- •1Воронеж 2014
- •Введение
- •Глава 1. Металлы Общие сведения о металлах
- •1.1. Классификация металлов
- •1.2. Физико-механические свойства металлов
- •1.3. Общие химические свойства металлов
- •1.4. Черные металлы
- •1.4.1. Железо, кобальт, никель
- •1.4.2. Хром, молибден, вольфрам
- •1.4.3. Марганец, технеций, рений
- •1.4.4. Ванадий, ниобий, тантал
- •1.5. Легкие металлы
- •1.5.1. Бериллий и магний
- •1.5.2. Алюминий
- •1.5.3. Титан
- •1.6. Цветные металлы
- •1.6.1. Медь, серебро, золото
- •1.6.2. Цинк и кадмий
- •1.6.3. Олово и свинец
- •1.7. Особенности эксплуатации металлов и сплавов в нефтегазовом комплексе
- •Глава 2. Полимерные материалы и пластмассы Общие сведения о полимерах и пластмассах
- •2.1. Классификация полимеров
- •2.2. Способы получения полимеров
- •2.3. Свойства полимеров
- •2.4. Применение полимеров
- •2.5. Полимеры и пластмассы в нефтегазовом комплексе и промышленной теплоэнергетике
- •2.5.1. Трубы из высокопрочных пластмасс
- •2.5.2. Металлические и пластмассовые покрытия для труб
- •2.6. Трубопроводы из резиновых технических материалов
- •2.7. Неметаллические трубы в нефтегазовом комп-лексе и промышленной теплоэнергетике
- •Глава 3. Композиционные материалы Определение композиционных материалов
- •3.1. Классификация композиционных материалов
- •3.2. Матричные материалы
- •3.3. Армирующие элементы
- •3.3.1. Металлические волокна
- •3.3.2. Стеклянные, кварцевые волокна
- •3.3.3. Углеродные волокна
- •3.3.4. Органические волокна
- •3.3.5. Керамические волокна
- •3.3.6. Нитевидные кристаллы (усы)
- •3.4. Углерод-углеродные, керамические и гибридные композиционные материалы
- •Углерод-углеродные композиционные материалы
- •3.4.2. Керамические композиционные материалы
- •3.4.3. Гибридные композиционные материалы
- •3.5. Применение композиционных материалов
- •3.5.1. Применение композитов в авиа- и ракетостроении
- •3.5.2. Применение композитов при изготовлении товаров массового потребления
- •3.5.3. Перспективы применения композиционных материалов
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Оглавление
- •Глава 1. Металлы
- •Глава 2. Полимерные материалы
- •Глава 3. Композиционные материалы……………129
- •Конструкционные материалы в авторской редакции
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
1.6. Цветные металлы
К цветным металлам относят медь, сплавы на основе меди - бронзы, латуни, а также основные компоненты этих сплавов - олово, цинк. Кроме того, в эту группу можно отнести серебро и золото.
1.6.1. Медь, серебро, золото
Эти металлы находятся в IB группе периодической системы и являются d- металлами. Общей электронной формулой металлов этой группы должна быть (n-1)d9 ns2 , но ввиду большой устойчивости d - подуровня s-электроны переходят на подуровень d, заполняя его целиком: (n-1)d10 s1.
По числу электронов на наружном уровне атомы этих элементов сходны с атомами щелочных металлов, но этим сходство и исчерпывается. Металлы группы меди резко отличаются от щелочных металлов, что вызывается наличием у их атомов десяти d - электронов. Медь, серебро и золото проявляют переменные степени окисления : +1, +2 и +3.
В свободном виде Си, Ag и Аи обладают свойствами металлов, но их химическая активность невелика. Малая химическая активность обусловливает их нахождение в природе в свободном («самородном») виде. Медь встречается также и в виде соединений: куприт Сu2O, медный колчедан CuFeS2, малахит СuСOз СuO·Н2O, лазурит, яшма и другие карбонаты.
Серебро также может находиться в самородном состоянии и и в соединениях: аргентит или серебряный блеск Ag2S, роговое серебро AgCl; кроме того, серебро сопутствует меди и свинцу в их сульфидных рудах.
Золото в соединениях встречается редко. В свободном виде оно бывает россыпное - в виде золотоносных песков - и жильное - вкрапления в кварц и другие горные породы.
Добыча этих металлов затруднена их малой концентрацией в рудах и поэтому получению в свободном виде всегда предшествует обогащение или концентрирование.
Наиболее сложно получение меди из ее полиметаллических сернистых руд, которые обычно содержат 2-2,5% металла. Медную руду тщательно измельчают и отделяют пустую силикатную породу, а затем ведут селективную флотацию, позволяющую отделять не только силикаты от сульфидов, но и сульфид железа FeS2 от сульфида меди Cu2S. В отстойниках получают осадок, являющийся концентратом, идущим на дальнейшую переработку, с содержанием меди 16-22%. Металлургическая обработка сопровождается отделением железа от меди, удалением серы и переводом через оксиды в металл. Схематически эти процессы можно представить так:
Cu2S + FeS2 + SiО2 = Cu2S + FeSiО3 + SО2↑
Полученный штейн (Cu2S) отделяется от шлака (FeSiО3) - они не растворяются друг в друге. Штейн заливают в конверторы и продувают через них воздух, а затем реакция продолжается сама и в итоге получается «черновая» медь:
2Cu2S + 3О2 = 2Cu2О + SО2
2Cu2S + 4О2 = 4CuO + SО2
Cu2S + 2Cu2О = 6Cu + SО2
Cu2S + 2CuO = 4Cu + SО2
«Черновая медь» содержит ~ 96% меди, а остальное - примеси: Zn, Fe, S, Ag, Au. Удаляющиеся сернистые газы идут на производство серной кислоты.
Очистка меди ведется электролитическим путем: «черновая медь» растворяется на аноде, а на катоде выделяется чистая медь.
Золото и серебро отделяют от пустой породы промывкой, используя большую плотность металлов; мелкие частицы отделяют амальгамированием, т.е. растворением в ртути, а коллоидные частицы, несущие на себе заряды и не растворяющиеся в ртути, окисляют и переводят в цианистые комплексы:
4Au + О2 + 2Н2О + 8KCN = 4K[Au(CN)2] + 4КОН
Из цианистых комплексов золото вытесняют цинком:
Zn + 2K[Au(CN)2] = 2Au + K2[Zn(CN)4]
Свободные металлы имеют окраску: медь - розовую, серебро - белую, а золото — желтую.
Все металлы имеют высокие значения электрической проводимости и теплопроводности. Серебро характеризуется максимальной для металлов электрической проводимостью. Медь по электрической проводимости уступает только серебру. В связи с этим около 40% всей добываемой меди идет на изготовление электрических проводов и кабелей. Медь и ее аналоги обладают исключительной пластичностью и тягучестью.
У этих металлов положительные стандартные электродные потенциалы, что свидетельствует об их низкой химической активности. В ряду напряжений все три металла располагаются правее водорода. Следовательно, они являются слабыми восстановителями и окисляются с трудом.
Химические свойства. Химическая активность металлов подгруппы меди возрастает от золота к меди. В зависимости от силы окислителя и условий проведения реакции атомы данных
элементов могут терять от одного до трех электронов. Чаще всего атом Ag теряет 1, атом Сu - 2, атом Аu - 3 электрона.
Металлические свойства у них доминируют и оксидов с кислотными свойствами они не образуют. Соли этих металлов, образованные ионными связями, могут переходить в комплексные (лиганды Сl¯, CN¯, NH3, Н2О) с координационными числами К = 2 для степени окисления +1, а для более высоких степеней окисления (+2, +3) координационное число К = 4.
Взаимодействие с элементарными окислителями. Гидриды - d металлов I В группы очень неустойчивы. Известен гидрид меди СuН, получаемый косвенным путем, разлагающийся около 100° С. Водород растворяется в этих металлах, образуя жидкие растворы и твердые растворы внедрения. Наличие растворенного водорода ухудшает механические свойства металлов. Особенно неприятны совместные растворы кислорода и водорода, которые приводят к «водородной болезни» меди:
Сu2O + 2[Н] = 2Сu + Н2О(пар)
Пары воды не могут диффундировать в металле и вызывают нарушение связи и растрескивание металла.
Серебро гидридов не дает, но водород растворяет. Кроме того, растворяет азот и кислород.
Галиды. При обычной температуре галогены практически на медь, серебро и золото не действуют. В присутствии паров воды медь окисляется фтором, хлором и бромом с образованием дигалидов, например:
Н2О(пар)
Сu + F2――→CuF2
Реакция с серебром идет с меньшей скоростью. Золото реагирует с хлором только в виде порошка.
Галиды меди (II) имеют координационное число К=4.
CuCl2 + 4NH3-H2O = [Cu(NH3)4]C12 + 4H2O
Из комплексных солей меди наибольшее применение имеет цианистый комплекс K2[Cu(CN)4], применяемый при гальваническом способе нанесения меди на поверхность других металлов.
Для меди известны галиды, в которых Си имеет окислительное число +1 (Cu2F2, Cu2C12), которые также образуют комплексные соли:
Сu2С12 + 4 NH3-H2O - 2[Cu(NH3)2]C1 + 4Н2O
Серебро образует галиды главным образом со степенями окисления +1: AgCl, AgBr, Agl, представляющие собой трудно растворимые соли. Они служат для количественного выделения ионов Ag+ из растворов.
Галиды серебра, в том числе и AgBr, непрочны. Энергия связи в молекуле бромида серебра соизмерима с энергией квантов видимой части спектра. Это делает AgBr незаменимым веществом для создания фоточувствительных материалов.
Соли золота (+1) неустойчивы и склонны к реакциям диспропорционирования, переходя в золото (+3) и и свободное золото:
AuCl + 2AuCl = AuCl3 + 2A
Однако комплексные соединения золота (+1) относительно устойчивы, например K[Au(CN)2].
Золото в степени окисления (+3) образует устойчивые галиды, легко переходящие в комплексный анион:
AuCl3 + НС1 = H[AuCL)]
Золотохлористоводородная кислота применяется в качестве электролита для золочения.
Оксиды d - металлов IB группы устойчивы только для меди (Cu2O, СuО). Остальные оксиды малоустойчивы и легко разлагаются. Гидроксиды получаются косвенным путем, так как оксиды не растворяются в воде.
Медь образует оксид Сu2O красного цвета при взаимодействии с кислородом в условиях высоких температур. Сu2O получается также при нагревании СuО:
4СuО = 2Сu2O + O2
Си20 легко диспропорционирует при образовании солей:
Cu2O + H2SO4 = CuSO4 + Сu + Н2O
Оксид СuО - черного цвета, устойчив при низких температурах, является солеобразующим оксидом.
CuO + 2НС1 = СuС12 + Н2O
СuО + H2SO4 = CuSO4 + Н2O
Ионы Си2+ легко образуют комплексные ионы с молекулами воды, придавая голубую окраску водным растворам. Гидрокcид меди (II) получается косвенным путем:
Cu2+ + 20Н- = Сu(ОН)2
Сu(ОН)2 неустойчив, разлагается при нагревании до 100°С:
Cu(OH)2 = СuО + Н2O
Серебро дает оксиды Ag2O, AgO и Ag2O3. Наиболее устойчив Ag2O. Ему отвечает гидроксид AgOH
AgNO3 + КОН = AgOH + KNO3
2AgOH = Ag2O + H2O
В комплексных соединениях ион Ag4 более устойчив:
AgNO3 + КОН + 2NH3H2O = KNO3 + [Ag(NH3)2]OH
Восстановление этого комплекса органическими восстановителями позволяет выделять металлическое серебро в виде зеркала (реакция серебряного зеркала). Используется для получения зеркал, термосов, сосудов Дьюара.
Золото образует неустойчивый оксид Аu2O3. Оксид с окислительным числом +1 может существовать лишь в виде комплексного соединения.
Сульфиды d-металлов ТВ группы характерны для меди и серебра. Сульфиды меди встречаются в виде природного соединения Cu2S. Серебро чернеет в атмосфере, содержащей H2S, покрываясь сульфидом серебра черного цвета Ag2S.
Сульфид меди Cu2S и оксид меди (I) Сu2O обладают свойствами металлообразных соединений: растворяются в жидких металлах, образуя сложные диаграммы плавкости, проводят электрический ток. Свойства этих соединений заставляют тщательно очищать получаемые металлы от серы и кислорода, так как они охрупчивают металл. С другой стороны, Си2O и Cu2S используются в электронной технике как полупроводники - купроксные выпрямители, сложные эмиттеры для фотоумножителей и т.п.
Карбиды и нитриды этих элементов очень неустойчивы, получаются косвенным путем. Известны карбиды Сu2С2 - аце- теленид меди, AgC2 - ацетеленид серебра, AgC2 - ацетеленид золота, которые разлагаются со взрывом. Нитриды Cu3N, Ag3N, Au3N - взрывчатые вещества.
Соли меди, серебра, золота. Нитрат серебра AgNO3 - ляпис -растворимая соль серебра (+1) служит для получения других солей серебра.
Соли Сu по своим свойствам напоминают соли серебра Ag+, лишь более легко окисляются в соли Сu2+.Соли двухвалентной меди в большинстве своем мало растворимы в воде. К растворимым солям относятся CuCl2·H2O, Cu(NO3)2·6H2O, CuSO4·5H2O. Медный купорос используется в качестве краски для пропитки древесины, для протравливания семян, протравы при крашении, при выделке кожи, в строительной практике, для омеднения железных и стальных изделий.
Соли сильных кислот в воде подвергаются гидролизу:
СuС12 + Н2O ↔ Cu(OH)Cl + НС1 pH < 7
Для иона Си2+ характерно образование комплексных солей с координационным числом К = 4. Например, медный купорос имеет формулу [ Сu(H2O)4]SO4 ·Н2О.
Нерастворимый в воде гидроксид меди хорошо растворяется в присутствии аммиака с образованием комплекса тетраамминмеди темносинего цвета:
Cu2+ + 4NH3 = [Cu(NH3)4]2+
Воды, содержащие кислород и аммиак, сильно разрушают медь и ее сплавы:
2Сu + O2 + 8NH3 + 2Н2O = 2[Cu(NH3)4](OH)2
Взаимодействие с водой, кислотами и щелочами.
Медь, серебро и золото имеют положительные значения стандартных электродных потенциалов, поэтому вытеснять водород из растворов кислот не могут. Только медь при высоких температурах окисляется парами воды по реакции:
2Cu + Н2O = Сu2O + Н2.
Однако в воде, содержащей вещества, являющиеся лигандами, эти металлы медленно растворяются: цианирование золота, аммиачная коррозия меди.
С окисляющими кислотами металлы подгруппы меди реагируют:
Сu + 2H2SO4(k) = CuSO4 + SO2 +2НгО
ЗСu + 8HNO3(p) = 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4Н2O
Сu + 4HNO3(K) - Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2Н2O
3Ag + 4HNO3 = 3AgNO3 + NO +2H2
Золото растворяется лишь в «царской водке»:
Au + HNO3 + 4НС1 = НАuСl4 + NO + 2Н2O
Щелочи не действуют на эти металлы, но в присутствии сильных окислителей и соответствующих лигандов возможно медленное растворение металлов с образованием, например, Na[Au(CN)4] и т.п. соединений.
Применение меди, серебра, золота. Очень большая пластичность, относительно высокая прочность, высокие электро- и теплопроводность делают эти металлы весьма важными для современной техники.
Наибольшее применение находит медь. В больших количествах медь 99,9% - ной чистоты используется в электротехнике для изготовления электрических проводов, контактов и пр. Кроме того, чистая медь используется для изготовления теплообменных аппаратов в промышленной теплоэнергетике.
Большое промышленное значение имеют сплавы меди с другими металлами. Важнейшими из них являются латуни, бронзы и медно-никелевые сплавы. Латунь содержит до 45% цинка (остальное Сu). Специальные латуни кроме меди и цинка содержат еще Fe, Al, Sn, Si. Из латуней изготавливают трубы для конденсаторов и радиаторов, детали механизмов, в частности часовых. Латунь с высоким содержанием меди - томпак - благодаря своему красивому внешнему виду используется для изготовления украшений.
Бронзы подразделяются на оловянные, алюминиевые, кремниевые, свинцовые и др. Очень прочными являются бериллиевые бронзы; они применяются для изготовления пружин и других ответственных деталей.
Сплавы меди с никелем подразделяются на конструкционные и электротехнические. К конструкционным сплавам относятся мельхиоры и нейзильберы. Мельхиоры содержат 20- 30% никеля и небольшие количества железа и марганца (остальное - медь), а нейзильберы содержат 5-35% никеля и 13- 45% цинка (остальное - медь). Вследствие высокой коррозионной стойкости конструкционные медно-никелевые сплавы применяются в энергетике. Из них изготавливают радиаторы, трубопроводы, дистилляционные установки для получения питьевой воды из морской. К электротехническим медноникелевым сплавам относятся константан (40% Ni, 1,5% Мп, остальное Си) и манганин (3% Ni, 12% Мп, остальное Си), которые отличаются высоким электрическим сопротивлением, не изменяющимся с температурой. Они идут на изготовление магазинов сопротивления. К электротехническим относится и сплав копель (43% Ni, 0,5% Мn, остальное Сu), применяемый для изготовления термопар.
Серебро применяется в виде сплавов для изготовления танковых и самолетных подшипников, припоев радиодеталей, ювелирных изделий, зеркал и посуды. Бактерицидные свойства иона Ag+ при концентрации 2-10'11 моль-ионов / л используются в медицине.
Золото является валютным металлом. Основное его назначение - обеспечение бумажных денег, находящихся в обращении. Кроме того, золото используется для защитных покрытий, для приготовления неокисляющихся сплавов (червонное золото, ювелирные изделия, сплав для зубных протезов и т.д.).