ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Металлы и сплавы являются основным конструкционным материалом для машиностроения и приборостроения. К ним относятся химические элементы, простые и сложные вещества, обладающие характерными признаками:

1) низкой величиной относительной электроотрицательности, как следствие низких потенциалов ионизации и низкого сродства к электрону;

2) образуют только положительные центры;

3) в сложных ионах образуют также положительные центры.

Металлы и сплавы обладают рядом общих свойств. У атомов металлов на внешних электронных уровнях содержится небольшое количество электронов. Вследствие малой плотности электронов атомы металлов в процессе кристаллизации легко сближаются и обобществляют электроны. При перекрывании внешних орбиталей электроны мигрируют от одного атома к другому, осуществляя металлическую связь. В электрическом поле обобществленные электроны получают направленное движение и возникает электрический ток.

Для металлов характерна высокая теплопроводность, непрозрачность, металлический блеск, твердость, пластичность, способность (за исключением Hg) кристаллизоваться с образованием кристаллической решетки высокой симметрии: объемноцентрированный куб (о.ц.к.) (Nb, Ta, Pb, Cr и др.), гранецентрированный куб (Cu, Ni, Fe, Al, Ag, Au и др.), гексагональная плотная упаковка (Mg, Be, Cd, Zn, Ti, Zr и др.). Металлы могут быть легкими (для Li ρ = 0,5 г/см³) и тяжелыми (для Os ρ = 28 г/см³), легкоплавкими (для Hg – минус 39⁰C, для Ga – 30⁰C) и тугоплавкими (для W – 3390⁰C). Для некоторых металлов характерно явление полиморфизма.

В зависимости от положения в периодической таблице (степени заполнения внешних и предвнешних уровней) все металлы делятся на s-, p-, d- и f- металлы.

Большинство металлов в природе находится в виде соединений с другими элементами. Только немногие металлы встречаются в природе в свободном состоянии, например Au, Hg, Ag, Pt, Cu (отчасти). Минералы и горные породы, содержащие соединения металлов в виде, пригодном для получения промышленным путем называются рудами.

Руды содержат металлы в виде оксидов, сульфидов, сульфатов, карбонатов, силикатов. галоидных соединений. Если в руде содержатся несколько металлов, то такие руды называются полиметаллическими.

Все методы получения металлов сводятся к процессу восстановления их из ионного состояния:

Меⁿ⁺ + ne → Me⁰.

Основные способы получения металлов:

1. Вытеснение металла из его соединений более активным металлом (имеющим меньшее значение электродного потенциала (см. ряд напряжений)). Этот процесс может протекать в водных растворах – гидрометаллургия, а также в расплавах при высоких температурах – металлотермия. Впервые такой процесс был осуществлен при применении порошка алюминия для восстановления других металлов – алюмотермия. Al, Mg, Ca, Na отличаются высокой химической активностью и могут вытеснять другие металлы из их оксидов или соединений:

Cr₂O₃ + 2Al → 2Cr + Al₂O₃;

TiCl₄ + 4Na → 4NaCl + Ti.

2. Восстановление металлов из их соединений газообразными СО и Н₂ в присутствии твердого угля. Этот процесс осуществляется только при высоких температурах и называется пирометаллургией:

t,°C

MeO + CO → Me + CO₂.

Данный процесс для некоторых металлов может сопровождаться образованием карбидов, тогда в качестве восстановителя используют водород:

t,°C

WO₃ + 3H₂ → W + 3H₂O.

3. Электрометаллургия (электролиз) – разложение соединений под действием электрического тока. Данный процесс можно вести в водных растворах, а также в расплавах при повышенных температурах. Такой способ применим для получения металлов любой активности, но только из соединений ионного типа.

Пример. Схема электролизной системы и уравнения электродных процессов для получения цинка:

а) на графитовых электродах

Суммарное уравнение электролиза:

2ZnSO₄ + 2H₂O = 2Zn + O₂ + 2H₂SO₄

б) на цинковых электродах

Схема электролиза на растворимых электродах (б) используется для:

– очистки металлов от примесей (электрорафинирование). В этом случае металл с примесями подключают к плюсу (+) внешнего источника (анод), к минусу (–) подключают чистый металл (катод), в качестве электролита используют водный раствор хорошо растворимой соли этого же металла;

– анодного травления (полировки) металлов и изделий из них. К плюсу (+) подключают изделие, требующее обработки;

– для получения покрытий. Изделие в данном случае подключают к минусу (–) внешнего источника тока (катод).

Для получения активных металлов проводят электролиз расплавов:

Суммарное уравнение электролиза:

4KOH → 4K + O₂ + 2H₂O(г)

Алюминий самый распространенный металл в земной коре (его содержание составляет ~ 8,8%), весьма активен (φ⁰_Al³⁺_/Al = – 1,67 В), поэтому в природе в свободном состоянии не встречается, а находится в виде соединений: бокситов Al₂O₃хH₂O, алюмосиликатов K₂O Al₂O₃ 6SiO₂ и т.д. Металлический алюминий – легкий металл, он почти в 3 раза легче железа, лучший проводник тепла и электричества после серебра и меди. Алюминий в технике получают электролизом расплава смеси, состоящей из чистого Al₂O₃ и криолита Na₃[AlF₆] при температуре 900-950⁰С. В расплаве Al₂O₃ диссоциирует на ионы:

Al₂O₃ → Al³⁺ + AlO₃^3–.

На катоде выделяется алюминий, а на аноде разряжаются анионы и окисляют графитовые электроды:

2AlO₃^3– – 6е = Al₂O₃ + 3О (на аноде);

3О + 3С = 3СО↑;

4Al³⁺ + 12е = 4Al (на катоде).

Алюминий устойчив на воздухе, в горячей и холодной воде. Не растворяется в концентрированных серной Н₂SO₄ и азотной HNO₃ кислотах, так как на его поверхности образуется тонкая и очень прочная пленка Al₂O₃. Однако оксид алюминия Al₂O₃ проявляет амфотерные свойства, то есть взаимодействует с кислотами и щелочами:

Al₂O₃ + 6НCl = AlCl₃ + 3H₂O;

Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O = 2Na[Al(OH)₄].

Алюминий, лишенный оксидной пленки, весьма активен и взаимодействует с водой и разбавленными кислотами.

Алюминий – один из наиболее применяемых металлов в современной технике. Его используют как простое вещество, так и в разнообразных сплавах и соединениях. В частности, его сплав с магнием применяют как конструкционный материал для низкотемпературных ядерных реакторов. Будучи хорошим проводником электричества, применяется для изготовления электрических кабелей в различных электрохимических приборах. Алюминий не токсичен и находит широкое применение в пищевой и фармацевтической промышленности.

При протекании физико-химических процессов взаимодействия между металлами и растворами электролитов в ряде случаев могут протекать реакции вытеснения металлов из их соединений более активными металлами.

В результате на поверхности металлов осаждаются другие металлы, что приводит к образованию микрогальванических элементов, в которых металл с меньшим значением электродного потенциала φ⁰_Me/Meⁿ⁺ является анодом, с большим значением φ⁰_Me/Meⁿ⁺ – катодом. Такие процессы приводят, в конечном счете, к электрохимической коррозии активных металлов.

Несмотря на большое количество металлов (их более 80) свойства их не могут удовлетворить запросы новейшей техники. Поэтому в ряде случаев используются их смеси, находящиеся в расплавленном состоянии, при охлаждении которых образуются сплавы. В зависимости от характера и условий взаимодействия сплавы могут представлять собой механическую смесь кристаллов отдельных металлов, твердые растворы или химические соединения (интерметаллиды).

Пользуясь химическими методами можно установить качественный состав сплава. Для обнаружения катионов или анионов в сплаве их переводят с помощью аналитических (качественных) реакций в характерные осадки, или в растворимые окрашенные соединения, или в летучие соединения со специфическим запахом. Однако необходимо иметь в виду, что аналитические реакции указывают на наличие или отсутствие того или иного иона лишь при соблюдении определенных условий: концентрации раствора, реакции среды, температуры, времени.

Для обнаружения меди в сплаве необходимо нанести на образец 1-2 капли HNO₃, затем через минуту нанести на это же место несколько капель раствора NH₄OH. Синее окрашивание указывает на присутствие меди в сплаве.

Свинец в сплаве можно обнаружить действием концентрированной азотной кислотой (для перевода свинца в ионное состояние). Затем провести качественную реакцию с иодидом натрия или калия:

Pb²⁺ + 2I^– → PbI₂↓.

На поверхности сплава образуется соединение PbI₂ желтого цвета.

Олово, находящееся в техническом припое, при действии концентрированной HNO₃ образует белый осадок H₂SnO₃.

Реактивом на ионы Fe²⁺ является гексацианоферрат калия К₃[Fe(CN)₆]. Реакция сопровождается образованием турнбулевой сини:

3Fe²⁺ + 2[Fe(CN)₆]^3– → Fe₃[Fe(CN)₆]₂.

турнбулевая синь

Для установления наличия ионов Fe³⁺ необходимо добавить роданид калия или аммония KCNS (NH₄CNS). Образование роданида железа Fe(CNS)₃ сопровождается окрашиванием раствора в красный цвет.

Для обнаружения серы в чугуне или стали, которая содержится в виде сульфидов FeS и других соединений, необходимо подействовать концентрированной 6н НCl и слегка подогреть. Выделение газа Н₂S свидетельствует о наличии в сплаве серы. Если к выделяющемуся газу поднести фильтровальную бумагу, смоченную ацетатом свинца (СН₃СОО)₂Pb, то образование соединения PbS (черного цвета) подтверждает факт нахождения серы в исходном сплаве.