Металлы

Свойствами металлов обладает большинство элементов, входящих в периодическую систему Д. И. Менделеева (прил. 9). Элементы с металлическими свойствами могут относиться к типу s-, p-, d- или f-элементов.

Все металлы обладают общими так называемыми металлическими свойствами, но каждый элемент проявляет их в соответствии с его положением в периодической системе Д. И. Менделеева, т. е. в соответствии с особенностями строения его атома. В зависимости от того, какой подуровень у атома металла заполняется электронами, проявляются общие химические свойства. Особенностью металлов является их способность к образованию металлической связи, которая определяет их физические свойства. Общность физических свойств металлов (высокая электрическая проводимость, теплопроводность, ковкость, пластичность) объясняется общностью строения их кристаллических решеток. По некоторым характерным физическим свойствам металлы в значительной степени отличаются друг от друга, например по плотности, твердости, температурам плавления.

Атомы металлов в отличие от неметаллов обладают значительно большими размерами атомных радиусов. Поэтому атомы металлов сравнительно легко отдают валентные электроны. Вследствие этого они обладают способностью образовывать положительно заряженные ионы, а в соединениях проявляют только положительную степень окисления. Многие металлы, например медь (Cu), железо (Fe), хром (Cr), титан (Ti), проявляют в соединениях разную степень окисления.

Взаимодействие металлов со сложными веществами.Восстановительные свойства металлы проявляют и в реакциях со сложными веществами – кислотами, солями и водой.

Металлы с кислотами реагируют по-разному. Металлы, которые в электрохимическом ряду напряжений металлов находятся до водорода, восстанавливают ионы водорода из кислот (за исключением ионов водорода в HNO₃), а те, которые находятся после водорода, восстанавливают атом основного элемента, образующего данную кислоту. Например:

2Al + 3H₂SO_4(р) → Al₂(SO₄)₃ + 3H₂⁰↑

2Al + 6H⁺ + 3SO₄^2- → 2Al³⁺+ 3SO₄^2- +3H₂⁰↑

При взаимодействии с водными растворами солей металлы, находящиеся в электрохимическом ряду напряжений металлов левее, восстанавливают металлы, находящиеся в этом ряду правее от них.

Легкие конструкционные материалы.Металлы широко используют в технике в качестве основных конструкционных материалов. Это объясняется тем, что они подвергаются механической обработке благодаря таким их свойствам, как прочность, пластичность и т. д. Однако конструкционные материалы имеют большую плотность, что ведет к увеличению массы изделий. Это заставляет изыскивать новые конструкционные материалы с малой плотностью, но достаточной удельной прочностью, пластичностью. Такие конструкционные материалы имеются среди металлов.

В периодической системе Д. И. Менделеева в I-й, II-й и частично в III-й группах расположены металлы с малой плотностью, которые относят к легким металлам. Однако металлы I-й группы являются самыми химически активными, что не позволяет использовать их в качестве конструкционных материалов. Из металлов II-й группы самыми легкими и достаточно химически стойкими являются бериллий и магний. В III-й группе находятся менее химически активные металлы, но к легким относят только алюминий, скандий, иттрий. И, наконец, из IV-й группы к легким металлам можно отнести титан. Учитывая содержание этих металлов в земной коре, в качестве конструкционных материалов из легких металлов могут быть использованы бериллий, магний, алюминий, титан и сплавы на их основе.

Конструкционные металлы с малой плотностью и большой прочностью находят особенно широкое применение.

Применение легких конструкционных материалов и сплавов на их основе.

Бериллий. Сверхчистый металлический бериллий, получаемый современными методами вакуумной металлургии, применяется как материал для термоядерных реакторов, поскольку у него хорошая термическая устойчивость, большая механическая прочность, устойчивость к химической коррозии. Бериллий не удерживает освободившиеся нейтроны при распаде ядерного горючего в реакторе. Из прокатного металлического бериллия изготавливают окна рентгеновских трубок, т. к. через этот металл легко проникают рентгеновские лучи. Чистый бериллий используют в акустике, поскольку звуковые волны проходят по нему с большей скоростью. В сплавах с Cu, Ni, Mg, Al и другими металлами, содержащими 0,2 – 2,5% бериллия, он увеличивает твердость, стойкость, эластичность основного металла. Берилловые бронзы (медно-берилловые сплавы), содержащие 2 – 3% бериллия, отличаются высокой стойкостью к коррозии, большой твердостью, хорошей электропроводностью и теплопроводностью. Их применяют для изготовления деталей машин. Из сплава, содержащего 96,45% Cu, 2,25% Be и 1,1 – 1,3% Ni, изготавливают инструменты, которые не должны искрить при работе с легковоспламеняющимися и взрывчатыми веществами. Сплавы бериллия и магния и бериллия с алюминием применяются в авиации, а бериллия с никелем – для изготовления хирургических инструментов, некоррозирующих пружин и т. д. Бериллий может применяться в качестве раскислителей легких сплавов, алюминиевых бронз и т. д. Сплавы бериллия антимагнитны и обладают большой стойкостью в воде и на воздухе.

Магний. Порошок металлического магния применяется в фотографии и пиротехнике. Листовой магний применяют в электротехнике для изготовления выпрямителей электрического тока. Металлический магний применяют в металлургии легких сплавов в качестве раскислителя и десульфирующего агента для ряда металлов, т. к. он восстанавливает окислы и сульфиды с образованием трудно растворимых в расплавленных металлах соединений. В авиации и машиностроении широко применяют легкие сплавы магния с другими металлами. Добавление магния к алюминию увеличивает твердость и сопротивление на разрыв, к цинку – повышается твердость, к марганцу – стойкость к коррозии на влажном воздухе и т. д. Широко известны и используются следующие сплавы магния с другими металлами: дюралюминий, магналий, гидроналий.

Магний применяют также для получения литейного чугуна с графитом. Сплавы магния применяются для изготовления деталей литьем, прокаткой, ковкой и давлением. Недостатки магниевых сплавов: малая устойчивость к коррозии, пониженная пластичность и легкое окисление в расплавленном состоянии.

Алюминий. Применение алюминия в технике разнообразно. Особенно широко используют легкие сплавы на его основе, отличающиеся высокой прочностью, коррозионной стойкостью и другими ценными качествами, которые определяются различными легирующими добавками, т. к. алюминий сплавляется сомногими металлами. Сплавы алюминия используют в самолето-, ракето- и судостроении, промышленном и гражданском строительстве, военном деле, транспортном машиностроении, химической промышленности, атомной технике.

К перспективным сплавам можно отнести сплавы САС (спеченный алюминиевый сплав) и САП (спеченный алюминиевый порошок), которые получают распылением жидкого алюминия в инертной атмосфере с регулируемым содержанием кислорода. Полученный окисленный алюминиевый порошок брекетируют. Брикеты затем можно прессовать, прокатывать, ковать. Благодаря содержанию оксида прочность алюминия увеличивается в 6 раз. САП не нуждается в закалке и обладает высокой коррозийной стойкостью, перспективен в химическом машиностроении, судостроении. Добавляя в САП различные элементы (Si, Ni, Fe, Cr), получают САС. Эти сплавы имеют низкий коэффициент линейного расширения, что позволяет использовать их в сочетании со сталью.

Алюминий – ценный электротехнический материал. Электропроводность провода из алюминия в 2 раза выше, чем провода из меди. Это особенно важно, т. к. алюминий в 3,5 раза легче меди. Широко используют алюминий для защиты металлов от коррозии методом плакирования его поверхности алюминием, а также алитирования – насыщения поверхности металла алюминием для создания плотной и прочной антикоррозийной пленки. Высокую устойчивость против коррозии проявляет анодированный алюминий.

Титан. Металлический титан входит в состав сплавов, не содержащих железо, в количестве 0,1– 0,6 % , а также в состав углеродистых, нержавеющих и высококачественных сталей. В сплавах Ti может быть легирующей добавкой, придающей эластичность, механическую прочность, химическую стойкость, плотность, твердость и другие свойства, или дегазином, препятствующем образованию пор в сплавах, поскольку он связывает O₂, N₂, H₂ и другие газы в трудно растворимые соединения, удаляемые в шлак. Такие сплавы Ti, как ферротитан, феррокарботитан, ферросиликотитан и др. очень важны для современной техники, поскольку они обладают высокой механической прочностью, легки, тугоплавки, тверды, устойчивы к коррозии. Установки и приборы, изготовленные из титана или его сплавов, могут эксплуатироваться и при высоких, и при очень низких температурах, в морской воде, при высокой влажности воздуха. Сверхтвердые сплавы, полученные методом порошковой металлургии из карбида титана, карбида вольфрама и металлического кобальта, используют для изготовления резцов, сверл, калибров и т. д. Из борида титана изготавливают детали турбин, турбореакторов и ракет.

Контрольные вопросы

207. Чем отличается строение материалов от строения атомов металлов, неметаллов и как это отражается на их химических свойствах?

208. Руководствуясь строением атомов, охарактеризуйте общие и отличительные физические свойства металлов. Приведите примеры.

209. Из оксида железа Fe₃O₄ можно получить железо алюмино-термическим способом. Составьте уравнение этой реакции и покажите переход электродов.

210. Бериллий Be и магний Mg находятся в одной группе периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, однако их химические свойства различны. Поясните почему. Свой ответ подтвердите уравнениями соответствующих реакций. Охарактеризуйте применение бериллия и магния.

211. На основании, каких свойств составлен электрохимический ряд напряжений металлов? Почему ему дано такое название?

212. Алюминий, его оксид и гидроксид в химических реакциях могут образовывать комплексное соединение. Составьте уравнения известных вам реакций и в соответствующих соединениях укажите комплексообразователь, лиганды, координационное число, внутреннюю и внешнюю сферы.

213. Составьте схему размещения электронов по энергетическому уровню и подуровню в атоме титана. Какие степени окисления характерны для титана и его соединения? Поясните почему.

214. На основании чего можно утверждать, что титан является одним из важнейших металлов в современной технике?

215. Составьте уравнения реакции железа с простыми и сложными веществами. Покажите переход электронов, поясните, что окисляется и что восстанавливается, что является окислителем и что восстановителем.

216. Что такое сплавы и как их классифицируют?

217. Составьте электронные формулы соединений, образуемых алюминием с азотом и серой.

218. Алюминий, взаимодействуя с карбидом кальция СаС₂, дает кальций и карбид алюминия. Составьте уравнение этой реакции.

219. Как химическим путем удалить с алюминиевого изделия продукты коррозии (оксид и гидроксид алюминия), не причиняя ущерб металлу?

220. Составьте уравнение реакции получения титана из его высшего оксида алюминотермическим путем.

221. Какой металл является самым распространенным в земной коре? Какова формула его важнейшей руды?

222. Какие металлы являются основой легких конструкционных металлов? Почему не используются другие легкие металлы?

223. Как получают алюминий в промышленности?

224. Почему алюминий и его сплавы устойчивы на воздухе?

225. Каким образом можно разрушить оксидную пленку алюминия?

226. Приведите качественные реакции на алюминий в сплавах.

227. Как получают титан в промышленности? Приведите важнейшие уравнения реакции.

228. Укажите важнейшие физико-химические свойства титана.

229. Благодаря каким важнейшим свойствам титановые сплавы применяются в самолето- и ракетостроении?

230. Какие свойства имеет титанат бария ВаTiO₃; и где он применяется?

231. Укажите важнейшие физико-химические свойства бериллия.

232. Почему применение в промышленности бериллия и его сплавов ограничено?

233. Как получают магний в промышленных условиях?

234. Укажите основные физико-химические свойства магния.

235. Какие свойства магний придает сплавам? Где они применяются?

236. Укажите основной недостаток магниевых сплавов.