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

Титан — прекрасный декоративный материал. В Мос­ кве у входа на Выставку достижений народного хозяйст­ ва СССР в 1964 г. в честь покорителей космоса сооружен величественный монумент — ракета, стартующая в кос­ мос. В качестве облицовочного материала монумента использован листовой титан. Огромный титановый обе­ лиск не только символизирует собой космическую эпоху, но и лучше всяких цифр говорит о достижениях советской металлургии титана.

Сплавы титана сочетают в себе высокую прочность, стойкость против коррозии, жаропрочность, эластичность и легкость. Наиболее важные области применения этих сплавов — ракетостроение, космос, авиация, военная про­ мышленность. Из сплавов изготавливают броню для тан­ ков и корпуса подводных лодок, детали реактивных дви­ гателей и ядерных реакторов, оболочки, топливные баки, арматуру и трубопроводы ракет и космических аппара­ тов и т. д.

Промышленные двойные сплавы титана имеют боль­ шое значение в технике. Введение в небольших количест­ вах титана в сплавы привело к открытию принципиально новых сплавов. Титан — важный компонент сплавов на основе алюминия, ванадия, вольфрама, железа, кобальта, кремния, магния, марганца, меди, молибдена, никеля, олова, хрома, циркония и других металлов. Эти элементы в свою очередь эффективно влияют на механические свойства титана. Сплавы титана с металлами лишены не­ достатков, присущих как чистому титану, так и этим металлам. Поэтому распространено легирование метал­ лов титаном и легирование титана различными метал­ лами.

Титан, легированный алюминием, содержит алюми­ ния до 7%. Алюминий, легированный титаном, содержит титана до 2%. Легкие и прочные титано-алюминиевые сплавы применяют в самолетостроении. Титано-железный сплав — ферротитан, имеющий практическое значение в черной металлургии, — содержит титана до 23%. Введе­ ние в обычную сталь ферротитана исключает вредное действие кислорода и азота и оказывает на сталь обла­ гораживающее действие (слиток стали имеет однород­ ную мелкозернистую структуру). Применяется присадка титана и к нержавеющим сталям. Сплавы титана'с медью (купротитан) содержат титана до 12%. Купротитан при­ меняют при очистке расплава меди от кислорода и азота.

153

Этот сплав обладает повышенной коррозионной стой­ костью. Успешно применяются в. различных областях народного хозяйства марганцовые сплавы (манганотитан), хромовые и молибденовые сплавы.

Сплав титана с ниобием (60% титана, 40% ниобия) при низких температурах является сверхпроводниковым материалом и используется для изготовления электро­ магнитов. Сверхпроводящие провода изготавливают в виде многожильных кабелей. Легкость и экономичность выгодно отличают сверхпроводящий соленоид от обыч­ ного электромагнита. Двадцатнтонный электромагнит с железным сердечником и сверхпроводящий соленоид массой в 1 кг создают одинаковое магнитное поле. При­ менение этого сплава позволяет создать принципиально новые, а также улучшить существующие приборы и устройства.

Сплав на основе химического соединения титана с ни­ келем имеет уникальные свойства. Его синтезировали ученые Института металлургии имени А. А. Байкова Академии наук СССР. Сплав—никелид титана—облада­ ет феноменальной возможностью преобразования тепло­ вой энергии кристалла сплава в механическую — эффек­ том запоминания геометрической формы. Проводили такой эксперимент. Детали из никелида титана нагревали и придавали им нужную форму. После охлаждения дета­ лям придают совершенно другие очертания. При повтор­ ном нагреве детали принимают первоначальные формы с высокой точностью воспроизведения! Любые деформа­ ции, вплоть до сплющивания охлажденных деталей, не мешают воспроизведению после нагревания старой формы.

Проводили и такой эксперимент. Пружину растягива­ ли до стержня. К концу стержня прикрепляли грузик. После нагревания стержень превращался в пружину и поднимал грузик! Эффект «металлической памяти» за­ ключается в различных кристаллических модификациях сплава, сменяющихся в условиях изменения температуры. Трудно даже представить замечательные возможности применения в ближайшем будущем этого материала.

Современные специальные высокопрочные техниче­ ские сплавы обычно бывают легированы несколькими элементами. В этих сложных металлических системах титан занимает одно из ведущих мест. По принятым в

СССР стандартам легирующие элементы обозначаются

154

Широкое применение находят сплавы циркония. На­ ряду с ядерпоп техникой сплавы циркония с металлами благодаря высокой коррозионной стойкости и тугоплав­ кости все больше приобретают права гражданства в хи­ мическом машиностроении: сварные и цельнотянутые трубы, различный прокат, сетки, проволока, листы пт,д.

При добавке циркония значительно улучшаются спла­ вы. Большое значение приобретают сплавы циркония с медыо, алюминием, магнием, титаном, молибденом и другими металлами. Новые сплавы нашли широкое при­ менение в авиации, судостроении, производствереактив­ ных самолетов, ракет, управляемых снарядов и т. д. Вот их краткая характеристика.

Сплавы на основе циркония и меди конкурируют по качеству с бериллиевыми бронзами. Они обладают вы­ сокой электропроводностью и прочностью. Эти сплавы находят применение в случае необходимости высокой ме­ ханической прочности электрической проводки. Добавка циркония к алюминиевым сплавам и сплавам магния значительно повышает их качества. Они обладают высо­ кими механическими свойствами и небольшой плотно­ стью. Основное применение эти сплавы находят в самоле­ тостроении. Сплавы циркония с оловом (циркаллон) при­ меняются для изготовления теплообменных элементов реакторов. Если титан легирован цирконием, то резко повышается его коррозионная стойкость к действию кис­ лот; легированный молибден приобретает твердость.

Стали, содержащие цирконий, обладают повышенным сопротивлением к ударным нагрузкам. Из них изготав­ ливают броневые щиты и плиты, бронебойные снаряды и т. п. Сверхпроводящие сплавы, содержащие цирконий, используют для магнитов с высоким напряжением маг­ нитного поля.

Применение гафния

Наиболее важной областью применения гафния явля­ ется ядериая техника. Гафний, в отличие от циркония, обладает большим поперечным сечением захвата нейтро­ нов (115 барнов), т. е. он хорошо поглощает нейтроны, препятствуя распространению цепной реакции деления урана. Это свойство используется при применении гаф­ ния в качестве конструкционного материала при изготов­ лении регулирующих стержней атомных реакторов. При

156

СОЕДИНЕНИЯ

ЭЛЕМЕНТОВ

IV ГРУППЫ

1. КРЕМНИЙОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

Наиболее интересным классом элементоорганнческих соединений являются кремнийорганическпе соедине­

ния, химия которых оформилась в самостоятельную нау­ ку. К числу важнейших химических продуктов, необходи­ мых для народного хозяйства, относятся мономерные и полимерные кремнийорганические соединения: жидкости, смазки, смолы, лаки, каучуки и т. д.

Первое кремннйорганическое соединение было полу­ чено в 1845 г. французским химиком Ж. Эбельменом. Взаимодействием гетрахлорида кремния и этилового спир­ та он получил этиловый эфир ортокремниевой кислоты (тетраэтоксисилан, этилсиликат Si (ОС2Н3)4) . В прошлом столетии были получены четырехзамещенные органиче­ ские соединения кремния с общей формулой SiR4 и дру­ гие соединения.

Для этого периода характерно представление о пол­ ном сходстве соединений кремния и углерода. Считалось, что замена атомов углерода в органических соединениях атомами кремния не приводит к существенному измене­ нию свойств органических соединений кремния.

В этот период Д. И. Менделеев опубликовал несколь­ ко работ о химии кремния и кремнийорганичеоких соеди­ нениях. Его диссертация на звание приват-доцента, не ут­ ратившая своей ценности до настоящего времени, назы­ валась «О строении кремнеземистых соединений» (1856 г.). Д. И. Менделеев первый из химиков показал, что кремний в отличие от углерода способен образовы­ вать с кислородом продукты полимерной структуры. Такие полимеры содержат в своем составе чередующиеся связи

158

кремний — кислород (силоксановые связи):

II

-S i —О —Si—О—.

II

Д, И. Менделеев заложил основы химии кремнийорганическнх соединений. Ученый детально изучил открытую ранее Ж- Эбельменом реакцию образования тетраэтокспсилаиа. Он установил правильное строение этого соеди­ нения и четырехвалентность кремния, а также определил ряд физических констант. В 1860 г. Д. И. Менделеевым был открыт новый класс кремнийорганических соедине­ ний— галопдоортоэфиры. Уделяя большое внимание хи­ мии кремнийорганических соединений, Д. И. Менделеев составил план изучения этого класса веществ. Но, к со­ жалению, занятый работой над периодическим законом и составлением классических руководств по химии, не смог осуществить свое намерение. Взглядов Д. И. Мен­ делеева на строение кислородных соединений кремния придерживались А. М. Бутлеров, Н. А. Меншуткин и дру­ гие русские химики. За рубежом работы Д. И. Менде­ леева этого периода были или неизвестны или непоняты.

В истории развития химии кремнийорганических соеди­ нений ведущая роль принадлежит нашей отечественной науке. Изучением соединений кремния в то время зани­ мались русские химики Н. И. Лавров, Г. Г. Густавсон, Н. Н. Бекетов. Особенно ценны исследования П. П. Шорыгина и Н. Е. Хотинского, посвященные синтезу крем­ нийорганических соединений.

Из работ советских ученых наибольший интерес пред­ ставляют работы профессора Б. Н. Долгова с сотрудни­ ками. Б. Ы. Долговым написан ряд обзоров. В 1933 г. изпод его пера вышла в свет первая в мире монография по кремиийорганическим соединениям. В ней предсказыва­ лась возможность их широкого практического приме­ нения.

Началом развития химии высокомолекулярных кремннйорганических соединений является разработка акаде­ миком К. А. Андриановым с сотрудниками способа син­ теза кремнийорганических смол (1937 г.) и освоение про­ мышленного производства кремнийорганических полиме­ ров. Сразу резко возрос интерес к элементоорганическпм соединениям этого класса. В настоящее время синтезиро­ вано несколько тысяч кремнийорганических соединений,

159

изучены их физико-химические свойства, методы синтеза н области их практического применения.

Все кремннйорганические соединения условно разде­ лены на две большие группы — низкомолекулярные и вы­ сокомолекулярные соединения. Из них практическое зна­ чение получили не кремннйорганические соединения с це-

ны: —О—Si—О—Si—). В результате присоединения ор­ ганического радикала к кремнию кремнииорганическне

соединения имеют связи кремний — углерод (—Si—С—).

I I G

При большом числе таких звеньев в цепи макромолекулы к названию соединения добавляется приставка поли.

Низкомолекулярные кремннйорганические соединения состоят из атомов кремния, связанных последовательно друг с другом через кислород и одновременно с органи­ ческими радикалами. Их структура может быть как ли­ нейной, так и циклической, например:'

ния состоят из чередующихся атомов кремния, кремния и углерода, кремния и кислорода и т. д. при одновремен­ ном наличии у полимерных цепей молекул органических

соединений, содержащих силоксановые цепи?

160