Метали на службі людей

 Метали на службі людей

 

 «Людина не може обійтись без металів… Якби не було металів,

люди вели б злиденне існування серед диких звірів».

Г. Агрікола, 1550р.

 

         Мета проєкту: ознайомити учнів з історією встановлення і розвитку металургійного виробництва в Україні, охарактеризувати металургію як одну з основних галузей народного господарства; розглянути загальні проблеми металургійних виробництв і шляхи їх розв’язання; розкрити проблему безвідходних виробництв у металургії та охорони навколишнього середовища; формувати уміння наводити конкретні приклади з даної проблеми; висвітлити роль металів і їх сплавів у науково-технічному прогресі; навчити оформляти результати своєї роботи у вигляді повідомлення, заохочувати учнів брати участь у проектах із вивчення екологічного здоров’я нашої планети.

Міжпредметні зв’язки: хімія (основна), біологія, історія, географія, екологія, фізика (допоміжні).

Методи вивчення теми: аналіз літератури, наукові дослідження, обробка статистичних даних.

Організація роботи: робота у групах сформованих за вибором учнів.

Основні етапи роботи над проєктом

Робота над проєктом зайняла один спарений урок, не враховуючи попередньої підготовки вчителя і самостійного опрацювання матеріалу учнями вдома. Усіх учнів поділено на 5 груп. Учитель допомагає їм обрати одну із запропонованих тем.

І. Вибір теми

1. Основні етапи розвитку металургії в Україні та застосування металів і сплавів у сучасній техніці.

2. Застосування рідкісних металів.

3. Небезпека металургійного виробництва.

4. Проблема безвідхідних виробництв у металургії та охорона довкілля.

5. Зменшення згубного впливу хімічних виробництв на навколишнє середовище.

ІІ. Визначення мети, формулювання гіпотез

Вчитель допомагає учням визначити найактуальніші і водночас посильні для учнів завдання.

ІІІ. Розробка плану діяльності, визначення шляхів пошуку інформації

IV. Виконання проєкту

Учні визначають основні питання вибраної теми. Конкретна практична робота відповідно до поставленої мети, з використання проміжного контролю вчителем.

V. Підбиття підсумків та презентація проєкту

Кожна група захищає свій проєкт 5-7 хв. Відповіді на запитання опонентів – 10 хв.

Форма презентації: групові повідомлення про результати роботи з використанням схем, таблиць, рефератів.

 

ПРЕЗЕНТАЦІЯ

 

Основні етапи розвитку металургії в Україні та застосування металів і сплавів у сучасній техніці

Агрікола Георг (1494-1555 рр.) – німецький вчений, який вперше узагальнив досвід гірничо-металургійних виробництв в книзі «Про гірничу справу…», яка до ХVIII ст. була основним посібником по геології, гірничій справі і металургії, ще у 1550 році писав: «Людина не може обійтись без металів… Якби не було металів люди вели б злиденне існування серед диких звірів».

Виробництво заліза на території України відоме з VII-V ст. до н.е. За часів Київської Русі набув поширення так званий сиродутний процес добування заліза способом безпосереднього відновлення залізних руд деревним вугіллям у горнах. У XIV-XVIII ст. на Поліссі, Київщині, у Прикарпатті й Галичині здійснювалось виробництво металу у горнах і примітивних домницях. На Поліссі наприкінці XVIII ст. з’явились перші доменні печі невеликого розміру, в яких із місцевих болотних і гірських руд виплавляли ливарний чавун на деревному вугіллі. Заводське виробництво чорних металів в Україні набуло розвитку наприкінці XIX ст. одночасно з промисловою розробкою покладів кам’яного вугілля у Донбасі і  залізних руд у Криворізькому і Керченському басейнах. Перш доменна піч, що працювала на кам’яному вугіллі, була споруджена на початку XIX ст. в Луганську. З 80-х років великі металургійні заводи, що використовували кокс, будувалися в Україні на Донбасі і в Придніпров’ї. Перший такий завод став до ладу у 1872 р. в Юзівці (нині Донецьк). У 1913 р. в Україні була зосереджена більша частина виробництва металу, ніж у всій тодішній Росії. Діяло 42 доменні і 72 мартенівські печі, 28 конвертерів.

        Металургійне виробництво дає велику кількість різноманітних металів та сплавів. Їх дуже широко застосовує людина у своєму житті: в техніці, науці, побуті. З металів та їх сплавів виготовляють інструменти, турбіни електростанцій і реактивних двигунів, вимірювальних приладів, залізничних рейок; у літако-, ракето- і суднобудуванні; для виготовлення хімічної апаратури; у виробництві літаків та автомобілів, лабораторного посуду; для виготовлення трансформаторів, кислототривких апаратів і приладів.

Нині залізо та його сплави, безперечно, є основними технічними матеріалами. Без них не обходиться жодна галузь. Із чорних металів виготовляють верстати й автомобілі, кораблі і мости, арматуру для залізобетонних конструкцій і жерсть для консервних банок, дахове залізо і сільськогосподарські машини, труби та інструменти, побутові вироби тощо.

Алюмінієві сплави посідають друге місце серед конструкційних матеріалів. Вони стійкі до атмосферної корозії, порівняно дешеві, просто добуваються та обробляються. Алюмінієві сплави застосовують у ракетній техніці, авіа-, авто-, судно- та приладобудуванні.

Далеко позаду стоять магній і титан. Основна галузь застосування магнію – виготовлення на його основі легких сплавів, для яких характерні значні твердість, міцність і стійкість до корозії. Магнійтермічним способом добувають деякі метали, зокрема титан.

Магній широко застосовують у синтезі органічних сполук. Суміші порошку магнію з окисниками використовують для виготовлення освітлювальних і запалювальних ракет.

Титан, який має винятково високу стійкість до корозії, що перевищує стійкість неіржавної сталі, використовують для виготовлення хімічної апаратури та в різних галузях машинобудування, оскільки він не набагато важчий за алюміній, але втроє міцніший за нього. Висока жаростійкість титану та його сплавів робить їх дуже цінними матеріалами для літако- та ракетобудування. Крім того, сплави титану добре сумісні з живою тканиною, тому з них виготовляють медичні інструменти.

Сплави кольорових металів використовуються для виготовлення деталей машин, пружин та інструментів, які під час ударів не дають іскор; для виготовлення предметів домашнього вжитку, монет, деталей електричних нагрівників.

 

Застосування рідкісних металів

Сучасні науково-дослідні інститути металів та сплавів у своїх дослідженнях досягнули великих результатів по вивченню нових властивостей різних металів, металів, які не дуже добре нам знайомі і які не мають широкого застосування, але за якими майбутнє.

Як засвідчує періодична таблиця Д. І. Менделєєва, у природі існує ще близько 70 металів. Можна вважати, що найближчим часом жоден із них за масштабами виробництва і застосування не зрівняється із залізом і алюмінієм. Разом з тим майже всі метали більшою чи меншою мірою вже роблять свій внесок у технічний прогрес. Це стосується не лише важких металів, які людина з давніх-давен знає і використовує (мідь, олово, свинець), а й таких, які лише нещодавно зацікавили вчених та інженерів, наприклад, цирконій, тантал.

Цирконій Zr зовні схожий на сталь. Він дуже стійкий до дії кислот. За цією властивістю він перевишує титан та високолеговані сталі. За міцністю він не поступається конструкційним сталям. Із цирконію виготовляють оболонки паливних елементів для ядерних реакторів. Він не тільки стійкий до корозії та механічних навантажень, а й практично «прозорий» для нейтронів. Zr використовують як ефективну легуючу добавку до сталей.

Тантал Ta також застосовується як легуюча добавка до спеціальних сталей : вони стають ще більш тугоплавкими (температура плавлення ≈ 3000 ˚С). Для сплавів танталу характерні висока міцність і надзвичайна стійкість до впливу хімічного агресивного середовища. Тому його використовують у хімічній промисловості для виготовлення теплообмінників та інших апаратів, у електроніці – як конструкційний матеріал. Чистий тантал добре уживається з біологічними тканинами. Він з ними хімічно не взаємодіє і не викликає подразнення у м’язах та кістках. Ось чому хірурги для скріплення кісток і м’яких тканин використовують танталові пластинки, дріт, стержні, шурупи.

Нові металеві матеріали у таких галузях техніки, як сучасні машинобудування, електроніка, медична, ядерна, космічна техніка, взагалі незамінні. Отже, завдяки своїм властивостям метали мають широке застосування. Нині важко знайти таку галузь науково-технічної діяльності виробництва чи побуту, де метали не відігравали б суттєвої ролі. Вони належать до числа найпоширеніших матеріалів, які людина використовує для забезпечення своїх життєвих потреб.

 

Небезпека металургійного виробництва

Можна зробити висновок про те, що метали і їх сплави є невід’ємним елементом в нашому повсякденному житті. Застосування металів дало не тільки багатство людині, а й викликало негативні економічні проблеми.

Металургійні заводи дуже забруднюють довкілля. Видобування та обробка руди, підготовка сировини і завантаження її в доменні печі супроводжуються утворенням великої кількості пилу. Сама доменна піч також є традиційним джерелом забруднення через високий вміст оксидів СО і СО2 у відхідних газах.

Серйозним забрудненням довкілля є й коксові печі, де виробляться металургійний кокс. Під час їх завантаження повітря забруднюється пилом і парою. Крім того у повітря виділяються гази, що не тільки мають неприємний запах, а й шкідливі для здоров’я (H2S, SO2, CO тощо).

Нині металурги працюють над тим, щоб кокс замінити воднем. Тоді з печей не виділятимуться шкідливі гази, а лишень водяна пара, яку можна легко сконденсувати.

Дуже перспективним є застосування водню у кольоровій металургії, наприклад, для переробки мідних руд.

У процесі добування сталі у сталеплавильних печах, особливо конвертерах, виділяється багато димових газів, що також містять отруйний чадний газ СО. На сучасних заводах встановлюють фільтри, пило- і газовловлювачі та інші очисні споруди, що допомагають утилізувати виробничі відходи і деякі з них далі переробляти. Так після очищення металургійні відхідні гази використовують, як цінне паливо.

Світ металів дуже різноманітний. Метали поруч з їх великою користю для людини, можуть бути і небезпечними для неї. Попадаючи в організм людини вони спричиняють різні захворювання. Два важливі, найбільш поширені важкі метали, які шкідливі для організму людини – свинець і ртуть.

Існують необхідні для життя елементи – це Кальцій і Магній. Є речовини, корисні в малих дозах, але шкідливі у великих. До них належить Купрум. І, нарешті, цілий ряд елементів не мають ніякої цінності для організму і є отруйними у будь-яких кількостях. До останньої групи належать Плюмбум і Меркурій. Це так звані токсичні метали. Вони можуть серйозно порушувати стан здоров’я людини.

Плюмбум (свинець)

Джерела свинцю (Плюмбуму):

- викиди авіаційних двигунів;

- олійні фарби на свинцевій основі;

- автомобільні акумулятори;

- керамічні покриття на порцеляні;

- дим цигарок;

- труби зі свинцю;

- автомобільне пальне з підвищеним вмістом Плюмбуму (вихлопні гази);

- овочі, вирощені біля автомагістралей.

Вплив на організм людини:

- біль у животі, анемія, артрит, порушення мозкової діяльності; підвищена збудливість, вплив на утворення гемоглобіну, порушення росту і розвитку дітей, ураження нирок і печінки.

Захисні засоби:

- вітамін В

- кальцій

- вітаміни С, D

- магній

- цинк

- різні сорти капусти.

        Меркурій (ртуть)

Ртуть широко застосовувалась з часів Риму і до наших днів. У Давньому Римі її використовували для очищення срібла і золота від домішок. Вислів «божевільний, як капелюшний майстер» пояснюється тим, що капелюшні майстри постійно піддавалися впливу сполук Меркурію, що використовувалися під час виготовлення фетрових капелюхів, і згодом часто божеволіли.

Крім божевілля, до ознак отруєння Меркурієм належать блідість, випадання зубів, порушення діяльності головного мозку і зміна рухових рефлексів. Унаслідок контакту з ртуттю можлива смерть.

Джерела ртуті (Меркурію):

- хімічні добрива;

- отруєні види великих риб (наприклад, риба-меч);

- пломби «срібні» зубів;

- мастика для підлоги;

- вибухові речовини;

- мазі, ліки;

- фотоплівки;

- пластмаси;

- фарби;

- промислові відходи.

Захисні засоби:

- різні сорти капусти;

- селен;

- добре харчування.

 

Проблема безвідхідних виробництв у металургії та охорона довкілля

Важливим способом боротьби із забрудненням довкілля є впровадження безвідходної металургії. Розроблено спосіб безпосереднього добування сталі з руди без доменного процесу. Суть способу прямого відновлення заліза полягає в тому, що з очищеної руди, яка практично містить лише оксиди феруму, виготовляють кульки – окотки. Їх безперервно подають конвеєром у циліндричну обертову піч. Піч має невеликий ухил, тому окотки поступово пересуваються до нижньої частини. Туди ж протитечією надходить відновник (водень):

  Fe2O3 + 3H2         2Fe + 3H2O

Відновлення відбувається за температури, нижчої від температури плавлення заліза. В результаті утворюється губчасте залізо, з якого в електропечах добувають сталь.

Отже, ефективне використання природних ресурсів, вилучення з перероблюваної сировини якомога більшої кількості цінних продуктів, зменшення стадії виробничого процесу, створення комбінатів, на яких відходи одного виробництва використовуються як сировина для іншого, - ці заходи та інші спрямовані на охорону природного середовища від забруднення промисловими відходами.

У наш час необхідно ефективно використовувати природні ресурси, добуваючи з перероблюваної сировини максимальну кількість цінних для народного господарства продуктів, тобто прагнути до створення безвідхідного виробництва. Яскравим прикладом цього є кольорова металургія. Як ви вже знаєте, в процесі випалювання руд кольорових металів (мідних, цинкових, свинцевих) утворюються гази, які містять оксид Сульфуру (IV) SO2. Оскільки SO2 забруднює навколишнє середовище, то на багатьох сучасних виробництвах цей газ за допомогою спеціальних пристроїв уловлюють і використовують для виробництва сірчаної кислоти. В результаті цього не забруднюється навколишнє середовище, і народне господарство одержує додаткові прибутки. Так, наприклад, якщо при добуванні 1т міді уловлюється оксид Сульфуру (IV) SO2, то з нього можна добути приблизно 10т сірчаної кислоти.

Ви також знаєте, що одним із видів сировини для виробництва сірчаної кислоти є пірит (сірчаний колчедан). Пірит, крім сірки, містить домішки сполук міді, цинку, свинцю, нікелю, кобальту, бісмуту та інших металів, у тому числі золото і срібло. При організації безвідхідного виробництва вдається виділити ці метали, а залишок, що утворюється, використовувати для виробництва різних видів цементу.

 

Зменшення згубного впливу хімічних виробництв на навколишнє середовище

Необхідність уловлювати різні доменні гази, що утворюються при виробництві металів, є хоча б тому, що попадаючи в атмосферу CO2, NO2, SO2, SO3 повертаються до нас у вигляді кислотних дощів. Захист біосфери від забруднення викидами металургії та інших хімічних виробництв – найважливіша проблема сучасності. Кислотні дощі спричиняють підвищення кислотності ґрунтів, зниження врожайності, вони спричиняють корозію металів. Постає завдання створення корозійно стійких металів і їх сплавів.

Один із шляхів зменшення забруднення навколишнього середовища викидами газів при виплавці чавуну, сталі та інших металів є створення сучасних технологій безвідхідних виробництв. Коли шкідливі викиди – речовини, що є побічними продуктами реакції виплавки металів, стають доступною сировиною чи джерелом енергії для інших виробництв.

Перед науково-дослідними інститутами, лабораторіями, металургійними комбінатами стоять такі завдання:

   1. Покращити структуру і якість конструкційних матеріалів, виходячи із завдань створення нової прогресивної техніки і реалізації ресурсозберігаючого напрямку в розвитку економіки.

   2. Прискореними темпами розвивати виробництва економічних видів металоконструкцій, синтетичних та інших прогресивних матеріалів.

   3. Розширити асортимент, покращити техніко-економічні характеристики конструкційних матеріалів.

   4. Розширити виробництво труб нафтового асортименту, газопровідних та інших із заводським антикорозійним покриттям.

Статистичним управлінням підраховано:

       1. Якщо заощадити за рік один відсоток прокату чорних металів, які використовуються в машинобудуванні та металообробці, то додатково можна виготовити 1 млн. 800 тис. холодильників або 3 тис. кілометрів труб великого діаметру, або 160 тис. тракторів.

       2. 1 млн. верстатів можна виготовити з металу, який протягом року іде в стружку.

       3. Із 1 тонни металобрухту можна виготовити стільки сталі, що її вистачить для виготовлення автомобіля або 50 велосипедів.

Щоб зменшити згубний вплив хімічних виробництв на навколишнє середовище є багато шляхів. Один з них – це озеленення нашої планети, наших міст і сіл.

Враховуючи складну екологічну ситуацію, у зонах перевищення вмісту важких металів рекомендується висаджувати дерева, які поглинають певні метали:

- акацію (молібден, стронцій, марганець, мідь, нікель, свинець)

- ясен (стронцій, барій, цинк, марганець, мідь, свинець)

- клен (рідкоземельні метали, свинець)

- вербу (стронцій, барій, цинк, мідь, кобальт)

- осику (стронцій, барій, цинк, мідь, кобальт)

- каштан (важкі метали).

 

Висновок: майбутнє належить новим екологічно безпечним, маловідходним і, де можливо, безвідхідним технологічним процесам по виробництву металів та їх сплавів.

Оцінювання роботи учасників проєкту