Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Zapisz jako PDF Udostępnij materiał

Jeden ze stopów metali – stalstalstal – jest powszechnie stosowany, m.in. w konstrukcjach mostów, wieżowców, samochodów, okrętów, rakiet kosmicznych, a także w produkcji szyn kolejowych, garnków, zlewów, sztućców, aparatury i narzędzi specjalistycznych. Zastanówmy się, jaki jest skład stali i w jakim celu stapia się ze sobą metale?

Już wiesz
  • jakie właściwości ma materia w różnych stanach skupienia;

  • co to są symbole pierwiastków chemicznych i jak się nimi posługiwać;

  • co to są metale i jakie mają właściwości;

  • jakie zastosowania mają metale w życiu codziennym;

  • które właściwości metali pozwalają je rozróżniać;

  • jakie kryteria stosuje się, klasyfikując mieszaniny;

  • jakie zasady bezpieczeństwa należy zachować w szkolnej pracowni chemicznej.

Nauczysz się
  • wyjaśniać, dlaczego zamiast metalu często używa się jego stopu z innymi pierwiastkami chemicznymi;

  • podawać przykłady zastosowań stopów metali w życiu codziennym;

  • wskazywać w układzie okresowym pierwiastków chemicznych metale, z których otrzymuje się stopy użytkowe;

  • klasyfikować stopy metali jako mieszaniny jednorodne i opisywać niektóre z nich: brąz, mosiądz, stal, duraluminium;

  • projektować doświadczenia pozwalające porównać właściwości metali i ich stopów;

  • przestrzegać zasad bezpieczeństwa podczas wykonywania eksperymentów chemicznych.

iKJDIhXgV0_d5e237

1. Co stopy metali mają wspólnego z muzyką?

Polecenie 1

Jaki związek może mieć chemia z muzyką?
Z jakich materiałów są wykonane instrumenty muzyczne?

*Słuchając koncertu organowego, warto zastanowić się, z czego zbudowane są najważniejsze elementy organów, czyli piszczałki. Najczęściej jest to stop cyny i ołowiu. Blacha do budowy piszczałek może mieć różną zawartość cyny, a procentowy udział tego pierwiastka w stopie określa tzw. próba cyny. Przyjmuje ona wartości od 1 do 16. Zawartość cyny w kolejnych próbach można wyliczyć, mnożąc 6,25% przez „numer” próby (próba 1 zawiera 6,25% cyny; próba 2 – 12,50% cyny, próba 3 – 18,75% cyny itd.). Próba 16 oznacza brak domieszki ołowiu, w skład takiego materiału wchodzi wyłącznie cyna (100%). Jest on używany jest bardzo rzadko i ma głównie walory zdobnicze. Im większa zawartość cyny, tym stop ma mniejszą gęstość i jest jaśniejszy. Natomiast im więcej ołowiu, tym gęstość stopu jest większa, a barwa – ciemniejsza.

Rs7U5fg2U9uGU1
Źródło: flamesworddragon (https://www.flickr.com), licencja: CC BY-SA 2.0.

W dolnej części piszczałek organów ścianki są często grubsze na dole niż na górze. Dzięki temu wytrzymują duży nacisk korpusu piszczałki na jej dolną część, co zapobiega jej deformacji (spłaszczeniu).
Czasem duże piszczałki są wykonywane z cynku – lżejszego i tańszego od ołowiu, jednak wydają wtedy dźwięki gorszej jakości oraz mają matową, pozbawioną połysku powierzchnię, gdyż cynk na powietrzu ulega pasywacji.
Instrumenty dęte blaszane, takie jak puzon czy trąbka, najczęściej są wykonane z mosiądzumosiądzmosiądzu, czyli stopu miedzi i cynku, rzadziej – z metali szlachetnych.
Flety altowe mogą być produkowane z tzw. złotego mosiądzu (z dużą zawartością miedzi), dzięki czemu są lżejsze od tradycyjnych instrumentów i mają optymalne brzmienie.

R172WgKxExpj01
Puzon (1), trąbka (2), saksofon (3) wykonane z mosiądzu oraz flet altowy (4) ze złotego mosiądzu

Ze stopów metali korzystają także producenci gitar, którzy ciągle poszukują nowych sposobów, aby struny tych instrumentów były trwalsze i miały coraz lepsze walory dźwiękowe. Większość obecnie wytwarzanych strun do gitar elektrycznych zrobiona jest ze stali niklowej, zapewniającej dobrą jakość dźwięku. Nowością ostatnich lat są struny ze stali nierdzewnej – bardzo mocne, wytrzymałe i twarde.

Ciekawostka

Dlaczego struny gitar są powlekane tworzywami sztucznymi?
Dawniej struny do gitar produkowano z przetworzonych jelit zwierząt, obecnie w gitarach klasycznych najczęściej stosuje się struny nylonowe, a w pozostałych typach – stalowe lub wykonane z brązubrązbrązu. Pokrywające struny podczas grania brud, pot i tłuszcz narażają je na korozję. Dlatego zabezpiecza się je przed zanieczyszczeniami, pokrywając powłokami z tworzyw sztucznych.

R1LY5CRyZVEiq1
Struna – budowa (1), drobinki skóry i brudu uwięzione w zwojach (2), powłoka zabezpieczająca struny i tworząca barierę dla brudu (3)
iKJDIhXgV0_d5e304

2. Co to są stopy metali?

Polecenie 2
  1. Wyszukaj w układzie okresowym pierwiastki: cynę, ołów, miedź, cynk.

  2. Napisz, jaki stop tworzy każda z podanych par metali:

    1. cyna i ołów,

    2. miedź i cyna,

    3. miedź i cynk.
      Porównaj odpowiedzi z tabelą Stopy metali.

  3. Korzystając z układu okresowego pierwiastków i tablic chemicznych, porównaj temperatury topnienia poszczególnych metali i tworzących je stopów.

  4. Przeanalizuj informacje umieszczone na osi czasu i przypomnij sobie wiadomości z historii na temat epok kamienia, brązu i żelaza. Sporządź krótką notatkę na temat wykorzystywanych w tych epokach metali i wykonywanych z nich przedmiotów.

    RCEmh82C69SRK1
    Źródło: Tomorrow Sp. z o.o., Lokilech (http://commons.wikimedia.org), Lawrie Cate (https://www.flickr.com), Prof saxx (http://commons.wikimedia.org), Opodeldok (http://commons.wikimedia.org), Rob Hurson (https://www.flickr.com), Michal Maňas (http://commons.wikimedia.org), Elliott Brown (https://www.flickr.com), LACMA (https://www.flickr.com), Kozuch (http://commons.wikimedia.org), Anagoria (http://commons.wikimedia.org), Luis García (Zaqarbal) (http://commons.wikimedia.org), Bullenwächter (http://commons.wikimedia.org), dynamosquito (https://www.flickr.com), licencja: CC BY-SA 2.0.

Żelazo dzięki swoim właściwościom jest najbardziej użytecznym metalem. Jest głównym składnikiem powszechnie stosowanej stali, którą otrzymuje się z surówki (wytwarzanej w wielkim piecu z rudy żelaza) oraz uszlachetnia metalami: manganem, niklem lub chromem. Stop ten jest wykorzystywany w konstrukcji mostów, drapaczy chmur, statków, platform morskich, samochodów, pociągów, pokryć dachów czy w produkcji puszek do konserw. Do wytwarzania m.in. elementów konstrukcji samolotów bądź puszek do napojów używany jest inny stop – duraluminiumduraluminiumduraluminium.

Ciekawostka

Stop w kolorze rdzy
Stop ten otrzymano po raz pierwszy w Stanach Zjednoczonych w czasie wielkiego kryzysu (1929–1933). Jest to materiał ceniony ze względu na szczególne właściwości, dzięki którym nie wymaga częstej konserwacji. Corten (czyt. korten), czyli gatunek stali, został opatentowany w 1933 roku. Nazwa materiału powstała z określenia jego właściwości corrosion resistant (czyt. korożion resistant), co oznacza „odporny na korozję”, i high tensile strength (czyt. haj tensajl strent), czyli „wytrzymały na rozciąganie”. Do jego produkcji użyto m.in.: chromu, miedzi, krzemu i fosforu. Stop ten pod wpływem czynników atmosferycznych pokrywa się cienką powłoką ochronną przypominającą rdzę o brązowej barwie. To sprawia, że stal nie ulega korozji, jest wytrzymała i odporna na naprężenia.

R1DfudMtZWa471
Budynek zawierający w swej konstrukcji corten – stop w kolorze rdzy
iKJDIhXgV0_d5e369

3. Jak się otrzymuje stopy metali i jakie są ich właściwości?

Polecenie 3

W jaki sposób można otrzymać stop metali?

Otrzymywanie stopu Wooda
Doświadczenie 1

Zamiast tygla żelaznego można użyć tygla porcelanowego, dobrze wyprażonego. W celu uniknięcia trudności z osiągnięciem wysokiej temperatury, niezbędnej do stopienia metali, zaleca się ogrzewanie tygla dwoma palnikami gazowymi równocześnie. Do tygla należy dodać taką ilość kalafonii, aby przykryła umieszczony kawałek cyny warstwą o grubości około 1 cm.
Formę tekturową do odlania prętów stopionych metali wykonujemy następująco: owijamy tekturą bagietkę szklaną o długości około 10 cm. Wolny koniec powstałej rurki zaginamy i przewiązujemy drutem, którym owijamy całą rurkę, a później wyjmujemy ze środka bagietkę.

Problem badawczy

Czy stopy mają ma taką samą barwę i połysk jak metale, z których zostały utworzone?

Hipoteza

Wybierz jedną z przedstawionych hipotez, a następnie zweryfikuj ją.

Stop ma taką samą barwę i połysk jak tworzące go metale.
Stop wyglądem różni się od tworzących go metali.

Co będzie potrzebne
  • bizmut,

  • cyna,

  • ołów,

  • kadm,

  • kalafonia,

  • statyw,

  • trójkąt kaolinowy,

  • tygiel żelazny lub porcelanowy,

  • pręt żelazny,

  • waga,

  • palnik gazowy,

  • rurka wykonana z tektury.

Instrukcja
  1. W tyglu umieść 5 g cyny i dodaj kalafonię.

  2. Tygiel ogrzewaj do stopienia się cyny, a następnie, stale ogrzewając, dodaj w kolejności: 10 g ołowiu, 5 g kadmu i 20 g bizmutu.

  3. Zawartość tygla stale mieszaj żelaznym prętem aż do otrzymania jednorodnej mieszaniny.

  4. Otrzymany stop pozostaw do skrzepnięcia, wyjmij go z tygla i usuń pozostałą na nim kalafonię.

  5. Możesz stopić go ponownie i odlać z niego pręty, używając tekturowej rurki.

Podsumowanie

Otrzymany stop wygląda inaczej niż metale wchodzące w jego skład, lecz zachowuje charakterystyczny metaliczny połysk.

W wyniku stopienia dwóch lub większej liczby różnych metali otrzymuje się mieszaniny jednorodnemieszanina jednorodnamieszaniny jednorodne zwane stopami. Zarówno metale, jak i otrzymane z nich stopy mają metaliczny połysk.

RGM217WVbTv5q1
Na ekranie pojawiają się kolejno wymieniane metale, odczynniki i sprzęt laboratoryjny. Osoba odważa 5 g cyny umieszcza ją w tyglu i dodaje kalafonię .Zbliżenie na zawartość tygla. Osoba zapala palnik i podgrzewa tygiel do stopienia się cyny zbliżenie. Następnie ogrzewając dodaje w kolejności: 10 g ołowiu, 5 g kadmu i 20 g bizmutu. Mieszanie zawartości tygla do otrzymania jednorodnej mieszaniny. Zbliżenie. Przejście sugerujące upływ czasu. Zbliżenie na otrzymany stop. Usunięcie z niego kalafonii. Ponowne podgrzanie i wylanie w różne formy.

StopstopStop, czyli mieszaninę metali lub metalu z pierwiastkami niemetalicznymi, uzyskuje się przez stopienie składników, a następnie schłodzenie otrzymanej masy. Stop najczęściej ma odmienne właściwości od jego elementów składowych, w niektórych przypadkach nawet niewielka ilość dodatków wpływa znacząco na jego właściwości. Zazwyczaj stopy są bardziej odporne na działanie powietrza i wody, a także twardsze oraz bardziej wytrzymałe mechanicznie niż czyste metale.

R6AEai2a69TFt1
Aplikacja prezentuje proces otrzymywania stopów oraz możliwości ich zastosowania. W górnej części okna aplikacji znajduje się stylizowany rysunek huty, pod którym przedstawiono schemat obróbki metali: taśmociąg, kocioł do topienia i stanowisko spawalnicze połączone strzałkami. Z lewej strony tego schematu znajdują się dwa pomarańczowe okręgi od których biegnie strzałka prowadząca do taśmociągu. Z prawej strony znajduje się jeden taki okrąg, do którego biegnie strzałka od stanowiska spawalniczego. Pod wszystkim w podobnych okręgach znajdują się metale ułożone w pary: miedź z cyną, miedź z cynkiem, żelazo z chromem, żelazo z węglem, rtęć ze srebrem i cyna z ołowiem. Przeciągnięcie każdej z par na obszar dwóch pomarańczowych okręgów na początku schematu procesu produkcyjnego powoduje uruchomienie fabryki i pojawienie się na końcu procesu określonego stopu metali wraz z nazwą i krótkim opisem właściwości. W stosunku do wymienionych przed chwilą par metali są to kolejno: brąz (łatwy w obróbce), mosiądz (nie ulega korozji), stal nierdzewna (odporna na korozję), stal węglowa (bardzo wytrzymała), amalgamat (miękki, twardniejący z czasem) i cyna lutownicza (o niskiej temperaturze topnienia). Po każdorazowym uruchomieniu procesu w prawym dolnym rogu okna pojawia się przycisk oznaczony słowem Dalej, którego kliknięcie zeruje fabrykę i umożliwia przeprowadzenie kolejnej prezentacji.
Otrzymywanie stopów, ich właściwości i zastosowanie
Polecenie 4

Obejrzyj film i odpowiedz na pytania:

  • Co się stało z łyżeczką?

  • Czy właściwości substancji wpływają na ich zastosowanie?

    R1Ekagb3kRpoY1
    Mieszanie gorącego płynu łyżeczką ze stopu Wooda w przezroczystym pojemniku. Do szklanki wkładamy termometr, na jej dnie gromadzi się stop, który przyjmuje ciekły stan skupienia (zbliżenie na termometr, a następnie na dno szklanki). Termometr wskazuje temperaturę 71,5 - 71,6 stopni Celsjusza.

Polecenie 5

Czy stopy metali mają takie same właściwości jak tworzące je składniki?
Zaproponuj sposób badania różnic właściwości fizycznych kilku substancji oraz ich mieszanin, np. metali i ich stopów.

Porównywanie właściwości stopu z właściwościami jego składników1
Doświadczenie 2

Doświadczenie należy wykonywać w okularach ochronnych, pod nadzorem nauczyciela.

Problem badawczy

Czy stopy mają takie same właściwości jak metale, z których zostały utworzone?

Hipoteza

Wybierz jedną z przedstawionych hipotez, a następnie zweryfikuj ją.

Stop ma takie same właściwości jak tworzące go metale.
Stop różni się właściwościami od tworzących go metali.

Co będzie potrzebne
  • I.

    • metale: cyna, ołów, miedź,

    • stopy metali: stop cyny z ołowiem (cyna do lutowania),

    • krążek z blachy stalowej,

    • palnik gazowy, okulary ochronne,

  • II.

    • płytka cynkowa, miedziana, mosiężna.

Instrukcja
  1. Odczytaj w tablicach chemicznych: w jakiej temperaturze topi się stop cyny z ołowiem (cyna do lutowania), temperatury topnienia tworzących go składników tj.: cyny i ołowiu. Ustal, w jakiej kolejności stopią się: cyna do lutowania, ołów i cynk.

    1. W tym celu na stalowy krążek o średnicy około 12 cm połóż w odpowiedniej odległości małe próbki cyny, ołowiu i ich stopu.

    2. Środek krążka ogrzewaj płomieniem palnika i obserwuj zachodzące zmiany.

    3. Wyznacz kolejność topienia się poszczególnych próbek.

  2. Zbadaj twardość miedzi, cynku i mosiądzu.

    1. Powierzchnię płytki mosiężnej zarysuj narożem płytki cynkowej i miedzianej.

    2. Płytką mosiężną porysuj powierzchnię płytki cynkowej i miedzianej.

Podsumowanie

I. Jako pierwszy stopił się stop cyny z ołowiem (cyna do lutowania), następnie – cyna i jako ostatni – ołów.
II. Obserwacja powierzchni metali w czasie prób zarysowywania innymi metalami lub ich stopami pozwoliła ustalić, że płytka mosiężna zarysowuje płytkę cynkową i miedzianą.
Stopy różnią się od metali, z których je otrzymano, właściwościami fizycznymi, m.in. temperaturą topnienia, twardością.

R1LK9bJocV8le1
Twardość stopów
Porównywanie twardości stopu z właściwościami jego składników – symulacja

Najtwardszy okazał się mosiądz. Spośród badanych metali twardsza od cynku okazała się miedź. Twardość metali i stopów decyduje o ich zastosowaniu.

Ciekawostka

Stop z pamięcią kształtu: niklowo‑tytanowy
Stop o nazwie nitinol jest materiałem „inteligentnym”. Charakteryzuje się unikalnymi właściwościami – pamięcią kształtu. Nazwa nitinol pochodzi od jego składu: Ni (nikiel), Ti (tytan) oraz miejsca odkrycia: Naval Ordnance Laboratory (czyt. nejwel ordnenc laboratri), tj. laboratorium badawcze Marynarki Wojennej USA, w 1959 roku przez Williama Buehlera (czyt. łiliama błalera) i Fryderyka Wanga (czyt. łanga).

Odkrycie właściwości pamięci kształtu sięga roku 1932, kiedy to szwedzki chemik Arne Olander (czyt. arn olander) zaobserwował ten efekt w stopie złota z kadmem.
Materiały z pamięcią kształtu mają zdolność do odwzorowania nadanej im pierwotnie formy oraz jej odtworzenia pod wpływem np. zmiany temperatury lub pola magnetycznego.

Mimo trudności z przetwarzaniem i obróbką nitinol znalazł praktyczne zastosowanie już w latach siedemdziesiątych, np. do produkcji drutów i sprężyn (także w biustonoszach), jako składnik mechanizmu zabawek, w medycynie (szczególnie w dentystyce i ortopedii do zabezpieczenia ścięgien, więzadeł i innych miękkich tkanek w kościach) oraz jako biomateriał. Wśród materiałów z pamięcią kształtu ponad 90% komercyjnych stanowią te, które są wykonane z nitinolu. Jeśli nosisz aparat korekcyjny na zębach, być może jest on z tego właśnie stopu…

R9qgTG4wWvH1u1
Film przedstawia drucik nitinolowy odginamy (prostowany) przez eksperymentatora i wkładany do zlewki z ciepła wodą. Drucik wraca do swojego pierwotnego kształtu.
iKJDIhXgV0_d5e621

Podsumowanie

  • Właściwości stopu zależą od jego składu i sposobu jego otrzymywania.

  • Stopy metali, tak jak inne mieszaniny, otrzymuje się w wyniku zmieszania dwu lub więcej metali, po stopieniu ich ze sobą i schłodzeniu otrzymanej masy.

  • Stopy różnią się od metali wchodzących w ich skład właściwościami, np. twardością, wytrzymałością, ciągliwością i temperaturą topnienia (na ogół niższą w przypadku stopu). Stopy metali są odporniejsze na korozję od metali.

  • Stal to stop żelaza z domieszką węgla, który zapewnia większą twardość i wytrzymałość stopu oraz obniża jego kowalność i ciągliwość. Uzyskanie specyficznych właściwości, np. odporności na korozję, wymaga dodania do stali chromu, np. stal nierdzewna zawiera 11–14% chromu. Tak przygotowaną stal stosuje się do wyrobu części maszyn, szyn kolejowych, ostrzy noży, narzędzi, zbrojeń betonu, elementów konstrukcyjnych.

  • Mosiądz to stop miedzi i cynku (do 40%) oraz dodatków, np. ołowiu, glinu, cyny, manganu, żelaza, chromu oraz krzemu. Mosiądz jest przydatny do obróbki plastycznej na zimno, np. podczas produkcji łusek amunicji. Wytwarza się z niego monety, medale, świeczniki, puchary, kłódki, moździerze, pomniki, elementy ozdobne (klamry, klamki, odważniki, dzwony, okucia, ramy obrazów) armaturę, osprzęt odporny na wodę morską, śruby okrętowe, amunicję. Z mosiądzu wytwarza się elementy maszyn – w przemyśle maszynowym, samochodowym, elektrotechnicznym, okrętowym, precyzyjnym, chemicznym. Ważnym zastosowaniem mosiądzu jest produkcja instrumentów muzycznych.

Praca domowa
Polecenie 6.1

Przygotuj infografikę ilustrującą otrzymywanie i zastosowanie wybranego stopu metalu.

Polecenie 6.2

Wykonaj zdjęcia przedstawiające zastosowanie stopów metali. Określ, z jakich pierwiastków chemicznych zostały otrzymane te stopy i odpowiednio je podpisz.

iKJDIhXgV0_d5e833

Słowniczek

brąz
brąz

stop miedzi i cyny

duraluminium
duraluminium

stop glinu, zawiera zwykle miedź, mangan i magnez

mieszanina jednorodna
mieszanina jednorodna

mieszanina, w której składników nie możemy rozróżnić wzrokiem ani za pomocą prostych przyrządów optycznych

mosiądz
mosiądz

stop miedzi i cynku

stal
stal

stop żelaza z węglem i dodatkami innych pierwiastków, np. chromu, niklu, manganu, krzemu

stop
stop

mieszanina jednorodna metali (np. brąz, mosiądz, cyna do lutowania) lub metalu z dodatkiem metali i niemetali (stal), uzyskiwana przez stopienie składników, a następnie schłodzenie otrzymanej masy

iKJDIhXgV0_d5e952

Zadania

Ćwiczenie 1
R1K8VQNAJfSfI1
zadanie interaktywne
Źródło: Małgorzata Bartoszewicz, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 2
R5j5CDrR6v5h51
zadanie interaktywne
Źródło: Małgorzata Bartoszewicz, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 3
R1K3JAqqT6El11
zadanie interaktywne
Źródło: Małgorzata Bartoszewicz, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 4
RrmjOJRa4k53j1
zadanie interaktywne
Źródło: Małgorzata Bartoszewicz, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 5
R1Iih3buEUP3l1
zadanie interaktywne
Źródło: Małgorzata Bartoszewicz, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 6
R1748psdjrAfS1
zadanie interaktywne
Źródło: Małgorzata Bartoszewicz, licencja: CC BY 3.0.