Файл: Вишневский Л.Д. Под знаком углерода. Элементы IV группы периодической системы Д. И. Менделеева пособие для учащихся.pdf

подшипников паровых турбин. Его состав: 83,5%’ олова,

10—11 % сурьмы и 5,5—6,5% меди.

Помимо чистого олова, для пайки применяют его сплав со свинцом. Оловянные припои хорошо пристают к очищенной железной, медной, латунной и другим по­ верхностям. Для пайки изделий, испытывающих неболь­ шие ударные нагрузки, применяют легкоплавкие припои, содержащие от 3 до 63% олова. Наиболее легкоплавкий из таких припоев (133°С), известный под названием трет­ ника, имеет следующий состав: 63% олова и 37% свинца (приблизительно 2/3 олова и ‘/з свинца).

Олово с металлами способно давать как твердые растворы переменного состава, так и соединения, в кото­ рых обычные валентности металлов не соблюдаются. В этих случаях температуры плавления сплавов ниже по сравнению с температурами плавления исходных метал­ лов. Когда же олово образует химические соединения с другими металлами, в которых валентности соблюдаются и между атомами возникают ковалентные связи, то тем­ пература плавления сплава, как правило, выше по срав­ нению с температурами плавления исходных металлов.

Приведем некоторые примеры. Продукты химическо­ го взаимодействия олова с кальцием, магнием, цирко­ нием, титаном, редкоземельными элементами отличаются большой тугоплавкостью. Станнид циркония Zr3Sn2 име­ ет температуру плавления 1985°С, станнид титана Ti3Sn 1663°С. Интересной особенностью обладает станнид маг­ ния Mg2Sn. Хотя температуры плавления магния 651°С, а олова 232°С, станнид магния плавится при 778°С.

Со многими тяжелыми металлами олово образует легкоплавкие сплавы. Сплав олова с висмутом (43%' олова, 57% висмута) плавится при 139°С, припой трет­ ник— при 183°С. Специальные оловянистые латуни, со­ держащие оло:ва не менее 1%, обладают повышенной стойкостью к разъедающему действию морской воды, уве­ личиваются прочность и твердость латуни. К важнейшим сплавам относится сплав олова с цирконием — циркал- лой-2. Сплав применяется для изготовления оболочек и теплообменных элементов атомных реакторов.

Применение свинца

Свинец относится к числу коррозионностойких метал­ лов. Хотя он постелено окисляется под действием кисло­ рода воздуха, оксидная пленка, образовавшаяся на по-

И 6

верхностн свинца, хорошо предохраняет металл от даль­ нейшей коррозии. При обыкновенной температуре сви­ нец почти не растворяется в разбавленной соляной и сер­ ной кислотах: под действием кислот образуются трудно­ растворимые пленки хлорида свинца или сульфата свин­ ца. Он относительно стоек к действию концентрирован­ ной азотной кислоты, хорошо сопротивляется действию соды, щелочей, аммиака, синильной, фосфорной, плави­ ковой кислот и некоторых органических кислот. Чем чи­ ще свинец, тем выше его стойкость к химическим реа­ гентам.

Незначительная прочность и высокая пластичность металла препятствуют применению его для изготовления химической аппаратуры целиком из свинца. Лишь сви­ нец марки С2 (99,95% свинца) используют для изготов­ ления труб и проката. Из труб изготавливают теплооб­ менники и оборудование для охлаждения или нагрева­ ния в агрессивных средах. Свинцовыми листами обкла­ дывают внутренние стенки аппаратов. Пластичность свинца допускает изготовление его и в рулонах (рольный свинец). 'Рольный свинец также применяется для защи­ ты металлических стенок различных реакторов. Для за­ щиты аппаратов применяют и свинцевание — непосред­ ственное нанесение на поверхность металла гомогенно­ го слоя свинца. Для защиты от атмосферной коррозии толщина покрытия должна составлять 0,1—0,2 мм. Для защиты химической аппаратуры толщина защитного слоя достигает 1—6 мм. Реакционные камеры, электро­ литические ванны, аккумуляторные решетки, промывные башни, детали аппаратов и аппараты на каркасах из свинца находят широкое применение.

Мягкость и пластичность свинца, водостойкость, низ­ кие теплопроводность и электропроводность — все это необходимо для изготовления защитных оболочек элек­ трических кабелей. Большая плотность свинца (11,3) ис­ пользуется при изготовлении пуль для стрелкового ору­ жия. Металлическую оболочку пули делают из стали, меди, мельхиора и т. п., а сердечник из свинца или спла­ ва свинца с сурьмой. Корпус шрапнели и картечи напол­ няют шаровидными пулями или стержнями. Дробь для охотничьих ружей отливают из свинца с добавкой мышь­ яка (до 1%). В свизи с плотностью свинца его применя­ ют-как балласт и противовес при заливке фундаментных плит.

Хорошая растворимость благородных металлов в свинце используется для их извлечения при плавке и в так называемом пробирном анализе. Например, сплав, содержащий золото н другие металлы, сплавляют со свинцом. Затем полученный сплав или растворяют в ки­ слоте (золото остается в виде тонкого порошка), или сильно прокаливают на воздухе. При этом свинец окис­ ляется до оксида свинца, в который переходят и различ­ ные примеси, например СиО. Золото получается в сплав­ ленном виде. Между прочим, последний метод имеет многовековую историю, и его применяли еще в Древнем Египте для переработки загрязненного природного зо­ лота.

Свинец и его соединения задерживают рентгеновское и у-излучение. Поэтому свинец, а также свинцовое стек­ ло, содержащее оксид свинца, применяют при устройстве экранов, ограждений оборудования, облицовки стен по­ мещений для защиты от у-лучей и рентгеновских лучей. Для хранения и транспортировки радиоактивных изото­ пов применяют свинцовые контейнеры. В резину фарту­ ков и перчаток рентгенологов в качестве наполнителя вводят свинец.

Свинец и его соединения применяют при изготовле­ нии кислотных или свинцовых аккумуляторов, которые используются как источники постоянного тока. Свинцо­ вый аккумулятор состоит из двух пластин, помещенных в раствор серной кислоты (рис. 53). В заряженном со­ стоянии положительная пластина состоит из оксида свинца РЬОо, а отрицательная — из металлического свин-

М8

ца. При соединении пластин проводником через него пой­ дет электрический ток, т. е. поток электронов. При этом каждый атом свинца в оксиде присоединяет два элект­ рона н переходит в сульфат свинца, т. е. атомы свинца, имеющие окислительное число +4, переходят в атомы с окислительным числом +2:

РЬ+4 + 2ё"= РЬ+2

Электроны с отрицательной пластины аккумулятора переходят к положительному полюсу. При этом атомы металлического свинца теряют электроны и переходят в сульфат свинца:

Pb + H2S04— PbSO, + Н+

Следовательно, в разряженном состоянии обе пласти­ ны состоят из сульфата свинца. При зарядке пластины соединяют с источником постоянного тока и через акку­ мулятор пропускают электрический ток. На положитель­ ных пластинах (электродах) происходит окисление свин­ ца до оксида свинца РЬОг:

PbSO, + Н20 — РЬ02 + H2SO.!

Суммарный процесс зарядки и разрядки аккумулято­ ра можно отобразить схемой:

■разрядка аккумулятора

зарядка

аккумулятора

Изготовление аккумуляторов довольно сложный про­ цесс. Из свинца, содержащего некоторое количество сурьмы, которая повышает прочность металла, отливают пластины. В них имеется большое количество отверстий, в которые.запрессовывают порошкообразный свинец с не­ которыми добавками. После сборки аккумулятор залива­ ют раствором серной кислоты и проводят формовку, т. е. первоначальяую зарядку.

Аккумуляторы выпускают в сухозаряженном виде — из заряженного аккумулятора кислоту выливают и пла­ стины высушивают. В (гаком состоянии (без кислоты) ак­ кумулятор может храниться длительное время. Для того чтобы аккумулятор привести в действие, в него нужно налить разбавленную серную кислоту концентрации око­ ло 24%.

149

Стабильные изотопы ови.нца 20бРЬ (продукт радиоак­ тивного распада 23SU), 207РЬ (продукт радиоактивного распада 227Ас) и 208РЬ (продукт распада 232Th) применя­ ются в качестве меченых атомов. Изотопный состав свин­ ца может служить .критерием для определения абсолют­ ного возраста пород и минералов различных месторож­ дении. Определение геологичеокого возраста пород с применением изотопов свинца находит широкое примене­ ние в геохимии и минералогии.

Радиоактивные изотопы 209РЬ (период полураспада 3,3 ч) и 210РЬ (период полураспада 23,3 г.) применяют при научных исследованиях и .в технике.

Свинец в расплавленном состоянии растворяет боль­ шинство металлов. Наибольшее практическое значение приобрели сплавы с оловом, сурьмой, мышьяком и медыо. Свинцовые сплавы, как и свинец, применяют в химиче­ ской промышленности для изготовления аппаратуры и оборудования. Технические сплавы стойки к разбавлен­ ным серной, сернистой, хромовой, фосфорной, плавико­ вой кислотам. Сероводород, оксид серы SO2, оксид серы S O 3 как в сухом, так и во влажном состоянии не взаимо­ действуют со сплавами свинца. Высокая коррозионная стойкость наблюдается при взаимодействии с хлором (до 100 °С) и водными растворами хлоридов. Незначительное количество меди (не менее 0,06%) повышает коррозион­ ную стойкость свинца. Такой сплав стоек к воздействию концентрированной серной кислоты при температурах кипения. Уменьшающие трение сплавы на основе свинца (баббиты и др.) применяют для заливки подшипников и изготовления вкладышей подшипников скольжения и трущихся деталей. Для этих целей служит баббит, содер­ жащий 72% свинца, 15% сурьмы, 10% олова и 3% меди. Мягкость свинца, как основной части сплава, обеспечи­ вает идеальное прирабатывание вкладыша к шейке вала,

достью. Хорошие литейные свойства, антикоррозионность и малая усадка этого сплава нашли применение в обо­ ронной промышленности и в типографском деле для от­ ливки штампов, шрифтов, стереотипов, строк машинного набора.

Легкоплавкие сплавы, содержащие свинец, имеют очень низкую температуру плавления: сплав свинца, вис­ мута, олова и ртути —45°С; сплав Вуда (4 мае. ч. впему-

150

та, 2 мае. ч. свинца, 1 мае. ч. олова иЛ-мас. ч. кадмия) — 65 °С; сплав Розе (9 мае. ч. висмута, 1 мае. ч. свинца и 1 мае. ч. олова)— 94°С. Легкоплавкие сплавы нашли применение в сигнализационных приборах для защиты от перегрева и пожара.

Припои на основе свинца обладают, кроме высокой текучести, электро- и теплопроводностью. Применяют их при пайке радиаторов, электро- и радиоаппаратуры. Сплав свинца с мышьяком сочетает повышенную твер­ дость и сохранение способности к образованию шаровой поверхности капелек расплава при падении. Из этого сплава льют дробь.

Селенид свинца PbSe и теллурид свинца РЬТе обла­ дают полупроводниковыми свойствами. Эти соединения представляют значительный практический интерес вслед­ ствие высоких термоэлектрических свойств, используют­ ся для изготовления фотоэлектрических приборов и тер­ моэлементов.

4. СВОЙСТВА

ИПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ПОДГРУППЫ ТИТАНА

Прпменеппе титана

Число редких элементов уменьшается с каждым го­ дом. Вчерашний редкий титан становится все более доступным. Высокая коррозионная стойкость в сочетании с термической стойкостью выдвигает титан в число одних из ценнейших конструкционных материалов. Титан пла­ стичен. Он лишь немного тяжелее алюминия, хорошо ку­ ется и прокатывается в листы, ленты, фольгу и прово­ локу.

Плотная, нерастворимая защитная пленка оксида ти­ тана ТЮ2, хорошо срастающаяся с поверхностью метал­ ла, предохраняет его от действия воздуха, влажного хлора, морской воды. В морской воде стойкость титана сравнима только со стойкостью платины. Он стоек к азотной и хромовой кислотам всех концентраций при вы­ соких температурах и давлении. На него не действует царская водка. Титан устойчив к действию растворов различных солей, органических кислот, солей щелочных металлов при нагревании.

151

Механическаяпрочность титана практически не сни­ жается до температуры свыше 500°С. Очень часто при­ менение титана сопровождается эпитетами «самый..., самый...»: самый коррозионностойкпй, самый жаропроч­ ный. Космические аппараты, военная промышленность, авиация, ракетостроение, цветная и черпая металлургия, химическое машиностроение, турбостроение, морское су­ достроение, нефтехимия, коксохимия, производство кра­ сителей и искусственного волокна, медицинские аппараты и инструменты из титана — вот далеко не полный пере­ чень областей техники, получивших дальнейшее совер­ шенствование благодаря этому элементу.

температуре титан жадно соединяется с кислородом, азо­ том и серой, образуя весьма устойчивые оксиды, нитриды и сульфиды, переходящие в шлак. Очистка от кислорода (раскисление), азота (дезазотированпе) и связывание серы при затвердевании стали позволяют получать одно­ родное литье, не содержащее пустот — нестареющее же­ лезо. Применяется титан в качестве раскнслителя и в металлургии цветных металлов. Присадка минимальных количеств титана (0,05—0,15%) к обычной углеродистой стали облагораживает ее п улучшает свойства.

Высокая поглотительная способность титана по отно­ шению к кислороду, водороду, азоту, оксиду углерода (IV) и другим газам используется также в вакуум-тех­ нике. Такие газопоглотители называются геттерами и применяются для удаления остатков газов и паров, ос­ тавшихся после откачки воздуха из вакуумных приборов, электрических и генераторных ламп, электронно-лучевых трубок. Способность титана воспламеняться в тонкораз­ дробленном состоянии используется в пиротехнике. В пиротехнических составах он является горючим компо­ нентом. Проволока из титана используется в приборо­ строении и электротехнике. Из нее изготовляют электроды для сварки ответственных конструкций. Сетку из тита­ новой проволоки применяют в качестве фильтров при ра­ боте с агрессивными веществами. Отсутствие потерь ти­ тана в результате ржавления, а также его «иммунитет» к некоторым агрессивным средам дают возможность до­ водить чистоту получаемых продуктов почти до стериль­ ности. Это особенно важно в производстве биологических препаратов и медикаментов.

152