Цветные металлы

Цветные металлы — это техническое название всех металлов и их сплавов, кроме железа и его сплавов (чугуна, стали, ферросплавов). В отличие от чёрных металлов, основу которых составляет железо, цветные металлы обладают комплексом специфических свойств: высокой коррозионной стойкостью, электропроводностью, теплопроводностью, пластичностью, лёгкостью или, наоборот, высокой плотностью и твёрдостью. Классификация цветных металлов не является строго научной, а сложилась исторически в промышленности и торговле. Они делятся на несколько основных групп: лёгкие, тяжёлые, благородные (драгоценные), редкие, тугоплавкие, рассеянные и радиоактивные.

Классификация

Цветные металлы принято разделять по физическим и химическим свойствам, а также по распространённости в земной коре и областям применения.

Лёгкие металлы

К этой группе относят металлы с плотностью менее 5 г/см³. Наиболее распространённые представители: алюминий (2,7 г/см³), магний (1,74 г/см³), титан (4,5 г/см³), бериллий (1,85 г/см³), литий (0,53 г/см³), натрий (0,97 г/см³), калий (0,86 г/см³). Лёгкие металлы широко используются в авиастроении, космической технике, автомобилестроении и электротехнике благодаря сочетанию малой массы и высокой прочности (особенно в сплавах).

Тяжёлые металлы

Металлы с плотностью более 5 г/см³. К ним относятся: медь (8,9 г/см³), цинк (7,1 г/см³), свинец (11,3 г/см³), никель (8,9 г/см³), кобальт (8,9 г/см³), олово (7,3 г/см³), кадмий (8,6 г/см³), ртуть (13,5 г/см³). Тяжёлые цветные металлы применяются в машиностроении, электротехнике, химической промышленности, производстве аккумуляторов, припоев и защитных покрытий. Многие из них (свинец, кадмий, ртуть) токсичны.

Благородные (драгоценные) металлы

Металлы, обладающие высокой химической стойкостью, красивым внешним видом и редкостью. Включают: золото, серебро, платину и металлы платиновой группы (палладий, родий, иридий, осмий, рутений). Используются в ювелирном деле, электронике (как контакты и проводники), катализе, медицине (стоматология, импланты), а также как средство накопления (инвестиционные монеты, слитки).

Редкие металлы

Группа металлов, которые редко встречаются в природе или трудно извлекаются из руд. Делятся на подгруппы:

• Тугоплавкие (вольфрам, молибден, ниобий, тантал, хром, ванадий, цирконий) — температура плавления выше 1650 °C. Применяются в металлургии для легирования сталей, в электронике, авиа- и ракетостроении.
• Рассеянные (галлий, индий, таллий, германий, селен, теллур) — не образуют собственных месторождений, а встречаются в виде примесей в рудах других металлов. Используются в полупроводниковой технике, оптоэлектронике, производстве солнечных батарей.
• Редкоземельные (скандий, иттрий, лантан и лантаноиды — церий, неодим, самарий, европий и др.) — обладают сходными химическими свойствами. Применяются в производстве мощных постоянных магнитов, лазеров, люминофоров, катализаторов, стекла и керамики.
• Радиоактивные (уран, торий, плутоний, радий) — используются в ядерной энергетике и военных целях.

История

Использование цветных металлов началось в глубокой древности. Медь стала первым металлом, который человек научился обрабатывать (эпоха энеолита, около 7-го тысячелетия до н. э.). Из неё изготавливали орудия труда, оружие и украшения. Позже, в III тысячелетии до н. э., была освоена выплавка бронзы — сплава меди с оловом, что ознаменовало начало бронзового века. Золото и серебро использовались для ювелирных изделий и как средство обмена. Свинец и олово применялись в водопроводе (свинцовые трубы в Древнем Риме) и для пайки.

В Средние века и Новое время были открыты и начали промышленно использоваться цинк (в виде латуни), никель, кобальт, алюминий (впервые получен в 1825 году). В XIX—XX веках развитие электротехники и машиностроения вызвало резкий рост потребления меди, алюминия, никеля, хрома и других цветных металлов. В XX веке были освоены промышленные методы получения титана, урана, редкоземельных металлов.

Свойства

Цветные металлы обладают разнообразными физико-химическими свойствами, определяющими их применение.

Физические свойства

• Плотность: от 0,53 г/см³ (литий) до 22,6 г/см³ (осмий).
• Температура плавления: от −38,8 °C (ртуть) до 3422 °C (вольфрам).
• Электропроводность: наивысшая у серебра, затем у меди, золота, алюминия. Медь — основной материал для электрических проводов.
• Теплопроводность: также высока у серебра и меди.
• Пластичность: золото, серебро, медь, алюминий обладают высокой пластичностью, позволяющей прокатывать их в тончайшие листы (фольгу) или вытягивать в проволоку.
• Магнитные свойства: большинство цветных металлов (кроме никеля, кобальта и некоторых сплавов) не магнитятся.

Химические свойства

• Коррозионная стойкость: многие цветные металлы (алюминий, цинк, хром, никель, медь) образуют на поверхности защитные оксидные плёнки, предохраняющие от дальнейшего окисления. Благородные металлы (золото, платина) химически инертны.
• Взаимодействие с кислотами и щелочами: алюминий и цинк реагируют с кислотами и щелочами; медь — только с кислотами-окислителями; золото и платина растворяются только в «царской водке» (смеси азотной и соляной кислот).
• Склонность к образованию сплавов: цветные металлы легко образуют сплавы друг с другом и с железом, что позволяет получать материалы с заданными свойствами (бронза, латунь, мельхиор, дюралюминий, нихром).

Применение

Цветные металлы и их сплавы используются практически во всех отраслях промышленности.

Электротехника и электроника

Медь — основной материал для силовых кабелей, обмоток электродвигателей, трансформаторов, печатных плат. Алюминий применяется в линиях электропередач. Золото, серебро, палладий — для контактов, разъёмов, микросхем.

Машиностроение и транспорт

Алюминиевые и магниевые сплавы — в авиа- и ракетостроении, автомобилестроении (кузова, двигатели). Титан — в авиации, судостроении, химической промышленности (коррозионно-стойкое оборудование). Медные сплавы (латунь, бронза) — для подшипников, втулок, арматуры.

Строительство

Алюминий — для оконных рам, фасадных панелей, кровли. Медь — для водопроводных труб, кровельных материалов, декоративных элементов. Цинк — для оцинковки стальных листов (кровля, водостоки).

Химическая промышленность

Никель, титан, тантал — для изготовления реакторов, теплообменников, трубопроводов, работающих в агрессивных средах. Платина и палладий — катализаторы в нефтепереработке и химическом синтезе.

Ювелирное дело и монетное производство

Золото, серебро, платина, палладий — для изготовления ювелирных украшений, инвестиционных монет, памятных медалей. Медно-никелевые сплавы — для разменных монет.

Медицина

Титан и его сплавы — для имплантатов (эндопротезы, зубные импланты). Золото и серебро — для стоматологических коронок, антибактериальных покрытий. Платина — в противораковых препаратах.

Добыча и производство

Цветные металлы редко встречаются в самородном виде (исключения — золото, серебро, медь). В основном они извлекаются из руд, которые содержат оксиды, сульфиды, карбонаты или другие соединения. Технология получения включает несколько стадий:

1. Добыча руды (открытым или подземным способом).
2. Обогащение (флотация, магнитная сепарация, гравитация) — повышение содержания металла в концентрате.
3. Металлургическая переработка:

• Пирометаллургия (плавка, обжиг, конвертирование) — для меди, свинца, цинка, никеля.
• Гидрометаллургия (выщелачивание, экстракция, электролиз) — для алюминия, меди, урана, золота.
• Электрометаллургия (электролиз расплавов или растворов) — для алюминия, магния, меди, цинка.

1. Рафинирование (очистка от примесей) — электролизом, дистилляцией, зонной плавкой.

Крупнейшими производителями цветных металлов являются Китай, Россия, Австралия, Чили, США, Канада, Перу, Индонезия. Россия занимает ведущие позиции по добыче никеля (Норильский промышленный район), меди (Урал, Норильск), алюминия (Сибирь), золота (Магаданская область, Красноярский край, Чукотка), титана (Ярегское месторождение), палладия (Норильск — крупнейший в мире производитель).

Экологические аспекты

Добыча и переработка цветных металлов связаны со значительным воздействием на окружающую среду. Основные проблемы:

• Отвалы пустой породы и хвостохранилища, занимающие большие площади.
• Выбросы в атмосферу сернистого газа (при плавке сульфидных руд), пыли, тяжёлых металлов.
• Сбросы сточных вод, содержащих кислоты, цианиды, ионы металлов.
• Истощение природных ресурсов — руды цветных металлов относятся к невозобновляемым полезным ископаемым.

Для снижения экологического ущерба применяются технологии очистки выбросов, рециклинг (вторичная переработка металлолома), замкнутые циклы водоснабжения, рекультивация земель. Вторичная переработка цветных металлов (особенно алюминия, меди, свинца) позволяет значительно сократить энергозатраты и выбросы по сравнению с первичным производством.

Экономическое значение

Цветные металлы являются стратегическим сырьём. Они входят в состав многих промышленных товаров, от бытовой техники до вооружений. Цены на цветные металлы (медь, алюминий, никель, цинк, свинец, олово) котируются на Лондонской бирже металлов (LME) и других мировых биржах. Колебания цен зависят от спроса со стороны промышленности (особенно Китая), геополитической ситуации, себестоимости добычи и курсов валют. Россия является одним из крупнейших экспортёров никеля, меди, алюминия, палладия, титана.