Легкі конструкційні метали

Велике значення для машинобудування належить легким конструкційним металам, які мають достатньо питому міцність. Питома міцність – це відношення міцності матеріалу до щільності. З огляду на питому міцність і хімічну активність до легких конструкційних матеріалів відносять магній, берилій, алюміній, титан і сплави на їх основі.

Алюміній – сріблясто-білий метал, легкоплавкий (т.пл. 660,4⁰С), легкий (густина 2,7 г/см³), механічно міцний, має добру електричну провідність і теплопровідність, легко утворює сплави і піддається обробці. Він має високу корозійну стійкість в окиснювальних середовищах внаслідок утворення непроникливої захисної плівки алюміній оксиду, завдяки цьому за звичайної температури алюміній практично не взаємодіє з концентрованою й сильно розведеною нітратною кислотою, дуже повільно розчиняється в нітратній кислоті середніх концентрацій, тому нітратну кислоту зберігають і перевозять в алюмінієвій тарі. Алюміній розчинний у хлоридній і сульфатній кислотах:

2Al + 6H⁺ = 2Al³⁺ + 3H₂↑.

Зовсім не стійкий у лугах та лужних розчинах із рН = 9. Алюміній легко з’єднується з киснем на повітрі, покриваючись оксидною плівкою Al₂O₃, що захищає метал від подальшої корозії. Алюміній – метал, але нетиповий. З водою алюміній реагує, якщо плівка гідроксиду, що утвориться, буде розчинятися, що може бути досягнуте при додаванні до води лугу:

 

2Al + 2NaOH + 10H₂O = 2Na[Al(OH)₄(H₂O)₂] + 3H₂↑.

 

У йонній формі: 2Al + 2OHˉ + 10H₂O = 2[Al(OH)₄(H₂O)₂]ˉ + 3H₂↑.

 

Алюміній, у якого зруйнована оксидна плівка, хімічно активний:

 

2Al + 6H₂O + 6H₃O⁺ = 3H₂↑ + 2[Al(H₂O)₆]³⁺.

 

За звичайних умов алюміній реагує з галогенами:

 

2Al + 3Cl₂ = 2AlCl₃.

 

При нагріванні алюміній взаємодіє з багатьма неметалами:

 

2Al + N₂ 2AlN;

 

2Al + 3S Al₂S₃;

 

4Al + 3C Al₄C₃.

 

Алюміній є хорошим відновником багатьох оксидів металів, що використовується в металургії для одержання тугоплавких металів – ванадію, хрому, марганцю тощо. Наприклад:

 

2Al + Cr₂O₃ = Al₂O₃ + 2Cr.

 

Метод відновлення оксидів металів алюмінієм одержав назву алюмінотермії. На цьому методі ґрунтується один зі способів зварювання стальних виробів. Для цього суміш порошкоподібних алюміній оксиду й магнітного залізняку (Fe₃O₄ ), що має назву терміт, підпалюють за допомогою запалу. При цьому відбувається реакція:

 

8Al + 3Fe₃O₄ = 4Al₂O₃ + 9Fe.

 

У результаті цієї екзотермічної реакції розвивається температура порядку 3000⁰С. Залізо, що виділяється, у розплавленому вигляді тече на місце стику металевих деталей, зварюючи їх.

Алюміній оксид і алюміній гідроксид є амфотерними сполуками. Основні властивості цих сполук виявляються у реакціях з кислотами:

 

Al₂O₃+ 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂O;

 

2Al(OH)₃ + 3H₂SO₄ = Al₂(SO₄)₃ + 6H₂O.

 

Кислотні властивості алюміній оксид і алюміній гідроксид виявляють у реакціях з лугами в розчинах:

 

Al₂O₃ + 6KOH + 3H₂O = 2K₃[Al(OH)₆];

 

Al(OH)₃ + 3KOH = K₃[Al(OH)₆].

 

За поширеністю в земній корі алюміній посідає перше місце серед металів, його вміст у земній корі становить 8,8 %. Внаслідок високої хімічної активності алюміній зустрічається в природі тільки у вигляді сполук. Основним промисловим методом добування металічного алюмінію є електроліз розплаву, що містить алюміній оксид Al₂O₃ (глинозем) і кріоліт Na₃AlF₆. Електроліз відбувається при температурі 950⁰С. Добутий технічний алюміній (до 99,7 % Al) піддають очистці шляхом електрорафінування.

Магній відноситься до найбільш електропозитивних елементів. Від свого сусіда по періоду – алюмінію – магній відрізняється меншим числом валентних електронів і відносно більшим розміром атому, тому його здатність утворювати ковалентний зв’язок у порівнянні з алюмінієм знижена. Для магнію характерне утворення йонного зв’язку. Магній у вигляді простої речовини – білий метал, легко окиснюється повітрям, приймає матовий відтінок. Магній – активний метал, легко вступає у взаємодію з галогенами, при нагріванні згорає на повітрі, окиснюється сіркою та азотом. У електрохімічному ряді напруг магній розташований перед воднем. Він майже не взаємодіє з холодною водою, тому що магній гідроксид, який утворюється при цьому, погано розчинний у воді. При нагріванні реакція між магнієм і водою прискорюється за рахунок розчинення Mg(OH)₂. У кислотах магній розчиняється дуже енергійно, за винятком HF i H₃PO₄, які утворюють із ним малорозчинні сполуки. Розбавлену нітратну кислоту (з масовою часткою кислоти 10-15 %) метал відновлює до амоній нітрату:

 

4Mg + 10HNO₃ = 4Mg(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O.

 

З лугами магній практично не взаємодіє. За хімічною природою сполуки Mg (II) – переважно основні. Більшість його солей розчинні у воді. Малорозчинні солі слабких кислот – Mg₃(PO₄)₂ ; MgCO₃, MgF₂. Магній карбонат розчиняється у воді в присутності CO₂, перетворюючись у розчинний магній гідрогенкарбонат:

 

MgCO₃ + CO₂ + H₂O = Mg(НCO₃)₂.

 

Магній може відновлювати багато металів з їхніх оксидів і солей:

 

TiCl₄ + 2Mg = Ti + 2MgCl₂.

 

Магній оксид і магній гідроксид виявляють основні властивості.

При змішуванні магній хлориду з водою й магній оксидом утворюється магній гідроксидхлорид:

 

MgCl₂ + MgO + H₂O = 2MgOHCl,

 

який при змішуванні з водою утворює масу, яка швидко твердіє, що дозволяє використовувати його як цемент. Магній входить до складу мінералів магнезиту, доломіту, карналіту (додаток 1).

Титан–сріблясто-білий метал. При звичайних температурах хімічна активність титану надзвичайно мала. Це пояснюється тим, що на свіжій поверхні чистого титану дуже швидко з’являється інертна плівка діоксиду титану, яка добре „зростається” з металом і захищає його від подальшого окиснення.

Титан із галогенами може утворювати тетрагаліди:

 

Ti + 2Cl₂ = TiCl₄.

 

Флуор і хлор реагують з титаном на холоду, а бром і йод – при температурі вище 250⁰С. Титан при високій температурі утворює також сполуки з азотом – нітрид (TiN), який використовується для полірування коштовного каміння; з вуглецем – карбід (TiC), що використовується для виготовлення абразивних інструментів.

Титан не може протистояти дії гідроген пероксиду, сухим хлору й брому, спиртам та ортофосфатної кислоти, навіть слабкої концентрації.

Титан стійкий у багатьох агресивних середовищах, особливо в слабких розчинах нітратної кислоти, де він пасивується, хлорорганічних сполуках. Однак титан розчиняється у кислотах, які здатні руйнувати захисну плівку, наприклад, розведені хлоридна, сульфатна та флуоридна кислоти:

 

2Ti + 6HCl 2TiCl₃ + 3H₂.

2Ti + 3H₂SO₄ = Ti₂(SO₄)₃ + 3H₂.

2Ті + 6НF = 2TiF₃ + 3H₂.

 

Сполуки, де титан виявляє ступінь окиснення +3, мають червоно-фіолетове забарвлення різних відтінків: Ті(ОН)₃ – вишнево-червоний, TiF₃ – пурпурово-червоний, TiCl₃ – фіолетовий, TiBr₃ – червоно-фіолетовий.

На повітрі при звичайній температурі титан досить стійкий. При високій температурі (1200-1300⁰C) він бурхливо реагує з киснем повітря, утворюючи оксид TiO₂, причому реакція супроводжується яскравим світінням. Титан (ІV) оксид TiO₂ – хімічно малоактивна речовина. Цей оксид є амфотерною сполукою, проте він реагує з кислотами тільки при нагріванні, а з лугами – при сплавлянні з утворенням титанатів:

 

TiO₂ + H₂SO₄ = TiO(SO₄) + H₂O;

 

TiO₂ + 2KOH = K₂TiO₃+ H₂O.

 

Сульфатна кислота, так само як і хлоридна, руйнує захисну плівку діоксиду титану й підвищує розчинність металу. Її можна різко знизити, якщо до розчинів цих кислот додати певну кількість нітратної, хромової кислот, сполук хлору чи інших окисників, що швидко пасивують поверхню титану захисною плівкою, і припиняють його подальше розчинення.

Титан – хімічно активний, і в той же час титан є одним із деяких металів, що мають винятково високу корозійну стійкість. Титан практично вічний в атмосфері повітря, у холодній і киплячій воді, дуже стійкий у розчинах багатьох солей, неорганічних і органічних кислотах. За своєю корозійною стійкістю в морській воді він перевершує всі метали, за винятком благородних металів – золота, платини, більшість видів нержавіючої сталі, нікелеві, мідні й інші сплави. Протистоїть титан і ерозійній корозії, що відбувається в результаті сполучення хімічного й механічного впливу на метал. У цьому відношенні він не поступається кращим маркам нержавіючих сталей, сплавам на основі міді й інших конструкційних матеріалів.

У хімічній промисловості використовують, в основному, технічно чистий титан, який має найбільшу корозійну стійкість. Для особливо агресивних середовищ застосовують сплави титану з молібденом, паладієм, нікелем та цирконієм, що підвищують його стійкість у десятки й сотні разів. Найбільший ефект досягається завдяки добавкам у титан чотирьох металів платинової групи: платини, паладію, родію й рутенію.