§ 50.3. Применение и биологическая роль металлов В-групп и их соединений

Применение металлов и их соединений

Из материала § 43 и § 49 вы уже знаете практическое применение сплавов на основе меди на примере бронзы и латуни, какую огромную роль играет производство сплавов железа—чугуна и стали для нужд машино-, станко-, тракторо-, приборо- и судостроения, в строительстве, производстве бытовой техники и сантехнического оборудования, железнодорожного транспорта.

Рассмотрим области использования других металлов В-групп, а также их соединений.

Хром. Этот металл находит применение в металлургии как легирующий компонент при получении специальных сталей и других сплавов. Нержавеющие стали, содержащие до 23 % хрома, устойчивы к коррозии и действию высоких температур. Их используют в химической и нефтяной промышленности для производства различных аппаратов. Хромомолибденовые и никельмолибденовые стали необходимы для изготовления брони, стволов орудий.

Благодаря блеску, устойчивости к коррозии, износостойкости защитно-декоративные покрытия из хрома применяют на стадии финишной обработки деталей автомобилей, велосипедов, инструмента, а также для восстановления изношенных деталей машин. Различные хроматы используют для подготовки тканей к крашению. Хроматы вводят в состав лаков и красок, чтобы придать им окраску. Хромовые квасцы используют для выделки кож. Очень твёрдый и тугоплавкий порошок оксида хрома(III) Сr₂O₃ применяют в составе полирующих средств, для приготовления красок, как катализатор в ряде органических реакций, как компонент керамики.

Марганец. Около 90 % марганца применяют в металлургии для легирования сталей. Он придает сплавам коррозионную стойкость, вязкость и твёрдость. Например, марганцевую сталь, содержащую 12–15 % марганца, используют для изготовления железнодорожных рельсов. Из сплава манганина (83 % Сu, 13 % Мn, 4 % Ni) делают проволоку для катушек сопротивления, так как электрическая проводимость такой проволоки почти не меняется с температурой.

Оксид марганца(IV) MnO₂ применяют в качестве катализатора, окислителя в химических источниках тока, для обесцвечивания стекла и в производстве спичек.

KМnO₄ используется в качестве реагента в аналитической химии. На окислительном действии перманганата калия основано его применение в качестве наружного препарата, обладающего противомикробными свойствами.

Серебро. Из этого драгоценного металла изготавливают ювелирные изделия, столовые приборы. Благодаря высокой электропроводности и устойчивости к коррозии серебро применяют как материал контактов электротехнических изделий. Серебро входит в состав припоев — легкоплавких сплавов с медью, оловом. В химической промышленности серебро используют в качестве катализатора в реакциях окисления, например при производстве формальдегида из метанола.

Бромид серебра(I) с добавками его хлорида или йодида — основной компонент галоидосеребряных фотоматериалов для записи голограмм и результатов рентгенологических исследований в медицинской диагностике.

Серебро входит в состав некоторых медицинских препаратов (колларгол, протаргол) из-за своего бактерицидного действия.

Медь. Благодаря исключительно высокой электро- и теплопроводности, около 40 % всей добываемой меди используется для изготовления электрических проводов и кабелей, различных соединительных устройств, например печатных плат в электроприборах, кредитных карточках, изделиях электронной техники. Из меди изготавливают нагревательные аппараты.

Сплав меди с оловом, бронзу, благодаря её коррозионной стойкости, устойчивости к истиранию используют в машиностроении для изготовления трущихся деталей, в авиации, судостроении, изготовлении скульптур, памятников, домашней утвари, люстр. Из латуни, сплава меди с цинком, отличающейся также коррозионной устойчивостью, пластичностью, декоративным внешним видом, изготавливают детали машин, приборов и различного оборудования, в том числе сантехнического, различные трубы и змеевики, фурнитуру, посуду, ювелирные изделия.

Широкое применение находят сплавы меди с никелем (мельхиор), меди с марганцем и небольшой добавкой никеля (манганин), меди с цинком и никелем (нейзильбер). Они обладают стойкостью к атмосферной коррозии. Мельхиор применяют в судо- и аппаратостроении, изготовлении медицинского инструмента. Манганин нужен для изготовления электроизмерительных приборов. Нейзильбер востребован в производстве деталей точных приборов, медицинских инструментов.

Оксид меди(II) CuO применяют в стекольной промышленности для окраски стёкол и эмалей, как окислитель в органическом анализе. Сульфат или хлорид меди(II) — основной компонент процесса электрохимического осаждения медных покрытий. Медный купорос применяют в сельском хозяйстве для уничтожения вредителей растений, в медицине как антисептическое и вяжущее средство для наружного применения.

Цинк. Цинковыми покрытиями защищают изделия из стали от коррозии. Цинк входит в состав сплавов с медью, алюминием и магнием. Большое количество цинка расходуется на изготовление анодов гальванических элементов.

Цинковый купорос ZnSО₄ ∙ 7H₂О применяют для крашения тканей, в медицине, для электролитического получения цинка. Оксид цинка ZnO используют в производстве автомобильных шин, а также в изготовлении белой масляной краски (цинковые белила).

Титан. Этот металл по внешнему виду похож на полированную сталь. Химически он достаточно активен, однако из-за образования на его поверхности плотной оксидной плёнки титан более стоек к коррозии, чем нержавеющая сталь. Он также жаростоек, устойчив к действию морской воды и к ряду агрессивных химических сред (азотная кислота, царская водка и др.). Это позволяет использовать его для изготовления химической аппаратуры, подводных лодок.

Плотность титана (4,5 г/см³) в 1,7 раза больше плотности алюминия, но титан в 3 раза прочнее алюминия. Это открывает перспективы применения титана в качестве конструкционного материала для двигателей и корпусов летательных аппаратов.

Часто говорят, что титан — металл хирургов. Из него изготавливают вживляемые в организм человека прочные и лёгкие протезы и имплантаты. Благодаря прочной оксидной плёнке на поверхности титан устойчив в агрессивных средах организма человека, не вызывает аллергии, а ткани вокруг титановых протезов и имплантатов не воспаляются.

Оксид титана(IV) используют при изготовлении тугоплавкого стекла, глазури, эмали, керамики, термостойкой лабораторной посуды, а также для приготовления белой масляной краски — титановых белил. Полупроводниковые свойства диоксида титана делают возможным его применение в газовых сенсорах, в ряде каталитических окислительно-восстановительных процессов, для фотокаталитической очистки воды.

Кристаллы титаната бария ВаТiO₃ обладают особенными электрическими свойствами, и поэтому из них изготавливают чувствительные элементы в ультразвуковой и гидроакустической аппаратуре.

Никель. Это серебристо-белый металл, обладает ферромагнитными свойствами, довольно пластичен. Компактный никель химически малоактивен. При обычных условиях покрывается тонкой плёнкой NiO, которая защищает его от действия воздуха и воды. Эти свойства определяют области применения никеля.

Никель — важный компонент конструкционных, нержавеющих и жаропрочных сталей, входит в состав константана, используемого в приборостроении. Из жаропрочных никелевых сплавов, содержащих до 80 % никеля, делают лопатки турбин и детали камер сгорания реактивных двигателей летательных аппаратов и многие детали в атомных реакторах. Никель — основной компонент постоянных магнитов.

Широкое применение нашли защитно-декоративные покрытия из никеля и его сплавов с фосфором или бором на изделиях из металлов, полимеров, стекла, керамики. Дисперсный никель используют как катализатор во многих химико-технологических процессах получения водорода, гидрирования или восстановления водородом органических соединений.

Сульфат и хлорид никеля применяют в гальванотехнике для осаждения никелевых покрытий.

Биологическая роль металлов и их соединений

В отличие от элементов А-групп (C, H, O, N, P, K, Ca и др.) содержание металлов В-групп в живых организмах крайне невелико. Так, доля железа не превышает 10⁻² %, а содержание Mn, Cu, Zn, Mo, V, Co, Ni, Cr составляет менее 10^–3 %. Поэтому их называют микроэлементами. Тем не менее соединения металлов В-групп выполняют ряд биологических функций в организмах.

Микроэлементы входят в состав биологически активных соединений (ферментов, гормонов, витаминов), которые регулируют обменные процессы веществ и клеточную энергетику, тканевое дыхание и другие жизненно важные процессы.

Среди элементов В-групп имеются также опасные для здоровья металлы, такие как Cd, Hg и др. Их соединения токсичны. Соединения никеля вызывают аллергию.

Анализируя вопрос о том, необходимы для организма или, наоборот, опасны соединения металлов, следует иметь в виду, что физиологическое действие разных элементов зависит от их дозы. Поэтому при низкой концентрации соединение металла может действовать на организм как лекарство или выполнять жизненно нужные функции, тогда как при более высокой концентрации соединение этого же металла вызывает отравление.

Например, важность для жизни цинка заключается в активизации этим элементом работы более 50 ферментов. Необходимая суточная норма поступления его в организм человека составляет 12–15 мг. Однако доза в 150 мг станет ядом для человека.

Рассмотрим более подробно биологическое действие наиболее широко используемых переходных металлов.

Хром. В организме взрослого человека содержится около 5 мг в составе ферментов, которые ускоряют процессы обмена углеводов. При дефиците хрома повышается содержание в крови холестерина, сахара.

При высоком содержании соединения хрома проявляют канцерогенные свойства. В организме человека они вызывают генетические изменения в клетках.

Марганец. Этот металл содержится в количестве около 20 мг в организме человека в составе жизненно важных ферментов. Аналогичные ферменты имеются в организмах животных, в растениях. Соединения марганца применяются в качестве микроудобрений (чаще всего MnSО₄ ∙ 5Н₂О). Недостаток марганца в организмах животных приводит к ухудшению роста костей и понижению репродуктивной функции.

Разбавленные растворы (около 0,1 %) перманганата калия нашли широчайшее применение в медицине как антисептическое средство, для полоскания горла, промывания ран, обработки ожогов.

Медь. В организме человека содержится около 70–100 мг меди. Она активирует функцию ферментов, катализирующих разнообразные окислительно-восстановительные реакции. Недостаток меди вызывает слабость артерий, нарушение деятельности печени, анемию. Высокая концентрация меди может привести к отравлению, нарушению функции центральной нервной системы, поражению зубов и желудка.

Недостаток меди (содержание менее 2 мг/кг) негативно сказывается на продуктивности сельскохозяйственных растений. Этот факт обусловлен тем, что медьсодержащие белки и ферменты усиливают процесс связывания молекулярного азота атмосферы и усвоение азота почвы и удобрений. Поэтому в сельском хозяйстве применяют микроудобрения, содержащие соединения меди, чаще всего медный купорос. Однако при повышении содержания меди в верхнем слое почвы до 100 мг/кг почва становится токсичной для растений.

Цинк. Цинк — важный микроэлемент для всех микроорганизмов, растений и животных. Его содержание в организме человека в 20 раз превышает содержание меди. Он функционирует более чем в 50 ферментах, которые оказывают влияние на углеводный, липидный и белковый обмен. Цинк необходим для полового созревания животных и человека.

Ежедневная рекомендуемая доза потребления цинка составляет 300 мкг/кг массы. Цинк содержится в говядине, свинине и баранине (20–40 мг/кг), морепродуктах (15–30 мг/кг), яйцах (15–20 мг/кг), фруктах, овощах, орехах.

Цинк относительно малотоксичен.

Вопросы, задания, задачи

1. При промышленном получении титана руду или концентрат переводят в оксид ТiO₂, который затем при температуре 800–1000 °С спекают с коксом и обрабатывают хлором. При этом образуется тетрахлорид титана TiCl₄, а в результате взаимодействия углерода с кислородом получается в основном угарный газ. Далее хлорид титана(IV) восстанавливают магнием. Образующуюся смесь нагревают в вакууме для удаления магния и его хлорида. Остаток представляет собой губчатый титан, который переплавляют в компактный металл. Используя эту информацию, составьте уравнения реакций, протекающих на разных стадиях процесса получения титана.

2. Для организма перманганаты являются ядами. При лечении острых отравлений перманганатом калия применяют 3%-ный водный раствор пероксида водорода, подкисленный уксусной кислотой. Приведите уравнение химической реакции, которая в данном случае приводит к уменьшению содержания перманганата.

3. Для диагностики степени опьянения существует тест: предлагается произвести выдох в стакан со слабым раствором марганцовки. Объясните, какой химический процесс лежит в основе этого теста.

4. Медь в природе находится в виде следующих минералов: CuFeS₂, Cu₂S, CuO, Cu₂(ОH)₂CО₃. Предложите способы извлечения из них металлической меди. Приведите соответствующие уравнения химических реакций.

5. Серебро на воздухе не окисляется, однако при наличии в воздухе сероводорода на серебряных предметах может образоваться чёрный налёт из Ag₂S. Приведите уравнения химической реакции, объясняющей это явление. Предложите способ удаления с поверхности серебра чёрного налёта.

6. Примером химической коррозии служат процессы образования патины — голубого налёта на изделиях из бронзы. Его можно увидеть на памятниках из бронзы. По химическому составу этот налёт представляет собой смесь двух соединений меди — малахита Сu₂(ОН)₂СО₃ и азурита Cu₃(ОН)₂(CO₃)₂. Приведите уравнения возможных химических реакций, приводящих к образованию этих веществ.

7. Растворы солей меди имеют кислую среду. Со временем в них образуются малорастворимые осадки. Объясните это явление и приведите соответствующие уравнения химических реакций.

8. Предположим, что вам необходимо посеребрить медное изделие. Предложите несколько способов, с помощью которых это можно осуществить. Проиллюстрируйте их уравнениями химических реакций.

9. Одним из свойств меди, серебра и золота является образование сплавов друг с другом. Определите атомное соотношение металлов в сплаве медь—золото, в котором массовая доля золота составляет 58 %.

10. Смесь цинка, железа и кристаллического кремния массой 53,10 г обработали соляной кислотой, взятой в избытке. При этом образовался бесцветный газ объёмом 17,92 л (н. у.). Такую же навеску смеси обработали 30%-ным раствором гидроксида натрия, причём NaOH взят в избытке. В результате реакции выделился газ объёмом 15,68 л (н. у.). Определите массовые доли веществ в исходной смеси.

Самоконтроль

1. К микроэлементам относят все элементы рядов:

• а) C, O, P, K, Ca;
• б) Fe, Mn, Cu, Zn, Mo;
• в) V, Co, Ni, Cr, Zn;
• г) Mn, C, Н, N, Co.

2. Высокотоксичными элементами являются:

• а) Na;
• б) Cd;
• в) Hg;
• г) Pb.

3. Для легирования сталей наиболее часто используют:

• а) Zn;
• б) Сr;
• в) Ni;
• г) Mg.

4. Для изготовления фотоматериалов, приготовления медицинских препаратов (колларгол, протаргол) необходимы соединения:

• а) меди;
• б) кадмия;
• в) титана;
• г) серебра.

5. В качестве антикоррозионных покрытий стальных изделий широко используются:

• а) цинк;
• б) медь;
• в) никель;
• г) марганец.