Конструкционные материалы Учебно-методическое пособие к проведению лабораторных работ по общей и неорганической химии для студентов I курса нехимических специальностей (стр. 4 )

Большим достоинством пластмасс является их высокая технологичность, обеспечивающая значительное сокращение производственного цикла. Изготовление металлических деталей осуществляется за десятки операций механической обработки, а пластмассовых – часто за одну технологическую операцию по формообразованию (прессование, выдавливание, литье под давлением и др.). Из пластмасс изготавливают зубчатые и червячные колеса, шкивы, подшипники, ролики, корпуса, зубчатые ремни, ручки управления и другие детали. Производство пластмасс развивается интенсивнее, чем таких традиционных материалов, как металлы. Это объясняется удешевлением изготовления, улучшением ряда основных параметров механизмов: уменьшением веса и инерционности звеньев, потерь на трение, повышением быстродействия.

1. ЛЁГКИЕ КОНСТРУКЦИЛОННЫЕ МЕТАЛЛЫ

Бериллий. Магний

Во IIА подгруппе периодической системы  находятся элементы бериллий Ве, магний Mg. Бериллий (и отчасти, магний) существенно отличаются от остальных элементов II А подгруппы. По ряду свойств бериллий похож на алюминий, а магний - на цинк.

Эти элементы имеют по два валентных s-электрона, один из которых при возбуждении переходит на р-подуровень. Поэтому они в своих соединениях двухвалентны.

Бериллий имеет очень маленький радиус иона и, следовательно, большой потенциал ионизации. Он образует, практически во всех соединениях, ковалентные связи.

Бериллий и магний химически активны и именно поэтому встречаются в природе только в виде соединений. Бериллий чаще всего встречается в виде минерала берилла Be3Al2(SiO3)6. Окрашенные примесями разновидности берилла известны как драгоценные камни - изумруд, аквамарин и т. д. Магний входит в состав природных сульфатов, карбонатов, фосфатов, силикатов.

Основным способом получения данных металлов  является электролиз расплавов солей или гидроксидов. Реже используют для получения этих металлов процессы восстановления кремнием, углем, алюминием.

В свободном состоянии Mg и Ве - легкие металлы с различными формами кристаллической решетки.

Они очень сильные восстановители и активно взаимодействуют с различными окислителями. С неметаллами образуют бинарные соединения, например:

3Me  +  N2  =  Me3N2;

обладают высоким сродством  к кислороду:

2Ме  +  О2  =  2МеО.

Электродные потенциалы имеют низкие отрицательные значения: от –1,85 В у бериллия и–2,37 В у магния. По отношению к воде бериллий и магний устойчивы, так как покрыты защитной оксидной пленкой, но могут реагировать с водой по реакции при нагревании:

Ме  +  2Н2О  =  Ме(ОН )2  +  Н2.

Активно взаимодействуют с различными кислотами:

Me  +  2H+  =  Ме2+  +  H2;

4Me  +  5H2SO4(конц.)  =  4MeSO4  +  H2S  +  4H2O;

4Me  +  10HNO3(разб.)  =  4Me(NO3)2  +  NH4NO3  +  3H2O.

Со щелочами с образованием комплексных солей способен взаимодействовать только бериллий, что объясняется амфотерным характером его оксида и гидроксида:

Be  +  2H2O  +  2NaOH  =  Na2[Be(OH)4]  +  H2.

Свойства характеристичных соединений – оксидов (МеО) и гидроксидов (Ме(ОН)2) – изменяются с увеличением порядкового номера: возрастает растворимость в воде и усиливаются основные свойства.

Оксиды  Гидроксиды  Растворимость  Кислотно-основные свойства

BeO  Be(OH)2  нерастворим  амфотерные

MgO  Mg(OH)2  нерастворим  средне-основные

Гидроксид магния, обладая малой растворимостью в воде, тем не менее в растворе диссоциирует

Mg(OH)2  Mg2+  +  2OH-.

Гидроксиды Mg(OH)2 и Ве(ОН)2 взаимодействуют  с кислотами:

Me(OH)2  +  2HCl  =  MeCl2  +  2H2O.

Гидроксид бериллия – амфотерен, поэтому диссоциация протекает как по кислотному, так и по основному типу:

[Be(OH)4]2-  +  2H+  Be(OH)2  +  2H2O  Be2+  +  2OH-.

Оксид и гидроксид бериллия взаимодействуют и с кислотами и со щелочами, образуя соответствующие соли:

Be(OH)2  +  2HCl  =  BeCl2  +  2H2O;

Be(OH)2  +  2NaOH  =  Na2[Be(OH)4] ;

  Тетрагидроксобериллат натрия

  сплавление

Be(OH)2  +  2NaOH  =  Na2BeO2  +  2H2O.

  бериллат натрия

Все соли бериллия сильно, а магния – слабо гидролизованы.

Бериллий и магний имеют большое значение для промышленности. Бериллий используют как замедлитель нейтронов в атомных реакторах. В качестве легирующей добавки он сообщает сплавам твердость, прочность, антикоррозионную устойчивость. Сплавы на основе магния широко применяют как конструкционные материалы в ракетной технике, авиа - и автостроении. Они содержат до 80% магния и различные добавки, отличаются малой плотностью, высокой прочностью, хорошей электропроводностью.

Алюминий

Алюминий входит в главную подгруппу III группы периодической системы . 

На внешнем электронном слое атома три электрона: Al..3s23p1; при возбуждении: Al*….3s13p2 . Поэтому в соединениях алюминий проявляет степень окисления +3. По своим свойствам он резко отличается от бора и обладает ярко выраженными металлическими свойствами. Из-за устойчивой оксидной пленки алюминий не растворяется в воде, несмотря на высокое значение электродного потенциала  (-1,66 В). Оксидная пленка растворяется в кислотах (с трудом) и в щелочах. Оксид алюминия амфотерен.

Al2O3 + 6 H+  → 2 Al+3  + 3 H2O

Al2O3 + 2OH - + 3H2O → 2[Al(OH)4] -.

Алюминий, лишенный защитной пленки, взаимодействует с водой:

2Al + 6 H2O → 2 Al(OH)3 + 3 H2↑.

Алюминий активно реагирует с кислотами

2 Al + 6 H+ → 2 Al+3 + 3 H2↑.

и с водными растворами щелочей

2Al + 2OH - + 6 H2O → 2[Al(OH)4]- + 3H2.

Гидроксид алюминия  Al(OH)3 - типичное амфотерное соединение: свежеприготовленный легко растворяется в кислотах и в щелочах.

  OH-  OH- 

Al+3  Al(OH)3 ↓  [Al(OH)4] -.

  H+  H+

Для получения осадка Al(OH)3 щелочь обычно не используют из-за легкости перехода осадка в раствор, а действуют на соли алюминия гидроксидом аммония, причем при комнатной температуре образуется Al(OH)3 ( ортоалюминиевая кислота H3AlO3), а при кипячении - AlO(OH) (метаалюминиевая кислота HAlO2)

AlCl3 + 3 NH4OH = Al(OH)3↓ + 3NH4Cl;

  t

AlCl3 + 3 NH4OH = HAlO2 + 3NH4Cl + H2O.

Соли алюминия и сильных кислот хорошо растворимы в воде и подвергаются в значительной степени гидролизу по катиону, создавая сильнокислотную среду, в которой возможно растворение металлов, например, Mg или Zn:

Al+3 + H2O  AlOH2+ + H+  ( рН <<7)  (I ступень).

При определенных условиях (нагревание, подщелачивание) гидролиз протекает и по следующим ступеням

( AlOH) 2+ + H2O  [Al(OH)2]+  + H +  (II ступень) ;

[Al(OH)2]+  + H2O  Al(OH)3 + H+  (III ступень).

В растворах метаалюминатов (NaAlO2) среда щелочная из-за гидролиза по аниону

AlO2-  + H2O  HAlO2 + - OH  (pH >7).

Алюминий - важнейший конструкционный металл, основа легких коррозионно-стойких сплавов (с магнием - дюралюмин или дюраль, с медью - бронза). Чистый алюминий в больших количествах идет на изготовление посуды и электрических проводов.

Титан, ванадий

Титан и ванадий элементы IVB и VB подгрупп, соответственно, относятся к семейству d - элементов. Строение внешних электронных оболочек  (n-1)d2ns2 (для подгруппы титана) и (n-1)d3ns2 (для ванадия и его аналогов). Это обусловливает возможные степени окисления +2, +3, +4 для элементов IV В и +2, +3, +4, +5 для элементов V В подгруппы.

Чистые титан и ванадий - тугоплавкие, пластичные, ковкие металлы, хорошо поддающиеся механической обработке. Наличие примесей (особенно О, Н, N, C) сильно ухудшает их пластичность, повышает твердость и хрупкость.

В обычных условиях титан и ванадий малоактивны, устойчивы на воздухе и в воде, во многих агрессивных средах, что обусловлено образованием на их поверхности тонкой, но очень прочной оксидной плёнки. Титан медленно реагирует с водой при 100 °С.

Ti + 4 H2O = Ti(OH)4 + 2 H2.

Ванадий взаимодействует с Н2О в раскаленном порошкообразном состоянии:

2V + 5 H2O = V2O5 + 5 H2.

При высоких температурах активно реагируют в первую очередь с неметаллами - кислородом воздуха (образуя, соответственно, TiO2 и V2O5), галогенами, азотом, углеродом, серой и др.

Элементы IV В группы, будучи, в целом, более химически активными, менее устойчивы к действию кислот. Так, титан, в отличие от ванадия, при нагревании растворяется в разбавленных соляной и серной кислотах:

2Ti + 6 HCl = 2 TiCl3 + H2;

Ti + H2SO4 = TiSO4 + H2.

и при обычных условиях - в концентрированной H2SO4:

Ti + 4H2SO4 (конц.)  =  Ti(SO4)2 + 2 SO2 + 4H2O.

смеси азотной и плавиковой кислот:

3Ti + 4HNO3 + 18HF = 3H2[TiF6] + 4NO + 8H2O.

Оба металла при обычных условиях реагируют с концентрированной плавиковой кислотой и с царской водкой.

Ti + 6HF = H2[TiF6] + 2H2.

Ванадий с серной и азотной кислотами реагируют при нагревании

3V + 5HNO3 = 3HVO3 + 5NO +H2O.

Ванадий и его аналоги реагируют также с расплавами щелочей в присутствии окислителей:

4V + 5O2 + 12NaOH = 4 Na3VO4 + 6H2O.

Среди соединений, образуемых элементами данных подгрупп, наиболее устойчивы и многочисленны соединения металлов в высшей, соответствующей номеру группы, степени окисления: +4  и +5, соответственно. Характер химической связи в них, как правило, ковалентный. Стабильность соединений, содержащих металл в высшей степени окисления, закономерно повышается в пределах обеих подгрупп с ростом порядкового номера элемента. Так, Ti4+ сравнительно легко восстанавливается до низших степеней окисления, а  Zr и Hf почти во всех соединениях четырехвалентны.

Диаграммы Латимера

а) для титана

  -0,882

  +0,099  -0,369  - 1,628

Ti(OH)22+  Ti3+  Ti2+  Ti

  -1,191