Сплави металів і застосування металів
~15 хв · 9 розділів · 10 тестових запитань
Частина кар’єрної траєкторії Підготовка до НМТ 2027: Хімія — повний курс.
Характеризувати склад і властивості поширених сплавів — дюралюмінію, бронзи, латуні, мельхіору, чавуну й сталі, визначати склад сплаву за його взаємодією з кислотою й обґрунтовувати застосування металів і сплавів їхніми властивостями.
Коли ти чуєш слово «метал», уявляєш блискучу мідну монету чи міцний сталевий міст. Але в побуті й техніці ми майже ніколи не користуємося чистими металами — натомість використовуємо сплави. Що ж таке сплав і чим він відрізняється від хімічної сполуки?
Визначення сплаву
Сплав — це матеріал з металічними властивостями, який одержують затвердінням розплаву металу з іншими металами або неметалами. Наприклад, розплавивши мідь і цинк, а потім давши розплаву охолонути, дістають латунь. Сплав є твердою сумішшю, тому він не має сталої хімічної формули. Склад сплаву виражають масовими частками компонентів: скажімо, латунь може містити 60 % міді й 40 % цинку, а може — 70 % міді й 30 % цинку, і це все ще латунь.
Властивості сплаву проти властивостей чистого металу
Властивості сплаву докорінно відрізняються від властивостей його компонентів. Ось головні відмінності:
Твердість і міцність: сплав зазвичай твердіший і міцніший за кожен компонент окремо. Чистий алюміній м'який, а дюралюміній (сплав алюмінію з міддю, магнієм і манганом) у кілька разів міцніший.
Стійкість до корозії: сплави часто стійкіші до дії води й повітря. Мельхіор (мідь і нікель) не тьмяніє так швидко, як чиста мідь.
Електропровідність: сплави зазвичай проводять електричний струм гірше, ніж чисті метали. Тому електричні дроти роблять із чистої міді, а не з латуні.
Температура плавлення: сплав може плавитися за нижчої температури, ніж кожен компонент. Класичний приклад — припій (сплав олова зі свинцем): олово плавиться за 232 °C, свинець — за 327 °C, а припій — уже за 183 °C. Саме тому припоєм зручно паяти.
Хімічні властивості компонентів у сплаві
У сплаві кожен метал зберігає свої хімічні властивості. Це дуже важливо для аналізу складу сплаву. Якщо подіяти на сплав кислотою-неокисником (хлоридною або розведеною сульфатною), реагуватимуть лише ті компоненти, які в ряду активності металів стоять лівіше від водню. Метали, розташовані правіше від H₂ (мідь, срібло, золото), із цими кислотами не реагують і лишаються нерозчинним залишком.
Проба благородних металів
Коли ти бачиш на золотій каблучці позначку «585», це не маса прикраси. Проба — це масова частка благородного металу у сплаві, виражена в тисячних частках. Золото 585 проби містить 58,5 % золота, а решта — срібло, мідь та інші метали. Золото 750 проби містить 75 % золота. Срібло теж маркують пробою: 925 проба означає 92,5 % срібла. Чим вища проба, тим більше благородного металу у виробі й тим він дорожчий.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Найважливіші для техніки й побуту сплави виготовляють на основі заліза, міді й алюмінію. Розгляньмо кожну групу.
Сплави заліза з вуглецем: чавун і сталь
Основа сучасної цивілізації — сплави заліза з Карбоном. Залежно від вмісту вуглецю вони мають різні назви й властивості.
Сплав | Вміст C | Властивості | Застосування |
|---|---|---|---|
Чавун | понад 2 % | твердий, крихкий | лиття (радіатори, люки) |
Сталь | до 2 % | міцна, пружна | будівництво, машини, рейки, інструменти |
Чавун твердий, але крихкий — при ударі він може розколотися. Його використовують там, де не потрібна пружність: для чавунних люків, радіаторів опалення, масивних деталей верстатів. Сталь, навпаки, міцна й пружна: з неї роблять будівельні конструкції, рейки, автомобілі, інструменти. Якщо до сталі додати хром і нікель, отримують нержавіючу сталь — вона не іржавіє й використовується для посуду, хірургічних інструментів, деталей харчової промисловості.
Дюралюміній — крилатий метал
Дюралюміній (або дюраль) — сплав алюмінію з добавками міді (близько 4 %), магнію й мангану. Він майже такий самий легкий, як чистий алюміній, але в кілька разів міцніший. Саме цей сплав уможливив легкі суцільнометалеві літаки: з дюралюмінію виготовляють деталі літаків, ракет, швидкісних вагонів поїздів. Чистий алюміній для цього надто м'який.
Сплави міді: бронза, латунь, мельхіор
Мідь утворює кілька дуже поширених сплавів:
Сплав | Склад | Властивості | Застосування |
|---|---|---|---|
Бронза | Cu + Sn | міцна, стійка, добре відливається | пам'ятники, дзвони, деталі машин |
Латунь | Cu + Zn | жовта, пластична | труби, арматура, духові інструменти, гільзи |
Мельхіор | Cu + Ni | сріблястий, стійкий до корозії | столові прибори, посуд, прикраси |
Бронза — найдавніший сплав, відомий людству. Вона міцна й стійка до корозії, тому з неї століттями відливали гармати, дзвони й пам'ятники. Латунь має характерний жовтий колір, вона пластична — з неї роблять труби, сантехнічну арматуру, духові музичні інструменти (сусафони, труби) і гільзи для набоїв. Мельхіор сріблястий на вигляд і не тьмяніє, тому з нього виготовляють столові прибори та посуд — він виглядає як срібло, але значно дешевший.
Припій
Окремо варто згадати припій — сплав олова зі свинцем. Його температура плавлення (близько 183 °C) нижча, ніж в олова (232 °C) і свинцю (327 °C) окремо. Це дозволяє паяти деталі, не перегріваючи їх.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Як дізнатися, з яких металів складається невідомий сплав? Один із найпростіших способів — подіяти на нього кислотою-неокисником або лугом і спостерігати, які компоненти розчиняються, а які лишаються.
Дія хлоридної або розведеної сульфатної кислоти
У хлоридній кислоті HCl або розведеній сульфатній H₂SO₄ розчиняються лише ті метали, що стоять у ряду активності лівіше від водню. Метали, розташовані правіше (Cu, Ag, Au, Hg, Pt), із цими кислотами не реагують і лишаються нерозчинним залишком.
Розгляньмо конкретні сплави:
Латунь (Cu + Zn): цинк реагує з HCl, виділяється водень, а мідь лишається червоним нерозчинним залишком.
Рівняння: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑
Бронза (Cu + Sn): олово реагує з HCl, виділяється водень, мідь лишається.
Рівняння: Sn + 2HCl → SnCl₂ + H₂↑
Дюралюміній (Al + Cu + Mg + Mn): алюміній і магній розчиняються в HCl, мідь лишається.
Чавун і сталь (Fe + C): залізо розчиняється в HCl, утворюючи зеленуватий розчин FeCl₂, а вуглець лишається чорним осадом.
Ключова ідея: червоний нерозчинний залишок після дії хлоридної кислоти — це мідь. Якщо залишок чорний — це вуглець (сажа). Якщо залишку немає — сплав не містить металів, правіших від H₂.
Дія лугу
Луг (наприклад, NaOH) розчиняє не всі метали, а лише амфотерні — алюміній і цинк. При цьому теж виділяється водень:
2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂↑
Zn + 2NaOH + 2H₂O → Na₂[Zn(OH)₄] + H₂↑
Мідь, магній і залізо з лугом не реагують. Тому якщо обробити сплав лугом і спостерігати виділення газу, це свідчить про наявність алюмінію або цинку. Детальніше цю реакцію розглянуто в юніті «Алюміній та його сполуки».
Обчислення масової частки металу в сплаві
За об'ємом виділеного водню можна обчислити масу активного металу, що прореагував, а далі — його масову частку в сплаві. Такі задачі на суміші належать до курсу «Обчислення в хімії: задачі НМТ», але принцип простий: за рівнянням реакції знаходять кількість речовини металу, потім його масу, а потім ділять на масу наважки сплаву.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Кожен метал і сплав використовують там, де найкраще проявляються його характерні властивості. Розгляньмо найважливіші приклади.
Алюміній і його сплави
Алюміній — легкий метал (густина 2,7 г/см³), пластичний, стійкий на повітрі завдяки тонкій оксидній плівці Al₂O₃, і добре проводить електричний струм. Його використовують для фольги (пакування харчів), посуду, алюмінієвих дротів ліній електропередач. Однак чистий алюміній надто м'який для конструкцій, тому в авіації, ракетобудуванні й вагонобудуванні застосовують дюралюміній — сплав, який зберігає легкість алюмінію, але в кілька разів міцніший.
Мідь
Мідь — після срібла найкращий провідник електричного струму. Вона пластична, з неї можна витягувати тонкий дріт. Саме тому мідні дроти й кабелі — основа електромереж, обмоток електродвигунів і трансформаторів. Чиста мідь використовується в електротехніці, а її сплави (латунь, бронза, мельхіор) — там, де потрібна міцність, стійкість або декоративний вигляд.
Залізо (чавун і сталь)
Залізо в чистому вигляді використовують рідко — воно м'яке й швидко іржавіє. Натомість його сплави з вуглецем — чавун і сталь — це головні конструкційні матеріали сучасності. Вони міцні, відносно дешеві, їх легко виробляти у величезних кількостях. Зі сталі будують хмарочоси, мости, залізничні рейки, корпуси кораблів, автомобілі, верстати й інструменти.
Вольфрам
Вольфрам — найтугоплавкіший метал (температура плавлення 3422 °C). Саме ця властивість робить його незамінним для ниток розжарювання в електричних лампах: нитка розжарюється до білого світіння, але не плавиться. Вольфрам також використовують для електродів зварювальних апаратів і в ріжучих сплавах.
Золото, срібло й платина
Ці метали стійкі до окиснення (не іржавіють), мають гарний блиск і пластичність. Тому з них виготовляють ювелірні прикраси. Завдяки високій електропровідності й хімічній інертності золото й срібло використовують для контактів у електроніці. Платина — важливий каталізатор у хімічній промисловості.
Інші важливі метали
Метал | Властивість | Застосування |
|---|---|---|
Ртуть Hg | рідкий за кімнатної температури | термометри (раніше), барометри (пари отруйні) |
Літій Li | найлегший метал, активний | акумулятори (Li-ion) |
Свинець Pb | густий, м'який, поглинає рентген | акумулятори, захист від радіації |
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Розв'яжемо кілька типових завдань НМТ на тему сплавів.
Приклад 1. Логічні пари «сплав — склад»
Установи відповідність між сплавом (1–3) і його складом (А–Д).
Сплав | Склад |
|---|---|
1 Латунь | А Мідь і цинк |
2 Бронза | Б Мідь і олово |
3 Дюралюміній | В Алюміній і мідь |
Г Залізо й вуглець | |
Д Мідь і нікель |
Розв'язання. Латунь — це сплав міді з цинком (1 → А). Бронза — сплав міді з оловом (2 → Б). Дюралюміній — сплав алюмінію з міддю (3 → В). Варіанти Г (чавун або сталь) і Д (мельхіор) — зайві.
Відповідь: 1А, 2Б, 3В.
Приклад 2. Визначення сплаву за реакцією з кислотою
Порошок сплаву обробили надлишком хлоридної кислоти. Спостерігали виділення газу, на дні лишився червоний нерозчинний залишок, а розчин був безбарвним. Який сплав досліджували?
Розв'язання. Червоний нерозчинний залишок — це мідь. Вона не реагує з HCl, тому що стоїть у ряду активності правіше від водню. Газ (водень) виділяє метал, що стоїть лівіше від H₂. Безбарвний розчин означає, що сіль цього металу безбарвна (на відміну від зеленуватого FeCl₂). Отже, сплав містить мідь і активний метал із безбарвною сіллю (Zn, Sn, Al, Mg); серед запропонованих варіантів цим ознакам відповідає лише латунь.
Чому не підходять інші варіанти?
Сплав заліза з вуглецем (чавун/сталь): залізо розчиняється, утворюючи зеленуватий FeCl₂, а вуглець лишається чорним осадом, не червоним.
Сплав золота зі сріблом: жоден із цих металів не реагує з HCl, газу не буде.
Сплав алюмінію з магнієм: обидва метали реагують з HCl, залишку взагалі не буде.
Відповідь: латунь (сплав міді з цинком).
Приклад 3. Судження про сплави
Оціни правильність двох тверджень:
I. Сплав має сталу хімічну формулу, як хімічна сполука.II. Дюралюміній міцніший за чистий алюміній.
Розв'язання. Твердження I хибне: сплав — це суміш, а не сполука, тому сталої формули він не має. Твердження II правильне: дюралюміній справді в кілька разів міцніший за чистий алюміній завдяки добавкам міді, магнію й мангану.
Відповідь: правильне лише II.
Приклад 4. Властивість і застосування
Яка властивість міді зумовлює її використання для виготовлення електричних дротів?
Розв'язання. Мідь використовують для дротів тому, що вона має високу електропровідність (найкращу серед недорогих металів) і водночас пластична — з неї легко витягувати тонкий дріт. Велика густина, червоний колір або висока температура плавлення не є причиною її використання для дротів.
Відповідь: висока електропровідність і пластичність.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Розгляньмо типові помилки в завданнях на тему сплавів і як їх уникнути.
Помилка: сплав — це хімічна сполука зі сталою формулою. Насправді сплав — тверда суміш, його склад змінний і виражається масовими частками. Сталої формули (на зразок NaCl) сплав не має.
Помилка: властивості сплаву — середнє арифметичне властивостей компонентів. Це не так. Припій (Sn + Pb) плавиться за 183 °C, хоча олово плавиться за 232 °C, а свинець — за 327 °C. Сплав може бути значно твердішим, міцнішим або легкоплавкішим, ніж будь-який компонент окремо.
Помилка: плутають латунь і бронзу. Запам'ятай: латунь — Cu + Zn (цинк), бронза — Cu + Sn (олово). Латунь жовта, «під золото», хоча сам цинк сріблясто-сірий; з бронзи відливають дзвони й пам'ятники.
Помилка: плутають дюралюміній і мельхіор. Дюралюміній — на основі алюмінію (Al + Cu + Mg + Mn), легкий і міцний. Мельхіор — на основі міді (Cu + Ni), сріблястий. Їх не можна плутати.
Помилка: вважають, що хлоридна кислота розчиняє весь сплав, зокрема мідь. Мідь стоїть у ряду активності правіше від водню, тому з HCl не реагує. Якщо сплав містить мідь, після обробки кислотою вона лишиться червоним залишком.
Помилка: пояснюють застосування металу не тією властивістю. Наприклад, алюміній в авіації використовують через легкість і міцність його сплавів, а не через колір чи електропровідність. Мідь для дротів — через електропровідність, а не через червоний колір.
Помилка: сприймають 585 пробу як 585 г золота у виробі. Проба — це масова частка в тисячних, а не маса. 585 проба означає 58,5 % золота в сплаві, незалежно від загальної маси виробу.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Тема «Сплави металів і застосування металів» входить до програми НМТ з хімії (тема 2.1.2). Розгляньмо, у яких форматах і з якою стратегією її перевіряють.
Формати завдань
Вибір однієї відповіді з чотирьох (А–Г). У демоваріанті 2026 року це завдання № 8 (1 бал). У ньому пропонують визначити склад сплаву за його взаємодією з кислотою з використанням ряду активності металів. Також можливе завдання на вибір правильної властивості, що зумовлює застосування металу.
Логічні пари 1–3 → А–Д. У завданнях № 19–20 (0–3 бали, по 1 балу за кожну правильно встановлену пару) можуть дати формат «сплав → склад» або «метал → застосування». Дві букви з п'яти — зайві.
Що вимагає програма
Програма НМТ (тема 2.1.2) вимагає: характеризувати метали, їхні сплави й застосування; доводити практичну значущість металів і їхніх сполук. Тобто ти маєш не просто знати склад сплавів, а й уміти пояснювати, чому саме цей сплав використовують у конкретній галузі.
Стратегія виконання
Уважно прочитай умову: чи йдеться про дію кислоти-неокисника (HCl, розведена H₂SO₄) чи лугу.
Згадай ряд активності металів (Таблиця 4 довідкових матеріалів НМТ). Визнач, які компоненти сплаву стоять лівіше від H₂ (реагують) і які правіше (не реагують).
Спостерігай колір залишку: червоний → мідь, чорний → вуглець, сріблястий → срібло чи інший метал, що стоїть правіше від H₂. Нікель стоїть лівіше від водню й розчиняється в хлоридній кислоті (зелений розчин NiCl₂).
Зверни увагу на колір розчину: безбарвний → солі Zn²⁺, Al³⁺, Mg²⁺; зеленуватий → Fe²⁺; блакитний → Cu²⁺.
Для логічних пар спочатку визнач основний метал сплаву, потім — добавку. Зайві варіанти — це склади інших сплавів.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Відповіді на найпоширеніші запитання про сплави металів.
Чому сплав часто твердіший за чистий метал?
Атоми різних металів мають різні розміри. Коли в розплав додають атоми іншого елемента, вони «розсовують» кристалічну ґратку основного металу, порушуючи правильне розташування атомів. Це ускладнює ковзання шарів атомів один відносно одного, тому сплав стає твердішим і міцнішим. Це явище називають твердорозчинним зміцненням (зміцненням твердого розчину).
Чим латунь відрізняється від бронзи?
Латунь — сплав міді з цинком (Cu + Zn). Вона має жовтий колір, пластична, використовується для труб, арматури, духових інструментів. Бронза — сплав міді з оловом (Cu + Sn). Вона міцніша, має червонувато-коричневий відтінок, добре відливається, використовується для пам'ятників, дзвонів, деталей машин. Запам'ятай: латунь — Zn (цинк), бронза — Sn (олово).
Що означає проба 585 на золотій каблучці?
Проба 585 означає, що масова частка золота в сплаві становить 585 тисячних, тобто 58,5 %. Решта 41,5 % — це інші метали (срібло, мідь, паладій), які додають для міцності й потрібного відтінку. Проба не вказує на масу виробу: каблучка масою 5 г містить 5 × 0,585 = 2,925 г чистого золота.
Чому для літаків беруть дюралюміній, а не чистий алюміній?
Чистий алюміній надто м'який: під навантаженням він гнеться й деформується. Дюралюміній (Al + Cu + Mg + Mn) майже такий самий легкий, але у кілька разів міцніший. Це ідеальне поєднання для авіації: літак має бути легким, щоб злетіти, і міцним, щоб витримувати навантаження в польоті.
Як з'ясувати, чи є в сплаві алюміній?
Оброби сплав лугом (наприклад, NaOH). Якщо в складі є алюміній, він прореагує з виділенням водню: 2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂↑. Мідь, залізо, магній з лугом не реагують. Якщо ж обробити сплав хлоридною кислотою, то алюміній теж виділятиме водень — але так само реагуватимуть цинк, залізо, магній, олово, тому для визначення саме алюмінію краще використати луг.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Сплав — це суміш металу з іншими металами або неметалами. Він не має сталої хімічної формули, його склад виражають масовими частками.
Сплави зазвичай твердіші й міцніші за чисті метали, стійкіші до корозії, але гірше проводять струм. Температура плавлення сплаву може бути нижчою, ніж у кожного компонента.
Основні сплави: латунь — Cu + Zn, бронза — Cu + Sn, мельхіор — Cu + Ni, дюралюміній — Al + Cu + Mg + Mn, чавун — Fe + C (понад 2 % C), сталь — Fe + C (до 2 % C).
У кислоті-неокиснику (HCl, розведена H₂SO₄) розчиняються компоненти сплаву, що стоять у ряду активності лівіше від H₂. Мідь, срібло, золото лишаються нерозчинним залишком.
Луг розчиняє лише алюміній і цинк з виділенням водню — це спосіб виявити алюміній у сплаві.
Застосування металів і сплавів визначають їхні властивості: алюміній — легкість (авіація), мідь — електропровідність (дроти), вольфрам — тугоплавкість (нитки ламп), золото й срібло — стійкість і блиск (прикраси).
Проба благородного металу — масова частка в тисячних. 585 проба = 58,5 % золота у сплаві.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Перевірте себе на цьому юніті
Спробуйте ці 5 запитань — оберіть відповідь, щоб побачити, чи ви праві й чому. Приєднайтеся, щоб пройти повний тест юніту, який іде в глибину по цьому юніту.
1. Чим сплав відрізняється від хімічної сполуки?
2. Чим чавун відрізняється від сталі за складом?
3. Порошок сплаву обробили надлишком хлоридної кислоти. Спостерігали виділення газу, на дні лишився червоний нерозчинний залишок, а розчин був безбарвним. Який сплав досліджували?
4. Яка властивість міді зумовлює її використання для виготовлення електричних дротів?
5. Оціни правильність двох тверджень. I. Сплав має сталу хімічну формулу, як хімічна сполука. II. Дюралюміній міцніший за чистий алюміній.
Це лише дрібка самоперевірки — повний тест юніту йде в глибину й використовує всі 10 запитань цього юніта і точно визначає, що вивчати.
Приєднатися, щоб пройти тест