Дополнительные и вспомогательные металлические материалы

БЕРИЛЛИЙ Be, МАГНИЙ Mg, РАДИЙ Ra. Это элементы II группы главной подгруппы. Все они относятся к металлам. Радий называется щелочноземельным металлом. Они имеют порядковые номера 4; 12; 88 и массы 9,01; 24,31; 226,03 соответственно. Массовые доли бериллия, магния и радия в земной коре составляют: 6·10^-4 % (Be); 2,10 % (Mg); и 1·10^-10 % (Ra). В свободном состоянии эти металлы в природе не встречаются. К числу наиболее распространенных элементов относится магний. Бериллий встречается в природе в составе минерала берилла 3BeO·Al₂O₃·6SiO₂, окрашенные разновидности которого представляют изумруды и аквамарины и относятся к драгоценным камням. Магний входит в состав минералов магнезита MgCO₃, доломита MgCO₃·СаСО₃ и карналлита KCl·MgCl₂·6H₂O (в Соликамске, например, пласты карналлита достигают мощности до 100 м). Кроме того, во многих минералах магний тесно связан с кремнеземом, образуя, например, оливин [(Mg,Fe)₂SiO₄] и реже встречающийся форстерит (Mg₂SiO₄). Другие магнийсодержащие минералы это бруцит Mg(OH)₂, кизерит MgSO₄ , эпсонит MgSO₄ 7H₂O, каинит MgSO₄ KCl ž 3H₂O . На поверхности Земли магний легко образует водные силикаты (тальк, асбест и др.), примером которых может служить серпентин 3MgO 2SiO₂ 2H₂O. Из известных науке 1500 минералов около 200 (более 13 %) содержат магний. Однако природные соединения магния широко встречаются и в растворенном виде. Кроме различных минералов и горных пород, 0,13% магния в виде MgCl₂ постоянно содержатся в водах океана (его запасы здесь неисчерпаемы – около 6 10 ¹⁶ т) и в соленых озерах и источниках. В растительных и животных организмах магний содержится в количествах порядка сотых долей процента, а в состав хлорофилла входит до 2 % Mg. Радий встречается в природных радиоактивных веществах. Металлы имеют следующие природные изотопы ⁹Be, ²⁴Mg - ²⁶Mg, ²²⁴Ra, ²²⁶Ra и ²²⁸Ra.

Бериллий, магний получают электролизом расплавов их хлоридов или термическим восстановлением их соединений металло- или углетермией. Сырьем в этих способах служат фторид бериллия BeF₂, прокаленный доломит MgO·СаО. При металлотермическом методе процесс проводят в электропечах при высоких температурах, например, при производстве магния 1200 – 1300 °С, в вакууме. В качестве металлов восстановителей применяют алюминий или магний. Углетермическим способом получают только магний. Восстановление углем также осуществляют в электропечах при 2100 °С. Радий производят в виде сплава со ртутью (амальгама радия) электролизом водного раствора хлорида радия RaCl₂ с ртутным катодом.

Бериллий, магний, и радий металлы серебристо-белого цвета. Эти металлы легкие, особенно низкие плотности имеют магний и бериллий: 1,74 и 1,85 г/см³ соответственно.

Бериллий, магний и особенно радий химически активные металлы. Они являются сильными восстановителями. Из металлов этой подгруппы несколько менее активен бериллий, что обусловлено образованием на поверхности этого металла защитной оксидной пленки. Бериллий и магний реагируют с кислородом и серой при нагревании, радий - при обычных условиях, образуя оксиды и сульфиды.

Все металлы легко взаимодействуют с галогенами, образуя соответствующие соли. При нагревании бериллий, магний и радий реагируют с водородом, азотом, углеродом, кремнием и другими неметаллами. Бериллий не взаимодействует с водой, так как реакции препятствует защитная пленка оксида на поверхности металла. Магний реагирует с водой только при нагревании. Радий активно взаимодействуют с водой при обычных условиях. При данных реакциях происходит выделение газообразного водорода и образование соответствующего гидроксида. Бериллий, магний и радий взаимодействуют с хлороводородной (HCl) и разбавленной серной кислотами с выделением водорода. Разбавленную азотную кислоту металлы восстанавливают главным образом до аммиака или нитрата аммония (реакция с бериллием без нагревания идет медленно). В концентрированных азотной и серной кислотах (без нагревания) бериллий пассивируется, остальные металлы реагируют с этими кислотами. Основными продуктами восстановления концентрированных кислот являются H₂S (для H₂SO₄) и N₂O (для HNO₃). Бериллий взаимодействует с водными растворами щелочей с образованием комплексной соли и выделением водорода. Магний и радий с щелочами не реагируют. Магний и радий могут восстанавливать многие металлы из их оксидов и солей. Такие реакции используются в металлургии для получения металлов. Магний из всех s-металлов II группы является хорошим проводником тепла и электричества.

Бериллий, магний и радий нашли широкое применение в промышленности. Как конструкционный материал из всей группы широко применяется только магний. Металлы входят в состав многих сплавов, которые отличаются легкостью, повышенными механическими свойствами и коррозионной стойкостью. Бериллиевые бронзы это сплавы меди с бериллием (0,5 – 2,0 % Be) используются для производства пружин, безыскрового инструмента для работы во взрывоопасных условиях. Сплавы магния с алюминием, цинком, марганцем широко применяются в авиа- и автомобилестроении. Магний и кальций служат восстановителями при получении других металлов в металлургических процессах. Магнийтермией получают титан, бериллий, цирконий; кальцийтермией - уран, торий, цирконий, редкоземельные металлы. Радий используется для получения сплава с бериллием, который служит источником нейтронов в ядерных реакторах.

Соединения магния, а именно оксид, карбонат, сульфат используются в производстве огнеупорных материалов, цементов и прочих строительных материалов.

НИКЕЛЬ. Никель - d-элемент VIII группы 4-го периода, порядковый номер 28, масса 58,69; химический знак - Ni. Массовая доля никеля в земной коре составляет 8·10^-3 %. Важнейшими минералами кобальта являются пентландит (Fe,Ni)S и никелин NiAs. Никель Ni, как гомоядерное соединение, представляет собой блестящий белый металл с серебристым оттенком. В природе более распространен, чем медь, и встречается в сернистых, силикатных и сернистомышьяковых рудах. Никель легко протягивается и механически обрабатывается. В атмосфере водорода поддается пайке твердыми (обычно серебряными) и мягкими припоями, хорошо сваривается методами контактной сварки. Водород по мере повышения температуры хорошо растворяется в никеле, диффундирует с высокой скоростью и легко выделяется из него при нагревании в вакууме. Он имеет следующие свойства: плотность составляет 8,91 г/см³; температура плавления равна 1455 °С; электрическая проводимость – 14 ед. Его механическая прочность после отжига следующая: s_р лежит в диапазоне от 400 до 600 МПа при изменяющемся d от 35 до 50 %. Даже в холодном состоянии никель легко поддается различным видам механической обработки. Поэтому он производится в виде полос, пластин, лент, трубок, стержней и проволоки. Из него могут быть изготовлены разнообразные детали сложной конфигурации и различных размеров с жестко выдержанными допусками. В зависимости от температуры никель имеет два полиморфных видоизменения: ниже 250 °С он существует в a модификации с гексагональной решеткой, и выше данного значения в виде b-Ni с гранецентрированной кубической ячейкой. Он еще химически менее активен, чем кобальт. С кислородом он вступает в реакцию лишь при 500 °С. При нагревании и лучше в измельченном виде никель легко окисляется галогенами, серой, селеном, фосфором, мышьяком, сурьмой и другими неметаллическими элементарными веществами. С большинством из них он, как и другие d-металлы, образует нестехиометрические соединения переменного состава, многие из которых металлоподобны. По отношению к кислотам и щелочам никель ведет себя аналогично кобальту. Данный металл является материалом, широко используемым для изготовления специальной химической аппаратуры и в электровакуумной технике, а также в качестве декоративно-защитных покрытий на различных металлических изделиях. Основная масса выплавляемого никеля (около 80 %) применяется в производстве легированных сталей (нержавеющих, жаростойких и др.) и различных (в основном магнитных и проводниковых) сплавов.

Никелевые сплавы обладают высоким коэффициентом удельного электросопротивления, но малым температурным коэффициентом термоэ.д.с. Они также имеют повышенную жаростойкость, хорошую технологичность, доступность компонентов и небольшую стоимость. Причиной высокой нагревостойкости данных систем является наличие в их составе металлов, на поверхности которых при нагреве на воздухе формируется сплошным слоем защитная оксидная пленка. В качестве легирующих добавок в них употребляют хром или алюминий. Наиболее применяемыми при этом являются нихромы.

Нихромы - это сплавы, в которых основным компонентом является никель (77 - 80 %), а вторым - хром (20 - 23 %). Очень часто это бывают тройные системы, в которых в качестве главенствующей добавки используется железо (до 1,5 %). Оно вводится для улучшения обрабатываемости и снижения стоимости, но параллельно уменьшается нагревостойкость сплавов. Данный недостаток компенсируется тем, что при производстве приборов нихромовую проволоку помещают в трубки из стойкого к окислению металла, а пустые места между данными материалами заполняются диэлектрическим порошком с высокой теплопроводностью. Такие нагревательные элементы применяются в электрических кипятильниках. Нихромовая проволока также употребляется в производстве проволочных резисторов, потенциометров, паяльников, электропечей и пленочных резисторов интегральных схем.

Термопарными никелевыми сплавами являются копель, хромель (90 % никеля и 10 % хрома) и алюмель (95 % никеля, остальные алюминий, кремний и магний). Для измерения температур в интервале 900 - 1000 °С используются термопары: - хромель – алюмель.

Никельсодержащие контактолы имеют низкие значения удельного электросопротивления, также высокую стабильность свойств при климатических и механических воздействиях, хорошую адгезию к различным материалам (предел прочности при сдвиге составляет 2,0∙10⁶ Н/м²), низкую жизнеспособность.

Токопроводящий клей КН-1 является жидкой однородной массой черного цвета на основе эпоксидной смолы ЭД-20 (100 масс. ч.), терефталатэтиленгликолевой смолы ТЭГ-1 (9 масс. ч.), отвердителя - полиэтиленполиамина (20 - 30 масс. ч.) и порошкообразного никеля (200 - 300 масс. ч.). Он обладает следующими свойствами: удельное электросопротивление равно 1,0 Ом∙м; жизнеспособность 30 минут; интервал рабочих температур составляет -60 ÷ 120 °С, в данном промежутке выдерживает три термоцикла; имеет хорошую адгезию к алюминию, никелю, золоту и ковару (s_сдв = 2,0∙10⁶ Н/м²). Данный клей употребляется для крепления полупроводниковых кристаллов к диэлектрической подложке с токоведущими дорожками с обеспечением электрического контакта.

МАРГАНЕЦ. Марганец d-элемент VII группы 4-го периода, порядковый номер 25, масса 54,94; химический знак - Мn. Марганец достаточно широко распространен в природе, его массовая доля составляет 0,09 %. Он встречается в виде нескольких минералов, из которых наибольшее практическое значение имеет пиролюзит МnO₂. Марганец имеет один природный изотоп ⁵⁵Mn.

Получают металл несколькими способами. Наиболее чистый марганец с концентрацией примесей около 0,1% производят электролизом водного раствора сульфата марганца(II) MnSO₄ с добавкой сульфата аммония (NH₄)₂SO₄ при рН равном 8,0 - 8,5. Процесс проводят со свинцовыми анодами, катодами служат пластинки из титанового сплава АТ-3 или нержавеющей стали. Сформировавшиеся на катодах чешуйки марганца снимают и при необходимости переплавляют. Чистый марганец также получают хлорированием марганцевых руд с последующим восстановлением хлорида металла. Технически чистый марганец производят переработкой его руд в оксид Мn₂O_3, который восстанавливают алюминием или кремнием.

Марганец светло-серый твердый и хрупкий металл. Температура плавления его 1245°С, плотность 7,2 - 7,4 г/см³. Марганец имеет четыре полиморфные модификации: α-Мn с кубической объемноцентрированная решеткой с 58 ядерными остовами в элементарной ячейке; β-Мn кристаллизующийся также в кубической объемноцентрированной решетке но с 20 ядерными остовами в ячейке; γ-Мn, имеющий тетрагональную решетку с четырьмя ядерными остовами в ячейке, и δ-Mn вновь с кубической объемноцентрированной решеткой.

Марганец обладает достаточно высокой химической активностью. Он взаимодействует с кислородом с образованием нескольких устойчивых оксидов МnО, Мn₂О₃, МnО₂ и Мn₂О₇. Марганец также реагирует с азотом, серой, углеродом, фосфором и другими неметаллами. Металл взаимодействует с хлороводородной и разбавленными серной и азотной кислотами с образованием соответствующих солей, азотная кислота при этом восстанавливается до оксида NO. В концентрированных серной и азотной кислотах марганец не растворяется (пассивируется).

Марганецобразует сплавы со многими металлами, большинство из которых растворяются в отдельных его модификациях, и стабилизирует их. Медь Cu, железо Fe, кобальт Co и никель Ni усиливают γ-модификацию, а алюминий Al и серебро Ag увеличивают области σ- и β-Mn в двойных сплавах. Отмеченное явление используется при производстве марганцевых сплавов, подвергающихся пластической деформации (ковке, прокатке, штамповке).

Марганец играет важную роль в металлургии. Он входит в состав чугуна. При выплавке стали марганец применяют как раскислитель - связывает кислород и десульфуризатор - связывает серу в соответствующие оксид и сульфид. На основе марганца производят многие сплавы, например манганин (сплав с медью и никелем), марганцевую бронзу (сплав с медью), ферромарганец (сплав с железом следующего состава 70 – 80 % марганца, 0,5 - 7,0 % углерода, остальное железо и примеси). Данные сплавы применяют для изготовления турбинных лопаток, при производстве пропеллеров и других деталей, где необходимо сочетание прочности и коррозионной устойчивости. Разработаны деформируемые марганцевые сплавы, легированные медью, никелем и другими металлами. Марганец входит в состав широкоприменяемых в промышленности алюминиевых и магниевых сплавов. Из марганца производят коррозионностойкие защитные гальваническое покрытие на черных металлах. Сульфат марганца(II) MnSO₄ используют в сельском хозяйстве в качестве микроудобрения. Оксид марганца(IV) МnО₂ применяют в химических источниках тока, в производстве стекла. Перманганат калия КМnО₄ используют для отбеливания тканей, в качестве антисептика и при получении органических соединений. Другие соединения марганца применяют при изготовлении гальванических элементов, в керамической, красильной и полиграфической промышленности. Однако соединения марганца могут оказывать токсическое действие на организм. Поступая в организм главным образом через дыхательные пути, они накапливаются в таких органах, как печень, селезенка, кости и мышцы и выводится медленно, в течение многих лет. При сильных отравлениях данными соединениями отмечается поражение нервной системы с характерным синдромом марганцевого паркинсонизма. Предельно допустимая концентрация соединений марганец в воздухе составляет 0,3 мг/м³. Лечение: витаминотерапия, холинолитические средства и другие. Профилактика: соблюдение правил гигиены труда.

ХРОМ. Хром d-элемент VI группы 4-го периода, порядковый номер 24, масса 51,996; химический знак - Cr. Массовая доля хрома в земной коре составляет 0,02 %. Важнейшими минералами, входящими в состав хромовых руд, являются хромит или хромистый железняк Fe(CrO₂)₂ и его разновидности, в которых железо частично замещено на магний, а хром - на алюминий. Хром имеет несколько природных изотопов ⁵⁰Cr, ⁵²Cr - ⁵⁴Cr.

Производство хрома из хромистого железняка - сложный технологический процесс, который состоит из нескольких стадий. Сначала руду сплавляют с содой, продувая через расплав ее воздух. В результате образуется хромат натрия Na₂CrO₄, который легко отделяется от соединений железа, так как в отличие от других продуктов реакции он растворим в воде. Раствор хромата натрия подкисляют и получают дихромат натрия Na₂Cr₂O₇. Затем дихромат натрия, выделенный из раствора, восстанавливают углем до оксида хрома(III) Сг₂О₃, который восстанавливают алюминием или кремнием.

Хром представляет собой серебристо-серый металл. Температура плавлении его составляет 1890 °С, плотность 7,19 г/см³. Чистый хром достаточно пластичен, а технический - самый твердый из всех металлов. Хром химически малоактивен. В обычных условиях он реагирует только со фтором (из неметаллов), образуя смесь фторидов. Выше 600 °C металл взаимодействует с парами воды с образованием оксида Cr₂O₃; азотом – нитридов Cr₂N, CrN; углеродом – карбидов Cr₂₃C₆, Cr₇C₃, Cr₃C₂; серой – сульфида Cr₂S₃. При сплавлении хрома с бором формируется борид CrB, с кремнием - силициды Cr₃Si, Cr₂Si₃, CrSi₂. Реакция металла с кислородом протекает первоначально достаточно активно, далее резко замедляется вследствии образовавшейся на поверхности металла плёнки оксида. Однако с повышением температуры (1200 °C) окисная плёнка разрушается и окисление вновь развивается очень быстро. При достижении 2000 °C хром сгорает в кислороде с образованием темно-зелёного оксида Cr₂O₃. В азотной и концентрированной серной кислотах он пассивируется, покрываясь защитной оксидной пленкой. В хлороводородной и разбавленной серной кислотах растворяется, при этом, если кислота полностью освобождена от растворенного кислорода, получаются соли хрома(II), а если реакция протекает на воздухе - соли хрома(III).

Хром широко используется в промышленности. Он является компонентом нержавеющих сталей (для легирования сталей применяют сплав хрома с железом — феррохром). Стали, содержащие хром, являются жаропрочными и обладают высокой стойкостью к коррозии. Хром используется в качестве покрытия металлических поверхностей различных изделий (часы, детали автомобилей, посуда). Такие покрытия обычно наносят электрохимическим способом. Хромовые покрытия защищают металлы от коррозии, придают изделиям красивый внешний вид. Оксид хрома(VI) применяется как компонент электролитов хромирования. Дихромат калия К₂Сг₂О₇ (хромпик), дихромат натрия Na₂Cr₂0₇ и дихромат аммония (NH₄)₂Cr₂O₇ применяют для дубления кожи, в производстве спичек, красок, взрывчатых веществ. Насыщенный раствор К₂Сг₂О₇ в концентрированной серной кислоте (хромовая смесь) используется в химических лабораториях для мытья посуды. Хромовокалиевые квасцы KCr(SO₄)₂·12H₂O и сульфат хрома(Ш) Cr₂(SO₄)₃·18H₂O применяют как протраву при окрашивании тканей, для дубления кож, окраски керамики. Многие соединения хрома используются для приготовления масляных красок: РbСгО₄ - «желтый крон», SrCrO₄ - «стронциановый желтый».

ЦИРКОНИЙ. Цирконий - d-элемент IV группы 5-го периода, порядковый номер 40, масса 91,22; химический знак - Zr. Цирконий является достаточно распространенным металлом, его массовая доля в земной коре составляет 0,02 %. В природе встречается в большом количестве минералов. Важными из них являются циркон ZrSO₄ и бадделеит ZrO₂. Производят цирконий из бадделита, переводя его в хлорид, который восстанавливают магнием до металлического циркония и его очистки иодидным способом. Гомоядерное соединение цирконий Zr является металлом серебристо-белого цвета, который в слитках похож на сталь, хорошо куется. Температура плавления циркония равна 1855 °С. Высокая концентрация циркониевой пыли в воздухе пожароопасна, так как порошкообразный цирконий при температуре свыше 75 °С легко воспламеняется. Цирконий обладает способностью захватывать нейтроны, имеет высокую механическую прочность. Химическая активность циркония мала, так как на его поверхности имеется защитная пленка оксида. На него не действуют вода, щелочи и такие кислоты, как азотная и соляная. Он растворяется лишь в концентрированной серной и фтороводородной кислотах при нагревании, а также в царской водке. Цирконий применяется в качестве конструкционного материала для изготовления деталей ядерных реакторов, в химическом машиностроении. Его добавляют в сплавы железа, меди и других основных металлов для улучшения их жаропрочных и коррозионностойких свойств. Порошкообразный цирконий используется в качестве воспламенителя в детонаторах (взрывчатых смесях). Тугоплавкие соединения циркония (карбиды, нитриды), обладающие сравнительно высокой электропроводностью, применяют для изготовления анодов и сеток электронных приборов, пленок для печатного монтажа, в качестве абразивных материалов и в производстве керамики. Для производства керамических огнеупорных материалов также используется диоксид циркония ZrO₂, который еще является компонентом шихты при изготовлении стекол.

ГАФНИЙ. Гафний - d-элемент IV группы 6-го периода, порядковый номер 72, масса 178,49; химический знак - Hf. Гафний является мало распространенным металлом, его массовая доля в земной коре составляет 3,2·10^-4 %. Соединения гафния обычно сопутствуют минералам циркония. Гафний как правило получают из руд попутно с цирконием. Металлическое гомоядерное соединение гафний Hf по внешнему виду также напоминающий сталь, обладает хорошей пластичностью и ковкостью; стоек к окислению до 950 °С. Он является еще более высокоплавким, температура плавления металла составляет 2230 °С. Гафний еще более химически инертен, чем цирконий и по отношению к агрессивным средам ведет себя также. Его используют в качестве примеси к вольфраму, молибдену, танталу для повышения срока их службы, а также для изготовления нитей накаливания электрических ламп, катодов рентгеновских трубок, как конструкционный материал для изготовления деталей ядерных реакторов. Диоксид гафния HfO₂ также является компонентом шихты при изготовлении стекол. Карбид гафния используется в качестве абразивных материалов и в производстве керамики.

ЦИНК. Цинк - d-элемент II группы 4-го периода, порядковый номер 30, масса 65,39; химический знак - Zn. Массовая доля цинка в земной коре составляет 5·10^-3 %. Основными минералами цинка являются сульфид ZnS, карбонат ZnCO₃ и другие. Как гомоядерное соединение цинк Zn представляет собой металл светлого цвета, который обладает следующими свойствами: при нормальной температуре он значительно хрупкий, с повышением температуры до 100 °С он становится тягучим и пластичным, а при дальнейшем нагревании до 200 °С и выше вновь переходит в хрупкое состояние, сравнительно стойкий к коррозии. Цинк представляет собой металл светлого цвета, который обладает следующими свойствами: при нормальной температуре он значительно хрупкий, с повышением температуры до 100 °С он становится тягучим и пластичным, а при дальнейшем нагревании до 200 °С и выше вновь переходит в хрупкое состояние, сравнительно стойкий к коррозии. Высокоочищенный металл содержит до 99,99 % Zn. Цинк является металлом синевато-белой окраски. Плавится при температуре 420 °С. Обладает хорошей электро- и теплопроводностью. Во влажном воздухе покрывается слоем оксида ZnO и теряет блеск. Цинк является химически активным металлом. Однако не во всех агрессивных средах это проявляется одинаково. Вода практически не оказывает разрушающего действия на цинк. Это объясняется тем, что сформировавшийся в первый момент гидроксид Zn(OH)₂ нерастворим в воде, и замедляет течение реакции. Это относится в основном к жесткой технической воде, содержащей растворенные соли. Чистая (дистиллированная, мягкая) вода, лишенная солей, оказывает разрушающее действие. В данном случае чаще всего реализуется точечная коррозия.

Цинковые металлические материалы хорошо растворяются в разбавленных и концент­рированных кислотах, а именно в хлористоводородной HCl, серной H₂SO₄ и др. В разбавленных кислотах, кроме азотной, взаимодействие протекает с бурным выделением водорода и формированием соответствующих соединений цинка. Концентрированные кислоты ведут себя по-иному. В них водород не выделяется. В серной кислоте наряду с образованием сульфата цинка происходит формирование сернистого газа SO₂ и воды. Азотная кислота HNO₃ в зависимости от концентрации ведет себя совершенно индивидуально. Концентрированная кислота восстанавливается при взаимодействии с цинком до оксида азота(IV) NO₂, а разбавленная - оксида азота(II) NO. В обоих случаях одновременно происходит образование нитрата цинка Zn(NO₃)₂ и воды. Цинк и его сплавы хорошо растворяются в щелочах с формированием белого гидрооксида Zn(OH)₂, обладающего амфотерными свойствами, а именно растворяющегося как в кислотах, так и в щелочах. При нагревании цинка до температуры кипения на воздухе металл воспламеняется и сгорает зеленовато-белым пламенем с трансформацией в оксид белого цвета, также относящегося к амфотерным. При высоких температурах цинковые материалы энергично реагируют с активными неметаллами, в частности, галогенами, водородом, азотом, серой, углем и др. с образованием соответствующих соединений цинка. Цинк также легко образует сплавы с большим числом металлов.

Коррозионная стабильность цинка также сильно зависит от степени чистоты металла. Технический цинк (99,9 % и 99,99 % Zn) довольно хорошо реагирует с кислотами, а вот химически чистый металл (99,999% Zn и более) устойчив по отношению к этим кислотам даже при высоких температурах. Во влажной воздушной атмосфере, содержащей оксид углерода(IV) СО₂ (углекислый газ), цинк постепенно растворяется с образованием в конечном итоге основного карбоната Zn(OH)₂·2ZnCO₃, который защищает металл от дальнейшего разрушения. Формирующийся продукт ложится тонким слоем на поверхность металла. Эта пленка непроницаема для многих агрессивных сред, в частности, воды. Она характеризуется высоким сцеплением с основой. Цинк применяют в качестве защитного покрытия для других металлов (например, железа), в фотоэлементах, а также для металлизации бумаги в металлобумажных конденсаторах. Нанесение металлического слоя на бумагу производят в процессе испарения в вакууме примерно при 600 °С. Из цинка изготавливают электроды для электрохимических источников тока.

КАДМИЙ. Кадмий - d-элемент II группы 5-го периода, порядковый номер 48; масса 112,4; химический знак - Cd. Массовая доля кадмия в земной коре составляет 5·10^-5 %. Основными минералами кадмия являются сульфид CdS и карбонат CdCO₃. Гомоядерное соединение кадмий это серебристо-белый металл, являющийся постоянным составным элементом цинка в его рудах и добываемый как побочный продукт при металлургии последнего. Температура плавления кадмия равна 321 °С. На поверхности кадмия во влажном воздухе образуется пленка оксида CdO белого цвета, придающая металлу матовый оттенок. При нагревании кадмий реагирует со всеми неорганическими газами и неметаллическими соединениями, в частности, серой, углеродом, фосфором, азотом, водородом, галогенами, углекислым СО₂, серным SO₃ и сернистым SO₂, сероводородом H₂S. При этом металл восстанавливается с формированием соответствующих соединений. С кислотами кадмий, как электронный аналог цинка, взаимодействует менее энергично. В ходе реакций происходит образование подобных продуктов. Кадмий в щелочах практически не растворяется.

Кадмиевые металлические материалы обладают коррозионной стойкостью в пресной и морской воде, в сельской атмосфере они более стабильны, нежели в городской и промышленной.

Как и цинк, кадмий подвергается электролитической очистке. Наиболее чистый металл содержит 99,997 % кадмия. Он входит в состав ряда припоев и бронз. Применяется кадмий для изготовления фотоэлементов, покрытий СВЧ волноводов вместо серебра, гальванических элементов, а также в атомных реакторах в качестве замедлителя нейтронов.

ИНДИЙ. Индий р-элемент III группы 5-го периода, порядковый номер 49; масса 114,82; химический знак - In. Индий редкий и рассеянный металл, встречается в природе в виде примесей к минералам цинка, свинца и железа. Его массовая доля в земной коре составляет 1,0·10^-5 %. Как гомоядерное соединение индий In является серебристо-белым металлом. Это уже более высокоплавкое вещество, чем галлий. Его температура плавления равна 156,4 °С. По химической активности индий полностью ведет себя точно также как галлий. Он используется в качестве акцепторной примеси и контактного материала в производстве транзисторов и полупроводниковых приборов, а также входит в состав низкотемпературных припоев и жидких токопроводящих контактов (например, в установках шовной контактной роликовой сварки), его вводят в состав сплавов, применяемых в ядерных реакторах для регулирования скорости реакций. Нитрид индия InN довольно хорошо проводит электрический ток. Фосфид индия InP применяют его для изготовления лазеров. Арсенид индия InAs используют для изготовления датчиков Холла, фотодиодов, лазеров, а также приборов с гальваномагнитными эффектами. Антимонид индия InSb применяют для изготовления датчиков Холла, оптических фильтров и термоэлектрических генераторов и холодильников. Очень высокую фоточувствительность антимонида индия используют для изготовления детекторов длинноволнового инфракрасного излучения (при охлаждении до 1,5 К), а также фоторезисторов. Сульфид In₂S₃ и селенид индия In₂S₃ применяютя в производстве полупроводниковых приборов.

ОЛОВО. Олово р-элемент IV группы 5-го периода, порядковый номер 50; масса 118,71; химический знак - Sn. Его массовая доля в земной коре составляет 7,0·10^-4 %. Основным минералом олова является касситерит SnO₂ (оловянный камень). Получают олово восстановлением касситерита углем. В обычных условиях как гомоядерное металлическое соединение олово Sn представляет собой серебристо-белое вещество, имеет ярко выраженное крупнокристаллическое строение. Оно представляет собой b-модификацию, кристаллизующуюся в тетрагональной системе с плотностью 7,31 г/см³, называемую белым оловом. Данная модификация обладает следующими свойствами: при изгибе палочки олова слышен треск, вызываемый трением кристаллов друг о друга; устойчиво при температуре выше 13,2 °С. Предел прочности изменяется от 16 до 38 МПа; при низких температурах на нем появляются серые пятна (выделение второй модификации серого порошкообразного - a-модификации), которые называют оловянной чумой; при нагревании серое олово снова переходит в белое; если нагреть олово до температуры выше 160°С, то оно превращается в третью (ромбическую) модификацию и становится хрупким. Белое олово является мягким, тягучим металлом, из которого в результате прокатки получают тонкую фольгу. Для облегчения прокатки и улучшения механической прочности в него вводят присадки (до 15 % свинца и не более 1 % сурьмы). В качестве полупроводникового материала применяется его низкотемпературная модификация (a-Sn) со структурой алмаза, представляющая собой порошок серого цвета и называемая серым оловом. В чистом виде он практически не используется, а является нейтральной примесью для кремния и германия.

В ряду напряжений олово располагается непосредственно перед водородом. При нормальной температуре оно на воздухе не окисляется; под действием воды не изменяется; при нагревании реагирует с большинством неметаллов; водные растворы кислот действуют на олово медленно, в концентрированной соляной кислоте оно окисляется до хлорнооловянистой кислоты HSnCl₃; при действии концентрированной азотной кислоты олово переходит в оловянную кислоту H₂SnО₃, а в разбавленной ведет себя как типичный металл, т. е. растворяется с образованием нитрата - Sn(NO₃)₂. При нагревании олово взаимодействует с водными растворами щелочей. Тонкую оловянную фольгу (6 - 8 мкм) с присадками применяют в производстве некоторых типов конденсаторов. Оловянно-свинцовую фольгу толщиной 20 - 40 мкм используют в качестве обкладок в слюдяных конденсаторах. Мягкими припоями в основном являются оловянно-свинцовые сплавы (марка ПOC) с концентрацией олова от 18 % (ПОС-18) до 90 % (ПОС-90). Температурный коэффициент линейного расширения a_l равен (26 - 27)·10^-6·К^-1. Удельная проводимость этих материалов составляет 9 - 13 % от таковой у стандартной меди.

СВИНЕЦ. Свинец р-элемент IV группы 6-го периода, порядковый номер 82; масса 207,2; химический знак - Pb. Его массовая доля в земной коре составляет 1,6·10^-4 %. В природе встречается в виде минерала галенит (свинцовый блеск), представляющий сульфид свинца(II) PbS. Гомоядерное соединение свинец Pb это мягкий металл темно-сероватого цвета с высоким удельным электрическим сопротивлением и крупнокристаллическим (решетка гранецентрированная кубическая) строением. Его кристаллы становятся видны при протирании азотной кислотой даже невооруженным глазом. Он обладает следующими свойствами: на свежем срезе имеет сильный металлический блеск, но быстро тускнеет на воздухе вследствие поверхностного окисления; высокая пластичность; низкая прочность (предел прочности при растяжении составляет примерно 14 МПа при относительном удлинении более 55 %); высокая коррозионная стойкость (не пропускает воду, устойчив к действию серной и соляной кислот при низких температурах, но азотная и уксусная кислоты, гниющие органические вещества, известь и некоторые другие соединения вызывают его разрушение); свинец и его соединения ядовиты. Благодаря высокой коррозионной стойкости свинец в больших количествах применяют для изготовления оболочек, защищающих кабель от влаги. Его используют также в производстве плавких предохранителей, пластин свинцовых аккумуляторов и как материал, поглощающий рентгеновские лучи.

Сплавы свинца с малыми концентрациями сурьмы, теллура, кадмия, меди, кальция и олова имеют мелкозернистую структуру, повышенную механическую прочность и стойкость к вибрациям, но меньшую коррозионную стойкость. Они также находят применение в кабельной технике в виде защитных оболочек кабелей.

Вопросы для самопроверки

1. Хром: нахождение в природе, физические и химические свойства, применение

2. Никель: нахождение в природе, свойства и применение

3. Цинк и кадмий: нахождение в природе, свойства и применение

4. Цирконий и гафний: нахождение в природе, свойства и применение

5. Олово и свинец: нахождение в природе, свойства и применение

6. Марганец: нахождение в природе, свойства и применение

7. Бериллий, магний и радий: нахождение в природе, свойства и применение