- •Р.Б. Николаева, с.В. Сайкова
- •Часть 2.
- •Учебное пособие
- •Список принятых сокращений и условных обозначений1
- •Введение
- •Водород
- •Свойства и применение
- •Распространенность и получение водорода. Водородная энергетика
- •Галогены
- •Общая характеристика. Получение
- •Простые вещества
- •Галогениды водорода
- •Кислородосодержащие соединения фтора
- •Кислородосодержащие соединения аналогов фтора
- •Галиды галогенов
- •Галид-оксиды галогенов
- •Халькогены
- •Общая характеристика
- •Простые вещества
- •Халькогениды водорода
- •Перхалькогениды
- •Кислородосодержащие соединения
- •Галиды и оксид-галиды
- •Экологический аспект переработки сульфидных руд
- •Подгруппа азота
- •Общая характеристика
- •Простые вещества
- •Соединения с водородом
- •Гидразин и гидроксиламин
- •Кислородосодержащие соединения
- •Удобрения. Проблема связывания азота
- •Сульфиды
- •Галиды и оксогалиды
- •Группа p-элементов
- •Нахождение в природе, получение
- •Простые вещества
- •Соединения с водородом
- •Соединения с металлами
- •Кислородосодержащие соединения
- •Углекислый газ. Использование и проблемы
- •Силикатное стекло
- •Сульфиды
- •Азотсодержащие соединения р-элементов IV группы
- •III-группа p-элементов
- •Общая характеристика
- •Нахождение в природе и получение простых веществ
- •Физические свойства простых веществ
- •Производство алюминия. Сплавы
- •Химические свойства простых веществ
- •Соединения с водородом
- •Кислородосодержащие соединения
- •Соединения бора с азотом
- •S-элементы
- •Общая характеристика. Простые вещества
- •Соединения s-элементов
- •12000С ⎧→ CaSiO3(цемент)
- •Благородные газы
- •Некоторые закономерности периодической системы
- •D-элементы
- •Общая характеристика
- •Нахождение в природе
- •Получение d-металлов
- •Физические свойства
- •Химические свойства простых веществ
- •Кислородосодержащие соединения
- •Соли d-элементов
- •Комплексные соединения
- •F-элементы
- •Лантаноиды
- •Актиноиды
- •Заключение
- •Литература Основная
- •Дополнительная
- •Содержание
- •IV группа p-элементов.................................................................................................................................................52
- •III-группа p-элементов................................................................................................................................................68
Физические свойства простых веществ
Кристаллы чистого бора имеют ковалентнуюрешетку, построенную из двадцатигранников B12[1], поэтому прочны87, тугоплавки (25500С), но обладают, в отличие от алмаза (?),полупроводниковымисвойствами (∆E= 1,55 эВ): при нагревании до 6000С электропроводность бора увеличивается в 100 раз.
Аналоги бора – все металлысеребристо-белого цвета, пластичны88. Прочность алюминия в 3 раза ниже, чем бора (?), а металлы Ga, In, Ta еще мягче – легко режутся ножом.
Алюминий имеет высокую электропроводность (λ = 34 ), поэтому провода из него все чаще вытесняют медные. Поскольку при равной с ними проводимости (за счет большей толщины) оказываются в 2 раза легче медных и к тому же дешевле.
При переходе от Al к Ga (а также от In к Ta) λснижается (?), номинимальноеее значение у галлия (λ = 2 ). У него женаименьшаяв подгруппе т.пл. (29,80С)89.
Эти удивительные свойства галлия (которые, кстати, предсказывал Д.И. Менделеев) объясняются его как бы молекулярнойрешеткой (из молекул Ga2). Ибо связи между каждымидвумяатомами галлия, образованныер-электронами, прочнее икороче, чем остальные связи, полученные за счетs-электронов(более проникающих к ядру и потому менее доступных для образования ХС).
Эта как бы молекулярная решетка при плавлении разрушается (образуется структура в которой к.ч.=12) и кипит галлий достаточно высоко (при 22050С), как и другие р-элементы третьей группы. То естьжидкийгаллий существует вширокомдиапазоне температур, поэтому используется как теплоноситель в атомных реакторах, а также для изготовления жидкостныхвысокотемпературныхтермометров.
Производство алюминия. Сплавы
Алюминий в промышленности получают электролизом расплава глинозема в криолитеNa3AlF6 . Добавка последнего к оксиду алюминия в соотношении 12:1 понижает т.пл. с 20500С до 10000С (отсюда название «криолит», что означает «охладитель»). Считают, что в расплаве глинозем диссоциирует на катионы AlO+и анионы (AlО2)-. Последние при электролизе разряжаются на аноде (угольном) с образованием О2. А накатоде(дно электролитической ванны, сделанной тоже из угля), выделяется алюминий (содержащий 0,3% примесей).
Производство алюминия связано с выбросом в атмосферу многих вредных веществ, например: HF, SiF4 , C2F6 , NOx , SOx , COx , H2S , CS2 , CSO, бенз(а)пирен1и др. Часть их образуется из криолита. Остальные получаются, в основном, при окислении углеводородов и примесных веществ (содержащихся в угольных электродах) атомарным кислородом (промежуточным продуктом анодного окисления).
Для снижения выбросов предлагается использовать обожженные электроды или т.н. «нерасходуемые» (из спрессованных с медью оксидов Ni и Fe), а для улавливания кислотных компонентов – отходящие газы пропускать через раствор щелочи. Для очистки используют также сорбенты, в частности, на основе оксида алюминия.
Но эти меры применяются далеко не на всех заводах, производящих алюминий. А производится его много, т.к. он широко используется на практике, поскольку легок, пластичен, коррозионно устойчив, хорошо сваривается, легко утилизируется. Поэтому идет на изготовление фольги, тары (4 из 5 банок для напитков в мире – из алюминия2) и т.д., но оннепрочен.
Однако легирующиедобавки: Cu, Mg, Si, Mn и др. резко повышают прочность, превращая Al в самый используемый металл. Его применяют в авиации, строительстве, транспортном машиностроении, химической, нефтяной промышленности и др.
Наиболее известный сплав – дюралюминийбыл получен еще в начале XX века (94% Al, 4% Cu,остальное – Mn, Mg, Si и Fe) – его прочность многократно увеличивается в процессе закалки (при резком охлаждении от 5000С до об.у) и последующего естественного старения (с образованием упрочняющих фаз за счет миграции меди).
Известен также сплав Al с Ni, который становится прочнее при нагревании. Достаточно прочен и силумин (Al, содержащий 10-14% Si), к тому же, сравнительно дешев, т.к. образуется при восстановлении природныхалюмосиликатов, но хрупок. (Хотя в Японии разработан способ получения и пластичного силумина.)
Новые свойства алюминий приобретает также при повышении степени его чистоты. Например, Al, содержащий всего 10−5 % примесей, очищенный вакуумированием (для удаления летучих примесей) и зонной плавкой,нетускнеетна воздухе. Поэтому применяется в производствезеркал(как и In). Кроме того, при добавлении к такому алюминию микроколичеств Sr образуется сверхтвердый материал, что используется при изготовлении зубных коронок.
Еще более чистый Al, содержащий менее 10−9 % примесей, синтезируют безтигельной плавкой в магнитном поле в вакууме. (Чтобы разрезать такой алюминий применяют искровой разряд, т.к., например, лазерный луч им полностью отражается).
Другие р-элементы III группы тоже применяют для получения сплавов. Например, добавление B к Fe, Al и др. сообщает им твердость, а введение In в Zn дает атмосферостойкий сплав, которым покрывают пропеллеры самолетов и т.д.
Бенз(а)пирен – это полиядерный концераген, вызывающий химический рак кожи.
Подчеркнем, что производство алюминия из вторсырья экологически безопасно и в 10 раз дешевле, трудность лишь в налаживании сбора, в частности, алюминиевой тары.