Роль металлов в истории человечества. Применение металлов и сплавов

Ме­тал­лы были из­вест­ны че­ло­ве­ку с древ­них вре­мен, од­на­ко, их они не нашли при­ме­не­ния, пока их не на­учи­лись об­ра­ба­ты­вать. В ис­то­рии раз­ви­тия че­ло­ве­че­ства по дли­тель­но­сти и ин­тен­сив­но­сти ис­поль­зо­ва­ния со­от­вет­ству­ю­щих ма­те­ри­а­лов вы­де­ля­ют ка­мен­ный, мед­ный, брон­зо­вый и же­лез­ный века:

Об­ра­ти­те вни­ма­ние, медь – пер­вый ме­талл, ко­то­рый стали ис­поль­зо­вать для из­го­тов­ле­ния ору­дий труда и ору­жия. По­че­му медь, а не же­ле­зо? Ведь же­ле­зо го­раз­до более рас­про­стра­нен­ный в при­ро­де ме­талл, чем медь (мас­со­вая доля же­ле­за на Земле 4,1%, а меди – 0,005%).

Рис. 1. Рас­про­стра­нен­ность меди и же­ле­за в зем­ной коре (мас­со­вые про­цен­ты)

Объ­яс­ня­ет­ся это двумя фак­то­ра­ми. Во-пер­вых, же­ле­зо встре­ча­ет­ся в при­ро­де в са­мо­род­ном со­сто­я­нии крайне редко, в от­ли­чие от меди. Слово «же­ле­зо» в пе­ре­во­де с древ­не­гре­че­ско­го озна­ча­ет «звезд­ный». В чи­стом виде же­ле­зо в при­ро­де встре­ча­ет­ся в со­ста­ве оскол­ков ме­тео­ри­тов. Во-вто­рых, медь можно легко по­лу­чить из мед­ной руды.

Если сме­шать чер­ный по­ро­шок ок­си­да меди (II) с углем и на­греть про­бир­ку в пла­ме­ни спир­тов­ки, то через неко­то­рое время цвет по­рош­ка ста­нет крас­ным, т.е. об­ра­зу­ет­ся медь.

Легко пред­ста­вить, как древ­ние люди на ко­ст­ре могли по­лу­чить медь из мед­ной руды.

Сле­ду­ю­щий пе­ри­од в ис­то­рии че­ло­ве­че­ства – брон­зо­вый век. Брон­за – это сплав меди с оло­вом. Брон­за имеет ряд пре­иму­ществ перед медью, она твер­же и проч­нее.

С се­ре­ди­ны I ты­ся­че­ле­тия до н.э. че­ло­век на­учил­ся до­бы­вать же­ле­зо из руды.  На­сту­пил же­лез­ный век.

Бла­го­да­ря ме­тал­лам, про­из­во­ди­тель­ность труда на­столь­ко воз­рос­ла, что поз­во­ли­ла вы­сво­бо­дить одних людей для управ­ле­ния го­су­дар­ством, дру­гих – для за­ня­тия ре­меслом, ли­те­ра­ту­рой, ис­кус­ством. Ис­поль­зо­ва­ние че­ло­ве­ком ме­тал­лов можно счи­тать усло­ви­ем, пред­опре­де­лив­шим ста­нов­ле­ние ци­ви­ли­за­ции.

Зо­ло­то и се­реб­ро тоже из­дав­на ис­поль­зо­ва­лись че­ло­ве­ком. Эти ме­тал­лы ис­поль­зо­ва­ли как эк­ви­ва­лен­ты об­ме­на. Зо­ло­то опре­де­ля­ло мо­гу­ще­ство и власть.

 2. Применение металлов и сплавов

Какие же свой­ства ме­тал­лов поз­во­ля­ют их ши­ро­ко ис­поль­зо­вать? Это фи­зи­че­ские свой­ства ме­тал­лов (пла­стич­ность, проч­ность, теп­ло- и элек­тро­про­вод­ность) и хи­ми­че­ские свой­ства (неспо­соб­ность мно­гих ме­тал­лов вза­и­мо­дей­ство­вать с окру­жа­ю­щей сре­дой).

В чи­стом виде ме­тал­лы ис­поль­зу­ют редко, чаще при­ме­ня­ют спла­вы ме­тал­лов.

На дан­ном этапе раз­ви­тия ци­ви­ли­за­ции наи­бо­лее ши­ро­ко при­ме­ня­е­мый ме­талл – же­ле­зо. Твер­дость чи­сто­го же­ле­за неве­ли­ка, по­это­му ис­поль­зу­ют его спла­вы, как пра­ви­ло с уг­ле­ро­дом: чу­гу­ны (со­дер­жа­ние уг­ле­ро­да более 2% по массе) и стали (С – менее 2%).

Рис. 2. Спла­вы же­ле­за с уг­ле­ро­дом: чугун и сталь

Чтобы же­ле­зо не под­вер­га­лось ржав­ле­нию при кон­так­те с кис­ло­ро­дом воз­ду­ха и водой, на его по­верх­ность на­но­сят слой дру­го­го ме­тал­ла, на­при­мер цинка. Оцин­ко­ван­ным же­ле­зом по­кры­ва­ют крыши домов, из него из­го­тав­ли­ва­ют кузов ав­то­мо­би­ля.

Медь в чи­стом виде ис­поль­зу­ют в теп­ло- и элек­тро­тех­ни­ке. На­при­мер, из нее из­го­тав­ли­ва­ют элек­тро­про­во­да. В ос­нов­ном, при­ме­ня­ют спла­вы меди – ла­тунь и брон­зу. Ла­тунь – сплав меди  с цин­ком. Ее ис­поль­зу­ют в ма­ши­но­стро­е­нии и про­из­вод­стве бы­то­вых то­ва­ров. Брон­за, как уже было ска­за­но, - сплав меди с оло­вом. Из нее де­ла­ют во­до­про­вод­ные краны, раз­лич­ные де­та­ли ме­ха­низ­мов, на­при­мер часов, па­мят­ни­ки, мо­ну­мен­ты.

При­ме­не­ние алю­ми­ния ос­но­ва­но на его лег­ко­сти, вы­со­кой элек­тро­про­вод­но­сти и хи­ми­че­ской стой­ко­сти. Его по­верх­ность по­кры­та слоем проч­ной ок­сид­ной плен­ки, ко­то­рая за­щи­ща­ет ме­талл от вза­и­мо­дей­ствия с окру­жа­ю­щей сре­дой. Недо­ста­ток алю­ми­ния – его мяг­кость. По­это­му чаще ис­поль­зу­ют его спла­вы с медью, маг­ни­ем и мар­ган­цем. Такие спла­вы на­зы­ва­ют дю­ра­лю­ми­на­ми. Дю­ра­лю­ми­ны ис­поль­зу­ют­ся в са­мо­ле­то- и ав­то­мо­би­ле­стро­е­нии.

Рис. 3. Ис­поль­зо­ва­ние дю­ра­лю­ми­ния