Химия. 11 класс

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.