Сплави металів і застосування металів

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.

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.

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:

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.

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.

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

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).

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.

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.

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

1. Уважно прочитай умову: чи йдеться про дію кислоти-неокисника (HCl, розведена H₂SO₄) чи лугу.

2. Згадай ряд активності металів (Таблиця 4 довідкових матеріалів НМТ). Визнач, які компоненти сплаву стоять лівіше від H₂ (реагують) і які правіше (не реагують).

3. 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).

4. Зверни увагу на колір розчину: безбарвний → солі Zn²⁺, Al³⁺, Mg²⁺; зеленуватий → Fe²⁺; блакитний → Cu²⁺.

5. Для логічних пар спочатку визнач основний метал сплаву, потім — добавку. Зайві варіанти — це склади інших сплавів.

Відповіді на найпоширеніші запитання про сплави металів.

• 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.