Неорганическая химия (стр. 10 )

Следует отметить, что металлы можно получать не только в традиционном кристаллическом, но и в стеклообразном состоянии. И если для кристаллических металлов характерно упорядоченное расположение атомов в решетке друг относительно друга, то металлы в стеклообразном состоянии характеризуются неупорядоченностью своей структуры (таким же свойством обладают обычные прозрачные стекла по сравнению с кристаллами, что и обусловило столь необычное название “металлические стекла”). Получать металлические стекла удается при сверхбыстром (со скоростью в десятки тысяч градусов в секунду) охлаждении металлических расплавов. Металлические стекла зачастую превосходят металлы в кристаллическом состоянии по многим функциональным свойствам. Их производят в виде фольги или проволоки. 

15.5. Коррозия металлов, ее классификация и способы борьбы с нею.

Процесс самопроизвольного разрушения металлов и их  сплавов под действием окружающей среды называется коррозией.

Разрушение металла сводится к его окислению в ходе окислительно-восстановительных реакций.

Различают химическую (газовую) и электрохимическую коррозию. Под химической коррозией понимают окислительно-восстановительные реакции металла или сплава с газами - кислородом, хлором, сернистым газом (SO2), парами воды. Результатом химической коррозии является образование оксидов, сульфидов, хлоридов на поверхности металла. Эффективность химической коррозии сильно возрастает с температурой, что особенно важно для внутренних поверхностей автомобильных и ракетных двигателей, стенки которых могут нагреваться до температур, превышающих 1000 0С. К основным методам борьбы с химической коррозией металлов относятся:

- использование жаростойких металлов и сплавов;

- замена металлических деталей двигателей их аналогами, изготовленными из керамики, коррозионная стойкость которой намного выше таковой металлов;

- нанесение методами гальванотехники тонких слоев из других металлов (хрома, никеля, цинка, кадмия, олова, алюминия) на поверхность защищаемых металлов. Нанесенные металлы мгновенно покрываются весьма прочной оксидной пленкой, препятствующей взаимодействию поверхности защищаемого металла с окружающей средой.

Электрохимическая коррозия металлов обусловлена электрохимическими реакциями на поверхности металла, находящегося в контакте с раствором электролита. Она охватывает случаи коррозии металла во влажной атмосфере, в грунте, под водой. В результате окисления металла на его поверхности может образоваться, например, ржавчина, сам металл в виде ионов может переходить в раствор. Окислителями чаще всего выступают растворенный в воде кислород и ионы водорода Н+, возникающие при диссоциации молекул воды. Концентрация последних может сильно возрастать, если в воде окажутся растворенными газы, являющиеся ангидридами кислот, такие, как углекислый и сернистый газы. Скорость электрохимической коррозии при этом зависит от наличия царапин, неровностей, щелей, шероховатостей на поверхности металла, поскольку они облегчают конденсацию влаги, реакция которой с названными газами способствует образованию раствора кислот. Разрушение металла под действием кислорода или ионов водорода значительно усиливается, если в основном металле содержатся примеси других, менее активных металлов, поскольку в этом случае возникает гальваническая пара, в которой разрушению подвергается более активный металл. Аналогичная пара возникает при контакте двух металлов в водной среде, во влажном воздухе или в грунте.

К методам борьбы с электрохимической коррозией относятся:

использование чистых металлов без примесей менее активных металлов; применение химически стойких сплавов (например, нержавеющей стали); полировка поверхностей металлических изделий; нанесение на поверхность металлических изделий краски, лака, смазки, защитных покрытий; присоединение к защищаемому металлу другого, более активного металла.

Глава 16. Элементы главной подгруппы III группы Периодической системы элементов.

16.1. Особенности III группы Периодической системы. Групповые физические и химические свойства элементов главной подгруппы. III группа является самой большой группой Периодической системы, так как она включает в себя, кроме 5 элементов главной подгруппы и 4 элементов побочной подгруппы, также лантаноиды (элементы с порядковыми номерами от 58 до 71) и актиноиды (элементы с номерами от 90 до 103). К элементам главной подгруппы относятся бор, алюминий, галлий, индий и талий (табл. 16.1). Ни один из них не встречается в природе в элементарном состоянии.

Как следует из данных по энергии ионизации (таблица 16.1), с ростом атомного номера металлические свойства элементов усиливаются. Так, B2O3 в ряду оксидов элементов подгруппы демонстрирует кислотный характер, Al2O3, Ga2O3 и In2O3 - амфотерный, а Tl2O3 - основной. Наиболее важными в практическом отношении являются бор и алюминий.

Электронная конфигурация элементов подгруппы s2p1, поэтому основной степенью окисления элементов является +3, однако у таллия она может быть равна и +1.

Таблица 16.1. Групповые свойства элементов

главной подгруппы III группы ПСЭ.

Элемент	B	Al	Ga	In	Tl
Порядковый номер Энергия ионизации, эВ Радиус атома, нм Плотность, г/см3 Температура плавления, 0С Температура кипения, 0С	5 8.30 0.091 2.34 2075 3700	13 5.99 0.143 2.70 660 2500	31 6.0 0.139 5.90 29.8 2205	49 5.79 0.166 7.31 156.4 2000	81 6.11 0.171 11.85 304 1475
Металлические свойства	Увеличиваются

       

16.2. Индивидуальные свойства бора, алюминия, галлия, индия и таллия.

Бор. В природе встречается (орто)борная кислота Н3ВО3. В элементарном состоянии бор является полупроводником. Он имеет три кристаллических модификации, состоящие из икосаэдров, включающих 12 атомов бора. Восстановлением оксида бора магнием элементарный бор может быть получен в виде аморфного порошка. По твердости бор уступает только алмазу. Третий потенциал ионизации достаточно велик (37.9 эВ), поэтому бор не образует катионов и ионных соединений. Для бора характерно образование ковалентных соединений. Казалось бы, с учетом электронной конфигурации 2s22p1 бор мог бы быть одновалентным, однако он образует 3 ковалентных связи, направленные тригонально (за счет sp2-гибридизации).

Алюминий. Представляет собой самый распространенный металл, его содержание в земной коре достигает 8 мас. %. Для промышленных нужд алюминий получают электролизом раствора глинозема Al2O3, который входит в состав бокситов Al2O3*nH2O. Основная масса алюминия в земной коре приходится на каолин и каолинит Al2O3*2SiO2*2H2O.

Алюминий - серебристо-белый металл, плавящийся при 660 0С, обладающий высокой тепло - и электропроводностью. Он отличается исключительно высокой пластичностью, вследствие чего из него в больших объемах получают проволоку и фольгу. Алюминий является основой легких сплавов (дуралюминий, силумин и т. п.), которые находят широкое применение в ракетной технике, в авиа-, автомобиле-, судо - и приборостроении.

Галлий. Представляет собой серебристо-белый металл, плавящийся в руке (температура плавления равна 29. 8 0С). Получают его как побочный продукт производства алюминия из бокситов и цинка из цинковых промышленных концентратов. Галлий реагирует с галогенами, серой, растворяется в кислотах и щелочах. Используется в качестве легирующей добавки полупроводников.

Индий. Очень мягкий металл (режется ножом), плавящийся при 156.4 0С. Получают его электролизом водных растворов солей индия и - как побочный продукт - из руд цинка. Он реагирует с металлами и серой, растворяется в кислотах. Индий используется также как добавка для легирования полупроводников.

Таллий. Таллий - мягкий, тяжелый металл серебристо-белого цвета. На воздухе быстро тускнеет из-за образования на своей поверхности оксидной пленки. Он достаточно медленно растворяется в серной и соляной кислотах. Следует помнить, что соединения таллия ядовиты. Получают таллий электролизом его солей и как побочный продукт из пирита и медистых сланцев.

16.3. Химические свойства бора и его основные соединения: гидриды (бораны), бориды, борный ангидрид, борные кислоты. Говоря о химических свойствах бора, остановимся лишь на некоторых его соединениях. Соединения бора с водородом, гидриды бора, называют также боранами. К ним относятся: газ В2Н6, жидкости В4Н10, В5Н9, В5Н11. В6Н10, а также твердое тело В10Н14 - самое стабильное соединение среди боранов. Химия соединений бора с водородом - бурно развивающаяся область неорганической химии. Получение все новых боранов - интересная научная задача, перспективная также и с практической точки зрения. Дело в том, что при сжигании боранов теплоты выделяется гораздо больше, чем в случае традиционных углеводородов. Так, сжигание 1 г диборана В2Н6 дает 73.2 кДж теплоты, а 1 г этана С2Н6 - только 31.4 кДж. В реакции с водой диборан дает (орто)борную кислоту и водород:

               В2Н6 + 6Н2О → 2Н3ВО3 + 6Н2↑.                                (16.1)

С азотом бор может образовывать две структурных модификации нитрида бора BN - кристаллическую и аморфную. Кристаллическая форма нитрида бора имеет кубическую решетку и характеризуется почти такой же плотностью и твердостью, что и алмаз. Аморфная форма нитрида бора по своим свойствам подобна графиту. Благодаря наличию слоистой структуры графитоподобный нитрид бора обладает хорошими смазочными свойствами и тоже проводит электрический ток. Обе формы нитрида бора получаются только искусственным путем. Возможность получения алмазоподобного нитрида бора появилась в 1957 году после отработки технологии получения искусственного алмаза из графита. Алмазоподобный нитрид бора получают, подвергая его графитоподобную модификацию действию высокого давления (до 50000 бар) и высокой температуры (до 2800 0С).