A fémek a leggyakoribb anyagok, amelyekkel az ember létfontosságú szükségleteit elégíti ki. Ma az emberiség a fémek korát éli, és minden iparág, tudomány, kultúra és emberi élet fejlődése elképzelhetetlen gépek, mechanizmusok, műszerek és egyéb fémtermékek nélkül.
Az ember átmenete a kőhasználatról (kőkorszak) a fémre hosszú és összetett volt. Nem a társadalom fejlődésében bekövetkezett forradalmi ugrás eredményeként jött létre, hanem a fémek hosszú időn keresztül fokozatosan bekerültek az ember mindennapjaiba. Az első fém, amely belépett a mindennapi életbe, a réz volt, amely megnyitotta a kohászat korszakát, és megadta a világnak az első ötvözetet - a bronzot. Régészeti adatok szerint a rézolvasztással kapcsolatos első információk 6500-5700 évre nyúlnak vissza. IDŐSZÁMÍTÁSUNK ELŐTT. Évezredeken át ez volt az anyagi kultúra alapja, és a rézkor fokozatosan átment a bronzkorba.
A kohászat következő szakasza a vas használata volt (vaskor), és kezdetét a Krisztus előtti második évezrednek tulajdonítják. A tiszta vas és ötvözeteinek beszerzése a réz, bronz, arany és más alacsony olvadáspontú fémek és ötvözetek olvasztása terén felhalmozott tapasztalatnak köszönhetően vált lehetővé. A vasgyártás fejlődése erőteljes lendületet adott a termelőerők és a technikai haladás fejlődésének. Az ókorban nyolc fémet ismert az ember: réz, arany, ezüst, ón, ólom, vas, higany és antimon. A XVIII. század végére. számuk 20-ra nőtt, jelenleg mintegy 80 fémet állítanak elő és használnak fel.
A földkéreg elemeinek bősége eltérő – néhány százaléktól a milliomod részig. A tíz leggyakoribb elem össztartalma (oxigén - 47,00; szilícium - 29,50; alumínium - 8,05; vas - 4,65, kalcium - 2,96; nátrium - 2,50; kálium - 2,50; magnézium - 1,87; titán - 0,405; 5 hidrogén) a földkéreg tömegének 99,63%-át teszi ki, és az összes többi elem csak a föld teljes tömegének 0,37%-át teszi ki. Egyes jól ismert fémek földkéregben való elterjedtségéről képet adnak a clark értékei, pl. a földkéreg tartalmának számtani középértéke, amelyeket az alábbiakban adunk meg (%):
A természetben a legritkább a polónium és az aktínium, amelyekben a clarke megközelíti a 10-15%-ot.
Egy fém műszaki jelentőségét a természetben való elterjedtsége, igénye határozza meg nemzetgazdaságés gyártási képességei. Az utolsó két tényező határozza meg bizonyos típusú fémek gyártási méretét. A fémgyártás során a kibocsátás mintegy 95%-a (körülbelül 800 millió tonna) öntöttvas és acél, amelyek vas ötvözetei szénnel és egyéb ötvöző komponensekkel. A főbb színesfémek éves termelése szinten van (millió tonna .): alumínium 23–24; réz 10–11; nikkel 0,5–0,7; vezetés 4–5; cink 5–6; magnézium 0,2–0,3; ón 0,20–0,25; molibdén 0,14–0,15; titán kb 0,1.
A fémek ércekből és más típusú fémtartalmú nyersanyagokból történő előállítását a kohászat, a nehézipar legnagyobb ága végzi. A kohászat a bányászat és a kohászati termelés központi láncszeme, beleértve a geológiát, a bányászatot, a dúsítást, magát a kohászatot, az öntödei termelést és a különféle módszerekkel (nyomás, hőmérséklet, mechanikai módszerek stb.) történő fémfeldolgozást. A kohászat a kémiai technológiák elvein alapul, hiszen a kohászati folyamatok megvalósítása során a feldolgozott anyagok különféle fizikai és kémiai átalakulásokon mennek keresztül. Ezért a kohászat szorosan összefügg a fizikával, a kémiával, és különösen a fizikai kémiával, amely az elméleti és gyakorlati kohászat tudományos alapja. Az elmúlt években a kohászat és a matematika és a számítástechnika közötti kapcsolat egyre erősödött.
Az orosz kohászati ipar jelenleg a D.I. periódusos rendszerének 78 elemét állítja elő. Mengyelejev és különböző fajták műtrágyák, építőanyagok, kénsav és kén, cement és sok más termék. Az orosz kohászat az anyagtermelés fejlett ága. Az oroszországi bányászat fejlődése szempontjából különösen fontosak voltak M. V. munkái. Lomonoszov, D.I. Mengyelejev, valamint a vasfémek előállításának főbb szakemberei P.P. Anosova, D.K. Chernova, N.N. Beketova, I.P. Bardin és még sokan mások. A hazai színesfémkohászat fejlődéséhez felbecsülhetetlen értékű hozzájárulást tett az A.A. Bajkov, NS. Kurnakov, P.P. Fedotjev, V.A. Vanyukov, AI. Beljajev, I. F. Khudyakov, AN Volszkij és mások.
A legtöbb fémnek számos olyan tulajdonsága van, amelyek általános jellegűek, és különböznek más egyszerű vagy összetett vegyületek tulajdonságaitól. Ilyen tulajdonság a legtöbb fém viszonylag magas olvadáspontja, a fényvisszaverő képesség, a magas hő- és elektromos vezetőképesség, valamint a gördülési képesség. Ezeket a tulajdonságokat a fémekben található speciális kötés - fémes - magyarázza.
évi rendeletnek megfelelően periodikus rendszer a fématomok kevés vegyértékelektronnal és sok üres pályával rendelkeznek. Ezenkívül a vegyértékelektronok meglehetősen gyengén kötődnek az atommagjukhoz, és ezért nagy mozgásszabadsággal rendelkeznek a fém kristályrácsában. A fémes állapot általános képe a következő formában ábrázolható. Egy fém kristályrácsának csomópontjait egyes atomok és ionok egyaránt elfoglalják, amelyek között az elektronok viszonylag szabadon mozognak, néha elektrongáznak is nevezik (1. ábra).
Rizs. 1. ábra Az atomok, ionok és elektronok elrendezésének vázlata fémek kristályrácsaiban: 1 – atomok; 2 - ionok; 3 - elektronok Mivel a vegyértékelektronok szinte egyenletesen oszlanak el egy fémkristályban, lehetetlen a fémes kötések irányultságáról beszélni. Ez a fontos különbségük a kovalens kötésektől, amelyek szigorú térbeli orientációval rendelkeznek. A fémes kötés erősségében is különbözik a kovalens kötéstől: energiája 3-4-szer kisebb, mint a kovalens kötésé. A mozgó elektronok fémkristályban való megléte magyarázza jellemző tulajdonságaikat (elektromos vezetőképesség, hővezetőképesség).
A fémes kötés egyfajta nem irányított kovalens kémiai kötésként definiálható, amikor az atomoknak kevés vegyértékelektronja van, sok szabad pályája van, és a vegyértékelektronokat gyengén tartja vissza az atommag.
A fémek tehát kémiai elemek, amelyek kristályrácsai atomokból és ionokból állnak, az atommagok közötti térben pedig az elektronok szabadon mozognak. Az atomok közötti kötések kovalensek, az ionok és az elektronok közötti kötések fémesek.
Az atomok folyamatosan elektronokat veszítenek, ionokká alakulnak, az utóbbiak pedig elfogadják őket, atomokká válva. A kristályrácsban véletlenszerűen vándorló elektronok száma a gázmolekulákhoz hasonlóan különböző fémeknél eltérő, ez határozza meg a fémes kötés arányát és az elem fémességének mértékét.
A kristályrács fogalma - "szabadon vándorló elektronok felhőjébe merülve" - először 1902-ben fogalmazódott meg, mostanra kiegészült, és kissé módosított értelmezést kapott; azonban még eredeti leegyszerűsített formájában is jól magyarázza a fémek nagy elektromos vezetőképességét, hővezető képességét és hőkibocsátását.
A kölcsönös vonzás és taszítás erői hatnak a kristályrács csomópontjaiban lévő atomokra és ionokra. Az ionok és atomok rezgési amplitúdója a hőmérséklettől függ, és ezzel együtt nő. Az olvadásponton az oszcillációs amplitúdók olyan nagyok, hogy a rács tönkremegy: az atomok és ionok elvesztik állandó helyüket, és véletlenszerű mozgásba mennek, ami a folyékony halmazállapotra jellemző. Az ionok és elektronok közötti kötést fémesnek, az atomok közötti kötést kovalensnek nevezzük. A vándorló elektronok száma az ilyen típusú kémiai kötések arányától függ. Minél nagyobb ez a szám, annál hangsúlyosabbak az elemek fémes tulajdonságai.
A fémes kötés erőssége megmagyarázza a fémek számos fizikai és mechanikai tulajdonságát.
A fémet érő külső mechanikai hatások eltolódást okoznak a kristályrács rétegeiben, azonban az ionok és elektronok közötti kötés az elektronok szabad mobilitása miatt nem sérül. Emiatt a fémek erősek és képlékenyek, változtatják alakjukat, de nem veszítenek erőből. A rézben és az aranyban sok szabad elektron van, a fémes kötés dominál a kovalens kötéssel szemben - ezek a fémek műanyagok, kovácsolt, kötött fémek. Az antimonnak és a bizmutnak viszonylag kevés szabad elektronja van, ezért törékenyek.
A leggyakoribb színesfémek fizikai és mechanikai tulajdonságait megadjuk (1. táblázat).
Asztal 1 Az elektromos vezetőképesség, a „szocializált” elektronok kristályrácsának terében való mozgásból adódóan, nyilván függ mozgásuk szabadságától – az atomok helyes elrendezésétől, hőrezgéseik amplitúdójától és frekvenciájától. Valójában a hőmérséklet növekedésével a rácshelyek oszcillációinak amplitúdója nő, az elektronok szóródása nő, és az elektromos vezetőképesség csökken; hűtéssel ismét növekszik. Az abszolút nullához közeli hőmérsékleten egyes fémek és ötvözetek elektromos ellenállása eltűnően kicsivé válik. A nagyon alacsony hőmérséklet szükségessége még mindig gátolja ennek az értékes és érdekes jelenségnek a gyakorlati felhasználását. A nióbium, alumínium és germánium ötvözetében a 20. század közepén felfedezett szupravezetés mínusz 253 °C-on ritka jelenség. Egy másik ilyen "magas hőmérsékletű" szupravezető a nióbium és gallium ötvözete.
Más elemek kis szennyeződéseinek jelenléte is csökkenti az elektromos vezetőképességet: megzavarva a rácsban a rendet, szétszórják az elektronokat. Az elektronokat a külső mechanikai hatás – kovácsolással, hengerléssel vagy más hasonló megmunkálás által okozott deformáció – következtében elmozduló atomok is szétszórják.
A hővezető képesség szinte mindig változik a hőmérséklettel, mint az elektromos vezetőképesség – a leginkább elektromosan vezető fémek jól vezetik a hőt, a viszonylag nagy elektromos ellenállásúak pedig rosszabbul. A hővezető képesség mind a rácsban lévő atomok rezgésével, mind a szabad elektronok mozgásával kapcsolatos. Úgy tűnik, hogy az utóbbi az uralkodó.
A mechanikai tulajdonságok - szakítószilárdság, nyomószilárdság, hajlítás, keménység és plaszticitás - nem csak a fémes kötéssel magyarázhatók, hanem a fémek kristályszerkezetének sajátosságaival is, amelyek többnyire nagy koordinátaszámú szorosan egymásra épülő térrácsokkal rendelkeznek. Ezek közül a legjellemzőbbek láthatók (2. ábra), amelyek csak az atomi centrumok elrendezésének diagramjaként értelmezhetők. A valóságban a hagyományosan gömbként ábrázolt atomok sűrűn vannak felrakva, és csak a térfogat 70%-át foglalják el (lásd 2d, 1. ábra).
Rizs. 2. Fémek tipikus kristályrácsai és szerkezeti hibák: Sok fém folyékony vagy szilárd halmazállapotban kölcsönösen oldódik, vagy kémiai intermetallikus vegyületeket képez egymással, aminek következtében más kristályos rendszerek keletkeznek, és a tulajdonságok nagymértékben megváltoznak. Ez körülbelülötvözetekről, amelyek lehetőséget nyitnak új, különleges tulajdonságokkal rendelkező, értékes anyagok beszerzésére. Már több ezer bináris, hármas és összetettebb ötvözetet használnak, amelyeket nem csak folyékony fémek keverésével, hanem porok szinterezésével vagy bármely elem feloldásával is nyernek egy szilárd fém (ötvözet) felületi rétegében.
A rugalmas és képlékeny deformáció képessége, a magas elektromos és hővezető képesség, valamint néhány más tulajdonság olyan tulajdonságokat alkot, amelyek nem jellemzőek más szilárd anyagokra - fa, kő, műanyagok. Ez magyarázza a fémek és ötvözetek vitathatatlan elismerését a modern technológia legfontosabb anyagaiként.
M. V. Lomonoszov a fémeket "... kovácsolható könnyű testekként" határozta meg. Napjainkban amellett, hogy ezt kiegészítjük a magas elektromos és hővezető képesség jeleivel, meg kell jegyezni, hogy számos tulajdonság függ a tisztaságtól és a mechanikai feldolgozástól. Ugyanaz a fém lehet képlékeny és törékeny is. A valódi kristályokban mindig vannak különféle hibák, amelyek miatt a mechanikai és egyéb fizikai tulajdonságok nem tulajdoníthatók csak a fémes kötés és a kristályrács sajátosságainak.
Ponthibák – kitöltetlen rácshelyek, üres helyek (lásd 2. ábra), valamint szennyező atomok által elfoglalt helyek – az olvadékból történő kristályosodás során jelennek meg. Lineáris és lapos hibák - diszlokációk kristályosodás során vagy mechanikai feldolgozás eredményeként is keletkeznek hiányos atomrétegek vagy kölcsönös elmozdulásuk, néha átlapolás formájában.
Az 1 cm 2 fém- vagy ötvözetfelületre jutó hibák teljes száma gyakran meghaladja a 10 6-ot. A ponthibák elsősorban az elektromos és hővezető képességet, míg mások a mechanikai tulajdonságokat is csökkentik.
A közönséges fémek és ötvözetek polikristályosak, véletlenszerűen orientált szemcsékből állnak. az egyes szemcsékben az elemi kristályok azonos orientációjúak, míg a szomszédos szemcsékben eltérő, esetenként nagy szögben helyezkednek el (3. ábra). A szemcsehatárokon felhalmozódnak a szennyeződések, és gázüregek keletkeznek. A fizikai tulajdonságok csökkentése mellett alacsonyabb a korrózióállóság is.
Rizs. 3. Nagy szögben elhelyezkedő fémszemcsehatárok Csökkenti a szilárdságot, ha a kristályrétegek a diszlokációk iránya mentén eltolódnak, vagy a szemcsehatárokon megtörik. A szilárdság bizonyos mértékig megnövekszik az izzítás - melegítés és lassú hűtés után, amikor a diffúzió következtében a diszlokációk részben megszűnnek, és a szemcsék finomabbá válnak.
A megmunkálás néha a diszlokációk összegabalyodásával járó keményedést okoz. A jelentős keményedés másik oka, amelyet a képlékenység csökkenése és a ridegség megjelenése kísér, idegen oldhatatlan fázisok, például vas-karbid F 3 C az acélban vagy oxidok és nitridek a titánban, volfrámban, molibdénben való megjelenésével vagy bejutásával jár. . Ezen vegyületek szemcséi megakadályozzák a fémrétegek kölcsönös elmozdulását. A fémek szennyeződésektől való tisztítása általában jelentősen javítja a hajlékonyságot és megkönnyíti a feldolgozást.
A folyékony fémek abban különböznek a szilárd fémektől, hogy az atomok és ionok között viszonylag kis kötés kötődik, de az elektronok mozgásszabadsága itt is megmarad, ezért elektromosan és hővezetőként is vezetnek.
Ugyanaz a fém különböző hőmérsékleteken különböző kristályrácsokkal rendelkezhet. Az egyik rendszerből a másikba való átmenet megváltoztatja a csomópontok távolságát és elhelyezkedésüket, ez az átmenet jelentősen befolyásolja a polimorf módosulások tulajdonságait. Például az ón, amelyet közönséges hőmérsékleten a tetragonális rendszer 7,29 g / cm 3 sűrűségű (β - módosítás) képlékeny, fényes fémeként ismernek, 13,2 ° C alatti hőmérsékleten és különösen gyors túlhűtéssel szürkévé válik. por, köbös rendszerbe kristályosodik, sűrűsége 5,85 g / cm 3 (α - módosítás). Hasonló átalakulások sok más elemre is jellemzőek.
A fémek kémiai aktivitása az elektrokémiai feszültségsorokban elfoglalt pozícióval jellemezhető, ahol a fémek a normál elektrokémiai vagy elektródpotenciálok növekedésének sorrendjében helyezkednek el. Minél nagyobb a normál elektródpotenciál algebrai értéke, annál kisebb a fém redukáló képessége és kémiai aktivitása. Feszültségek sorozatában minden fém képes kiszorítani a tőle jobbra lévő fémeket a vizes oldatokból és a sóolvadékból.
A negatív elektrokémiai potenciállal rendelkező fémek könnyen oxidálódnak, ezért a természetben csak kémiai vegyületek formájában találhatók meg: oxidok, halogenidek, valamint szulfidok, szilikátok és egyéb sók. A potenciál növekedésével és ezzel a kémiai aktivitás csökkenésével a fémek szabad állapota egyre stabilabbá válik. Például a réz, az ezüst és a higany a természetben nemcsak sók formájában, hanem szabad állapotban is megtalálható, míg az arany és a platina túlnyomórészt szabad állapotban. Az elektródpotenciálok és a fémek egyes tulajdonságai közötti kapcsolat látható (2. táblázat).
A fémeket kémiai elemekként jellemezve meg kell jegyezni, hogy D. I. Mengyelejev Periodikus rendszere nem különbözteti meg egyértelműen őket a metalloidoktól és a nemfémektől. Ez természetes: minden elem fémes és metalloid tulajdonságú dielektromos egység, amelynek ellentmondásossága nem szűnik meg a magtöltés és az elektronhéjak számának növekedésével.
A hidrogén, a nemesgázok, a halogének, a VI. csoportba tartozó elemek - oxigén, kén, szelén, tellúr és polónium, valamint a bór, a szén, a nitrogén, a szilícium és a foszfor könnyen felismerhető nemfémként. Ezek mindegyike nem adja meg a fémekre jellemző bázikus oxidokat és hidroxidokat. Más elemek mellett azonban egyesek amfoter hidroxidot is tartalmaznak. Különösen az olyan nyilvánvalónak tűnő fémekben, mint a cink és az alumínium, az oxidok savas és bázikus tulajdonságokkal is rendelkeznek.
A fémek kristályrácsain be általános eset fent említettük, és a legtöbb kémiai elem esetében feltételesen a táblázatban láthatók. 4. A kristályszerkezetek különbsége azonban szintén nem ad alapot a számunkra érdekes elemek felosztására. A higany és a bizmut, amelyeket általában fémnek tartanak, a rombuszrendszerben kristályosodik ki, ami szokatlan a többi fém esetében, míg az indium és az ón a tetragonális rendszerben kristályosodik ki.
A legegyértelműbb feltételes határ a fémek és a metalloidok között az elektromos vezetőképesség vagy annak reciprok, az elektromos ellenállás összehasonlításával húzható meg. Egy nyilvánvaló fémnél - nikkelnél az elektromos ellenállás 6,8∙10-6 (Ohm∙cm), a szénmetalloid esetében pedig csak a grafit módosítása esetén 1375∙10-6 (Ohm∙cm) ).
Erre a tulajdonságra összpontosítva 80 elemet kell a fémekhez, 23-at pedig nem fémekhez és metalloidokhoz rendelni.
Továbbá, a kohászat területét a földkérget alkotó elemekre korlátozva, a franciumot, a technéciumot, a prométiumot, valamint az aktinidákat, kezdve az americiummal, ki kell zárni nyolcvanból, és a fémek végső számát egyenlőnek kell meghatározni. 68-ra (3. táblázat).
3. táblázat Az alapanyag-felhasználás komplexitásának vágya, valamint az ötvözetek, gyakran fémeket is tartalmazó elterjedt gyártása kapcsán olyan hagyományok alakultak ki, amelyek szerint a szilíciumot, germániumot, esetenként szelént és tellúrt is kivonnak a kohászati termelésből. nyersanyagokat, néha helytelenül a fémek közé sorolják. Ezzel együtt egy tipikus fémet, a nátriumot kap a vegyipar; ez a kémia és a kohászat szoros kapcsolatát mutatja. Korábban a kohászatot a vegyi technológiától az olvadékok túlnyomó használata különböztette meg magas hőmérsékletek, mára ez a tulajdonság egyre inkább elvész: a tűzpirometallurgiával együtt megnő a hidrometallurgia jelentősége, amely reagensek vizes oldataival történő kilúgozással vonja ki a fémeket az ércekből, majd ezt követi a redukció elektrolízissel vagy cementálással.
A szorpciót, extrakciót, kicsapást, koprecipitációt és egyéb kémiai feldolgozási módszereket az oldott anyagok elválasztásának és koncentrálásának közbenső lépéseiként alkalmazzák.
Hazánkban a legintenzívebb iparosodás időszakában hagyományosan kialakított fémipari osztályozásnak nincs egyértelmű tudományos alapja, de a szakirodalomban és a mindennapi életben széles körben alkalmazzák. Ennek első alapja, amelyet néhány más országban elfogadnak, a vas és más fémek előállítási méreteinek éles különbsége. A kohászati termékek teljes tömegében a vasötvözetek körülbelül 93% -ot foglalnak el. Ezért vannak "vas fémek" (vas és ötvözetei - öntöttvas és acél) és egyéb "nem vas".
Hazánkban ennek felelnek meg a vas- és színesfémek feltételesen elfogadott elnevezései. A színesfémeket néhány közös jellemző szerint a 3. és 4. táblázatban felsorolt csoportokra és alcsoportokra osztják fel.
A fenti besorolásban még a csoportnevek elve sem érvényesül. Tehát a múlt század végén az alumínium ritka fémnek számított, és most a gyártás és a fogyasztás tekintetében az első helyen áll a színesfémek között. A titánnal kapcsolatos probléma nem oldódott meg véglegesen, mivel egyes kohászok a tűzálló ritka fémeknek, míg mások a könnyűfémeknek tulajdonítják. Ezért a különböző kohászok, különböző álláspontokhoz ragaszkodva, az egyes fémeket különböző csoportokhoz rendelik.
Meghatározás
A természetben lenni
Fém tulajdonságai
A fémek jellemző tulajdonságai
A fémek fizikai tulajdonságai
A fémek kémiai tulajdonságai
Mikroszkópos szerkezet
alkálifémek
Az alkálifémek általános jellemzői
Az alkálifémek kémiai tulajdonságai
Alkáli fémek beszerzése
Hidroxidok
Karbonátok
Rubídium
alkáliföldfémek
Kalcium
Stroncium
átmeneti fémek
Átmeneti elemek általános jellemzői
Alumínium
Egyéb fémek
Fémek alkalmazása
Építőanyagok
Elektromos anyagok
Szerszám anyagok
Kohászat
Sztori
Bányászati kohászat
A fém az(a név a latin metallum - bányából származik) - jellegzetes fémes tulajdonságokkal rendelkező elemek csoportja, mint például magas hő- és elektromos vezetőképesség, pozitív hőmérsékleti ellenállási együttható, nagy képlékenység stb. Az összes kémiai elem körülbelül 70%-a fémekhez tartozik. .
A természetben lenni
A legtöbb fém ércek és vegyületek formájában van jelen a természetben. Oxidokat, szulfidokat, karbonátokat és egyéb kémiai vegyületeket képeznek. A tiszta fémek előállításához és további felhasználásához el kell választani őket az ércektől és tisztítást kell végezni. Szükség esetén a fémek ötvözését és egyéb feldolgozását végezzük. Ennek tanulmányozása a kohászat tudománya. A kohászat megkülönbözteti a vasfémérceket (vas alapú) és a színesfémérceket (a vas nem szerepel összetételükben, csak körülbelül 70 elem). Az arany, az ezüst és a platina szintén nemesfémek. Emellett kis mennyiségben jelen vannak a tengervízben, növényekben, élő szervezetekben (miközben fontos szerepet töltenek be).
Ismeretes, hogy az emberi test 3%-a fémekből áll. Sejtjeinkben a legtöbb kalcium és nátrium található, amelyek a nyirokrendszerben koncentrálódnak. A magnézium az izmokban és az idegrendszerben, a réz - a májban, a vas - a vérben halmozódik fel.
Fém tulajdonságai
A fémek jellemző tulajdonságai
Fémes csillogás (kivéve a grafit formájában lévő jódot és szenet. Fémes csillogásuk ellenére a kristályos jód és a grafit nem fémek.)
Jó elektromos vezetőképesség (a szén kivételével)
Könnyű megmunkálási lehetőség.
Nagy sűrűség (általában a fémek nehezebbek, mint a nemfémek.)
Magas olvadáspont (kivétel: higany, gallium és alkálifémek.)
Nagy hővezető képesség
A reakciókban mindig redukálószerek.
A fémek fizikai tulajdonságai
Minden fém (kivéve a higanyt és feltételesen Franciaországot) normál körülmények között szilárd állapotban van, de eltérő keménységűek. Tehát az alkálifémek könnyen vághatók konyhakéssel, és az olyan fémek, mint a vanádium, a wolfram és a króm, könnyen megkarcolják a legkeményebb acélt és üveget. Az alábbiakban néhány fém keménysége látható a Mohs-skálán.
Az olvadáspont -39°C (higany) és 3410°C (volfrám) között van. A legtöbb fém olvadáspontja (a lúgok kivételével) magas, de néhány "normál" fém, például az ón és az ólom hagyományos elektromos vagy gáztűzhelyen megolvasztható.
A sűrűségtől függően a fémeket könnyű (sűrűség 0,53 ÷ 5 g/cm³) és nehéz (5 ÷ 22,5 g/cm³) csoportokra osztják. A legkönnyebb fém a lítium (sűrűsége 0,53 g/cm³). Jelenleg lehetetlen megnevezni a legnehezebb fémet, mivel az ozmium és az irídium - a két legnehezebb fém - sűrűsége közel azonos (kb. 22,6 g / cm³ - pontosan kétszerese az ólom sűrűségének), és rendkívül nehéz pontosan kiszámítani. sűrűség: ehhez teljesen tiszta fémekre van szükség, mert az esetleges szennyeződések csökkentik a sűrűségüket.
A legtöbb fém képlékeny, ami azt jelenti, hogy a fémhuzal törés nélkül hajlítható. Ez annak köszönhető, hogy a fématomok rétegei elmozdulnak anélkül, hogy a köztük lévő kötés megszakadna. A legtöbb műanyag az arany, ezüst és réz. Az aranyból 0,003 mm vastagságú fólia készíthető, amelyet a termékek aranyozására használnak. Azonban nem minden fém műanyag. A cink- vagy ónhuzal megroppan, ha meghajlik; a mangán és a bizmut egyáltalán nem hajlik meg a deformáció során, hanem azonnal eltörik. A plaszticitás a fém tisztaságától is függ; Így a nagyon tiszta króm nagyon képlékeny, de még kisebb szennyeződésekkel szennyezve törékennyé és keményebbé válik.
Minden fém jól vezeti az elektromosságot; ez annak köszönhető, hogy kristályrácsaikban elektromos tér hatására mozgó elektronok vannak. Az ezüst, a réz és az alumínium rendelkezik a legmagasabb elektromos vezetőképességgel; emiatt leggyakrabban az utolsó két fémet használják huzalok anyagaként. A nátriumnak nagyon magas az elektromos vezetőképessége is; ismertek a nátriumvezetők nátriummal töltött vékonyfalú, rozsdamentes acélcsövek formájában történő alkalmazása kísérleti berendezésekben. A nátrium alacsony fajsúlya miatt azonos ellenállás mellett a nátrium "huzalok" sokkal könnyebbek, mint a réz, sőt valamivel könnyebbek az alumíniumnál.
A fémek nagy hővezető képessége a szabad elektronok mobilitásától is függ. Ezért a hővezető képességek sorozata hasonló az elektromos vezetőképességek sorozatához és a legjobb útmutató a hő, mint az elektromosság, ezüst. A nátriumot jó hővezetőként is használják; Széles körben ismert például a nátrium felhasználása az autómotorok szelepeiben a hűtés javítására.
A fémek sima felülete a fény nagy százalékát visszaveri – ezt a jelenséget fémes csillogásnak nevezik. Porított állapotban azonban a legtöbb fém elveszíti fényét; az alumínium és a magnézium azonban porban megőrzi ragyogását. Az alumínium, az ezüst és a palládium tükrözi vissza a legjobban a fényt - a tükrök ezekből a fémekből készülnek. A ródiumot időnként tükrök készítésére is használják, annak ellenére, hogy rendkívül magas ára: az ezüstnél vagy akár a palládiumnál jóval nagyobb keménysége és vegyszerállósága miatt a ródiumréteg sokkal vékonyabb lehet, mint az ezüst.
A legtöbb fém színe megközelítőleg azonos - világosszürke, kékes árnyalattal. Az arany, a réz és a cézium sárga, vörös és világos sárga.
A fémek kémiai tulajdonságai
A külső elektronrétegen a legtöbb fémnek kevés elektronja van (1-3), így a legtöbb reakcióban redukálószerként működnek (vagyis „kiadják” az elektronjaikat)
1. Reakciók egyszerű anyagokkal
Az arany és a platina kivételével minden fém reagál oxigénnel. Az ezüsttel való reakció magas hőmérsékleten megy végbe, de ezüst(II)-oxid gyakorlatilag nem képződik, mivel termikusan instabil. A fémtől függően a kimenet oxidok, peroxidok, szuperoxidok lehetnek:
4Li + O2 = 2Li2O lítium-oxid
2Na + O2 = Na2O2 nátrium-peroxid
K + O2 = KO2 kálium-szuperoxid
A peroxidból oxid előállításához a peroxidot fémmel redukálják:
Na2O2 + 2Na = 2Na2O
Közepes és alacsony aktivitású fémekkel a reakció hevítéskor megy végbe:
3Fe + 2O2 = Fe3O4
Csak a legaktívabb fémek reagálnak a nitrogénnel, csak a lítium lép kölcsönhatásba szobahőmérsékleten, és nitrideket képez:
6Li + N2 = 2Li3N
Melegítéskor:
3Ca + N2 = Ca3N2
Az arany és a platina kivételével minden fém reagál a kénnel:
A vas reagál a kénnel hevítés közben, és szulfidot képez:
Csak a legaktívabb fémek reagálnak a hidrogénnel, vagyis az IA és IIA csoportba tartozó fémek, kivéve a Be. A reakciók hevítés közben játszódnak le, és hidridek keletkeznek. A reakciókban a fém redukálószerként működik, a hidrogén oxidációs állapota -1:
Csak a legaktívabb fémek lépnek reakcióba a szénnel. Ebben az esetben acetilenidok vagy metanidok képződnek. Az acetilidok vízzel reagálva acetilént, a metanidok metánt adnak.
2Na + 2C = Na2C2
Na2C2 + 2H2O = 2NaOH + C2H2
Az ötvözés olyan további elemek bejuttatása az olvadékba, amelyek módosítják az alapanyag mechanikai, fizikai és kémiai tulajdonságait.
Mikroszkópos szerkezet
A fémek jellemző tulajdonságai belső szerkezetükből érthetők meg. Mindegyikben gyenge kapcsolat van a külső energiaszintű elektronokkal (más szóval vegyértékelektronokkal) az atommaggal. Emiatt a vezetőben létrejövő potenciálkülönbség az elektronok (úgynevezett vezetési elektronok) lavinaszerű mozgásához vezet a kristályrácsban. Az ilyen elektronok gyűjteményét gyakran elektrongáznak nevezik. A hővezető képességhez az elektronokon kívül a fononok (rácsrezgések) is hozzájárulnak. A plaszticitás a diszlokációk mozgásának és a krisztallográfiai síkok eltolódásának kis energiagátjának köszönhető. A keménység nagyszámú szerkezeti hibával magyarázható (intersticiális atomok, üreshelyek stb.).
Az elektronok könnyű visszatérése miatt a fémek oxidációja lehetséges, ami korrózióhoz és a tulajdonságok további romlásához vezethet. Az oxidációs képesség a fémek szokásos aktivitási sorozatairól ismerhető fel. Ez a tény megerősíti, hogy a fémeket más elemekkel (egy ötvözet, amelyek közül a legfontosabb az acél) együtt kell használni, ötvözni és különféle bevonatokat kell használni.
A fémek elektronikus tulajdonságainak pontosabb leírásához kvantummechanika alkalmazása szükséges. Minden kellő szimmetriájú szilárd testben az egyes atomok elektronjainak energiaszintjei átfedik egymást és megengedett sávokat alkotnak, a vegyértékelektronok alkotta sávot pedig vegyértéksávnak nevezzük. A fémekben lévő vegyértékelektronok gyenge kötése ahhoz a tényhez vezet, hogy a fémekben lévő vegyértéksáv nagyon szélesnek bizonyul, és az összes vegyértékelektron nem elegendő a teljes kitöltéshez.
Az ilyen részben kitöltött sáv alapvető jellemzője, hogy a mintában már a minimális rákapcsolt feszültségnél is megindul a vegyértékelektronok átrendeződése, azaz elektromos áram folyik.
Az elektronok azonos nagy mobilitása magas hővezető képességhez, valamint az elektromágneses sugárzás tükrözésének képességéhez vezet (amely a fémeknek jellegzetes fényt ad).
alkálifémek
Az alkálifémek a D. I. Mengyelejev kémiai elemeinek periódusos rendszere I. csoportjának fő alcsoportjának elemei: lítium Li, nátrium Na, kálium K, rubídium Rb, cézium Cs és francium Fr. Ezeket a fémeket lúgosnak nevezik, mivel vegyületeik többsége vízben oldódik. A szláv nyelvben a „leach” „feloldást” jelent, és ez határozta meg ennek a fémcsoportnak a nevét. Amikor az alkálifémeket vízben oldják, oldható hidroxidok képződnek, amelyeket lúgoknak neveznek.
Az alkálifémek általános jellemzői
A periódusos rendszerben azonnal az inert gázokat követik, így az alkálifém atomok szerkezeti sajátossága, hogy egy elektront tartalmaznak új energiaszinten: elektronkonfigurációjuk ns1. Nyilvánvaló, hogy az alkálifémek vegyértékelektronjai könnyen eltávolíthatók, mert energetikailag kedvező, hogy az atom elektront adjon és inert gáz konfigurációt kapjon. Ezért minden alkálifém redukáló tulajdonságokkal rendelkezik. Ezt igazolja ionizációs potenciáljuk (a céziumatom ionizációs potenciálja az egyik legalacsonyabb) és elektronegativitásuk (EO) alacsony értéke.
Az alcsoportba tartozó összes fém ezüstfehér (az ezüstsárga cézium kivételével), nagyon puhák, szikével vághatók. A lítium, a nátrium és a kálium könnyebbek, mint a víz, és a felületén lebegve reagálnak vele.
Az alkálifémek a természetben egyszeresen töltött kationokat tartalmazó vegyületek formájában fordulnak elő. Sok ásvány tartalmaz az I. csoport fő alcsoportjába tartozó fémeket. Például az ortoklász vagy földpát K2 kálium-alumínium-szilikátból áll, egy hasonló, nátriumot tartalmazó ásvány - albit - összetétele Na2. A tengervíz nátrium-klorid NaCl-t, a talaj pedig káliumsókat tartalmaz - szilvin KCl, szilvinit NaCl KCl, karnallit KCl MgCl2 6H2O, polihalit K2SO4 MgSO4 CaSO4 2H2O.
Az alkálifémek kémiai tulajdonságai
Az alkálifémek vízhez, oxigénhez és nitrogénhez viszonyított magas kémiai aktivitása miatt kerozinréteg alatt tárolódnak. Az alkálifémekkel való reakció végrehajtásához egy szükséges méretű darabot óvatosan le kell vágni egy szikével egy kerozinréteg alatt, a fémfelületet alaposan megtisztítják a levegővel argon atmoszférában való kölcsönhatás termékeitől, és csak majd a mintát a reakcióedénybe helyezzük.
1. Kölcsönhatás vízzel. Az alkálifémek fontos tulajdonsága a vízhez viszonyított nagy aktivitásuk. A lítium a legnyugodtabban (robbanás nélkül) a vízzel reagál.
Hasonló reakció végrehajtásakor a nátrium sárga lánggal ég, és kis robbanás következik be. A kálium még aktívabb: ebben az esetben a robbanás sokkal erősebb, és a láng elszíneződik. lila.
2. Kölcsönhatás oxigénnel. Az alkálifémek levegőben lévő égéstermékei a fém aktivitásától függően eltérő összetételűek.
Csak a lítium ég a levegőben, és sztöchiometrikus összetételű oxidot képez.
A nátrium elégetése során a Na2O2 peroxid főként NaO2 szuperoxid kis keverékével képződik.
A kálium, a rubídium és a cézium égéstermékei főleg szuperoxidokat tartalmaznak.
A nátrium- és kálium-oxidok előállításához a hidroxid, peroxid vagy szuperoxid keverékét feleslegben fémmel hevítik oxigén hiányában.
Az alkálifémek oxigénvegyületeire a következő szabályszerűség jellemző: az alkálifém-kation sugarának növekedésével a peroxidion O22- és szuperoxidion O2- tartalmú oxigénvegyületek stabilitása nő.
A nehéz alkálifémekre jellemző az EO3 összetételű, meglehetősen stabil ózonidok képződése. Minden oxigénvegyületnek különböző színe van, melynek intenzitása a Li-től Cs-ig terjedő sorozatban mélyül.
Az alkálifém-oxidok a bázikus oxidok összes tulajdonságával rendelkeznek: reakcióba lépnek vízzel, savas oxidokkal és savakkal.
A peroxidok és szuperoxidok erős oxidálószerek tulajdonságait mutatják.
A peroxidok és szuperoxidok intenzív reakcióba lépnek a vízzel, hidroxidokat képezve.
3. Kölcsönhatás más anyagokkal. Az alkálifémek sok nemfémmel reagálnak. Hevítéskor hidrogénnel hidrideket, halogéneket, ként, nitrogént, foszfort, szénnel és szilíciummal egyesülve halogenideket, szulfidokat, nitrideket, foszfidokat, karbidokat és szilicideket képeznek.
Hevítéskor az alkálifémek képesek reagálni más fémekkel, intermetallikus vegyületeket képezve. Az alkálifémek aktívan (robbanással) reagálnak savakkal.
Az alkálifémek folyékony ammóniában és származékaiban - aminokban és amidokban - oldódnak.
Folyékony ammóniában oldva egy alkálifém elektront veszít, amelyet az ammónia molekulák szolvatálnak, és az oldat kék színt ad. A keletkező amidokat a víz könnyen lebontja lúg és ammónia képződésével.
Az alkálifémek kölcsönhatásba lépnek szerves anyagokkal, alkoholokkal (alkoholátok képződésével) és karbonsavakkal (sók képződésével).
4. Alkálifémek minőségi meghatározása. Mivel az alkálifémek ionizációs potenciálja kicsi, ha egy fémet vagy vegyületeit lángban hevítjük, egy atom ionizálódik, ami a lángot egy bizonyos színre színezi.
Alkáli fémek beszerzése
1. Az alkálifémek előállításához elsősorban halogenidjeik, leggyakrabban kloridjaik olvadékainak elektrolízisét alkalmazzák, amelyek természetes ásványokat képeznek:
katód: Li+ + e → Li
anód: 2Cl- - 2e → Cl2
2. Időnként alkálifémek előállításához hidroxidok olvadékait elektrolízissel végzik:
katód: Na+ + e → Na
anód: 4OH- - 4e → 2H2O + O2
Mivel az alkálifémek a hidrogéntől balra helyezkednek el az elektrokémiai feszültségsorokban, lehetetlen ezeket sóoldatokból elektrolitikusan előállítani; ilyenkor a megfelelő lúgok és hidrogén keletkeznek.
Hidroxidok
Az alkálifém-hidroxidok előállításához elsősorban elektrolitikus eljárásokat alkalmaznak. A legszélesebb körben a nátrium-hidroxid előállítása a konyhasó tömény vizes oldatának elektrolízisével.
Korábban a lúgot cserereakcióval nyerték.
Az így kapott lúg erősen szennyezett Na2CO3 szódával.
Az alkálifém-hidroxidok fehér higroszkópos anyagok, amelyek vizes oldatai erős bázisok. Részt vesznek minden, a bázisokra jellemző reakcióban - reagálnak savakkal, savas és amfoter oxidokkal, amfoter hidroxidokkal.
Az alkálifém-hidroxidok hevítéskor bomlás nélkül szublimálódnak, kivéve a lítium-hidroxidot, amely a II. csoport fő alcsoportjába tartozó fémek hidroxidjaihoz hasonlóan kalcinálva oxiddá és vízzé bomlik.
A nátrium-hidroxidot szappanok, szintetikus mosószerek, mesterséges szálak, szerves vegyületek, például fenol készítésére használják.
Karbonátok
Fontos alkálifémet tartalmazó termék a szóda Na2CO3. A szóda fő mennyiségét világszerte a 20. század elején javasolt Solvay-módszer szerint állítják elő. A módszer lényege a következő: a NaCl vizes oldatát, amelyhez ammóniát adunk, szén-dioxiddal telítjük 26-30 ° C hőmérsékleten. Ebben az esetben egy rosszul oldódó nátrium-hidrogén-karbonát, az úgynevezett szódabikarbóna keletkezik.
Ammóniát adnak hozzá, hogy semlegesítsék a savas környezetet, amely akkor keletkezik, amikor szén-dioxidot juttatnak az oldatba, és előállítják a nátrium-hidrogén-karbonát kicsapásához szükséges HCO3-hidrogén-karbonát iont. A szódabikarbóna leválasztása után az ammónium-kloridot tartalmazó oldatot mésszel felmelegítik, és ammónia szabadul fel, amely visszakerül a reakciózónába.
Így a szódagyártás ammóniás módszerével az egyetlen hulladék a kalcium-klorid, amely oldatban marad és korlátozottan használható.
A nátrium-hidrogén-karbonát kalcinálása, szóda vagy mosás során Na2CO3 és szén-dioxid keletkezik, amelyeket a nátrium-hidrogén-karbonát előállításához használnak fel.
A szóda fő fogyasztója az üvegipar.
Ellentétben a gyengén oldódó savas NaHCO3 sóval, a kálium-hidrogén-karbonát KHCO3 jól oldódik vízben, ezért kálium-karbonátot, vagy hamuzsírt, K2CO3-at kapunk szén-dioxid kálium-hidroxid-oldat hatására.
A hamuzsírt üveg és folyékony szappan gyártásához használják.
A lítium az egyetlen alkálifém, amelyhez nem állítottak elő bikarbonátot. Ennek a jelenségnek az oka a lítium-ion nagyon kicsi sugara, amely nem teszi lehetővé a meglehetősen nagy HCO3-ion megtartását.
Lítium
A lítium D. I. Mengyelejev kémiai elemei periodikus rendszerének első csoportjának fő alcsoportjának, a második periódusának egyik eleme, 3-as rendszámmal. Li (lat. Lithium) szimbólummal jelöljük. Az egyszerű anyag lítium (CAS-szám: 7439-93-2) egy puha, ezüstös-fehér alkálifém.
A lítiumot 1817-ben A. Arfvedson svéd kémikus és ásványkutató fedezte fel először az ásványi szirmokban (Li,Na), majd a LiAl spodumenben és a KLi1.5Al1.5(F,OH)2 lepidolitban. A lítium fémet először Humphry Davy fedezte fel 1825-ben.
A lítium azért kapta a nevét, mert „kövekben” (görögül λίθος – kő) találták. Eredetileg "lition"-nak hívták, a modern nevet Berzelius javasolta.
A lítium ezüstös fehér fém, puha és képlékeny, keményebb, mint a nátrium, de lágyabb, mint az ólom. Préseléssel, hengerléssel feldolgozható.
Szobahőmérsékleten a fém lítiumnak van egy köbös testközpontú rácsa (8-as koordinációs szám), amely hidegen megmunkálva egy köbös, szorosan tömörített rácsmá alakul, ahol minden kettős kuboktaéder koordinációjú atomot 12 másik vesz körül. 78 K alatt a stabil kristályforma egy hatszögletű, szorosan tömörített szerkezet, amelyben minden lítiumatomnak 12 legközelebbi szomszédja van a kuboktaéder csúcsaiban.
Az összes alkálifém közül a lítiumnak a legmagasabb az olvadáspontja és a forráspontja (180,54 és 1340 °C), és a legkisebb sűrűsége szobahőmérsékleten (0,533 g/cm³, majdnem fele a vízének).
A lítium atom kis mérete a fém különleges tulajdonságainak megjelenéséhez vezet. Például csak 380 °C alatti hőmérsékleten keveredik nátriummal, és nem keveredik olvadt káliummal, rubídiummal és céziummal, míg más alkálifémpárok bármilyen arányban keverednek egymással.
Alkáli fém, levegőben instabil. A lítium a legkevésbé aktív alkálifém, szobahőmérsékleten gyakorlatilag nem lép reakcióba száraz levegővel (sőt még száraz oxigénnel sem).
Nedves levegőben lassan oxidálódik, és Li3N-nitriddé, LiOH-hidroxiddá és Li2CO3-karbonáttá alakul. Oxigénben hevítéskor elég, és Li2O oxiddá alakul. Érdekes tulajdonsága, hogy a 100 °C és 300 °C közötti hőmérséklet-tartományban a lítiumot sűrű oxidfilm borítja, és nem oxidálódik tovább.
1818-ban Leopold Gmelin német vegyész megállapította, hogy a lítium és sói a lángot kárminvörösre színezik, ami a lítium meghatározásának minőségi jele. A gyulladási hőmérséklet körülbelül 300 °C. Az égéstermékek irritálják a nasopharynx nyálkahártyáját.
Nyugodtan, robbanás és gyulladás nélkül reagál vízzel, LiOH-t és H2-t képezve. Reagál etil-alkohollal is, alkoholátot képezve, ammóniával és halogénekkel (jóddal - csak melegítéskor).
A lítiumot petroléterben, paraffinban, benzinben és/vagy ásványolajban tárolják hermetikusan lezárt edényekben. A fémlítium bőrrel, nyálkahártyával és szemmel érintkezve égési sérüléseket okoz.
A vas- és színesfémkohászatban a lítiumot az ötvözetek dezoxidálására, hajlékonyságának és szilárdságának növelésére használják. A lítiumot néha ritka fémek redukciójára használják metalloterm módszerekkel.
A lítium-karbonát az alumíniumkohászat legfontosabb (elektrolithoz adható) segédanyaga, fogyasztása évről évre a világ alumíniumtermelésének volumenével arányosan növekszik (a lítium-karbonát felhasználása 2,5-3,5 kg/tonna olvasztott alumínium).
Az ezüsttel és arannyal rendelkező lítiumötvözetek, valamint a réz nagyon hatékony forrasztóanyagok. A lítium magnéziummal, szkandiummal, rézzel, kadmiummal és alumíniummal ötvözete új ígéretes anyagok a repülésben és az űrhajózásban. Lítium-aluminát és szilikát bázisán szobahőmérsékleten megkeményedő kerámiákat hoztak létre, amelyeket katonai felszerelésekben, kohászatban és a jövőben a fúziós energia. A lítium-alumínium-szilikát alapú, szilícium-karbid szálakkal megerősített üveg óriási szilárdságú. A lítium nagyon hatékonyan erősíti az ólomötvözeteket, és rugalmasságot és korrózióállóságot biztosít nekik.
A lítium-sók pszichotróp hatásúak, és a gyógyászatban számos mentális betegség megelőzésére és kezelésére használják. Ebben a minőségben a lítium-karbonát a leggyakoribb. a pszichiátriában használják a bipoláris zavarban és a gyakori hangulatingadozásban szenvedők hangulatának stabilizálására. Hatékony a mániás depresszió megelőzésében és az öngyilkosság kockázatának csökkentésében Az orvosok többször is megfigyelték, hogy bizonyos lítiumvegyületek (természetesen megfelelő dózisban) pozitív hatással vannak a mániás depresszióban szenvedő betegekre. Ez a hatás kétféleképpen magyarázható. Egyrészt azt találták, hogy a lítium képes szabályozni egyes enzimek aktivitását, amelyek részt vesznek a nátrium- és káliumionok intersticiális folyadékból az agysejtekbe történő átvitelében. Másrészt megfigyelték, hogy a lítium-ionok közvetlenül befolyásolják a sejt ionegyensúlyát. A beteg állapota pedig nagymértékben függ a nátrium és a kálium egyensúlyától: a sejtekben a nátrium feleslege jellemző a depressziós betegekre, a hiány - a mániában szenvedőkre. A nátrium-kálium egyensúlyt összehangolva a lítium-sók mindkettőre pozitív hatással vannak.
Nátrium
A nátrium D. I. Mengyelejev kémiai elemei periodikus rendszerének első csoportjának fő alcsoportjának, a harmadik periódusának egyik eleme, 11-es rendszámmal. A Na (lat. Natrium) szimbólum jelöli. A nátrium egyszerű anyag (CAS-szám: 7440-23-5) egy puha, ezüstös-fehér alkálifém.
Vízben a nátrium szinte ugyanúgy viselkedik, mint a lítium: a reakció a hidrogén gyors felszabadulásával megy végbe, az oldatban nátrium-hidroxid képződik.
A nátriumot (vagy inkább vegyületeit) ősidők óta használják. Például a szóda (nátron), amely természetesen megtalálható az egyiptomi szódatavak vizében. Az ókori egyiptomiak a természetes szódát balzsamozásra, vászonfehérítésre, ételek főzésére, festékek és mázak készítésére használták. Idősebb Plinius azt írja, hogy a Nílus-deltában a szódát (megfelelő arányban tartalmazott szennyeződéseket) izolálták a folyóvízből. Nagy darabok formájában került forgalomba, a szén keverése miatt, szürkére vagy akár feketére festve.
A nátriumot először Humphry Davy angol kémikus nyerte 1807-ben szilárd NaOH elektrolízisével.
A "nátrium" (nátrium) név az arab natrun (görögül - nitron) szóból származik, és eredetileg a természetes szódára utalt. Magát az elemet korábban nátriumnak (lat. Sodium) nevezték.
A nátrium ezüstfehér fém, vékony rétegben lila árnyalatú, műanyag, még puha (késsel könnyen vágható), frissen vágott nátrium csillog. A nátrium elektromos vezetőképességének és hővezető képességének értékei meglehetősen magasak, sűrűsége 0,96842 g / cm³ (19,7 ° C-on), olvadáspontja 97,86 ° C, forráspontja 883,15 ° C.
Alkáli fém, levegőn könnyen oxidálódik. A légköri oxigén elleni védelem érdekében a fémes nátriumot kerozinréteg alatt tárolják. A nátrium kevésbé aktív, mint a lítium, ezért csak melegítés közben reagál nitrogénnel:
Nagy oxigénfelesleggel nátrium-peroxid képződik
2Na + O2 = Na2O2
A fémes nátriumot széles körben használják a preparatív kémiában és az iparban erős redukálószerként, beleértve a kohászatot is. A nátriumot nagy energiaigényű nátrium-kén akkumulátorok gyártásához használják. Teherautó kipufogószelepeiben hűtőbordaként is használják. Alkalmanként fémes nátriumot használnak nagyon nagy áramerősségre tervezett elektromos vezetékek anyagaként.
Káliumot, valamint rubídiumot és céziumot tartalmazó ötvözetben rendkívül hatékony hűtőfolyadékként használják. Különösen a nátrium 12%, kálium 47%, cézium 41% összetételű ötvözetének rekordalacsony olvadáspontja –78 °C, és ionrakéta hajtóművek munkafolyadékaként és atomerőművek hűtőfolyadékaként javasolták.
A nátriumot nagy- és alacsony kisülésű lámpákban is használják. alacsony nyomás(NLVD és NLND). Az NLVD típusú DNaT (Arc Sodium Tubular) lámpákat nagyon széles körben használják közvilágításban. Élénk sárga fényt bocsátanak ki. A HPS lámpák élettartama 12-24 ezer óra. Ezért a DNaT típusú gázkisüléses lámpák nélkülözhetetlenek a városi, építészeti és ipari világításhoz. Vannak még DNaS, DNaMT (Arc Sodium Matte), DNaZ (Arc Sodium Mirror) és DNaTBR (Arc Sodium Tubular Without Mercury) lámpák.
A fémnátriumot szerves anyagok minőségi elemzésére használják. A nátrium és a vizsgált anyag ötvözetét etanollal semlegesítjük, néhány milliliter desztillált vizet adunk hozzá és 3 részre osztjuk, J. Lassen (1843) tesztje a nitrogén, kén és halogének meghatározására irányul (Beilstein teszt)
A nátrium-klorid (konyhasó) a legrégebben használt ízesítő és tartósítószer.
A nátrium-azidot (Na3N) nitridálószerként használják a kohászatban és az ólom-azid gyártásában.
A nátrium-cianidot (NaCN) használják az arany kőzetekből történő kioldódásának hidrometallurgiai módszerében, valamint acélok nitrokarburizálásában és galvanizálásában (ezüst, aranyozás).
A nátrium-klorátot (NaClO3) a vasúti sínek nem kívánt növényzetének elpusztítására használják.
Kálium
A kálium D. I. Mengyelejev kémiai elemeinek periódusos rendszerének első csoportjának fő alcsoportjának, a negyedik periódusnak a 19-es rendszámú eleme. A K (lat. Kalium) szimbólum jelöli. A kálium egyszerű anyag (CAS-szám: 7440-09-7) egy puha, ezüstös-fehér alkálifém.
A természetben a kálium csak más elemekkel alkotott vegyületekben található meg, például a tengervízben, valamint számos ásványi anyagban. Levegőn nagyon gyorsan oxidálódik és nagyon könnyen reagál, különösen vízzel, lúgot képezve. A kálium kémiai tulajdonságai sok tekintetben nagyon hasonlóak a nátriuméhoz, de biológiai funkciójukat és az élő szervezetek sejtjei általi felhasználásukat tekintve mégis különböznek.
A káliumot (pontosabban vegyületeit) ősidők óta használják. Tehát a hamuzsír gyártása (amit mosószerként használt) már a 11. században is létezett. A szalma vagy fa égetésekor keletkező hamut vízzel kezeltük, majd a keletkező oldatot (lúgot) szűrés után bepároltuk. A száraz maradék a kálium-karbonáton kívül kálium-szulfátot K2SO4, szódát és kálium-klorid KCl-t tartalmazott.
1807-ben Davy angol kémikus szilárd maró kálium (KOH) elektrolízisével izolálta a káliumot, és "kálium"-nak (lat. kálium; ez a név ma is általánosan használt angol, francia, spanyol, portugál és fényesít). 1809-ben L. V. Gilbert javasolta a „kálium” (lat. kalium, arab al-kali – hamuzsír) nevet. Ez a név bekerült a német nyelvbe, onnan Észak- és Kelet-Európa legtöbb nyelvébe (beleértve az oroszt is), és "nyert" az elem szimbólumának kiválasztásakor - K.
A kálium egy ezüstös anyag, amely a frissen kialakított felületen jellegzetes fényt kölcsönöz. Nagyon könnyű és könnyű. Viszonylag jól oldódik higanyban, amalgámokat képez. Az égő lángjába vezetve a kálium (valamint vegyületei) jellegzetes rózsaszín-lila színűre színezi a lángot.
A kálium, más alkálifémekhez hasonlóan, jellegzetes fémes tulajdonságokkal rendelkezik, és nagyon reaktív, könnyen elektronokat ad.
Erős redukálószer. Olyan aktívan egyesül az oxigénnel, hogy nem oxid, hanem kálium-szuperoxid KO2 (vagy K2O4) keletkezik. Hidrogénatmoszférában hevítve KH kálium-hidrid keletkezik. Jól kölcsönhatásba lép minden nemfémmel, halogenideket, szulfidokat, nitrideket, foszfidokat stb., valamint olyan összetett anyagokkal, mint a víz (a reakció robbanással megy végbe), különféle oxidok és sók. Ebben az esetben a többi fémet szabad állapotba redukálják.
A káliumot kerozinréteg alatt tárolják.
A szobahőmérsékleten folyékony kálium és nátrium ötvözetét hűtőközegként használják zárt rendszerekben, például gyorsneutronos atomerőművekben. Ezenkívül széles körben használják rubídiummal és céziummal készült folyékony ötvözeteit. A nátrium 12%, kálium 47%, cézium 41% összetételű ötvözetének rekordalacsony olvadáspontja –78 °C.
A káliumvegyületek a legfontosabb biogén elemek, ezért műtrágyaként használják őket.
A káliumsókat széles körben alkalmazzák a galvanizálásban, mivel viszonylag magas költségük ellenére gyakran jobban oldódnak, mint a megfelelő nátriumsók, és így fokozott áramsűrűség mellett biztosítják az elektrolitok intenzív működését.
A kálium a legfontosabb biogén elem, különösen a növényvilágban. A talaj káliumhiányával a növények nagyon rosszul fejlődnek, csökken a terméshozam, így a kivont káliumsók mintegy 90%-át műtrágyaként használják fel.
A kálium a nitrogénnel és a foszforral együtt a fő növényi tápanyagok közé tartozik. A növényekben a kálium, valamint a hozzájuk szükséges egyéb elemek funkciója szigorúan specifikus. A növényekben a kálium ionos formában van. A kálium főleg a sejtek citoplazmájában és vakuólumaiban található. A kálium körülbelül 80%-a a sejtnedvben található.
A kálium funkciói nagyon változatosak. Megállapítást nyert, hogy serkenti a fotoszintézis normál lefolyását, fokozza a szénhidrátok kiáramlását a levéllemezekből más szervekbe, valamint a cukrok szintézisét.
A kálium fokozza a monoszacharidok felhalmozódását a gyümölcs- és zöldségfélékben, növeli a gyökérnövények cukortartalmát, a burgonya keményítőtartalmát, megvastagítja a gabonafélék szalmájának sejtfalát és növeli a kenyér megrakódási ellenállását, valamint javítja a rost minőségét a lenben és a burgonyában. kender.
Elősegíti a szénhidrátok felhalmozódását a növényi sejtekben, a kálium növeli a sejtnedv ozmotikus nyomását, és ezáltal növeli a növények hideg- és fagyállóságát.
A káliumot a növények kationok formájában szívják fel, és nyilvánvalóan ebben a formában marad a sejtekben, aktiválva a növényi sejtekben a legfontosabb biokémiai folyamatokat, a kálium növeli a növényi sejtekkel szembeni ellenálló képességüket. különféle betegségek, mind a tenyészidőszakban, mind a betakarítás utáni időszakban jelentősen javítja a gyümölcsök és zöldségek eltarthatóságát.
A káliumhiány számos anyagcserezavart okoz a növényekben, számos enzim aktivitása gyengül, a szénhidrát- és fehérjeanyagcsere megzavarodik, a légzéshez szükséges szénhidrátok ára megnő. Ennek eredményeként a növények termőképessége csökken, a termékek minősége csökken.
Rubídium
A rubídium D. I. Mengyelejev kémiai elemei periodikus rendszerének első csoportjának fő alcsoportjának, ötödik periódusának egyik eleme, 37-es rendszámmal. Rb (lat. Rubidium) szimbólummal jelöljük. A rubídium egyszerű anyag (CAS-szám: 7440-17-7) lágy ezüstfehér alkálifém.
1861-ben Robert Wilhelm Bunsen és Gustav Robert Kirchhoff német tudósok segítségével tanulmányozták. spektrális elemzés természetes alumínium-szilikátokat, felfedeztek bennük egy új elemet, amelyet később a spektrum legerősebb vonalainak színe alapján rubídiumnak neveztek el.
A rubídium ezüstös-fehér lágy kristályokat képez, amelyek fémes fényűek a friss vágáson. Brinell keménység 0,2 Mn/m² (0,02 kgf/mm²). A Rubidium kristályrácsa köbös, testközpontú, a = 5,71 Å (szobahőmérsékleten). Az atomsugár 2,48 Å, az Rb+ ioné 1,49 Å. Sűrűsége 1,525 g/cm3 (0 °C), olvadáspont: 38,9 °C, forráspontja 703 °C. Fajlagos hőkapacitás 335,2 j/(kg K), lineáris tágulási együttható 9,0 10-5 fok-1 (0-38 °C), rugalmassági modulus 2,4 H/m² (240 kgf/mm²), fajlagos térfogati elektromos ellenállás 11,29 10-6 ohm cm (20 °C); A rubídium paramágneses.
Alkáli fém, levegőben rendkívül instabil (víznyomok jelenlétében levegővel reagál, gyúlékony). Mindenféle sót képez - többnyire könnyen oldódik (a klorátok és a perklorátok gyengén oldódnak). A rubídium-hidroxid nagyon agresszív anyag az üvegre és más szerkezeti és tárolóanyagokra, és megolvadva elpusztítja a legtöbb fémet (még az aranyat és a platinát is).
A rubídium felhasználása sokrétű, és annak ellenére, hogy számos felhasználási területén a legfontosabb fizikai tulajdonságaiban elmarad a céziumtól, ennek ellenére ez a ritka alkálifém fontos szerepet játszik a modern technológiákban. A rubídium felhasználási területei a következők: katalízis, elektronikai ipar, speciális optika, nukleáris ipar, gyógyászat.
A rubídiumot nemcsak tiszta formájában, hanem számos ötvözet és kémiai vegyület formájában is használják. Fontos megjegyezni, hogy a rubídium nagyon jó és kedvező nyersanyagbázissal rendelkezik, ugyanakkor az erőforrások rendelkezésre állása sokkal kedvezőbb, mint a cézium esetében, és a rubídium még jobban képes játszani. fontos szerepet játszik például a katalízisben (ahol sikeresen bevált).
A rubídium-86 izotópot széles körben alkalmazzák a gamma-sugaras hibák észlelésében, mérési technológiájában, valamint számos fontos gyógyszer és élelmiszertermék sterilizálásában. A rubídium és céziumötvözetei nagyon ígéretes hűtő- és munkaközeg a magas hőmérsékletű turbinaegységekhez (e tekintetben a rubídium és a cézium az elmúlt években fontossá vált, és a fémek rendkívül magas ára a forgalommal kapcsolatban mellőzött. képes a turbinaegységek hatásfokának drámai növelésére, ami az üzemanyag-fogyasztást és a környezetszennyezést jelenti és csökkenti). A hűtőközegként legszélesebb körben használt rubídium alapú rendszerek háromkomponensű ötvözetek: nátrium-kálium-rubídium és nátrium-rubídium-cézium.
A katalízis során a rubídiumot szerves és szervetlen szintézisben is használják. A rubídium katalitikus aktivitását főként olajfinomításra használják számos fontos termékké. A rubídium-acetátot például vízgázból metanol és számos magasabb rendű alkohol szintézisére használják, ami viszont rendkívül fontos a földalatti szénelgázosítással, valamint az autók és repülőgép-üzemanyagok mesterséges folyékony üzemanyagának előállításával kapcsolatban. Számos rubídium-tellúrium ötvözet nagyobb érzékenységgel rendelkezik a spektrum ultraibolya tartományában, mint a céziumvegyületek, ezért ebben az esetben képes felvenni a versenyt a cézium-133-mal, mint a fotokonverterek anyaga. Speciális kenőkészítmények (ötvözetek) részeként a rubídiumot rendkívül hatékony kenőanyagként használják vákuumban (rakéta- és űrtechnológia).
A rubídium-hidroxidot elektrolit előállítására használják alacsony hőmérsékletű CPS-hez, valamint a kálium-hidroxid-oldat adalékanyagaként, hogy javítsák annak teljesítményét alacsony hőmérsékleten és növeljék az elektrolit elektromos vezetőképességét. A fémes rubídiumot hidrid üzemanyagcellákban használják.
A réz-kloriddal ötvözött rubídium-kloridot magas hőmérséklet (400 °C-ig) mérésére használják.
A rubídium plazmát lézersugárzás gerjesztésére használják.
A rubídium-kloridot az üzemanyagcellák elektrolitjaként használják, és ugyanez mondható el a rubídium-hidroxidról is, amely nagyon hatékony elektrolitként az üzemanyagcellákban közvetlen szénoxidációval.
Cézium
A cézium D. I. Mengyelejev kémiai elemeinek periódusos rendszerének első csoportjának fő alcsoportjának, a hatodik periódusának egyik eleme, 55-ös rendszámmal. Cs (lat. Cézium) szimbólummal jelöljük. Az egyszerű anyag, a cézium (CAS-szám: 7440-46-2) lágy, ezüstsárga alkálifém. A cézium nevét a két fényes kék vonal jelenlétéről kapta az emissziós spektrumban (latin caesius - égkék).
A céziumot 1860-ban R. W. Bunsen és G. R. Kirchhoff német tudósok fedezték fel a németországi Durchheim ásványforrás vizében optikai spektroszkópiával, így ez lett az első spektrális elemzéssel felfedezett elem. Tiszta formájában a céziumot először 1882-ben K. Setterberg svéd kémikus izolálta cézium-cianid (CsCN) és bárium keverékének olvadékának elektrolízise során.
A fő cézium ásványok a pollucit és a nagyon ritka avogadrit (K, Cs). Ezenkívül a cézium szennyeződések formájában számos alumínium-szilikátban található: lepidolit, flogopit, biotit, amazonit, petalit, berill, zinnwaldit, leucit, karnallit. Ipari nyersanyagként pollucitot és lepidolitot használnak.
Az ipari termelés során a céziumot vegyületek formájában vonják ki az ásványi pollucitból. Ez kloridos vagy szulfátos nyitással történik. Az első lépésben az eredeti ásványt felmelegített sósavval kezelik, SbCl3 antimon-kloridot adnak hozzá a Cs3 vegyület kicsapásához, majd forró vízzel vagy ammóniaoldattal mossák cézium-klorid CsCl előállítására. A második esetben az ásványt felmelegített kénsavval kezelik, így cézium-timsó CsAl(SO4)2 12H2O keletkezik.
Oroszországban a Szovjetunió összeomlása után nem folytatták le a pollucit ipari termelését, bár a szovjet időkben a Murmanszk melletti Voronya tundrában óriási készleteket fedeztek fel az ásványból. Mire az orosz ipar talpra tudott állni, kiderült, hogy egy kanadai cég vásárolta meg a licencet e terület fejlesztésére. Jelenleg a céziumsók pollucitból történő feldolgozása és extrakciója Novoszibirszkben, a ZAO Ritkafémek Üzemében folyik.
Számos laboratóriumi módszer létezik a cézium előállítására. Megszerezhető:
cézium-kromát vagy -dikromát cirkónium keverékének vákuumban történő melegítése;
cézium-azid lebontása vákuumban;
cézium-klorid és speciálisan elkészített kalcium keverékének melegítése.
Minden módszer munkaigényes. A második módszer nagy tisztaságú fém előállítását teszi lehetővé, azonban robbanásveszélyes, és több napig tart a megvalósítása.
A cézium csak a 20. század elején talált alkalmazásra, amikor felfedezték ásványait, és kidolgozták a technológiát a tiszta formában való kinyerésére. Jelenleg a céziumot és vegyületeit az elektronikában, a rádióban, az elektromosságban, a röntgentechnikában, a vegyiparban, az optikában, az orvostudományban és az atomenergiában használják. Többnyire stabil természetes cézium-133-at használnak, és korlátozott mértékben annak radioaktív izotópját, a cézium-137-et, amelyet az atomerőművi reaktorokban az urán, plutónium, tórium hasadási töredékeinek összegéből izolálnak.
alkáliföldfémek
Alkáliföldfémek - kémiai elemek: kalcium Ca, stroncium Sr, bárium Ba, rádium Ra (néha a berillium Be-t és a magnézium Mg-t is tévesen alkáliföldfémnek nevezik). Azért nevezték el így, mert oxidjaik - "földek" (az alkimisták terminológiájában) - lúgos reakciót kölcsönöznek a víznek. Az alkáliföldfémek sói – a rádium kivételével – ásványi anyagok formájában széles körben elterjedtek a természetben.
Kalcium
A kalcium a második csoport fő alcsoportjának, D. I. Mengyelejev kémiai elemeinek periódusos rendszerének negyedik periódusának eleme, 20-as rendszámmal. A Ca (lat. Calcium) szimbólum jelöli. Az egyszerű kalcium anyag (CAS-szám: 7440-70-2) lágy, reaktív, ezüstfehér alkáliföldfém.
A kalcium fém két allotróp módosulatban létezik. 443 °C-ig az α-Ca köbös felületközpontú ráccsal stabil (a paraméter = 0,558 nm), a β-Ca felett stabil az α-Fe típusú köbös testközpontú rács (a paraméter = 0,448) nm). Az α → β átmenet standard entalpiája ΔH0 0,93 kJ/mol.
A kalcium egy tipikus alkáliföldfém. A kalcium kémiai aktivitása magas, de alacsonyabb, mint az összes többi alkáliföldfémé. Könnyen reagál a levegő oxigénjével, szén-dioxidjával és nedvességével, ami miatt a kalcium fém felülete általában tompa szürke színű, ezért a kalciumot a laboratóriumban általában a többi alkáliföldfémhez hasonlóan, szorosan lezárt tégelyben, réteg alatt tárolják. kerozinból vagy folyékony paraffinból.
A standard potenciálok sorozatában a kalcium a hidrogéntől balra található. A Ca2+/Ca0 pár standard elektródpotenciálja –2,84 V, így a kalcium aktívan reagál a vízzel, de gyulladás nélkül:
Ca + 2H2O \u003d Ca (OH) 2 + H2 + Q.
Az aktív nemfémekkel (oxigén, klór, bróm) a kalcium reakcióba lép normál körülmények között:
2Ca + O2 = 2CaO, Ca + Br2 = CaBr2.
Levegőn vagy oxigénben hevítve a kalcium meggyullad. A kevésbé aktív nemfémekkel (hidrogén, bór, szén, szilícium, nitrogén, foszfor és mások) a kalcium kölcsönhatásba lép hevítés közben, például:
Ca + H2 = CaH2, Ca + 6B = CaB6,
3Ca + N2 = Ca3N2, Ca + 2C = CaC2,
3Ca + 2P = Ca3P2 (kalcium-foszfid), CaP és CaP5 összetételű kalcium-foszfidok is ismertek;
2Ca + Si = Ca2Si (kalcium-szilicid), CaSi, Ca3Si4 és CaSi2 összetételű kalcium-szilicidek is ismertek.
A fenti reakciók lefolyását általában nagy mennyiségű hő felszabadulása kíséri (vagyis ezek a reakciók exotermek). Minden nemfém vegyületben a kalcium oxidációs állapota +2. A legtöbb nemfém kalciumvegyület víz hatására könnyen lebomlik, például:
CaH2 + 2H2O \u003d Ca (OH) 2 + 2H2,
Ca3N2 + 3H2O = 3Ca(OH)2 + 2NH3.
A Ca2+ ion színtelen. Amikor oldható kalcium-sókat adnak a lánghoz, a láng téglavörösre változik.
A kalciumsók, például a CaCl2-klorid, CaBr2-bromid, CaI2-jodid és Ca(NO3)2-nitrát vízben nagyon jól oldódnak. A CaF2-fluorid, a CaCO3-karbonát, a CaSO4-szulfát, a Ca3(PO4)2-ortofoszfát, a CaC2O4-oxalát és mások vízben oldhatatlanok.
Nagy jelentősége van annak, hogy a kalcium-karbonát CaCO3-tól eltérően a savas kalcium-karbonát (hidrokarbonát) Ca(HCO3)2 vízben oldódik. A természetben ez a következő folyamatokhoz vezet. Amikor a szén-dioxiddal telített hideg eső vagy folyóvíz behatol a föld alá és mészkövekre esik, ezek feloldódása figyelhető meg:
CaCO3 + CO2 + H2O \u003d Ca (HCO3) 2.
Ugyanazokon a helyeken, ahol a kalcium-hidrogén-karbonáttal telített víz a föld felszínére kerül és felmelegszik napsugarak, fordított reakció megy végbe:
Ca (HCO3) 2 \u003d CaCO3 + CO2 + H2O.
Tehát a természetben nagy tömegű anyagok átvitele megy végbe. Emiatt hatalmas rések képződhetnek a föld alatt, a barlangokban pedig gyönyörű kő "jégcsapok" - cseppkövek és cseppkövek - képződnek.
A vízben oldott kalcium-hidrogén-karbonát jelenléte nagymértékben meghatározza a víz átmeneti keménységét. Ideiglenesnek nevezik, mert a víz forralásakor a bikarbonát lebomlik, és a CaCO3 kicsapódik. Ez a jelenség például ahhoz vezet, hogy a vízforralóban idővel vízkő képződik.
Stroncium
A stroncium a második csoport fő alcsoportjának, D. I. Mengyelejev kémiai elemeinek periódusos rendszerének ötödik periódusának egyik eleme, 38-as rendszámmal. Sr (lat. Stroncium) szimbólummal jelölik. A stroncium egyszerű anyag (CAS-szám: 7440-24-6) lágy, képlékeny és képlékeny ezüstfehér alkáliföldfém. Magas kémiai aktivitású, levegőben gyorsan reagál nedvességgel és oxigénnel, sárga oxidréteggel borítja be.
Az új elemet a strontianit ásványban fedezték fel, amelyet 1764-ben találtak egy ólombányában a skót Stronshian falu közelében, amely később az új elem nevét is adta. Egy új fém-oxid jelenlétét ebben az ásványban csaknem 30 évvel később állapította meg William Cruikshank és Ader Crawford. Sir Humphry Davy izolálta legtisztább formájában 1808-ban.
A stroncium puha, ezüstös-fehér fém, képlékeny és formálható, és késsel könnyen vágható.
Polimorfén - három módosítása ismert. 215°C-ig a köbös arcközpontú módosítás (α-Sr) stabil, 215 és 605°C között - hatszögletű (β-Sr), 605°C felett - köbös testközpontú módosítás (γ-Sr).
Olvadáspont - 768oC, Forráspont - 1390oC.
A vegyületeiben lévő stroncium mindig +2 vegyértéket mutat. Tulajdonságai szerint a stroncium közel áll a kalciumhoz és a báriumhoz, és közbenső helyet foglal el közöttük.
Az elektrokémiai feszültségsorokban a stroncium a legaktívabb fémek közé tartozik (normál elektródpotenciálja –2,89 V. Erőteljesen reagál a vízzel, hidroxidot képezve:
Sr + 2H2O = Sr(OH)2 + H2
Kölcsönhatásba lép savakkal, kiszorítja a nehézfémeket sóikból. Tömény savakkal (H2SO4, HNO3) gyengén reagál.
A stroncium fém a levegőben gyorsan oxidálódik, sárgás filmet képezve, amelyben az SrO oxidon kívül SrO2 peroxid és Sr3N2 nitrid is mindig jelen van. Levegőn hevítve meggyullad; a levegőben lévő por alakú stroncium hajlamos az öngyulladásra.
Erőteljesen reagál nemfémekkel - kénnel, foszforral, halogénekkel. Kölcsönhatásba lép hidrogénnel (200°C felett), nitrogénnel (400°C felett). Lúgokkal gyakorlatilag nem lép reakcióba.
Magas hőmérsékleten reagál a CO2-vel, és karbidot képez:
5Sr + 2CO2 = SrC2 + 4SrO
Könnyen oldódó stronciumsók Cl-, I-, NO3- anionokkal. Az F-, SO42-, CO32-, PO43- anionokat tartalmazó sók gyengén oldódnak.
A stronciumot réz és egyes ötvözeteinek ötvözésére, akkumulátor-ólomötvözetekbe való bejuttatásra, öntöttvas, réz és acélok kéntelenítésére használják.
Bárium
A bárium a második csoport fő alcsoportjának, D. I. Mengyelejev kémiai elemeinek periódusos rendszerének hatodik periódusának egyik eleme, 56-os rendszámmal. A Ba (lat. Bárium) szimbólum jelöli. A bárium egyszerű anyag (CAS-szám: 7440-39-3) lágy, képlékeny, ezüstfehér alkáliföldfém. Magas kémiai aktivitással rendelkezik.
A báriumot BaO oxid formájában fedezte fel 1774-ben Karl Scheele. 1808-ban Humphrey Davy angol kémikus nedves bárium-hidroxid higanykatódos elektrolízisével bárium-amalgámot állított elő; miután melegítés közben elpárologtatta a higanyt, báriumfémet izolált.
A bárium egy ezüstös-fehér képlékeny fém. Éles ütésre eltörik. A báriumnak két allotróp módosulata van: a köbös testközpontú rácsos α-Ba 375 °C-ig stabil (a paraméter = 0,501 nm), a β-Ba fent.
Keménység ásványtani skálán 1,25; a Mohs-skála 2.
A bárium fémet kerozinban vagy paraffinréteg alatt tárolják.
A bárium egy alkáliföldfém. Levegőn intenzíven oxidálódik, bárium-oxid BaO és bárium-nitrid Ba3N2 keletkezik, és enyhe melegítés hatására meggyullad. Erőteljesen reagál vízzel, bárium-hidroxidot képez Ba (OH) 2:
Ba + 2H2O \u003d Ba (OH) 2 + H2
Aktívan kölcsönhatásba lép híg savakkal. Sok báriumsó oldhatatlan vagy gyengén oldódik vízben: bárium-szulfát BaSO4, bárium-szulfit BaSO3, bárium-karbonát BaCO3, bárium-foszfát Ba3(PO4)2. A bárium-szulfid BaS, a kalcium-szulfiddal ellentétben, vízben jól oldódik.
Könnyen reagál halogénekkel, halogenideket képezve.
Hidrogénnel hevítve bárium-hidridet képez BaH2, amely viszont a LiH lítium-hidriddel a Li komplexet adja.
Hevítésre reagál ammóniával:
6Ba + 2NH3 = 3BaH2 + Ba3N2
Melegítéskor a bárium-nitrid Ba3N2 reakcióba lép a CO-val, és cianidot képez:
Ba3N2 + 2CO = Ba(CN)2 + 2BaO
Folyékony ammóniával sötétkék oldatot ad, amelyből ammónia izolálható, amely arany fényű és az NH3 eltávolításával könnyen lebomlik. Platina katalizátor jelenlétében az ammónia lebomlik, és bárium-amidot képez:
Ba(NH2)2 + 4NH3 + H2
A BaC2 bárium-karbidot úgy állíthatjuk elő, hogy BaO-t szénnel hevítünk ívkemencében.
A foszforral a Ba3P2 foszfidot képezi.
A bárium számos fém oxidjait, halogenidjeit és szulfidjait redukálja a megfelelő fémmé.
A bárium fémet, gyakran alumíniumötvözetben, getterként (getterként) használják nagyvákuumú elektronikai eszközökben, és cirkóniummal együtt hozzáadják folyékony fém hűtőközegekhez (nátrium, kálium, rubídium, lítium, cézium ötvözetei) csökkenti a csővezetékek agresszivitását és a kohászatban.
átmeneti fémek
Átmeneti fémek (átmeneti elemek) - D. I. Mengyelejev kémiai elemeinek periódusos rendszerének oldalsó alcsoportjainak elemei, amelyek atomjaiban elektronok jelennek meg a d- és az f-pályákon. Általában az átmeneti elemek elektronikus szerkezete a következőképpen ábrázolható: . Az ns-pálya egy vagy két elektront tartalmaz, a fennmaradó vegyértékelektronok a -pályán vannak. Mivel a vegyértékelektronok száma észrevehetően kevesebb, mint a pályák száma, az átmeneti elemek által alkotott egyszerű anyagok fémek.
Átmeneti elemek általános jellemzői
Minden átmeneti elem a következő közös tulajdonságokkal rendelkezik:
Az elektronegativitás kis értékei.
Változó oxidációs állapotok. Szinte minden d-elem esetében, amelyek atomjaiban 2 vegyértékelektron található a külső ns-alszinten, ismert a +2 oxidációs állapot.
D. I. Mengyelejev kémiai elemeinek periódusos rendszerének III. csoportjának d-elemeiből kiindulva a legalacsonyabb oxidációs állapotú elemek bázikus tulajdonságú vegyületeket alkotnak, a legmagasabb - savas, a köztes - amfoter tulajdonságokat mutató vegyületeket.
Vas
A vas D. I. Mengyelejev kémiai elemeinek periódusos rendszere negyedik periódusa nyolcadik csoportjának egyik oldalsó alcsoportjának eleme, atomszáma 26. Fe (lat. Ferrum) szimbólummal jelöljük. Az egyik leggyakoribb fém a földkéregben (a második helyen az alumínium után).
A vas egyszerű anyaga (CAS-szám: 7439-89-6) egy idomítható ezüstfehér fém, magas kémiai reakcióképességgel: a vas gyorsan korrodál magas hőmérsékleten vagy magas páratartalom mellett. Tiszta oxigénben a vas ég, finoman eloszlatott állapotban levegőben spontán meggyullad.
Valójában a vasat általában alacsony (legfeljebb 0,8%) szennyezőanyag-tartalmú ötvözeteknek nevezik, amelyek megőrzik a tiszta fém lágyságát és hajlékonyságát. A gyakorlatban azonban gyakrabban használják a vas és a szén ötvözeteit: acél (legfeljebb 2% szén) és öntöttvas (több mint 2% szén), valamint rozsdamentes (ötvözött) acél ötvöző fémekkel (króm, mangán) , nikkel stb.). A vas és ötvözetei sajátos tulajdonságainak kombinációja az "1. számú fémet" teszi az emberek számára.
A természetben a vas ritkán fordul elő tiszta formájában, leggyakrabban vas-nikkel meteoritok részeként fordul elő. A vas előfordulása a földkéregben 4,65% (4. hely az O, Si, Al után). Azt is tartják, hogy a vas alkotja a Föld magjának legnagyobb részét.
A vas tipikus fém, szabad állapotban ezüstfehér színű, szürkés árnyalattal. A tiszta fém képlékeny, a különféle szennyeződések (különösen a szén) növelik a keménységét és törékenységét. Kifejezett mágneses tulajdonságokkal rendelkezik. Gyakran megkülönböztetik az úgynevezett "vas triádot" - három fémből álló csoportot (vas Fe, kobalt Co, nikkel-Nikkel), amelyek hasonló fizikai tulajdonságokkal, atomi sugarakkal és elektronegativitási értékekkel rendelkeznek.
A vasra polimorfizmus jellemző, négy kristálymódosulata van:
769 °C-ig van α-Fe (ferrit) testközpontú köbös ráccsal és ferromágnes tulajdonságaival (769 °C ≈ 1043 K a vas Curie-pontja)
a 769-917 °C hőmérsékleti tartományban β-Fe található, amely csak a testközpontú köbös rács paramétereiben és a paramágneses mágneses tulajdonságaiban tér el az α-Fe-től.
a 917-1394 °C hőmérsékleti tartományban γ-Fe (ausztenit) van felületközpontú köbös ráccsal
1394 °C felett a δ-Fe testközpontú köbös ráccsal stabil
A fémtudomány nem különbözteti meg a β-Fe-t külön fázisként, hanem az α-Fe egy változatának tekinti. Ha vasat vagy acélt a Curie-pont fölé hevítenek (769 °C ≈ 1043 K), az ionok hőmozgása felborítja az elektronok spin mágneses momentumainak orientációját, a ferromágnes paramágnesessé válik - másodrendű fázisátalakulás következik be, de elsőrendű fázisátalakulás nem következik be a kristályok alapvető fizikai paramétereinek megváltozásával.
A normál nyomású tiszta vas esetében a kohászat szempontjából a következő stabil módosítások vannak:
Abszolút nullától 910 ºC-ig a testközpontú köbös (bcc) kristályrács α-módosítása stabil. A szén α-vasban készült szilárd oldatát ferritnek nevezzük.
910 és 1400 ºC közötti hőmérsékleten a γ-módosítás egy felületközpontú köbös (fcc) kristályrácstal stabil. A szén γ-vasban készült szilárd oldatát ausztenitnek nevezzük.
910 és 1539 ºC között a δ-módosítás testközpontú köbös (bcc) kristályrácstal stabil. A δ-vasban (valamint az α-vasban) lévő szilárd szénoldatot ferritnek nevezzük. Néha különbséget tesznek a magas hőmérsékletű δ-ferrit és az alacsony hőmérsékletű α-ferrit (vagy egyszerűen ferrit) között, bár atomi szerkezetük megegyezik.
A szén és ötvözőelemek jelenléte az acélban jelentősen megváltoztatja a fázisátalakulások hőmérsékletét.
Valaminek a területén magas nyomások(104 MPa felett, 100 ezer atm.) van egy ε-vas módosítása hatszögletű zárt (hcp) ráccsal.
A polimorfizmus jelensége rendkívül fontos az acélkohászat számára. Az acél hőkezelése a kristályrács α-γ átmeneteinek köszönhető. E jelenség nélkül a vas, mint az acél alapanyaga nem kapott volna ilyen széles körben használatot.
A vas tűzálló, a közepes aktivitású fémek közé tartozik. A vas olvadáspontja 1539 °C, forráspontja körülbelül 3200 °C.
A vas az egyik leggyakrabban használt fém, amely a világ kohászati termelésének akár 95%-át teszi ki.
A vas az acélok és öntöttvasak fő alkotóeleme – a legfontosabb szerkezeti anyagok.
A vas más fémeken – például nikkelen – alapuló ötvözetek része is lehet.
A mágneses vas-oxid (magnetit) fontos anyag a hosszú távú számítógépes memóriaeszközök gyártásában: merevlemezek, hajlékonylemezek stb.
Az ultrafinom magnetitport fekete-fehér lézernyomtatókban használják festékként.
Számos vasalapú ötvözet egyedülálló ferromágneses tulajdonságai hozzájárulnak ahhoz, hogy széles körben elterjedjenek az elektrotechnikában a transzformátorok és villanymotorok mágneses magjainál.
A vas(III)-kloridot (vas-kloridot) az amatőr rádiógyakorlatban nyomtatott áramköri lapok maratására használják.
A réz-szulfáttal kevert vas-szulfátot (vas-szulfát) a kertészetben és az építőiparban káros gombák elleni védekezésre használják.
A vasat anódként használják vas-nikkel akkumulátorokban, vas-levegő akkumulátorokban.
Réz
A réz D. I. Mengyelejev kémiai elemeinek periódusos rendszerének első csoportjának, a negyedik periódusának 29-es rendszámú eleme. Cu (lat. Cuprum) szimbólummal jelöljük. Az egyszerű anyag, a réz (CAS-szám: 7440-50-8) egy képlékeny átmenetifém arany színű. Rózsaszín színű(oxidfilm hiányában rózsaszín). Az ember ősidők óta széles körben alkalmazta.
A réz arany-rózsaszín képlékeny fém, amelyet levegőben gyorsan oxidfilm borít, ami jellegzetes intenzív sárgásvörös árnyalatot ad. A réz magas hő- és elektromos vezetőképességgel rendelkezik (az ezüst után a második helyen áll az elektromos vezetőképesség tekintetében). Két stabil izotópja van - 63Cu és 65Cu, valamint számos radioaktív izotóp. Közülük a leghosszabb életű, a 64 Cu felezési ideje 12,7 óra, és két bomlási idő különböző termékekkel.
Sűrűség - 8,94*10³ kg/m³
Fajlagos hőkapacitás 20 °C-on - 390 J/kg*K
Elektromos ellenállás 20-100 °C-on - 1,78 10-8 Ohm m
Olvadáspont - 1083 °C
Forráspont - 2600 °C
Számos rézötvözet létezik: sárgaréz - réz és cink ötvözete, bronz - réz és ón ötvözete, réz-nikkel ötvözete, réz és nikkel ötvözete, és néhány más.
Cink
A cink a D. I. Mengyelejev-féle kémiai elemek periódusos rendszerének második csoportjának egyik oldalsó alcsoportjának eleme, 30-as rendszámmal. Zn (lat. Zinkum) szimbólummal jelöljük. Az egyszerű anyag, a cink (CAS-szám: 7440-66-6) normál körülmények között törékeny kékesfehér átmenetifém (levegőben elhalványul, vékony cink-oxid réteggel borítja be).
Tiszta formájában meglehetősen képlékeny ezüstfehér fém. Hatszögletű rácsával rendelkezik a = 0,26649 nm, c = 0,49468 nm paraméterekkel. Szobahőmérsékleten törékeny, a lemez meghajlásakor recsegő hang hallatszik a krisztallitok súrlódásából (általában erősebb, mint az „ónsírás”). 100-150°C-on a cink műanyag. A szennyeződések, még a kisebbek is, jelentősen növelik a cink törékenységét.
Tipikus amfoter fém. A standard elektródpotenciál -0,76 V, a standard potenciálok sorában a vas előtt helyezkedik el.
A levegőben a cinket vékony ZnO-oxid film borítja. Erősen melegítve kiég amfoter fehér oxid ZnO képződésével:
2Zn + O2 = 2ZnO.
A cink-oxid savas oldatokkal is reagál:
ZnO + 2HNO3 = Zn(NO3)2 + H2O
és lúgok:
ZnO + 2NaOH = Na2ZnO2 + H2O,
A szokásos tisztaságú cink aktívan reagál savas oldatokkal:
Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2,
Zn + H2SO4 (híg.) = ZnSO4 + H2
és lúgos oldatok:
Zn + 2NaOH + 2H2O = Na2 + H2,
hidroxo-cinkátokat képeznek. A nagyon tiszta cink nem lép reakcióba savakkal és lúgokkal. A kölcsönhatás néhány csepp réz-szulfát CuSO4 oldat hozzáadásával kezdődik.
Hevítéskor a cink halogénekkel reagál, és ZnHal2-halogenideket képez. A foszforral a cink Zn3P2 és ZnP2 foszfidokat képez. Kénnel és analógjaival - szelén és tellúr - különféle kalkogenidek, ZnS, ZnSe, ZnSe2 és ZnTe.
A cink nem lép közvetlenül reakcióba hidrogénnel, nitrogénnel, szénnel, szilíciummal és bórral. A Zn3N2-nitridet cink és ammónia reakciójával állítják elő 550-600 °C-on.
Vizes oldatokban a cinkionok Zn2+ 2+ és 2+ akvakomplexeket képeznek.
A tiszta fémes cinket a felszín alatti kioldással bányászott nemesfémek (arany, ezüst) visszanyerésére használják. Ezenkívül a cinket ezüst, arany (és más fémek) nyers ólomból történő kivonására használják cink-ezüst-arany intermetallikus vegyületek (az úgynevezett „ezüsthab”) formájában, amelyeket azután hagyományos finomítási módszerekkel dolgoznak fel.
Az acél korrózió elleni védelmére szolgál (mechanikai igénybevételnek nem kitett felületek horganyzása, vagy fémezés - hidakhoz, tartályokhoz, fémszerkezetekhez). Negatív elektróda anyagaként is használható vegyi áramforrásokban, azaz elemekben és akkumulátorokban, például: mangán-cink cella, ezüst-cink akkumulátor dm³, kis ellenállású és kolosszális kisülési áramok, higany-cink elem (EMF 1,35 V, 135 W h / kg, 550-650 W h / dm³), dioxiszulfát-higany elem, jodát-cink elem, réz-oxid galvánelem (EMF 0,7-1,6 Volt, 84-127 W h / kg, 410-570 W h / dm³), króm -cink cella, cink-ezüst-klorid cella, nikkel-cink akkumulátor (EMF 1, 82 Volt, 95-118 Wh/kg, 230-295 Wh/dm³), ólom-cink cella, cink-klór elem, cink-bróm akkumulátor stb.). A cink szerepe a cink-levegő akkumulátorokban nagyon fontos, az elmúlt években intenzíven fejlesztették őket a cink-levegő rendszer - számítógépek (laptopok) akkumulátorai alapján, és jelentős sikereket értek el ezen a területen (nagyobb, mint a lítium akkumulátorok, kapacitás és erőforrás, kevesebb, mint 3-szoros költség), ez a rendszer nagyon ígéretes a motorok indításához (ólom akkumulátor - 55 W h / kg, cink-levegő - 220-300 W h / kg) és elektromos járművekhez ( futásteljesítmény 900 km-ig). Számos keményforrasztó ötvözetben használják az olvadáspontjuk csökkentésére. A cink a sárgaréz fontos alkotóeleme. A cink-oxidot széles körben használják az orvostudományban antiszeptikus és gyulladáscsökkentő szerként. A cink-oxidot cink-fehér festék előállítására is használják.
A cink-klorid fontos folyasztószer a fémek forrasztásához, és a szálgyártás komponense.
A tellurid, szelenid, foszfid, cink-szulfid széles körben használt félvezetők.
A cink-szelenidet nagyon alacsony abszorpciójú optikai üvegek készítésére használják a közép-infravörös tartományban, például szén-dioxid lézerekben.
Higany
A higany a második csoport másodlagos alcsoportjának eleme, D. I. Mengyelejev kémiai elemei periodikus rendszerének hatodik periódusa, 80-as rendszámmal. A Hg (lat. Hydrargyrum) szimbólum jelöli. A higany egyszerű anyag (CAS-szám: 7439-97-6) átmeneti fém, szobahőmérsékleten nehéz, ezüstfehér, észrevehetően illékony folyadék, amelynek gőzei rendkívül mérgezőek. A higany egyike annak a két kémiai elemnek (és az egyetlen fém), amelyek egyszerű anyagai normál körülmények között folyadékban vannak az összesítés állapota(a második elem a bróm). A természetben natív formában is megtalálható, és számos ásványt képez. A higanyt leggyakrabban a leggyakoribb ásványi anyagból - a cinóberből - redukálással nyerik. Elkészítéséhez használt mérőműszerek, vákuumszivattyúk, fényforrások és a tudomány és a technológia egyéb területei.
A higany az egyetlen fém, amely szobahőmérsékleten folyékony. Diamágneses tulajdonságokkal rendelkezik. Sok fémmel képez folyékony ötvözeteket - amalgámokat. Csak a vas, a mangán és a nikkel nem egyesül.
A higany inaktív fém.
300 °C-ra melegítve a higany reakcióba lép oxigénnel: 2Hg + O2 → 2HgO Vörös higany(II)-oxid képződik. Ez a reakció visszafordítható: 340 °C fölé hevítve az oxid egyszerű anyagokra bomlik. A higany-oxid bomlási reakciója történelmileg az egyik első módja az oxigén előállításának.
Ha a higanyt kénnel hevítjük, higany(II)-szulfid képződik.
A higany nem oldódik oxidáló tulajdonságokkal nem rendelkező savak oldatában, de oldódik vízben és salétromsavban, kétértékű higanysókat képezve. Amikor hidegben feloldjuk a higanyt salétromsavban, Hg2(NO3)2-nitrát képződik.
A IIB csoport elemei közül a higanynak van lehetősége egy nagyon stabil 6d10 - elektronhéj elpusztítására, ami a higanyvegyületek létezésének lehetőségéhez vezet (+4). Tehát a vízzel lebomló, gyengén oldódó Hg2F2 és HgF2 mellett van még HgF4 is, amelyet higanyatomok és neon és fluor keverékének kölcsönhatásával nyernek 4K hőmérsékleten.
A higanyt hőmérők gyártásához használják, a higanygőzt higanykvarccal töltik meg fénycsövek. A higanyérintkezők helyzetérzékelőként szolgálnak. Ezenkívül a fémhiganyt számos fontos ötvözet előállítására használják.
Korábban a különféle fém-amalgámokat, különösen az arany- és ezüst-amalgámokat széles körben használták az ékszerekben, tükrök és fogtömések gyártásában. A mérnöki munkában a higanyt széles körben használták barométerekhez és manométerekhez. A higanyvegyületeket fertőtlenítőként (szublimát), hashajtóként (kalomel), kalapgyártásban stb. használták, de nagy toxicitása miatt a 20. század végére gyakorlatilag kiszorultak ezekről a területekről (összeolvadás pótlása). fémek, polimer tömések permetezésével és elektrodepozíciójával a fogászatban).
Az alacsony hőmérsékletű hőmérőkhöz higany és tallium ötvözetet használnak.
A fémhigany katódként szolgál számos aktív fém, klór és lúg elektrolitikus előállításához egyes kémiai áramforrásokban (például higany-cink - típusú RT-k), referencia feszültségforrásokban (Weston elem). A higany-cink elem (emf 1,35 Volt) térfogatát és tömegét tekintve nagyon nagy energiával rendelkezik (130 W/h/kg, 550 W/h/dm).
A higanyt a másodlagos alumínium- és aranybányászat újrahasznosítására használják (lásd az amalgámkohászatot).
A higanyt néha munkafolyadékként is használják nagy terhelésű hidrodinamikus csapágyakban.
A higanyt ballasztként használják a tengeralattjárókban, valamint egyes járművek dőlésének és trimmének szabályozására. Ígéretes a higany felhasználása céziumot tartalmazó ötvözetekben, mint rendkívül hatékony munkafolyadék az ionmotorokban.
A higany egyes biocid festékek összetevője, amely megakadályozza a hajótestek beszennyeződését a tengervízben.
A Mercury-203-at (T1/2 = 53 mp) használják a radiofarmakonokban.
A higanysókat is használják:
A higanyjodidot félvezető sugárzás detektorként használják.
A higanyfulminátot ("Robbanó higany") régóta használják indító robbanóanyagként (detonátorok).
A higany-bromidot a víz termokémiai lebontására használják hidrogénre és oxigénre (atomi hidrogénenergia).
Egyes higanyvegyületeket gyógyszerként használnak (például mertiolát oltóanyagok tartósítására), de elsősorban a toxicitás miatt a higanyt kiszorították az orvostudományból (szublimát, higany-oxicianid - antiszeptikumok, kalomel - hashajtó stb.) század vége.
Alumínium
Az alumínium D. I. Mengyelejev kémiai elemeinek periódusos rendszerének harmadik periódusának harmadik csoportjának fő alcsoportjának eleme, 13-as rendszám. Al (lat. Alumínium) szimbólummal jelölik. A könnyűfémek csoportjába tartozik. A leggyakoribb fém és a harmadik leggyakoribb (az oxigén és a szilícium után) kémiai elem a földkéregben.
Egy egyszerű anyag alumínium (CAS-szám: 7429-90-5) könnyű, nem mágneses ezüstfehér színű fém, könnyen formálható, önthető, megmunkálható. Az alumínium magas hő- és elektromos vezetőképességgel, korrózióállósággal rendelkezik az erős oxidfilmek gyors képződésének köszönhetően, amelyek megvédik a felületet a további kölcsönhatásoktól.
Egyes biológiai vizsgálatok szerint az alumínium emberi szervezetbe jutását az Alzheimer-kór kialakulásában szerepet játszó tényezőnek tekintették, de később ezeket a vizsgálatokat kritizálták, és megcáfolták az egyiknek a másikkal való kapcsolatára vonatkozó következtetést.
Ezüstfehér fém, könnyű, sűrűsége 2,7 g/cm³, olvadáspont műszaki minőségű 658 °C, nagy tisztaságú alumínium 660 °C, forráspontja 2500 °C, öntvény szakítószilárdsága 10-12 kg/mm², deformálható 18 -25 kg/mm2, ötvözetek 38-42 kg/mm2.
Brinell keménység 24-32 kgf / mm², nagy plaszticitás: műszaki 35%, tisztaság 50%, vékony lapra és egyenletes fóliára hengerelve.
Az alumínium magas elektromos és hővezető képességgel rendelkezik, a réz elektromos vezetőképességének 65%-a, fényvisszaverő képessége magas.
Az alumínium szinte minden fémmel ötvözetet képez.
Normál körülmények között az alumíniumot vékony és erős oxidfilm borítja, ezért nem lép reakcióba a klasszikus oxidálószerekkel: H2O-val (t°); O2-val, HNO3-mal (melegítés nélkül). Ennek köszönhetően az alumínium gyakorlatilag nincs kitéve a korróziónak, ezért a modern ipar széles körben igényli. Ha azonban az oxidfilm megsemmisül (például NH4 + ammóniumsó-oldatokkal, forró lúgokkal vagy összeolvadás következtében), az alumínium aktív redukáló fémként működik.
Könnyen reagál egyszerű anyagokkal:
oxigénnel:
4Al + 3O2 = 2Al2O3
halogénekkel:
2Al + 3Br2 = 2AlBr3
hevítés közben reagál más nem fémekkel:
kénnel, alumínium-szulfidot képezve:
2Al + 3S = Al2S3
nitrogénnel alumínium-nitrid képzésére:
szénnel, alumínium-karbidot képezve:
4Al + 3С = Al4С3
Az alumínium-szulfid és az alumínium-karbid teljesen hidrolizált:
Al2S3 + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2S
Al4C3 + 12H2O = 4Al(OH)3+ 3CH4
Összetett anyagokkal:
vízzel (a védő oxidfilm eltávolítása után, pl. összevonással vagy forró lúgos oldattal):
2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2
lúgokkal (tetrahidroxoaluminátok és egyéb aluminátok képződésével):
2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na + 3H2
2(NaOH H2O) + 2Al = 2NaAlO2 + 3H2
Könnyen oldódik sósavban és híg kénsavban:
2Al + 6HCl = 2AICl3 + 3H2
2Al + 3H2SO4(razb) = Al2(SO4)3 + 3H2
Melegítéskor feloldódik savakban - oxidálószerekben, amelyek oldható alumíniumsókat képeznek:
2Al + 6H2SO4 (tömény) = Al2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O
Al + 6HNO3(konc) = Al(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O
helyreállítja a fémeket oxidjaikból (aluminotermia):
8Al + 3Fe3O4 = 4Al2O3 + 9Fe
2Al + Cr2O3 = Al2O3 + 2Cr
Széles körben használják szerkezeti anyagként. Az alumínium fő előnyei ebben a minőségben a könnyedség, a sajtoláshoz való hajlékonyság, a korrózióállóság (levegőben az alumíniumot azonnal egy erős Al2O3 film borítja, ami megakadályozza a további oxidációját), a nagy hővezető képesség, vegyületeinek nem mérgező tulajdonsága. Különösen ezek a tulajdonságok tették rendkívül népszerűvé az alumíniumot az edények gyártásában, az alumíniumfóliában Élelmiszeriparés a csomagoláshoz.
Az alumínium, mint szerkezeti anyag fő hátránya az alacsony szilárdsága, ezért általában kis mennyiségű rézzel és magnéziummal ötvözik (az ötvözetet duralumíniumnak nevezik).
Az alumínium elektromos vezetőképessége mindössze 1,7-szer kisebb, mint a rézé, míg az alumínium körülbelül 2-szer olcsóbb. Ezért széles körben használják az elektrotechnikában vezetékek gyártására, azok árnyékolására, sőt a mikroelektronikában is használják chipekben lévő vezetők gyártására. Az alumínium alacsonyabb elektromos vezetőképességét (37 1/ohm) a rézhez képest (63 1/ohm) kompenzálja az alumínium vezetők keresztmetszetének növekedése. Az alumínium, mint elektromos anyag hátránya az erős oxidfilm, amely megnehezíti a forrasztást.
A tulajdonságok összetettsége miatt széles körben használják a hőtechnikai berendezésekben.
Az alumínium és ötvözetei rendkívül alacsony hőmérsékleten is megtartják szilárdságukat. Emiatt széles körben használják a kriogén technológiában.
A nagy fényvisszaverő képesség, valamint az alacsony költség és a könnyű lerakódás az alumíniumot ideális anyaggá teszi a tükrök készítéséhez.
Építőanyagok gyártásában gázképző szerként.
Az alumíniumozás korrózió- és vízkőállóságot biztosít az acélnak és más ötvözeteknek, például dugattyús motorszelepeknek, turbinalapátoknak, olajplatformoknak, hőcserélő berendezéseknek, és helyettesíti a horganyzást is.
Az alumínium-szulfidot hidrogén-szulfid előállítására használják.
Kutatások folynak a habosított alumínium különösen erős és könnyű anyag kifejlesztésére.
Amikor az alumínium nagyon drága volt, különféle ékszereket készítettek belőle. A divat azonnal elmúlt, amikor új technológiák jelentek meg a gyártáshoz, ami sokszorosára csökkentette a költségeket. Ma az alumíniumot néha ékszerek gyártásához használják.
Egyéb fémek
Vezet
Az ólom a negyedik csoport fő alcsoportjának, D. I. Mengyelejev kémiai elemeinek periódusos rendszerének hatodik periódusának egyik eleme, 82-es rendszámmal. A Pb (lat. Plumbum) szimbólum jelöli. Az egyszerű anyag ólom (CAS-szám: 7439-92-1) képlékeny, viszonylag alacsony olvadáspontú fém szürke színű.
Az ólom meglehetősen alacsony hővezető képességgel rendelkezik, 35,1 W/(m K) 0 °C-on. A fém puha és késsel könnyen vágható. Felületén általában többé-kevésbé vastag oxidréteg borítja, vágáskor fényes felület nyílik, amely idővel a levegőben elhalványul.
Olvadáspont: 327,4 °C
Forráspont: 1740 °C
Az ólom-nitrátot erős kevert robbanóanyagok előállítására használják. Az ólom-azidot használják a legszélesebb körben használt detonátorként (indító robbanóanyag). Az ólom-perklorátot nehéz folyadék (sűrűsége 2,6 g/cm³) előállítására használják ércek flotációs dúsítására, néha erős keverékben használják. robbanóanyagok oxidálószerként. Az ólom-fluoridot önmagában, valamint bizmuttal, rézzel, ezüstfluoriddal együtt katódanyagként használják kémiai áramforrásokban. Az ólom-bizmutot, az ólom-szulfidot, a PbS-t és az ólom-jodidot katódanyagként használják a lítium akkumulátorokban. Ólom-klorid PbCl2 katódanyagként tartalék források jelenlegi. Az ólomtellurid PbTe széles körben használatos termoelektromos anyagként (termo-emf 350 μV/K-val), ez a legszélesebb körben használt anyag a termoelektromos generátorok és termoelektromos hűtőszekrények gyártásában. A PbO2 ólom-dioxidot nemcsak ólom akkumulátorokban használják széles körben, hanem számos tartalék kémiai áramforrást is előállítanak az alapján, például ólom-klór elemet, ólom-fluor elemet stb.
A fehér ólmot, a Pb (OH) 2 PbCO3 bázikus karbonátot, sűrű fehér por, levegőben lévő ólomból nyerik szén-dioxid és ecetsav hatására. A fehér ólom színező pigmentként való felhasználása ma már nem olyan elterjedt, mint korábban, mivel a hidrogén-szulfid H2S hatására bomlik le. Az ólomfehéret gitt előállítására is használják, a cement és az ólom-karbonát papír technológiájában.
Az ólom-arzenátot és az arzenitet az inszekticidek technológiájában használják a rovarkártevők elpusztítására Mezőgazdaság(cigánymoly és gyapotzsizsik). Az ólom-borát Pb(BO2)2H2O, egy oldhatatlan fehér por, festmények és lakkok szárítására, valamint más fémekkel együtt üveg és porcelán bevonására szolgál. Ólom-klorid PbCl2, fehér kristályos por, oldódik forró víz, egyéb kloridok és különösen ammónium-klorid NH4Cl oldatai. Kenőcsök készítésére használják daganatok kezelésére.
A króm sárga néven ismert ólom-kromát PbCrO4 fontos pigment a festékek előkészítésében, porcelán és textíliák festésében. Az iparban a kromátot elsősorban sárga pigmentek előállítására használják. Ólom-nitrát Pb(NO3)2 - fehér kristályos anyag, vízben jól oldódik. Ez egy korlátozottan használható kötőanyag. Az iparban párkeresésnél, textilfestésnél és -tömésnél, agancsfestésnél és gravírozásnál használják. Az ólom-szulfát Pb(SO4)2, egy vízben oldhatatlan fehér por, pigmentként használatos akkumulátorokban, litográfiában és nyomtatott szövettechnológiában.
Az ólom-szulfid PbS egy fekete, vízben oldhatatlan por, amelyet kerámia égetéséhez és ólomionok kimutatására használnak.
Mivel az ólom jó elnyelője a γ-sugárzásnak, röntgengépekben és atomreaktorokban sugárzás árnyékolására használják. Ezenkívül az ólmot hűtőközegnek tekintik a fejlett gyorsneutronos atomreaktorok projektjeiben.
Az ólomötvözetek széles körben használatosak. A 85-90% Sn-t és 15-10% Pb-t tartalmazó ón (ón-ólom ötvözet) formázható, olcsó és háztartási edények gyártására használják. Az elektrotechnikában 67% Pb-t és 33% Sn-t tartalmazó forraszanyagot használnak. Az ólom és antimon ötvözeteit golyók és tipográfiai típusok gyártásához, az ólom, antimon és ón ötvözeteit pedig alaköntéshez és csapágyakhoz használják. Az ólom-antimon ötvözeteket általában kábelköpenyekhez és elektromos akkumulátorlemezekhez használják. Az ólomvegyületeket színezékek, festékek, rovarirtó szerek, üvegtermékek gyártásához, valamint benzin adalékanyagaként használják tetraetil-ólom (C2H5) 4Pb (mérsékelten illékony folyadék, a gőzök kis koncentrációban édeskés gyümölcsös szagú, nagy koncentrációban) formájában. , kellemetlen szagú; Тm = 130 °C, Тbp = 80 °С/13 Hgmm; sűrűsége 1,650 g/cm³; nD2v = 1,5198; vízben nem oldódik, szerves oldószerekkel elegyedik; erősen mérgező, könnyen áthatol a bőrön; MPC = 0,005 mg/m³ LD50 = 12,7 mg/kg (patkányok, orális)) az oktánszám növelése érdekében.
Ón
Az ón a negyedik csoport fő alcsoportjának, D. I. Mengyelejev kémiai elemeinek periódusos rendszerének ötödik periódusának egyik eleme, 50-es rendszámmal. Az Sn (lat. Stannum) szimbólum jelöli. Normál körülmények között az egyszerű anyagú ón egy ezüstös-fehér színű, képlékeny, alakítható és olvadó fényes fém. Az ón többféle allotróp módosulatot képez: 13,2 °C alatt stabil α-ón (szürke ón) köbös gyémántszerű ráccsal, 13,2 °C felett stabil β-ón (fehér ón) tetragonális kristályrácstal.
Az ónt elsősorban biztonságos, nem mérgező, korrózióálló bevonatként használják tiszta formájában vagy más fémekkel ötvözött formában. Az ón fő ipari felhasználási területei az élelmiszer-csomagoláshoz használt ónlemezek (ónozott vas), az elektronikai forraszanyagok, a ház vízvezetékei, a csapágyötvözetek, valamint az ón és ötvözeteinek bevonatai. Az ón legfontosabb ötvözete a bronz (rézzel). Egy másik jól ismert ötvözet, az ón, étkészletek készítésére szolgál. A közelmúltban megélénkült az érdeklődés a fém felhasználása iránt, hiszen a nehéz, színesfémek közül ez a „legkörnyezetbarátabb”. Nb3Sn intermetallikus vegyületen alapuló szupravezető vezetékek létrehozására szolgál.
A fém ón ára 2006-ban átlagosan 12-18 USD/kg, a nagy tisztaságú ón-dioxid körülbelül 25 USD/kg, a nagy tisztaságú egykristályos ón körülbelül 210 USD/kg volt.
Az ón és cirkónium intermetallikus vegyületei magas olvadásponttal (akár 2000 °C-ig) rendelkeznek, és levegőn hevítve ellenállnak az oxidációnak, és számos alkalmazási területük van.
Az ón a legfontosabb ötvöző komponens a szerkezeti titánötvözetek gyártásában.
Az ón-dioxid egy nagyon hatékony csiszolóanyag, amelyet az optikai üveg felületének "kidolgozására" használnak.
Az ónsók keverékét - "sárga összetételű" - korábban gyapjúfestékként használták.
Az ónt kémiai áramforrásokban is használják anódanyagként, például: mangán-ón elem, oxid-higany-ón elem. Ígéretes az ón alkalmazása ólom-ón akkumulátorban; így például egy ólomakkumulátorral azonos feszültség mellett egy ólom-ón akkumulátor térfogategységenként 2,5-szer nagyobb kapacitású és 5-ször nagyobb energiasűrűségű, belső ellenállása sokkal kisebb.
A fém ón nem mérgező, ami lehetővé teszi az élelmiszeriparban való felhasználását. Az ónban lévő káros szennyeződések normál tárolási és használati körülmények között, beleértve az olvadékot 600 ºС-ig, nem kerülnek a munkaterület levegőjébe a GOST szerint megengedett maximális koncentrációt meghaladó mennyiségben. A hosszú távú (15-20 évig tartó) ónpor expozíció fibrogén hatással van a tüdőre, és pneumokoniózist okozhat a dolgozókban.
Fémek alkalmazása
Építőanyagok
A fémek és ötvözeteik a modern civilizáció egyik fő szerkezeti anyaga. Ezt elsősorban nagy szilárdságuk, egyenletességük és folyadékokkal és gázokkal szembeni át nem eresztő képességük határozza meg. Ezenkívül az ötvözetek összetételének megváltoztatásával tulajdonságaik nagyon széles tartományban változtathatók.
Elektromos anyagok
A fémeket jó elektromos vezetőként (réz, alumínium) és nagy ellenállású anyagokként használják ellenállásokhoz és elektromos fűtőelemekhez (nikróm stb.).
Szerszám anyagok
A fémeket és ötvözeteiket széles körben használják szerszámok (munkarészük) gyártására. Ezek főként szerszámacélok és keményötvözetek. Szerszámanyagként gyémántot, bór-nitridet és kerámiát is használnak.
Kohászat
A kohászat vagy kohászat az anyagtudomány olyan területe, amely fémek, intermetallikus vegyületek és ötvözetek fizikai és kémiai viselkedését vizsgálja. A kohászat magában foglalja a fémekkel kapcsolatos meglévő ismeretek gyakorlati alkalmazását is - az alapanyagok kitermelésétől a késztermékek előállításáig.
A szerkezet és a fizikai kémiai tulajdonságok fém- és oxidolvadékok és szilárd oldatok, a kondenzált halmazállapot elméletének fejlesztése;
A kohászati reakciók termodinamikájának, kinetikájának és mechanizmusának tanulmányozása;
Tudományos és műszaki, gazdasági alapok fejlesztése integrált használat polifémes ásványi nyersanyagok és mesterséges hulladékok környezeti problémák megoldásával;
Fémek, ötvözetek, fémporok és kompozit anyagok és bevonatok előállítására szolgáló pirometallurgiai, elektrotermikus, hidrometallurgiai és gázfázisú eljárások alapjainak elméletének kidolgozása.
A vasfémek közé tartozik a vas, mangán, króm, vanádium. Az összes többi színes. Fizikai tulajdonságaik és rendeltetésük szerint a színesfémeket feltételesen nehéz (réz, ólom, cink, ón, nikkel) és könnyű (alumínium, titán, magnézium) csoportokra osztják.
A fő technológiai folyamat szerint pirometallurgiára (olvasztás) és hidrometallurgiára (fémek kémiai oldatokban történő kivonása) osztják. A pirometallurgia egyik változata a plazmakohászat.
Plazmakohászat - kinyerés ércekből, fémek és ötvözetek olvasztása és feldolgozása plazma hatására.
Az ércek (oxidok stb.) feldolgozása a plazmában történő hőbontással történik. A fordított reakciók megelőzésére redukálószert (szén, hidrogén, metán stb.) alkalmaznak, vagy a plazmaáramlás éles lehűtését, ami megsérti a termodinamikai egyensúlyt.
A plazmakohászat lehetővé teszi a fém közvetlen redukcióját az ércből, jelentősen felgyorsítja a kohászati folyamatokat, tiszta anyagokat nyer, és csökkenti az üzemanyag- (redukálószer) felhasználást. A plazmakohászat hátránya a plazma előállításához használt nagy villamosenergia-fogyasztás.
Sztori
Az első bizonyíték arra, hogy egy személy kohászattal foglalkozott, a Kr.e. 5-6 évezredre nyúlik vissza. e. és megtalálták Majdanpekben, Pločnikban és más lelőhelyeken Szerbiában (beleértve a Vinca-kultúrához tartozó i.e. 5500-ból származó rézbaltát), Bulgáriában (Kr. e. 5000), Palmelában (Portugália), Spanyolországban, Stonehenge-ben (Egyesült Királyság). Azonban, mint az ilyen régóta fennálló jelenségeknél lenni szokott, az életkor nem mindig határozható meg pontosan.
A korai idők kultúrájában jelen van az ezüst, a réz, az ón és a meteorikus vas, ami korlátozott fémmegmunkálást tett lehetővé. Így nagyra értékelték a "mennyei tőröket" - az egyiptomi fegyvereket, amelyeket meteorvasból készítettek Kr.e. 3000-ben. e. Ám miután megtanultak rezet és ónt bányászni kőből, és megszerezni a bronz nevű ötvözetet, az emberek ie 3500-ban. e. belépett a bronzkorba.
A vas ércből való beszerzése és a fém olvasztása sokkal nehezebb volt. A technológiát a feltételezések szerint a hettiták találták fel ie 1200 körül. e., amely a vaskor kezdetét jelentette. A bányászat és a vasgyártás titka kulcsfontosságú tényezővé vált a filiszteusok hatalmában.
A vaskohászat fejlődésének nyomai számos múltbeli kultúrában és civilizációban nyomon követhetők. Ide tartoznak a Közel-Kelet és a Közel-Kelet ókori és középkori királyságai és birodalmai, az ókori Egyiptom és Anatólia (Törökország), Karthágó, az ókori és középkori európai görögök és rómaiak, Kína, India, Japán stb. hogy számos módszert, eszközt és kohászati technológiát eredetileg az ókori Kínában találtak fel, majd az európaiak sajátították el ezt a mesterséget (kohók, öntöttvas, acél, hidraulikus kalapácsok stb. feltalálása). A legújabb kutatások azonban azt sugallják, hogy a római technológia sokkal fejlettebb volt, mint korábban gondolták, különösen a bányászat és a kovácsolás területén.
Bányászati kohászat
A bányászati kohászat az értékes fémek ércből történő kinyerése és a kitermelt nyersanyagok átolvasztása tiszta fémmé. Ahhoz, hogy egy fém-oxidot vagy -szulfidot tiszta fémmé alakítsunk át, az ércet fizikai, kémiai vagy elektrolitikus úton el kell választani.
A kohászok három fő összetevővel dolgoznak: nyersanyagokkal, koncentrátummal (értékes fém-oxid vagy -szulfid) és hulladékkal. A bányászat után nagy ércdarabokat aprítanak össze olyan mértékben, hogy minden részecske értékes koncentrátum vagy hulladék.
A bányászat nem szükséges, ha az érc és a környezet lehetővé teszi a kilúgozást. Így feloldhatja az ásványt és ásványi anyagokkal dúsított oldatot kaphat.
Az érc gyakran több értékes fémet is tartalmaz. Ilyen esetben az egyik folyamatból származó hulladék egy másik folyamat alapanyagaként használható fel.
Ötvözet
Az ötvözet két vagy több kémiai elem makroszkopikusan homogén keveréke, túlnyomórészt fémes komponensekkel. Az ötvözet fő vagy egyetlen fázisa általában az ötvözőelemek szilárd oldata a fémben, amely az ötvözet alapja.
Az ötvözetek fémes tulajdonságokkal rendelkeznek, például fémes csillogással, magas elektromos és hővezető képességgel. Néha az ötvözet komponensei nemcsak kémiai elemek lehetnek, hanem fémes tulajdonságokkal rendelkező kémiai vegyületek is. Például a keményötvözetek fő alkotóelemei a volfrám vagy a titán-karbidok. Az ötvözetek makroszkopikus tulajdonságai mindig eltérnek komponenseik tulajdonságaitól, a többfázisú (heterogén) ötvözetek makroszkopikus homogenitását pedig a fémmátrixban lévő szennyezőfázisok egyenletes eloszlása éri el.
Az ötvözeteket általában úgy állítják elő, hogy a komponenseket olvadt állapotban összekeverik, majd lehűtik. Az alkatrészek magas olvadási hőmérsékletén az ötvözetek fémporok összekeverésével, majd szinterezéssel készülnek (például így kapnak volfrámötvözetet).
Az ötvözetek az egyik fő szerkezeti anyag. Közülük a vas és alumínium alapú ötvözetek a legnagyobb jelentőségűek. Sok ötvözet összetételébe is bekerülhetnek nem fémek, mint a szén, szilícium, bór stb.. Több mint 5 ezer ötvözetet használnak a technológiában.
Források
Az első anyag, amelyet az emberek megtanultak használni igényeik kielégítésére, a kő. Később azonban, amikor az ember tudomást szerzett a fémek tulajdonságairól, a kő messze visszaköltözött. Ezek az anyagok és ötvözeteik váltak a legfontosabb és legfontosabb anyagokká az emberek kezében. Háztartási cikkeket, munkaeszközöket készítettek belőlük, helyiségeket építettek. Ezért ebben a cikkben megvizsgáljuk, hogy melyek azok a fémek, amelyek általános jellemzői, tulajdonságai és felhasználása annyira fontos a mai napig. Valóban, szó szerint közvetlenül a kőkorszak után fémek egész galaxisa következett: réz, bronz és vas.
Mi egyesíti ezen egyszerű anyagok képviselőit? Természetesen ez a kristályrács szerkezete, a kémiai kötések típusai és az atom elektronszerkezetének jellemzői. Végül is innen erednek azok a jellegzetes fizikai tulajdonságok, amelyek ezeknek az anyagoknak az ember általi felhasználásának hátterében állnak.
Mindenekelőtt tekintsük a fémeket a periódusos rendszer kémiai elemeinek. Ebben meglehetősen szabadon helyezkednek el, a ma ismert 115 cellából 95-öt foglalnak el, elhelyezkedésüknek több jellemzője van az általános rendszerben:
Az ilyen adatok alapján könnyen belátható, hogy a nemfémek a rendszer jobb felső részében vannak gyűjtve, a többi hely pedig az általunk vizsgált elemekhez tartozik.
Mindegyikük rendelkezik az atom elektronszerkezetének számos jellemzőjével:
A fémek és nemfémek általános jellemzői lehetővé teszik szerkezetük mintázatainak azonosítását. Tehát az első kristályrácsa fémes, különleges. Csomópontjai egyszerre többféle részecskét tartalmaznak:
Egy közös felhő halmozódik fel benne, az úgynevezett elektrongáz, amely megmagyarázza ezen anyagok összes fizikai tulajdonságát. A fémekben lévő kémiai kötések típusa megegyezik velük.
Számos olyan paraméter létezik, amelyek az összes fémet egyesítik. Általános jellemzőik a fizikai tulajdonságok tekintetében a következők.
A felsorolt paraméterek a fémek általános jellemzői, vagyis mindaz, ami egybe egyesíti őket nagy család. Meg kell azonban érteni, hogy minden szabály alól vannak kivételek. Ráadásul túl sok ilyen elem van. Ezért magán a családon belül is vannak különféle csoportokra való felosztások, amelyeket az alábbiakban fogunk megvizsgálni, és amelyekre jellemző tulajdonságokat mutatunk be.
A kémia tudománya szempontjából minden fém redukálószer. És nagyon erős. Minél kevesebb elektron van a külső szinten és minél nagyobb az atomsugár, annál erősebb a fém a megadott paraméter szerint.
Ennek eredményeként a fémek reakcióba léphetnek a következőkkel:
Ez csak a kémiai tulajdonságok általános áttekintése. Végül is minden egyes elemcsoport esetében tisztán egyéniek.
Az alkáliföldfémek általános jellemzői a következők:
Így az alkáliföldfémek az s-család gyakori elemei, nagy kémiai aktivitást mutatnak, erős redukálószerek és fontos résztvevői a szervezetben zajló biológiai folyamatoknak.
Az általános jellemző a nevükkel kezdődik. A vízben való oldódás képességéért kapták, lúgokat - maró hidroxidot képezve. A vízzel való reakciók nagyon hevesek, néha gyúlékonyak. Ezek az anyagok szabad formában nem találhatók meg a természetben, mivel kémiai aktivitásuk túl magas. Reagálnak levegővel, vízgőzzel, nem fémekkel, savakkal, oxidokkal és sókkal, vagyis szinte mindennel.
Ez az elektronikus szerkezetüknek köszönhető. A külső szinten csak egy elektron van, amelyet könnyen kiadnak. Ezek a legerősebb redukálószerek, ezért elég hosszú időbe telt tiszta formában előállítani őket. Ezt először Humphrey Davy végezte el már a 18. században nátrium-hidroxid elektrolízissel. Most ennek a csoportnak minden képviselőjét ezzel a módszerrel bányászják.
Az alkálifémek általános jellemzője az is, hogy a periodikus rendszer fő alcsoportjának első csoportját alkotják. Mindegyik fontos elem, amely számos értékes, az ember által használt természetes vegyületet képez.
Ez az elemcsoport magában foglalja mindazokat, amelyek oxidációs állapota változhat. Ez azt jelenti, hogy a körülményektől függően a fém oxidálószerként és redukálószerként is működhet. Az ilyen elemek nagymértékben képesek reakcióba lépni. Köztük számos amfoter anyag található.
Mindezen atomok közös neve átmeneti elemek. Azt kapták, hogy tulajdonságaikat tekintve valóban úgymond középen állnak az s-család tipikus fémei és a p-család nemfémei között.
Az átmeneti fémek általános jellemzői hasonló tulajdonságaik megjelölését jelentik. Ezek a következők:
Az ebbe a csoportba tartozó fémek egyszerű anyagokként nagyon erősek, képlékenyek és képlékenyek, ezért nagy ipari jelentőséggel bírnak.
A másodlagos alcsoportok fémeinek általános jellemzői teljesen egybeesnek az átmeneti fémekkel. És ez nem meglepő, mert valójában ez pontosan ugyanaz. Csupán arról van szó, hogy a rendszer oldalsó alcsoportjait pontosan a d- és f-család képviselői alkotják, vagyis az átmenetifémek. Ezért azt mondhatjuk, hogy ezek a fogalmak szinonimák.
Közülük a legaktívabb és legfontosabb a 10 képviselőből álló első sor a szkandiumtól a cinkig. Mindegyik nagy ipari jelentőséggel bír, és az ember gyakran használja, különösen olvasztásra.
A fémek és ötvözetek általános jellemzői lehetővé teszik annak megértését, hogy hol és hogyan lehet ezeket az anyagokat felhasználni. Az ilyen vegyületek az elmúlt évtizedekben nagy átalakuláson mentek keresztül, mert egyre több új adalékanyagot fedeznek fel és szintetizálnak minőségük javítására.
A mai leghíresebb ötvözetek a következők:
Mi az az ötvözet? Ez fémek keveréke, amelyet az utóbbi speciális kemenceberendezésekben történő olvasztásával nyernek. Ez azért történik, hogy olyan terméket kapjunk, amely tulajdonságaiban jobb, mint az azt alkotó tiszta anyagok.
Ha általános tulajdonságokról beszélünk, akkor a fémek és a nemfémek jellemzői egy nagyon lényeges pontban különböznek majd: az utóbbiak esetében nem lehet hasonló tulajdonságokat kiemelni, mivel megnyilvánuló tulajdonságaikban nagyban különböznek, mind fizikai, mind kémiailag. .
Ezért nem lehet ilyen jellemzőt létrehozni a nemfémeknél. Csak az egyes csoportok képviselőit külön-külön lehet figyelembe venni és tulajdonságaikat leírni.
A kémiai elemek tulajdonságai lehetővé teszik, hogy megfelelő csoportokba vonják őket. Ezen az elven egy periodikus rendszer jött létre, amely megváltoztatta a létező anyagok elképzelését, és lehetővé tette új, korábban ismeretlen elemek létezésének feltételezését.
Kapcsolatban áll
A kémiai elemek periódusos rendszerét D. I. Mengyelejev állította össze a 19. század második felében. Mi ez, és miért van rá szükség? Az összes kémiai elemet az atomtömeg növekedésének sorrendjében egyesíti, és mindegyik úgy van elrendezve, hogy tulajdonságaik periodikusan változzanak.
Mengyelejev periodikus rendszere egyetlen rendszerbe foglalta az összes létező elemet, amelyet korábban egyszerűen külön anyagnak tekintettek.
Tanulmánya alapján új vegyi anyagok. Ennek a felfedezésnek a jelentőségét a tudomány számára nem lehet túlbecsülni., messze megelőzte korát, és hosszú évtizedeken át lendületet adott a kémia fejlődésének.
Három leggyakoribb asztali lehetőség létezik, amelyeket hagyományosan "rövid", "hosszú" és "extra hosszú" néven emlegetnek. ». A főasztalt egy hosszú asztalnak tekintik, ez hivatalosan jóváhagyták. A különbség köztük az elemek elrendezése és a periódusok hossza.
A rendszer 7 periódusból áll. Grafikusan vízszintes vonalakként jelennek meg. Ebben az esetben a periódusnak egy vagy két sora lehet, ezeket soroknak nevezzük. Minden következő elem különbözik az előzőtől azáltal, hogy a magtöltést (az elektronok számát) eggyel növeli.
Leegyszerűsítve a periódus egy vízszintes sor a periódusos rendszerben. Mindegyik fémmel kezdődik és inert gázzal végződik. Valójában ez periodicitást hoz létre - az elemek tulajdonságai az egyik perióduson belül megváltoznak, és ismétlődnek a következőben. Az első, a második és a harmadik periódus hiányos, kicsinek nevezik, és 2, 8 és 8 elemet tartalmaznak. A többi teljes, egyenként 18 elemből áll.
A csoport egy függőleges oszlop, amely azonos elektronikus szerkezetű vagy egyszerűbben azonos magasabb . A hivatalosan jóváhagyott hosszú táblázat 18 csoportot tartalmaz, amelyek alkálifémekkel kezdődnek és inert gázokkal végződnek.
Minden csoportnak saját neve van, ami megkönnyíti az elemek megtalálását vagy osztályozását. A fémes tulajdonságok az elemtől függetlenül javulnak felülről lefelé haladva. Ennek oka az atomi pályák számának növekedése - minél több van, annál gyengébbek az elektronikus kötések, ami a kristályrácsot kifejezettebbé teszi.
Fémek a táblázatban Mengyelejev túlsúlyban van, listájuk meglehetősen kiterjedt. Közös tulajdonságok jellemzik, tulajdonságaikban heterogének, csoportokra oszlanak. Némelyiküknek fizikai értelemben alig van köze a fémekhez, míg mások csak a másodperc töredékéig létezhetnek, és egyáltalán nem találhatók meg a természetben (legalábbis a bolygón), mert létrejöttek, pontosabban kiszámították és megerősítették őket. laboratóriumban, mesterségesen. Minden csoportnak megvannak a maga sajátosságai, a név érezhetően eltér a többitől. Ez a különbség különösen szembetűnő az első csoportban.
Mi a fémek helyzete a periódusos rendszerben? Az elemek az atomtömeg vagy az elektronok és protonok számának növelésével rendeződnek. Tulajdonságaik periodikusan változnak, így a táblázatban nincs tiszta egy-egy elhelyezés. Hogyan határozzuk meg a fémeket, és lehetséges-e ez a periódusos rendszer szerint? A kérdés leegyszerűsítése érdekében egy speciális trükköt találtak ki: feltételesen egy átlós vonalat húznak Bortól Poloniusig (vagy Asztatinig) az elemek találkozásánál. A bal oldaliak fémek, a jobb oldaliak nemfémek. Nagyon egyszerű és nagyszerű lenne, de vannak kivételek - germánium és antimon.
Egy ilyen „módszer” egyfajta csalólap, csak a memorizálási folyamat egyszerűsítésére találták ki. A pontosabb ábrázolás érdekében ne feledje a nemfémek listája csak 22 elemből áll, ezért válaszolva arra a kérdésre, hogy hány fémet tartalmaz a periódusos rendszer
Az ábrán jól látható, hogy mely elemek nem fémek, és hogyan vannak elrendezve a táblázatban csoportok és periódusok szerint.
A fémeknek vannak általános fizikai tulajdonságai. Ezek tartalmazzák:
Meg kell érteni, hogy a fémek tulajdonságai nagyon eltérőek kémiai vagy fizikai természetüket tekintve. Némelyikük kevéssé hasonlít a kifejezés közönséges értelmében vett fémekre. Például a higany különleges helyet foglal el. Normál körülmények között folyékony halmazállapotú, nincs kristályrácsa, amelynek jelenléte tulajdonságait más fémeknek köszönheti. Utóbbiak tulajdonságai ebben az esetben feltételesek, a higany kémiai jellemzői alapján nagyobb mértékben kapcsolódik hozzájuk.
Érdekes! Az első csoport elemei, az alkálifémek, nem fordulnak elő tiszta formában, különféle vegyületek összetételében.
A természetben létező legpuhább fém - a cézium - ebbe a csoportba tartozik. Más lúgos hasonló anyagokhoz hasonlóan nem sok közös vonása van a tipikusabb fémekkel. Egyes források azt állítják, hogy valójában a legpuhább fém a kálium, amelyet nehéz vitatni vagy megerősíteni, mivel sem az egyik, sem a másik elem nem létezik önmagában - kémiai reakció eredményeként felszabadulva gyorsan oxidálódik vagy reagál.
A fémek második csoportja - az alkáliföldfémek - sokkal közelebb áll a fő csoportokhoz. Az "alkáliföld" elnevezés az ókorból származik, amikor az oxidokat "földeknek" nevezték, mert laza, morzsalékos szerkezetük van. A 3. csoporttól kezdve többé-kevésbé ismert (köznapi értelemben vett) tulajdonságokkal rendelkeznek a fémek. A csoportszám növekedésével a fémek mennyisége csökken.
A fémek mechanikai, technológiai, fizikai és kémiai tulajdonságokkal rendelkeznek.
A fizikai tulajdonságok a következők: szín, sűrűség, olvaszthatóság, elektromos vezetőképesség, mágneses tulajdonságok, hővezető képesség, hőkapacitás, tágíthatóság melegítéskor és fázisátalakuláskor;
kémiai - oxidálhatóság, oldhatóság, korrózióállóság, hőállóság;
mechanikai - szilárdság, keménység, rugalmasság, viszkozitás, plaszticitás, ridegség;
technológiai - edzhetőség, folyékonyság, alakíthatóság, hegeszthetőség, megmunkálhatóság.
Erő- a fém azon képessége, hogy összeomlás nélkül ellenálljon a külső erők hatásának.
Fajlagos erősség- a szakítószilárdság és a sűrűség aránya.
keménység- nevezik a test azon képességét, hogy ellenálljon egy másik test behatolásának.
Rugalmasság- a fém azon tulajdonsága, hogy az alakváltozást (deformációt) okozó külső erők hatásának megszűnése után helyreállítsa alakját.
Viszkozitás- a fém azon képessége, hogy ellenálljon a külső erőknek. A viszkozitás a ridegség ellenkező tulajdonsága.
Műanyag- a fém azon tulajdonsága, hogy külső erők hatására roncsolás nélkül deformálódjon, és az erők megszűnése után új alakját megtartsa.
A fémek vizsgálatának korszerű módszerei a mechanikai vizsgálatok, kémiai, spektrális, metallográfiai és röntgenanalízis, technológiai minták, hibadetektálás. Ezek a tesztek lehetőséget adnak arra, hogy képet kapjunk a fémek természetéről, szerkezetéről, összetételéről és tulajdonságairól.
Mechanikai tulajdonságok. Minden termékkel szemben az első követelmény a kellő szilárdság. Sok terméknek az általános szilárdságon kívül különleges tulajdonságokkal is kell rendelkeznie, amelyek erre a termékre jellemzőek. Például a vágószerszámoknak nagy keménységűnek kell lenniük. Vágó- és egyéb szerszámok gyártásához szerszámacélokat és ötvözeteket, rugókhoz és rugókhoz pedig speciális, nagy rugalmasságú acélokat használnak.
A képlékeny fémeket olyan esetekben használják, amikor az alkatrészek működés közben sokkoló terhelésnek vannak kitéve.
A fémek plaszticitása lehetővé teszi nyomással történő feldolgozását (kovácsolás, hengerlés, sajtolás).
Fizikai tulajdonságok. Repülőgép-, autó-, műszer- és autógyártásban gyakran az alkatrészek súlya a legfontosabb jellemző, ezért itt különösen hasznosak az alumínium és magnéziumötvözetek.
Összeolvadhatóságöntvények előállítására használják olvadt fém formákba öntésével. Az alacsony olvadáspontú fémeket (ólmot) acél keményítőközegeként használják. Egyes összetett ötvözetek olyan alacsony olvadásponttal rendelkeznek, hogy forró vízben megolvadnak. Az ilyen ötvözeteket topográfiai mátrixok öntésére, tűzbiztonsági eszközök biztosítékaira használják.
Fémek magas elektromos vezetőképesség(réz, alumínium) használják az elektrotechnikában, elektromos vezetékekben és nagy elektromos ellenállású ötvözetek - izzólámpákhoz, elektromos fűtőtestekhez.
Mágneses tulajdonságok a fémeket az elektrotechnikában használják villanymotorok, transzformátorok a műszerezésben (telefon- és távírókészülékek).
Hővezető fémek lehetővé teszi azok egyenletes felmelegítését nyomáskezeléshez, hőkezeléshez, emellett lehetőséget biztosít fémek forrasztására, hegesztésére.
Egyes fémek lineáris tágulási együtthatója közel nulla; az ilyen fémeket precíziós műszerek gyártására használják hidak, felüljárók stb. építésénél.
Kémiai tulajdonságok. A korrózióállóság különösen fontos a kémiailag aktív környezetben működő termékeknél (vegyipari gépalkatrészek). Az ilyen termékekhez nagy korrózióállóságú ötvözeteket használnak - rozsdamentes, saválló és hőálló acélokat.
