые и легированные. Углеродистая сталь наряду с железом и углеродом содержит марганец (до 1%) и кремний (до 0,4%), а также вредные примеси (серу, фосфор). В состав легированных сталей помимо указанных компонентов, входят легирующие элементы (хром, никель, титан и др.), повышающие качество сплавов.

Металлы – один из классов конструкционных материалов, характеризующийся определенным набором свойств.

К физическим свойствам металлов относят плотность, температуру плавления, цвет, блеск, непрозрачность, теплопроводность, электропроводность, тепловое расширение. По плотности металлы разделяют на легкие (до 3000 кг/м³) и тяжелые (от 6000 кг/м³ и выше); по температуре плавления  на легкоплавкие (до 973 К) и тугоплавкие (свыше 1173 К). Каждый металл или сплав обладает определенным, присущим ему цветом.

Из химических свойств металлов и их сплавов наиболее важными в производстве художественных изделий являются растворение (взаимодействие с кислотами и щелочами) и окисление (антикоррозийная стойкость, т.е. стойкость к воздействию окружающей среды  газов, воды и т.д.).

Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, представляют собой кристаллические вещества, то есть укладка атомов в них характеризуется определённым порядком – периодичностью, как по различным направлениям, так и по различным плоскостям. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решетка.

Другими словами, кристаллическая решетка это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело.

Элементарная ячейка – элемент объема из минимального числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл.

Элементарная ячейка характеризует особенности строения кристалла.

В металлических материалах, как правило, формируются три типа кристаллических решеток: объемноцентрированная кубическая (ОЦК), гранецентрированная кубическая (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГПУ). Элементарные ячейки ОЦК, ГЦК и ГПУ решеток показаны в приложении 5.

Вопросы для закрепления теоретического материала к лабораторной работе

1. Перечислить общие свойства металлов.

2. Что называется сплавами?

3. Какие способы получения металлов Вы знаете?

Задания для лабораторного занятия:

1. Рассмотреть образцы из коллекции «Металлы и сплавы», изучить свойства образов и определить область применения.

2. Результаты изучения и наблюдения свойств и внешних признаков образцов записать в таблице 2.

3. Ответить на вопросы для контроля.

4. Отчитаться о выполненной работе преподавателю.

Таблица 2

Классификация свойств материалов

Вопросы для контроля

1. Что называется металлургией?

2. Что называется пирометаллургией?

3. Что называется гидрометаллургией?

4. Что называется электрометаллургией?

5. Что такое коррозия металлов?

6. Способы защиты металлов от коррозии.

7. Приведите примеры применения сплавов в различных областях жизни человека.

Форма контроля выполнения лабораторной работы:

Выполненная работа представляется преподавателю в тетради для выполнения практических и контрольных работ по дисциплине «Химия».