Можно ли разделить сплав на компоненты?

Есть такая шутливая пословица «фарш невозможно провернуть назад» и, к сожалению, эта пословица очень часто относится ко всему, что происходит с нами в жизни. Но нас сейчас интересует не приготовление котлет. Мы обсудим интересный вопрос из материаловедения. Как вы думаете, что произойдет если взять металлический сплав и попробовать превратить его в исходные компоненты, из которых этот металлический сплав был изготовлен?

Для того, чтобы ответить на поставленный вопрос, нам необходимо очень четко понимать что представляет собой металлический сплав.

Что такое сплав?

Сплав — это определенная система, полученная сплавлением нескольких, минимум двух компонентов, но возможно и больше их количество. Когда мы смотрим, например, на сталь, мы понимаем, что это некоторый новый материал, который образовался в результате взаимодействия двух старых исходных материалов.

Что происходит, когда мы сплавляем два металлических компонента? Логично предположить, что они вступают в некоторое взаимодействие на атомарном уровне. Когда это все произошло, мы получили общий расплав. Когда расплав стал гомогенным, то что можно про него сказать? Пожалуй, только одно — в этом расплаве встречаются атомы такие и такие в определенных состояниях и соотношении.

Для того, чтобы получить готовое изделие из такого сплава его нужно кристаллизовать. При кристаллизации атомы в металлическом сплаве, относящиеся к разным элементам, объединяются таким образом, что в общем-то получится сложная твёрдая кристаллизованная система. Она имеет особенности внутреннего упорядочивания этих элементов.

Самый простой и самый, наверное, известный способ упорядочивания элементов — это твёрдые растворы. В случае твердого раствора внедрения примесный элемент внедряется в основную решетку железа, а в случае замещения элемент замещает какое-то вакантное, удобное для него место. Такую штуку не очень просто разобрать.

Следующий вариант, который может образовываться — это химическое соединение. Совершенно не обязательно, что в химических соединениях будет присутствовать именно два металла. Возможно, варианты и с неметаллами. Представьте себе химическое соединение на секундочку и подумайте, как это дело разделять.

Следующий вариант, который может встречаться в металлических сплавах — это фаза внедрения. Фаза внедрения это что-то напоминающее твердый раствор. Образуется некоторая фаза, которая внедряется в структуру получаемого кристаллизуемого сплава и образует отдельную фазу, которую очень легко отделить. В результате формируются гетерогенные структуры, которые тоже выделяются в отдельный тип сплавов.

Есть еще такие штуки, как электронные соединения и фазы Лавеса. Там уровень связи такой же серьезный.

Для того, чтобы разделить эти атомы, нам нужно проявить способности супермена. Единственный вариант, который в теории можно просто разделить — это гетерогенные структуры. В случае более сложных ситуаций, где были химические соединения, твёрдые растворы внедрения и замещения, разные фазы и прочие варианты взаимодействия элементов в единой общей структуре, сотворить такое действие будет практически невозможно.

Как правило, это металлическая связь. Она образуется между положительными ионами металлов и общими электронами, которые свободно движутся по всему объёму. И хотя это слабое взаимодействие, разорвать его механически точно не выйдет. Тут полезно вспомнить варианты взаимодействий, которые встречаются в природе.

Как можно разделить сплав на компоненты?

Теоретически можно использовать химический способ разделения. Когда что-то растворяется, в растворе часто появляются атомы в «разделённом состоянии», если растворитель был подходящий. Эти атомы можно оттуда выковырять различными способами. Осаждениями, химическими реакциями, электролизами и другими способами. В общем мы можем взять оттуда атомы, которые там растворились и которые уже находятся в разъединенном состоянии и превратить их в исходные чистые элементы.

Но методики эти будут очень сложные и потребуют большого количества энергии. Но в общем-то нужно понимать, что если нам нужно разделить сплав и выделить из этого сплава исходные чистые элементы, химический способ для нас является самым предпочтительным.

Ещё можно рассматривать электролиз. Электролизом, как вы помните, получается алюминий из глины. И опять же, если очень просто описывать процесс, то мы берем глину, растворяем определенным образом в специальном составе, и потом через эту глину проводим электрический ток. В итоге на одном электроде выделяется одно вещество, а на другом электроде выделяется другое вещество. Это опять чистые компоненты.

Следующий не менее радикальный способ заключается в том, что материал нужно просто «буквально развалить до атомов». На этом способе держится масс-спектрометрия. Суть в том, что образец подвергается температурному воздействию и частички превращаются в пар, где, само собой, связи теряются. На самом деле этот момент следовало бы описать немного иначе, но сейчас важна суть.

Есть и более простые методики, но они не всегда сработают. Например, есть такая штука, как расслоение по плотностям. Он сработает далеко не всегда. Материалы следует расплавить и ждать, пока произойдёт гравитационное расслоение. Можно ускорить этот процесс центрифугированием.

Есть такая штука, как диффузионные механизмы. Диффузионные механизмы рано или поздно стараются выровнять структуру и инициировать разделение сплава на компоненты. Материаловедам известны случаи, когда брался металлический образец и у этого образца один конец получался в итоге из одного металла, а другой конец получался из другого металла. Происходило это только благодаря диффузионным процессам. Другое дело, что время, которое требовалось для такого разделения, исчислялось сотнями лет.

Получается, что физически разделить сплав возможно, но экономически делать такое совершенно нецелесообразно.