§ 27. Полезные ископаемые, используемые для получения металлов. Чёрные металлы. Сталь. Чугун

Определения и обозначения

Железная руда — полезное ископаемое, из которого получают железо и его сплавы. В ней железо соединено с другими веществами, поэтому руда не является готовым металлом. Это сырьё, которое нужно переработать.

Чёрные металлы — железо и сплавы на его основе. Сплав — материал, полученный соединением нескольких веществ, обычно металла и добавок. К чёрным металлам относят именно железо, сталь и чугун.

Сталь — сплав железа с углеродом, прочный и более пластичный, чем чугун. Пластичность означает способность гнуться или изменять форму без быстрого разрушения. Поэтому сталь можно обрабатывать и использовать там, где нужны надёжные детали.

Чугун — сплав железа с большим содержанием углерода, твёрдый, но хрупкий. Твёрдость помогает ему сопротивляться царапинам и износу, а хрупкость мешает выдерживать сильный удар. Из-за этого чугун применяют не так, как сталь.

Как это устроено

Для получения металлов используют руды, потому что в них находятся соединения нужных металлов. Кроме железной руды, существуют руды меди, алюминия и других металлов. Руду называют рудой, если из неё можно добыть металл и переработка имеет практическую пользу.

Железную руду нельзя использовать сразу как железо: в ней есть пустая порода и химически связанные вещества. В печи руду нагревают вместе с топливом и добавками, которые помогают отделить лишние части. Так получают расплав железа с большим количеством углерода — чугун.

Чугун становится следующим этапом производства стали, потому что в нём уже много железа. В специальной печи из расплава удаляют часть углерода и некоторых примесей. Состав меняется, и получается сталь, которая лучше подходит для обработки и нагрузок.

Сталь и чугун отличаются количеством углерода, а это влияет на их свойства. Чем больше углерода в чугуне, тем он твёрже, но тем хуже гнётся и растягивается. В стали углерода меньше, поэтому она сочетает прочность с пластичностью и не так легко раскалывается.

Материал выбирают по тому, какую работу он должен выполнять. Ножу, балке или детали машины нужны прочность и способность выдерживать нагрузку, поэтому часто используют сталь. Радиатору, трубе или тяжёлой посуде важны твёрдость, форма и устойчивость к нагреванию, поэтому подходит чугун.

Железная руда, сталь и чугун

Читайте таблицу слева направо: сначала определите материал, затем его состав и способ получения. После этого свойства помогут понять, почему ему нашли именно такое применение.

Особенно полезно запомнить цепочку: железная руда — чугун — сталь. Руда является сырьём, а чугун и сталь — полученными из неё сплавами.

Разбор задач

Задача 1. Распределение материалов

Нужно распределить названия: железная руда, сталь, чугун, песок — по группам «сырьё для получения металлов» и «металлы и сплавы». Сначала надо определить, какие слова обозначают полезные ископаемые, а какие — материалы после переработки. Не следует относить всё, что встречается в металлургии, к металлам.

1. Железная руда является полезным ископаемым и сырьём для получения металлов.
2. Сталь и чугун являются сплавами на основе железа, поэтому относятся к металлам и сплавам.
3. Песок не является металлом или сплавом и в указанные группы не входит.

Ответ: к сырью относят железную руду. К металлам и сплавам относят сталь и чугун; песок не подходит ни к одной из этих групп.

Задача 2. Выбор материала

Нужно выбрать материал для ножа, радиатора отопления и стальной балки. Для решения сравним не название предмета, а свойства, которые ему нужны. Нож и балка должны быть прочными, а радиатор должен сохранять форму и выдерживать нагрев.

1. Для ножа выбираем сталь: она прочная, хорошо обрабатывается и не так легко ломается при нагрузке.
2. Для радиатора выбираем чугун: он твёрдый, устойчивый и сохраняет форму при нагревании.
3. Для балки выбираем сталь: пластичность и прочность помогают конструкции выдерживать нагрузку.

Ответ: нож делают из стали, радиатор — из чугуна, балку — из стали. Выбор объясняется не внешним видом, а свойствами материалов.

Задача 3. Последовательность получения стали

Нужно восстановить цепочку «железная руда, чугун, сталь» и объяснить каждый этап. Сначала ищем сырьё, затем первый полученный сплав и только потом материал, который получают его переработкой. Такая последовательность показывает, что сталь не получают прямо из готового изделия.

1. Железную руду добывают и нагревают в печи, отделяя железо от части примесей.
2. Получается чугун — сплав железа с большим количеством углерода.
3. Чугун перерабатывают: удаляют часть углерода и примесей, получая сталь.

Ответ: правильная цепочка такова: железная руда — чугун — сталь. На каждом шаге состав материала меняется, поэтому меняются и его свойства.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Железную руду считают металлом, потому что в её названии есть слово «железо». Но руда содержит примеси и является сырьём. Проверьте себя вопросом: это добытое ископаемое или уже полученный сплав?

Ошибка 2. Сталь и чугун путают, потому что оба материала сделаны на основе железа. Их состав и свойства различаются: в чугуне углерода больше, а сталь пластичнее. Вспомните цепочку «руда — чугун — сталь».

Ошибка 3. Чугун называют более прочным, чем сталь, только потому, что он твёрдый. Твёрдость не означает способность не ломаться при ударе. Проверьте ответ: чугун твёрдый, но хрупкий, а сталь прочная и пластичная.

Ошибка 4. Считают, что все изделия делают из чистого железа. На практике чаще используют сплавы, потому что добавки изменяют их свойства. Если предмет должен быть особенно прочным или твёрдым, ищите подходящий сплав.

Связь с другими темами

До этой темы нужно знать группы полезных ископаемых, основные свойства металлов и понятие сплава. Это помогает отличить руду от материала, полученного после переработки. Без этих понятий трудно понять путь от добычи до готового изделия.

Дальше знания пригодятся при изучении добычи полезных ископаемых и производства металлов. Вы увидите, как природное сырьё превращается в материалы для техники. Также станет понятнее, почему производство требует печей, топлива и специальной обработки.

В жизни можно рассматривать металлические предметы и предполагать, почему выбран именно такой материал. Стальные инструменты обычно должны быть прочными и не хрупкими. Чугунные трубы, батареи и посуда ценятся за твёрдость и устойчивость формы.

Что запомнить

• Железная руда — сырьё для получения железа и его сплавов.
• К чёрным металлам относят железо и сплавы на его основе.
• Чугун получают из железной руды; из чугуна получают сталь.
• Сталь содержит меньше углерода, чем чугун.
• Сталь прочная и пластичная, а чугун твёрдый и хрупкий.
• Сталь используют для машин, инструментов и конструкций.
• Чугун используют для труб, радиаторов, деталей и посуды.