Использование металлов человеком

Введение
Историческая справка
«Великолепная семерка»
Применение электролиза для получения металлов
Строение металлов
Физические свойства металлов
Электропроводность алюминия
Строение атома, изотопы железа и алюминия
Химические свойства алюминия
Химические свойства железа
Сплавы металлов и их применение
Заключение
Список использованной литературы

Так как FeF3 нелетуч, железо устойчиво к действию фтора до температуры 200-300°C. При хлорировании железа (при температуре около 200°C) образуется летучий FeСl3. Если взаимодействие железа и брома протекает при комнатной температуре или при нагревании и повышенном давлении паров брома, то образуется FeBr3. При нагревании FeСl3 и, особенно, FeBr3 отщепляют галоген и превращаются в галогениды железа (II). При взаимодействии железа и иода образуется иодид Fe3I8.
2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3
При нагревании железо реагирует с азотом, образуя нитрид железа Fe3N, с фосфором, образуя фосфиды FeP, Fe2P и Fe3P, с углеродом, образуя карбид Fe3C, с кремнием, образуя несколько силицидов, например, FeSi.
6Fe + 3N2 = 2Fe3N
Fe + P = FeP
3Fe + C = Fe3C
Fe + Si = FeSi
При повышенном давлении металлическое железо реагирует с монооксидом углерода СО, причем образуется жидкий, при обычных условиях легко летучий пентакарбонил железа Fe(CO)5. Известны также карбонилы железа составов Fe2(CO)9 и Fe3(CO)12. Карбонилы железа служат исходными веществами при синтезе железоорганических соединений, в том числе и ферроцена состава [Fe(-C5H5)2].
Fe + 5CO = Fe(CO)5
Чистое металлическое железо устойчиво в воде и в разбавленных растворах щелочей. В концентрированной серной и азотной кислотах железо не растворяется, так как прочная оксидная пленка пассивирует его поверхность.
С соляной и разбавленной (приблизительно 20%-й) серной кислотами железо реагирует с образованием солей железа (II):
Fe + 2HCl = FeCl2 + H2
Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2
При взаимодействии железа с приблизительно 70%-й серной кислотой реакция протекает с образованием сульфата железа (III):
2Fe + 4H2SO4 = Fe2 (SO4)3 + SO2 + 4H2O
Оксид железа (II) FeО обладает основными свойствами, ему отвечает основание Fe(ОН)2.
Оксид железа (III) Fe2O3 слабо амфотерен, ему отвечает еще более слабое, чем Fe(ОН)2, основание Fe(ОН)3, которое реагирует с кислотами:
2Fe(ОН)3 + 3H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 6H2O
Гидроксид железа (III) Fe(ОН)3 проявляет слабо амфотерные свойства; он способен реагировать только с концентрированными растворами щелочей:
Fe(ОН)3 + КОН = К[Fe(ОН)4]
Образующиеся при этом гидроксокомплексы железа(III) устойчивы в сильно щелочных растворах. При разбавлении растворов водой они разрушаются, причем в осадок выпадает гидроксид железа (III) Fe(OH)3.
К[Fe(ОН)4] + H2O = Fe(ОН)3 + КОН + H2O
Соединения железа (III) в растворах восстанавливаются металлическим железом:
Fe + 2FeCl3 = 3FeCl2
При хранении водных растворов солей железа (II) наблюдается окисление железа (II) до железа (III):
4FeCl2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)Cl2
Из солей железа (II) в водных растворах устойчива соль Мора — двойной сульфат аммония и железа (II) (NH4)2Fe(SO4)2·6Н2О.
Железо (III) способно образовывать двойные сульфаты с однозарядными катионами типа квасцов, например, KFe(SO4)2 — железокалиевые квасцы, (NH4)Fe(SO4)2 — железоаммонийные квасцы и т.д.
При действии газообразного хлора или озона на щелочные растворы соединений железа (III) образуются соединения железа (VI) — ферраты, например, феррат (VI) калия: K2FeO4.
2К[Fe(ОН)4] + 3Cl2 + 8KOH = 2K2FeO4 + 6KCl + 8H2O
При подкислении растворы ферратов выделяют кислород, соотвествующая ферратам кислота не существует:
2K2FeO4 + 5H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 2К2SO4 + 3/2O2 + 5H2O
Имеются сообщения о получении под действием сильных окислителей соединений железа (VIII).
Для обнаружения в растворе соединений железа (III) используют качественную реакцию ионов Fe3+ с тиоцианат-ионами CNS–. При взаимодействии ионов Fe3+ с анионами CNS– образуется ярко-красный роданид железа Fe(CNS)3.
Другим реактивом на ионы Fe3+ служит гексацианоферрат (II) калия: K4[Fe(CN)6] (ранее это вещество называли желтой кровяной солью). При взаимодействии ионов Fe3+ и [Fe(CN)6]4– выпадает ярко-синий осадок.
Реактивом на ионы Fe2+ в растворе может служить раствор гексацианоферрат (III) калия K3[Fe(CN)6], ранее называвшегося красной кровяной солью.
При взаимодействии ионов Fe3+ и [Fe(CN)6]3– выпадает ярко-синий осадок такого же состава, как и в случае взаимодействия ионов Fe3+ и [Fe(CN)6]4–.
Сплавы металлов и их применение
Чистые металлы на практике для создания деталей машин, приборов и аппаратов применяются редко. Из немного более 80 известных металлов могут быть получены десятки тысяч сплавов. В последние дни стали доступными для производства сплавов тугоплавкие, переходные и редкие металлы. Развитие производства постепенно отодвинуло на второй план те металлы, которые раньше были в почете. Так произошла смена бронзы, железа, стали, чугуна, затем цветных и легких металлов.
Появление во второй половине прошлого века трех китов техники: атомной, электронной и реактивной (включая ракетостроение) – потребовало создание новых материалов.
Сплавы по некоторым показателям превосходят чистые металлы. Многие сплавы имеют большую прочность, коррозийную стойкость и твердость, чем металл, существуют сплавы с особыми физическими свойствами, например, магнитные, сплавы с высоким электрическим сопротивлением, сверхпроводимостью.
Чистая медь очень плохо поддается литью, а оловянная бронза обладает прекрасными литейными качествами, из нее отливают художественные изделия, требующие тонкой проработки деталей.
Чугун – сплав железа с углеродом находит применение как великолепный литейный материал.
Чистый алюминий – металл очень мягкий, но сплав алюминия с магнием, марганцем и медью, называемый дюралюминием, в 4 раза прочнее на разрыв.
Когда металлурга спрашивают, что такое сплав, обычно они дают общее определение сплав – соединение металла с одним или несколькими металлами или неметаллами. Порой они просят уточнить, о каком основном металле идет речь, какие металлы и неметаллы идут на приготовление сплава, поскольку в сплаве могут присутствовать разнородные соединение металлов с неметаллами, в том числе соединения химического типа. Например, сталь содержит соединение железа и углерода – карбид железа Fe3C, меди и алюминия - Al2Cu. Некоторые сплавы представляют собой просто механические смеси: железо-свинец состоит из смеси кристаллов железа и свинца, аналогично сплав висмут-кадмий. Наконец, два металла могут образовать новый вид кристаллов, такие смешанные кристаллы называют твердыми растворами.
В жидком состоянии большинство металлов растворяются друг в друге, образуя однородный жидкий сплав. При кристаллизации из расплавленного состояния различные металлы ведут себя по разному. Известны три основных случая:
1. В твердом состоянии сплавляемые металлы не растворяются и химически не взаимодействуют друг с другом. На микрошлифе видна отчетливая смесь микрокристаллов двух металлов.
2. Сплавляемые металлы взаимодействуют друг с другом.
3. Образуется твердый раствор (рис 10).
.
1 2 3
Рис.10. Типы структур сплавов
Твердые растворы бывают двух типов: замещения – например в решетке медного сплава некоторые атомы меди замещаются никелем, либо атомы легирующего элемента настолько малы, что им удается устроиться между атомами основной решетки. Так может внедряться водород в кристаллическую решетку железа.
Среди наиболее употребительных сплавов можно перечислить следующие сплавы металлов:
Наиболее известны и используются стали – сплав железа и углерода, содержащий еще фосфор, марганец, кремний, серу. Специальные стали имею в своем составе хром, никель, вольфрам, молибден и другие металлы. Легированием получают нержавеющую, кислотостойкую, жаростойкую, магнитную, немагнитную, с особыми тепловыми свойствами сталь.
Легированные стали делятся по своему назначению на конструкционные и инструментальные. Конструкционная сталь должна быть прочна, пластична. Делится еще на несколько подгрупп: по составу (углеродистые и легированные), назначению (пружинные, шарикоподшипниковые), методу обработки (цементируемые, улучшаемые). Инструментальные делятся на подгруппы по этому же принципу.
Прецизионные сплавы:
1. Магнитные славы состоят из железа-никеля, хрома, кобальта. Существуют стали, которые идут на изготовление магнитов, а существуют такие, которые идут на изготовление трансформаторов – трансформаторное железо.
Немагнитные сплавы создаются на основе титана: титан – молибден, титан – ниобий, титан – ванадий, титан – хром и т.д.
Области применение таких сплавов широки, охватывая все современные отрасли. Условия эксплуатации также необычные: низкие и высокие температуры, давления, вибрация.
2. Сплавы с заданным тепловым расширением, обычно требуются материалы, не меняющиеся с изменением температуры или меняющиеся одинаково с тугоплавким стеклом (для вакуумной техники). Это славы железа – хрома, железа платины, железа –никеля.
3. Сплавы с высокой упругостью используются в различных приборах, например волоски часовых механизмов, держатели в электронно-лучевых приборах, размыкатели в электротехнике. Основой являются сплавы железа –никель – хром с добавкой молибдена.

Сплавы меди:
Наиболее известны уже упоминавшиеся бронзы и латуни. Оловянные бронзы значительно более прочны, чем медь. ввиду высокой стоимости олова применение нашли безоловянные бронзы. Например, алюминиевые бронзы (5-11% алюминия) имеют некоторые технологические преимущества, кремниевые бронзы отличаются высокой электропроводностью и идут на изготовление телефонных проводов, лент, пружин, сеток. Бериллиевы бронзы отличаются необычными свойствами – их прочность возрастает в процессе эксплуатации, свинцовые бронзы используются для изготовления подшипников.
Известен еще ряд сплавов меди, например мельхиор – сплав меди и никеля. Используется для изготовления посуды, штампованных изделий, монет.
Сплавы алюминия и магния:
Алюминиевые сплавы характеризуются низкой плотностью (менее 3 г/см3), поэтому широко используются в авиации. Магниевые сплавы имеют еще меньшую плотность (около 1.8 г/см3).
Легкоплавкие сплавы:
Висмут, олово, свинец, кадмий, индий, галлий способны образовывать сплавы с низкой точкой плавления. Температура плавления таких сплавов ниже, чем у исходных компонентов. например сплав Вуда (олово, свинец, висмут, кадмий) плавится при 680С, индий и галлий образую сплав, плавящийся при 150С.
Сплавы титана:
Особый интерес представляют сплавы на основе титана, они незаменимы в авиастроении, отличаясь комплексом свойств: прочностью, пластичностью, жаростойкостью, противостоянию коррозии. Титановые сплавы ненамного тяжелее алюминия, но их прочность превосходит алюминиевые в 10 раз. Они выдерживают высокие температуры до 8000С. Для повышения прочности титановых изделий, их легируют марганцем, алюминием, хромо, железом, ванадием, молибденом.
Сплав титана с танталом (5% тантала) заменяет дорогостоящий тантал при изготовлении химических аппаратов, работающих в сильноагрессивных средах.
Металлы и сплавы атомной энергетики:
В ядерной энергетике к сплавам предъявляют особые требования, металлы под действием облучения меняют свои свойства. Для атомной энергетики требуются материалы, поглощающие нейтроны: бор, гафний, кадмий, так и малопоглощаюшие нейтроны – цирконий, бериллий, магний. В качестве ядерного горючего используют уран 235, 238 и плутоний 239. Уран в процессе эксплуатации ядерного реактора трескается. Для предотвращения этого в нему добавляют молибден, под действием радиации свойства сплава не только не ухудшаются, но даже улучшаются.

Заключение
Очевидно, что применение металлов в технике не будет сокращаться, по мере замены их на другие конструкционные материалы. Например, все более широкое применение в сплавах находят лантаноиды, небольшие добавки церия к стали увеличиваю ее стойкость в условиях арктических морозов. Интенсивные исследования ведутся в поиске новых сверхпроводящих сплавов. Создан ряд сплавов, обладающих памятью. Предпринимаются попытки получить сплавы, прозрачные для света, найти материалы, изменяющие свойства от нагрузки и т.д.
Велик интерес к получению монокристаллов особочистых металлов, обладающих рядом уникальных свойств.
В мире сплавов совершается скачок к новым конструкционным материалам – композиционным, состоящим из металла, полимера или керамики, упрочненного волокнами металлов или сплавов, нитевидными кристаллами и мелкодисперсными частицами.
По мере истощения месторождений металлических руд будут открываться новые месторождения, а также будет совершенствоваться технология добычи металлов из бедных руд и отвалов.

Список использованной литературы
1. Азимов А., Краткая история химии, - М.: Мир, 1983
2. Беккерт М. Мир металла, - М.: Мир, 1980
3. Браун Т., Лемей Г.Ю. Химия в центре наук, - М.: Мир, 1983, ч.1 и ч.2
4. Венецкий С. От костра до плазмы, - М.: Знание, 1986
5. Глинка Н.Л. Общая химия, - М.: Интеграл-Пресс, 2002
6. Лопатто Ю.С. Железо, - М.: Знание, 1962
7. Некрасов Б.В. Курс общей химии, - М.: Госхимиздат, 1954
8. Популярная библиотека химических элементов / отв. ред. И.В.Петросянов- Соколов, - М.:Наука 1983, т.1.и т.2
9. Реми Г. Курс неорганической химии, - М. :Мир, 1974, т.1 и т.2
10. Слейбо У., Персонс Т. Общая химия, - М.: Мир, 1979
11. Фадеев Г.Н., Сычев А.П. Мир металлов и сплавов, - М.: Просвещение, 1978
Беккерт М. Мир металла. – М.:Мир, 1980, стр. 144.
Краткая химическая энциклопедия, М.: Советская энциклопедия, т. 3, 1964 г., стр.168.
Популярная библиотека химических элементов, кН. 2, М.: Наука. – 1983, стр. 192, 196.
Фадеев Г.Н., Сычев. А.П. Мир металлов и сплавов, М.: Просвещение, 1978, стр.5.
Азимов А. Краткая история химии М.: Мир, 1983, стр.10.
Бекерт, М., стр. 14.
Азимов А., стр.12
Беккерт, М., стр. 16
Венецкий С., От костра до плазмы, М.: Знание, 1986, стр.18.
там же, стр. 19.
Популярная библиотека химических элементов / под. ред. Петроянова-Соколова И.В., кн.1., М.: Наука, 1983 г.. стр. 197
Энциклопедия для детей, т. 17. Химия / глав. ред. В.А.Володин, - М.:Аванта+, 2001, стр.201.
Фадеев Г.Н., стр. 11.
Бекерт М., стр. 23.
Лопатто Ю.С. Железо,М.: Знание, 1962, стр.22.
Венецкий С., стр.36.
Браун Т,, Лемей Г.Ю. Химия в центре наук, М.: Мир, 1983, т. 2, стр. 225.
Уткин Н.И. Металлургия цветных металлов, М.:Металлургия, 1985, стр. 348.
Глинка Н.Л. Общая химия, М.: Интеграл-Пресс, 2002, стр.319.
Слейбо У., Персонс Т., Общая химия, М.:мир, 1979, стр.
Беккерт М., стр. 49.
Фадеев Г.Н., стр.31.
Глинка Н.Л., стр. 404
Браун Т., Лемей Г.Ю., стр. 361.
Браун Т., Лемей Г.Ю., стр. 362.
Беккерт М., стр.128.
Фадеев Г.Н., стр.50.
Бекерт М., стр.118.
Популярная библиотека химических элементов, кн. 1, стр.184.
Краткая химическая энциклопедия, М.: Советская энциклопедия, 1961, т.1, стр.147.
Популярная библиотека химических элементов, кн. 1, стр.343.
Реми Г., Курс органической химии. М.: И-во Иностранной литературы, 1963, т.1, стр.386 - 404
Реми Г., т.2, стр. 267-288.
Фадеев Г.Н.. стр. 144
Беккерт М., стр. 68.
Глинка Н.Л., стр. 346
Фадеев Г.Н., стр. 152-166.
2