Положение металлов в периодической системе. Строение атомов металлов. Группы металлов

Сплав меди, известный с  древнейших времен, - бронза содержит 4-30% олова (обычно 8-10%). До наших дней сохранились изделия из бронзы мастеров Древнего Египта, Греции, Китая. Из бронзы отливали в средние века орудия и многие другие изделия. Знаменитые Царь-пушка и Царь-колокол в Московском Кремле также отлиты из сплава меди с оловом. В настоящее время в бронзах олово часто заменяют другими металлами, что приводит к изменению их свойств. Алюминиевые бронзы, которые содержат 5-10% алюминия, обладают повышенной прочностью. Из такой бронзы чеканят медные монеты. Очень прочные, твердые и упругие бериллиевые бронзы содержат примерно 2% бериллия. Пружины, изготовленные из бериллиевой бронзы, практически вечны. Широкое применение в народном хозяйстве нашли бронзы, изготовленные на основе других металлов: свинца, марганца, сурьмы, железа и кремния.

Сплав мельхиор содержит от 18 до 33% никеля (остальное медь). Температура плавления мельхиора составляет 1170 °С. Он имеет красивый внешний вид. Из мельхиора изготавливают посуду и украшения, чеканят монеты («серебро»). Похожий на мельхиор сплав - нейзильбер - содержит, кроме 15% никеля, до 20% цинка. Этот сплав используют для изготовления художественных изделий, медицинского инструмента. Медно-никелевые сплавы константан (40% никеля) и манганин (сплав меди, никеля и марганца) обладают очень высоким электрическим сопротивлением. Их используют в производстве электроизмерительных приборов. Характерная особенность всех медно-никелевых сплавов - их высокая стойкость к процессам коррозии - они почти не подвергаются разрушению даже в морской воде. Сплавы меди с цинком с содержанием цинка до 50% носят название латунь. Латунь "60" содержит, например, 60 весовых частей меди и 40 весовых частей цинка. Для литья цинка под давлением применяют сплав, содержащий около 94% цинка, 4% алюминия и 2% меди. Это дешевые сплавы, обладают хорошими механическими свойствами, легко обрабатываются. Латуни благодаря своим качествам нашли широкое применение в машиностроении, химической промышленности, в производстве бытовых товаров. Для придания латуням особых свойств в них часто добавляют алюминий, никель, кремний, марганец и другие металлы. Из латуней изготавливают трубы для радиаторов автомашин, трубопроводы, патронные гильзы, памятные медали, а также части технологических аппаратов для получения различных веществ.

По следующим рецептам можно получить легкоплавкие сплавы. Сплав Ньютона: 31 массовая часть свинца, 19 частей олова и 50 частей висмута. Температура плавления 95 °С. Сплав Вуда: 25 частей свинца, 12,5 частей олова, 50 частей висмута и 12,5 частей кадмия. Температура плавления 60 °С. Ложка из такого сплава расплавится, если ею помешать горячий кофе. Раньше это демонстрировали в качестве шутливого опыта. Однако перемешанный таким образом напиток ядовит из-за солей свинца и висмута!

Промышленные медно-никелевые  сплавы условно можно разделить  на две группы: конструкционные (или коррозионностойкие) и электротехнические (термоэлектродные сплавы и сплавы сопротивления).

К конструкционным сплавам относятся, куниаль, мельхиор, нейзильбер и др. Мельхиорами называют двойные и более сложные сплавы на основе меди, основным легирующим компонентом которых является никель. Для повышения коррозионной стойкости в морской воде их дополнительно легируют железом и марганцем. Нейзильберы по сравнению с мельхиорами характеризуются высокой прочностью из-за дополнительного легирования цинком. Куниалями называются сплавы тройной системы Cu-Ni-Al. Никель и алюминий при высоких температурах растворяются в меди в больших количествах, но с понижением температуры растворимость резко уменьшается. По этой причине сплавы системы Cu-Ni-Al эффективно упрочняются закалкой и старением. Сплавы под закалку нагревают до 900 -1000 ^оС, а затем подвергают старению при 500-600 ^оС. Упрочнение при старении обеспечивают дисперсные выделения фаз Ni3Al и NiAl. Мельхиор, нейзильбер, куниали отличаются высокими механическими и коррозионными свойствами, применяются для изготовления теплообменных аппаратов в морском судостроении (конденсаторные трубы и термостаты), медицинского инструмента, деталей точной механики и химической промышленности, деталей приборов в электротехнике, радиотехнике и для изготовления посуды. Мельхиор марки МН19 и нейзильбер марки МНЦ15-20 используются как резистивные сплавы.

К сплавам электротехническим относятся сплавы сопротивления - манганин (МНМц3-12) и константан (МНМц40-1б5) и сплавы для термоэлектродов и компенсационных проводов: копель (МНМц43-0,5).

Сплав Ньютона: 31 массовая часть  свинца, 19 частей олова и 50 частей висмута. Температура плавления 95 °С.

Сплав Вуда: 25 частей свинца, 12,5 частей олова, 50 частей висмута и 12,5 частей кадмия (кадмий лучше всего  получить в гальванической мастерской). Температура плавления 60 °С. Ложка  из такого сплава расплавится, если ею помешать горячий кофе. Раньше это  демонстрировали в качестве шутливого  опыта. Перемешанный таким образом  напиток ядовит из-за солей свинца и висмута!

В нашей маленькой печи мы можем получить немного латуни. Для этого расплавим медь с  помощью бунзеновской или, лучше, стеклодувной горелки и затем добавим кусочки  цинка; можно и сразу поместить  кусочки обоих металлов в тигель. Латунь 60 содержит, например, 60 весовых  частей мели и 40 весовых частей цинка (В СССР так называемые двойные  латуни тоже маркируются по содержанию меди. Марка Л80, например, означает, что в латуни содержится 79-81 % меди, а остальное - цинк. - Прим. перев.).

Для литья цинка под  давлением применяют сплав, содержащий около 94% цинка, 4% алюминия и 2% меди.

5. Коррозия металлов

Почти все металлы, приходя в  соприкосновение с окружающей их газообразной или жидкой средой, более  или менее быстро подвергаются с  поверхности разрушению. Причиной его  является химическое взаимодействие металлов с находящимися в воздухе газами, а также водой и растворенными  в ней веществами.

Всякий процесс химического  разрушения металлов под действием  окружающей среды называют коррозией.

Проще всего протекает коррозия при соприкосновении металлов с  газами. 
На поверхности металла образуются соответствующие соединения: оксиды, сернистые соединения, основные соли угольной кислоты, которые нередко покрывают поверхность плотным слоем, защищающим металл от дальнейшего воздействия тех же газов.

Иначе обстоит дело при соприкосновении  металла с жидкой средой - водой  и растворенными в ней веществами. Образующиеся при этом соединения могут  растворяться, благодаря чему коррозия распространяется дальше вглубь металла. Кроме того, вода, содержащая растворенные вещества, является проводником электрического тока, вследствие чего постоянно возникают  электрохимические процессы, которые  являются одним из главных факторов, обуславливающих и ускоряющих коррозию.

Чистые металлы в большинстве  случаев почти не подвергаются коррозии. 
Даже такой металл, как железо, в совершенно чистом виде почти не ржавеет. 
Но обыкновенные технические металлы всегда содержат различные примеси, что создает благоприятные условия для коррозии.

Убытки, причиняемые коррозией  металлов, огромны. Вычислено, например, что вследствие коррозии ежегодно гибнет такое количество стали, которое  равно приблизительно четверти всей мировой добычи его за год. Поэтому  изучению процессов коррозии и отысканию  наилучших средств ее предотвращения уделяется очень много внимания.

Способы борьбы с коррозией чрезвычайно  разнообразны. Наиболее простой из них заключается в защите поверхности  металла от непосредственного соприкосновения  с окружающей средой путем покрытия масляной краской, лаком, эмалью или, наконец, тонким слоем другого металла. Особый интерес с теоретической точки  зрения представляет покрытие одного металла другим.

К ним относятся: катодное покрытие, когда защищающий металл стоит в  ряду напряжений правее защищающего (типичным примером может служить луженая, то есть покрытая оловом, сталь); анодное  покрытие, например, покрытие стали  цинком.

Для защиты от коррозии целесообразно  покрывать поверхность металла  слоем более активного металла, чем слоем менее активного. Однако другие соображения нередко заставляют применять также покрытия из менее  активных металлов.

На практике чаще всего приходится принимать меры к защите стали  как металла, особенно подверженного  коррозии. Кроме цинка, из более активных металлов для этой цели иногда применяют  кадмий, действующий подобно цинку. 
Из менее активных металлов для покрытия стали чаще всего используют олово, медь, никель.

Покрытые никелем стальные изделия  имеют красивый вид, чем объясняется  широкое распространение никелирования. При повреждении слоя никеля коррозия проходит менее интенсивно, чем при  повреждении слоя меди (или олова), так как разность потенциалов  для пары никель-железо гораздо меньше, чем для пары медь-железо.

Из других способов борьбы с коррозией  существует еще способ протекторов, заключающийся в том, что защищаемый металлический объект приводится в  контакт с большой поверхностью более активного металла. Так, в  паровые котлы вводят листы цинка, находящиеся в контакте со стенками котла и образующие с ними гальваническую пару.

6. Способы получения металлов.

Огромное большинство металлов находится в природе в виде соединений с другими элементами.

Только немногие металлы встречаются в свободном состоянии, и тогда они называются самородными. Золото и платина встречаются почти исключительно в самородном виде, серебро и медь - отчасти в самородном виде; иногда попадаются также самородные ртуть, олово и некоторые другие металлы.

Добывание золота и платины производится или посредством механического отделения их от той породы, в которой они заключены, например промывкой воды, или путем извлечения их из породы различными реагентами с последующим выделением металла из раствора. Все остальные металлы добываются химической переработкой их природных соединений.

Минералы и горные породы, содержащие соединения металлов и пригодные для получения этих металлов заводским путем, носят название руд. Главными рудами являются оксиды, сульфиды и карбонаты металлов.

Важнейший способ получения металлов из руд основан на восстановлении их оксидов углем.

Если, например, смешать красную медную руду (куприт) Cu₂O с углем и подвергнуть сильному накаливанию, то уголь, восстанавливая медь, превратится в оксид углерода(II), а медь выделится в расплавленном состоянии:

Cu₂O + C = 2Cu + CO

Подобным же образом производится выплавка чугуна их железных руд, получение олова из оловянного камня SnO₂ и восстановление других металлов из оксидов.

При переработке сернистых руд сначала переводят сернистые соединения в кислородные путем обжигания в особых печах, а затем уже восстанавливают полученные оксиды углем. Например: