§ 50.3. Выкарыстанне і біялагічная роля металаў В-груп і іх злучэнняў

З матэрыялу § 43 і § 49 вы ўжо ведаеце аб практычным выкарыстанні сплаваў на аснове медзі на прыкладзе бронзы і латуні, а таксама якую велізарную ролю мае вытворчасць сплаваў жалеза — чыгуну і сталі для патрэб машына-, станка-, трактара-, прыбора- і суднабудавання, у будаўніцтве, вытворчасці бытавой тэхнікі і сантэхнічнага абсталявання, для чыгуначнага транспарту.

Разгледзім галіны выкарыстання іншых металаў В-груп, а таксама іх злучэнняў.

Хром. Гэты метал ужываецца ў металургіі як легіравальны кампанент пры атрыманні спецыяльных сталей і іншых сплаваў. Нержавейныя сталі з утрыманнем да 23 % хрому ўстойлівыя да карозіі і дзеяння высокіх тэмператур. Іх выкарыстоўваюць у хімічнай і нафтавай прамысловасці для вытворчасці розных апаратаў. Хромамалібдэнавыя і нікельмалібдэнавыя сталі неабходныя для вырабу брані, ствалоў гармат.

Дзякуючы бляску, устойлівасці да карозіі, зносаўстойлівасці ахоўна-дэкаратыўныя пакрыцці з хрому ўжываюць на стадыі фінішнай апрацоўкі дэталей аўтамабіляў, веласіпедаў, інструментаў, а таксама для аднаўлення зношаных дэталей машын.

Розныя храматы выкарыстоўваюць для падрыхтоўкі тканін да фарбавання. Храматы ўводзяць у састаў лакаў і фарбаў, каб надаць ім афарбоўку. Хромавыя квасцы выкарыстоўваюць для вырабу скур. Вельмі цвёрды і тугаплаўкі парашок аксіду хрому(III) Сr₂O₃ ужываюць у саставе паліравальных сродкаў, для прыгатавання фарбаў, як каталізатар у шэрагу арганічных рэакцый, як кампанент керамікі.

Марганец. Каля 90 % марганцу ўжываюць у металургіі для легіравання сталей. Ён надае сплавам каразійную ўстойлівасць, вязкасць і цвёрдасць. Напрыклад, марганцавую сталь з утрыманнем 12–15 % марганцу выкарыстоўваюць для вырабу чыгуначных рэек. Са сплаву манганіну (83 % Сu, 13 % Мn, 4 % Ni) робяць дрот для шпулек супраціўлення, бо электрычная праводнасць такога дроту амаль не мяняецца з тэмпературай.

Аксід марганцу(IV) MnO₂ ужываюць у якасці каталізатара, акісляльніку ў хімічных крыніцах току, для абясколервання шкла і ў вытворчасці запалак.

KМnO₄ выкарыстоўваецца ў якасці рэагенту ў аналітычнай хіміі. На акісляльным дзеянні перманганату калію заснавана яго выкарыстанне ў якасці знешняга прэпарату, які валодае супрацьмікробнымі ўласцівасцямі.

Серабро. З гэтага каштоўнага металу вырабляюць ювелірныя ўпрыгажэнні, сталовыя прыборы. Дзякуючы высокай электраправоднасці і ўстойлівасці да карозіі серабро ўжываюць як матэрыял кантактаў электратэхнічных вырабаў. Серабро ўваходзіць у састаў прыпою — легкаплаўкіх сплаваў з меддзю, волавам. У хімічнай прамысловасці серабро выкарыстоўваюць у якасці каталізатара ў рэакцыях акіслення, напрыклад пры вытворчасці фармальдэгіду з метанолу.

Брамід серабра(I) з дадаткамі яго хларыду ці ёдыду — асноўны кампанент галоідасярэбраных фотаматэрыялаў для запісу галаграм і вынікаў рэнтгеналагічных даследаванняў у медыцынскай дыягностыцы.

Серабро ўваходзіць у састаў некаторых медыцынскіх прэпаратаў (каларгол, пратаргол) з-за свайго бактэрыцыднага дзеяння.

Медзь. Дзякуючы выключна высокай электра- і цеплаправоднасці каля 40 % усёй здабытай медзі выкарыстоўваецца для вырабу электрычных правадоў і кабеляў, розных злучальных прылад, напрыклад пячатных плат у электрапрыборах, крэдытных картках, вырабах электроннай тэхнікі. З медзі вырабляюць награвальныя апараты.

Сплаў медзі з волавам, бронзу, дзякуючы яе каразійнай устойлівасці, устойлівасці да сцірання выкарыстоўваюць у машынабудаванні для вырабу дэталей, якія труцца, у авіяцыі, суднабудаванні, вырабе скульптур, помнікаў, хатніх прыладаў, лямпаў. З латуні, сплаву медзі з цынкам, што вылучаецца таксама каразійнай устойлівасцю, пластычнасцю, дэкаратыўным знешнім выглядам, вырабляюць дэталі машын, прыбораў і рознага абсталявання, у тым ліку сантэхнічнага, розныя трубы і змеевікі, фурнітуру, посуд, ювелірныя вырабы.

Шырока ўжываюцца сплавы медзі з нікелем (мельхіёр), медзі з марганцам і невялікім дадаткам нікелю (манганін), медзі з цынкам і нікелем (нейзільбер). Яны валодаюць устойлівасцю да атмасфернай карозіі. Мельхіёр ужываюць у судна- і апаратабудаванні, вырабе медыцынскіх інструментаў. Манганін патрэбен для вырабу электравымяральных прыбораў. Нейзільбер запатрабаваны ў вытворчасці дэталей дакладных прыбораў, медыцынскіх інструментаў.

Аксід медзі(II) CuO выкарыстоўваюць у шкляной прамысловасці для афарбоўкі шкла і эмалей, як акісляльнік у арганічным аналізе. Сульфат або хларыд медзі(II) — асноўны кампанент працэсу электрахімічнага асаджэння медных пакрыццяў. Медны купарвас выкарыстоўваюць у сельскай гаспадарцы для знішчэння шкоднікаў раслін, у медыцыне як антысептычны і вяжучы сродак для знешняга ўжывання.

Цынк. Цынкавымі пакрыццямі абараняюць вырабы са сталі ад карозіі. Цынк уваходзіць у састаў сплаваў з меддзю, алюмініем і магніем. Вялікая колькасць цынку выдаткоўваецца на выраб анодаў гальванічных элементаў.

Цынкавы купарвас ZnSО₄ ∙ 7H₂О ужываюць для фарбавання тканін, у медыцыне, для электралітычнага атрымання цынку. Аксід цынку ZnO выкарыстоўваюць у вытворчасці аўтамабільных шын, а таксама ў вырабе белай алейнай фарбы (цынкавыя бялілы).

Тытан. Гэты метал па знешнім выглядзе падобны на паліраваную сталь. Хімічна ён даволі актыўны, аднак з-за ўтварэння на яго паверхні шчыльнай аксіднай плёнкі тытан больш устойлівы да карозіі, чым нержавейная сталь. Ён таксама гарачаўстойлівы, устойлівы да дзеяння марской вады і да некаторых агрэсіўных хімічных асяроддзяў (азотная кіслата, царская гарэлка і інш.). Гэта дазваляе выкарыстоўваць яго для вырабу хімічнай апаратуры, падводных лодак.

Шчыльнасць тытану (4,5 г/см³) у 1,7 разу большая за шчыльнасць алюмінію, але тытан у 3 разы больш трывалы за алюміній. Гэта адкрывае перспектывы выкарыстання тытану ў якасці канструкцыйнага матэрыялу для рухавікоў і корпусаў лётных апаратаў.

Часта кажуць, што тытан — метал хірургаў. З яго вырабляюць трывалыя і лёгкія пратэзы і імплантаты, якія ўжыўляюцца ў арганізм чалавека. Дзякуючы трывалай аксіднай плёнцы на паверхні тытан устойлівы ў агрэсіўных асяроддзях арганізма чалавека, не выклікае алергіі, а тканкі вакол тытанавых пратэзаў і імплантатаў не запаляюцца.

Аксід тытану(IV) выкарыстоўваюць пры вырабе тугаплаўкага шкла, глазуры, эмалі, керамікі, тэрмаўстойлівага лабараторнага посуду, а таксама для прыгатавання белай алейнай фарбы — тытанавых бялілаў. Паўправадніковыя ўласцівасці дыаксіду тытану робяць магчымым яго ўжыванне ў газавых сэнсарах, у шэрагу каталітычных акісляльна-аднаўленчых працэсаў, для фотакаталітычнай ачысткі вады.

Крышталі тытанату барыю ВаТiO₃ валодаюць асаблівымі электрычнымі ўласцівасцямі, і таму з іх вырабляюць адчувальныя элементы для ультрагукавой і гідраакустычнай апаратуры.

Нікель. Гэты серабрыста-белы метал валодае ферамагнітнымі ўласцівасцямі, даволі пластычны. Кампактны нікель хімічна малаактыўны. Пры звычайных умовах пакрываецца тонкай плёнкай NiO, якая абараняе яго ад дзеяння паветра і вады. Такія ўласцівасці вызначаюць сферы ўжывання нікелю.

Нікель — важны кампанент канструкцыйных, нержавейных і гарачатрывалых сталей, уваходзіць у састаў канстантану, які выкарыстоўваецца ў прыборабудаванні. З гарачатрывалых нікелевых сплаваў, якія ўтрымліваюць да 80 % нікелю, робяць лапаткі турбін і дэталі камер згарання рэактыўных рухавікоў лётных апаратаў і многія дэталі ў атамных рэактарах. Нікель — асноўны кампанент пастаянных магнітаў.

Шырокае ўжыванне знайшлі ахоўна-дэкаратыўныя пакрыцці з нікелю і яго сплаваў з фосфарам або борам на вырабах з металаў, палімераў, шкла, керамікі. Дысперсны нікель выкарыстоўваюць як каталізатар у многіх хіміка-тэхналагічных працэсах атрымання вадароду, гідрыравання або аднаўлення вадародам арганічных злучэнняў.

Сульфат і хларыд нікелю ўжываюць у гальванатэхніцы для асаджэння нікелевых пакрыццяў.

Біялагічная ролю металаў і іх злучэнняў

У адрозненне ад элементаў А-груп (C, H, O, N, P, K, Ca і інш.) утрыманне металаў В-груп у жывых арганізмах вельмі невялікае. Так, доля жалеза не перавышае 10^–2 %, а ўтрыманне Mn, Cu, Zn, Mo, V, Co, Ni, Cr складае менш за 10^–3 %. Таму іх называюць мікраэлементамі. Тым не менш злучэнні металаў В-груп выконваюць шэраг біялагічных функцый у арганізмах.

Мікраэлементы ўваходзяць у састаў біялагічна актыўных злучэнняў (ферментаў, гармонаў, вітамінаў), якія рэгулююць абменныя працэсы рэчываў і клетачную энергетыку, тканкавае дыханне і іншыя жыццёва важныя працэсы.

Сярод элементаў В-груп ёсць таксама такія небяспечныя для здароўя металы, як Cd, Hg і інш. Іх злучэнні таксічныя. Злучэнні нікелю выклікаюць алергію.

Аналізуючы пытанне пра тое, неабходныя для арганізма ці, наадварот, небяспечныя злучэнні металаў, варта мець на ўвазе, што фізіялагічнае дзеянне розных элементаў залежыць ад іх дозы. Таму пры нізкай канцэнтрацыі злучэнне металу можа дзейнічаць на арганізм як лекі або выконваць жыццёва патрэбныя функцыі, у той час як пры больш высокай канцэнтрацыі злучэнне гэтага ж металу выклікае атручэнне.

Напрыклад, важнасць для жыцця цынку заключаецца ў актывізацыі гэтым элементам працы больш як 50 ферментаў. Неабходная сутачная норма паступлення яго ў арганізм чалавека складае 12–15 мг. Аднак доза 150 мг стане атрутай для чалавека.

Разгледзім больш падрабязна біялагічнае дзеянне найбольш шырока карыстаных пераходных металаў.

Хром. У арганізме дарослага чалавека ўтрымліваецца каля 5 мг у саставе ферментаў, якія паскараюць працэсы абмену вугляводаў. Пры дэфіцыце хрому павышаецца ўтрыманне ў крыві халестэрыну, цукру.

Пры высокім утрыманні злучэнні хрому праяўляюць канцэрагенныя ўласцівасці. У арганізме чалавека яны выклікаюць генетычныя змены ў клетках.

Марганец. Гэты метал утрымліваецца ў колькасці каля 20 мг у арганізме чалавека ў саставе жыццёва важных ферментаў. Аналагічныя ферменты ёсць у арганізмах жывёл, у раслінах. Злучэнні марганцу ўжываюцца ў якасці мікраўгнаенняў (часцей за ўсё MnSО₄ ∙ 5Н₂О). Недахоп марганцу ў арганізмах жывёл прыводзіць да пагаршэння росту костак і паніжэння рэпрадуктыўнай функцыі.

Разбаўленыя растворы (каля 0,1 %) перманганату калію знайшлі найшырэйшае ўжыванне ў медыцыне як антысептычны сродак, для паласкання горла, прамывання ран, апрацоўкі апёкаў.

Медзь. У арганізме чалавека ўтрымліваецца каля 70–100 мг медзі. Яна актывуе функцыю ферментаў, якія каталізуюць разнастайныя акісляльна-аднаўленчыя рэакцыі. Недахоп медзі выклікае слабасць артэрый, парушэнне дзейнасці печані, анемію. Высокая канцэнтрацыя медзі можа прывесці да атручвання, парушэння функцыі цэнтральнай нервовай сістэмы, пашкоджання зубоў і страўніка.

Недахоп медзі (утрыманне менш за 2 мг/кг) негатыўна адбіваецца на прадукцыйнасці сельскагаспадарчых раслін. Гэты факт абумоўлены тым, што медзезмяшчальныя бялкі і ферменты ўзмацняюць працэс звязвання малекулярнага азоту атмасферы і засваенне азоту глебы і ўгнаенняў. Таму ў сельскай гаспадарцы ўжываюць мікраўгнаенні, якія ўтрымліваюць злучэнні медзі, часцей за ўсё медны купарвас. Аднак пры павышэнні ўтрымання медзі ў верхнім слоі глебы да 100 мг/кг глеба становіцца таксічнай для раслін.

Цынк. Цынк — важны мікраэлемент для ўсіх мікраарганізмаў, раслін і жывёл. Яго ўтрыманне ў арганізме чалавека ў 20 разоў перавышае ўтрыманне медзі. Ён функцыянуе больш чым у 50 ферментах, якія ўплываюць на вугляводны, ліпідны і бялковы абмен. Цынк неабходны для палавога выспявання жывёл і чалавека.

Штодзённая рэкамендаваная доза спажывання цынку складае 300 мкг/кг масы. Цынк утрымліваецца ў ялавічыне, свініне і бараніне (20–40 мг/кг), морапрадуктах (15–30 мг/кг), яйках (15–20 мг/кг), садавіне, гародніне, арэхах.

Цынк даволі малатаксічны.

Пытанні, заданні, задачы

1. Пры прамысловым атрыманні тытану руду або канцэнтрат пераводзяць у аксід ТiO₂, які потым пры тэмпературы 800–1000 °С спякаюць з коксам і апрацоўваюць хлорам. Пры гэтым утвараецца тэтрахларыд тытану TiCl₄, а ў выніку ўзаемадзеяння вугляроду з кіслародам атрымліваецца ў асноўным угарны газ. Далей хларыд тытану(IV) аднаўляюць магніем. Утвораную сумесь награваюць у вакууме для выдалення магнію і яго хларыду. Рэшта ўяўляе сабой губчаты тытан, які топяць у кампактны метал. Выкарыстоўваючы гэтую інфармацыю, складзіце ўраўненні рэакцый, якія працякаюць на розных стадыях працэсу атрымання тытану.

2. Для арганізма перманганаты з’яўляюцца ядамі. Пры лячэнні вострых атручванняў перманганатам калію ўжываюць 3%-ны водны раствор пераксіду вадароду, падкісленага воцатнай кіслатой. Прывядзіце ўраўненне хімічнай рэакцыі, якая ў дадзеным выпадку прыводзіць да памяншэння ўтрымання перманганату.

3. Для дыягностыкі ступені ап’янення існуе тэст: прапануецца зрабіць выдых у шклянку са слабым растворам марганцоўкі. Растлумачце, які хімічны працэс ляжыць у аснове гэтага тэста.

4. Медзь у прыродзе знаходзіцца ў выглядзе наступных мінералаў: CuFeS₂, Cu₂S, CuO, Cu₂(ОH)₂CО₃. Прапануйце спосабы здабывання з іх металічнай медзі. Прывядзіце адпаведныя ўраўненні хімічных рэакцый.

5. Серабро на паветры не акісляецца, аднак пры наяўнасці ў паветры серавадароду на сярэбраных прадметах можа ўтварыцца чорны налёт з Ag₂S. Прывядзіце ўраўненні хімічнай рэакцыі, якая тлумачыць гэтую з’яву. Прапануйце спосаб выдалення з паверхні серабра чорнага налёту.

6. Прыкладам хімічнай карозіі служаць працэсы ўтварэння паціны — блакітнага налёту на вырабах з бронзы. Яго можна ўбачыць на помніках з бронзы. Па хімічным саставе гэты налёт уяўляе сабой сумесь двух злучэнняў медзі — малахіту Сu₂(ОН)₂СО₃ і азурыту Cu₃(ОН)₂(CO₃)₂. Прывядзіце ўраўненні магчымых хімічных рэакцый, якія прыводзяць да ўтварэння гэтых рэчываў.

7. Растворы солей медзі маюць кіслае асяроддзе. З часам у іх утвараюцца маларастваральныя асадкі. Растлумачце гэтую з’яву і прывядзіце адпаведныя ўраўненні хімічных рэакцый.

8. Уявім, што вам неабходна пасерабрыць медны выраб. Прапануйце некалькі спосабаў, з дапамогай якіх гэта можна ажыццявіць. Праілюструйце іх ураўненнямі хімічных рэакцый.

9. Адной з уласцівасцей медзі, серабра і золата з’яўляецца ўтварэнне сплаваў адзін з адным. Вызначце атамныя суадносіны металаў у сплаве медзь—золата, у якім масавая доля золата складае 58 %.

10. Сумесь цынку, жалеза і крышталічнага крэмнію масай 53,10 г апрацавалі салянай кіслатой, узятай у лішку. Пры гэтым утварыўся бясколерны газ аб’ёмам 17,92 л. Такую ж навеску сумесі апрацавалі 30%-ным растворам гідраксіду натрыю, узятым у лішку. У выніку рэакцыі вылучыўся газ аб’ёмам 15,68 л. Вызначце масавыя долі рэчываў у зыходнай сумесі.

Самакантроль

1. Да мікраэлементаў адносяць усе элементы радоў:

• 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. Высокатаксічнымі элементамі з’яўляюцца:

• а) Na;
• б) Cd;
• в) Hg;
• г) Pb.

3. Для легіравання сталей найбольш часта выкарыстоўваюць:

• а) Zn;
• б) Сr;
• в) Ni;
• г) Mg.

4. Для вырабу фотаматэрыялаў, правядзення рэнтгеналагічных даследаванняў розных паталогій, прыгатавання медыцынскіх прэпаратаў (каларгол, пратаргол) неабходны злучэнні:

• а) медзі;
• б) кадмію;
• в) тытану;
• г) серабра.

5. У якасці антыкаразійных пакрыццяў стальных вырабаў шырока выкарыстоўваюцца:

• а) цынк;
• б) медзь;
• в) нікель;
• г) марганец?