- •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
1.5. Легкие металлы
К легким металлам относятся в основном следующие металлы: бериллий, магний, алюминий, титан.
1.5.1. Бериллий и магний
Эти металлы относятся к s-металлам II группы периодической системы. Общая электронная формула валентных электронов этих элементов ns2. В нормальном состоянии окислительное число этих элементов равно нулю. Из s - состояния один электрон может промотировать в р- состояние, и валентность повышается до двух. Так как в возбужденном состоянии оба электрона относятся к разному типу, то происходит гибридизация электронных облаков: sp → q2. В гибридном состоянии оба электронных облака равноценны и связи с одновалентными атомами направлены под углом 180°. Атом бериллия отличается от атома магния тем, что у него на предпоследнем уровне лишь два электрона, тогда как у магния восемь. От бериллия к магнию возрастает радиус атома, а следовательно, усиливаются металлические свойства.
Бериллий -металл серо-стального цвета, твердый и хрупкий. Магний - белый металл; его матовость объясняется образованием на воздухе оксидной пленки Он мягче и пластичнее бериллия.
Металлы |
Бериллий |
Магний |
Плотность, г/см3 |
1,85 |
1,74 |
t°пл. С L ПЛ. ^ |
1284 |
651 |
t°кип. С А КИП.'-' |
2970 |
1107 |
Радиус атома, нм |
0,113 |
0,160 |
Твердость, Мп/мг |
600 |
260 |
φ°,В |
-1,7 |
-2,36 |
Взаимодействие с элементарными окислителями.
Гидриды бериллия и магния, в отличие от щелочноземельных металлов II группы, получают косвенным путем. Например, бериллий с водородом образует неустойчивые гидриды путем обменных реакций:
ВеС12 + 2LiH = ВеН2 + 2LiCl
Галиды магния образуются при непосредственном соединении (металлы горят в галогенах), а также в реакциях вытеснения. Например, титан вытесняется из тетрахлорида титана (неполярная жидкость) металлическим магнием
TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2
Хлорид магния MgCl2 применяется для приготовления цемента Сореля. При внесении в концентрированный раствор MgCl2 (5 ч.) прокаленной MgO (10 ч.) раствор твердеет и очень быстро превращается в камень. Если раствором пропитать древесные опилки и ввести MgO, то получается ксилолит
материал для полов и других строительных целей. Затвердевание идет за счет гидролиза и образования основных солей MgOCl2, нерастворимых в воде.
Оксиды металлов образуются непосредственно с выделением большого количества тепла. Оксиды очень устойчивые вещества, обладающие высокими температурами плавления: ВеО - 2530° С, MgO - 2800° С. При горении магния выделяется много света, богатого УФ-лучами, что используется в магниевой вспышке.
Оксид бериллия амфотерен и может образовать берилла- ты как при взаимодействии оксидов при нагревании, так и в водных средах. Поскольку ВеО с водой не взаимодействует, то его гидроксид можно получить только обменными реакциями:
ВеО + Na2O = Na2BeO2 (сплавление)
ВеС12 + 2NaOH = Ве(ОН)2↓ + 2NaCl
Ве(ОН)2 + 2NaOH = Na2BeO2 + 2Н2O
Гидроксид бериллия в водной среде обычно образует комплексные бериллаты, которые при нагревании переходят в обычные соли:
Ве(ОН)2 + 2NaOH = Na2[Be(OH)4]
Na2[Be(OH)4] = Na2BeO2 + 2H2O
Оксид магния очень трудно растворим в воде, но дает все же щелочную реакцию (лакмус, фенолфталеин). Обычно получается диссоциацией карбонатов при высоких температурах:
MgCO3 = MgO + CO2
Гидроксид магния обладает только основными свойствами.
Сульфиды бериллия и магния можно получить различными способами. Они представляют собой устойчивые соединения - соли, довольно хорошо растворимые в воде.
Нитриды получают путем непосредственного взаимодействия с азотом. Они разлагаются водой и слабыми кислотами:
3Mg + N2 = Mg3N2
Mg3N2 + 6НС1 = 3MgCl2 + 2NH4C1
Карбиды получают непосредственным взаимодействием металлов с углеродом или углеродосодержащими веществами:
2Mg + С = Mg2C
Mg2C + 2Н2O = 2MgO + СН4
Отношение бериллия и магния к кислотам и щелочам. По химическим свойствам бериллий во многом сходен с алюминием (диагональное сходство в периодической системе) и является типичным амфотерным элементом. Защитная оксидная пленка препятствует взаимодействию бериллия с водой, но подобно алюминию, Be взаимодействует с водой в присутствии кислот и щелочей, растворяющих оксид бериллия:
Be + 4H2O + 2H+ = [Be(H2O)4]2+ + H2
Be + 2H2O + 2OH- = [Be(OH)4]2- + H2
В концентрированных холодных H2SO4 и HNO3 бериллий так же, как и алюминий, пассивируется.
Магний активно вытесняет водород из растворов неокисляющих кислот:
Mg + 2Н+= Mg2+ + Н2
С окисляющими кислотами магний реагирует, восстанавливая их до низших степеней окисления:
4Mg + 5H2SO4 = 4MgSO4 + H2S↑ + 4Н2О
4Mg + 10HNO3 = 4Mg(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O
Применение бериллия и магния. Наибольшее значение имеют сплавы на основе бериллия и магния. Это легкие металлы, но значительно улучшают качество сплавов. Бериллий сообщает сплавам твердость, прочность, коррозионную стойкость, увеличивает тепло- и электропроводность. Наиболее важные сплавы - бериллиевые бронзы, содержащие до 2,5% Be, сплавы с никелем (до 4% Be) - по свойствам сравнимы с высококачественными нержавеющими сталями. Кроме того, бериллий применяют в ядерных реакторах в качестве замедлителя.
Магниевые сплавы благодаря прочности и малой плотности применяются в качестве конструкционных материалов в авиа-, автостроении, ракетной технике и других областях. Они менее коррозионностойки. Для защиты их оксидируют и покрывают лаками.