Поиск:  




Кунсткамера

Читальный зал

Гроссе Э., Вайсмантель X.

Химия для любознательных. Основы химии и занимательные опыты.

Глава 3. МЕТАЛЛЫ - ОСНОВА ТЕХНИКИ

МЕТАЛЛЫ И ИХ СОЕДИНЕНИЯ

Почти все важнейшие части орудий производства, начиная с простейших механизмов и кончая сложными машинами, изготовлены из металлов. Хотя широко используемые в последнее время пластмассы частично заменяют металлы, производство металлов все время возрастает, и в будущем все равно главным образом из них будут изготовлять большинство промышленных установок, машины, моторы, электрическую проводку, котлы высокого давления и т. д.
Перечислим некоторые характерные свойства металлов: металлы можно отливать, ковать, вальцевать, вытягивать в проволоку, гнуть, сваривать, паять, обтачивать, сверлить, пилить, строгать.
Сплавляя металлы или вводя в них небольшие добавки неметаллов, можно получать материалы, отвечающие специальным требованиям. Инструменты для обработки металлов (токарные резцы, сверла, специальные пилы и т. д.) должны обладать повышенной твердостью, а листовые или винтовые рессоры, напротив, отличаться эластичностью и одновременно прочностью.
От зубчатых колес, валов, болтов и гаек требуется особенная прочность на излом, от тросов и цепей - чрезвычайное сопротивление растяжению, а колбам, цилиндрам, котлам высокого давления приходится переносить высокую температуру, огромное давление и воздействие химически агрессивных веществ.
Без металлов не было

  • . Хорошая проводимость электрического тока характерна для всех "настоящих металлов" и не присуща неметаллическим материалам.
    Из более чем 90 химических элементов, встречающихся в природе, около 65 причисляют к металлам. Некоторые элементы, такие как сурьма или полупроводник германий, стоят на границе между металлами и неметаллами.
    Еще 200 лет назад большая часть этих металлов не имела никакого технического значения. Довольствовались обычными, в основном -- легко получаемыми металлами. Только с наступлением атомного века, при постройке сверхзвуковых самолетов и космических ракет, требования к металлическим материалам резко повысились. Уже в начале нашего века потребности авиационной промышленности привели к развитию производства легких металлов: алюминия и магния. Многочисленные изобретения сделали возможным создание установок для получения таких металлов, названия которых сравнительно недавно были известны немногим. Это прежде всего титан и цирконий, которые встречаются часто, но в основном рассеяны в горных породах и редко встречаются в виде чистых руд. Техническое значение приобрели также бериллий, гафний, индий, ниобий и другие экзотические металлы.
    Уран и плутоний служат сегодня горючим для ядерных реакторов, в которых получают тонны трансуранового элемента плутония. Плутоний можно назвать искусственным элементом - в природе он практически не встречается. В результате ядерного расщепления 1 кг плутония выделяется примерно столько же энергии, как при сгорании 2500 т каменного угля или при взрыве такого же количества тринитротолуола!
    Все миролюбивые силы в мире борются за проведение в жизнь предложения Советского Союза о нераспространении ядерного оружия и всеобщего и полного разоружения, за то, чтобы накопленные запасы плутония использовались только для получения ядерной энергии в мирных целях на благо человечества.

    КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТАЛЛОВ

    По экспериментальной химии металлов и их соединений можно было бы написать объемистую книгу. До сих пор, изучая с помощью несложных опытов некоторые свойства металлов и их солей, мы в лучшем случае могли сделать многосторонний, но несистематический и далеко не полный обзор.
    Теперь уделим особенное внимание распределению металлов по группам и важнейшим свойствам этих групп. Далее мы рассмотрим реакции, по которым можно установить наличие определенного металла в смеси веществ.

    Для этих опытов нам понадобятся образцы чистых металлов или их сплавов, которые можно изготовить из старых металлических предметов. Токарная стружка и металлические опилки, остатки медной проволоки, старые никелевые и серебряные монеты, алюминиевая фольга и испорченные хромированные части велосипеда, цинковая пластинка из использованной батарейки для карманного фонарика, кусок старого водосточного желоба, свинец из аккумуляторной пластины или из остатка кабеля, оловянная фольга или оловянные фигурки, вольфрамовая нить накаливания из перегоревшей лампочки, молибденовый держатель нити накаливания или сетка использованной радиолампы, никелевый анод этой же лампы - вот некоторые, далеко не полные возможности для заготовки металлических образцов.
    Само собой разумеетс, нам потребуются очень небольшие количества дорогих цветных металлов, которые надо постараться извлечь из металлолома.
    Наряду с этими образцами воспользуемся также соединениями металлов, которые можно приобрести, так же как и другие химикаты, в аптеке, хозяйственном магазине, в специализированном магазине реактивов и т. д.
    В химии металлы классифицируют по их положению в Периодической системе элементов. Практики, кроме того, подразделяют металлы на тяжелые и легкие, благородные и неблагородные, тугоплавкие и легкоплавкие, а также классифицируют их с других точек зрения.
    Периодическая система состоит, как известно, из групп, которые в свою очередь включают в себя главные и побочные подгруппы элементов, обладающих схожими химическими свойствами, - в таблице они расположены друг под другом. В главной подгруппе первой группы находятся щелочные металлы - литий, калий, натрий, рубидий и цезий, а в побочной подгруппе первой группы - медь, серебро и золото. В главную подгруппу второй группы включены щелочноземельные металлы бериллий, магний, кальций, стронций, барий, радий, а в побочную - цинк, кадмий и ртуть. Третья группа начинается с неметалла бора, затем идут металлы, образующие "земли": алюминий, скандий, иттрий, 15 редкоземельных элементов и радиоактивный актиний. В соответствующей побочной подгруппе находятся мало известные металлы галлий, индий и таллий. В главных подгруппах четвертой и пятой групп металлический характер обнаруживают только последние члены группы, а в главных подгруппах шестой, седьмой и восьмой групп находятся только неметаллы. Но элементы побочных подгрупп этих групп периодической системы являются металлами. Особенно важны так называемые переходные металлы побочной подгруппы восьмой группы, которые образуют три подгруппы. Здесь содержатся металлы подгруппы железа и платины.
    Разделение на группы можно объяснить с помощью атомной теории, но здесь это было бы излишним. Рассмотрим свойства групп и отдельных металлов с помощью опытов.

    ЩЕЛОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ (ГЛАВНАЯ ПОДГРУППА I ГРУППЫ)

    Щелочные металлы химически очень активны и бурно реагируют с водой, в результате чего образуются сильные основания. С солями щелочных металлов калия и натрия мы уже познакомились.
    Аналитически обнаружить эти металлы сложно, так как они не образуют нерастворимых солей при взаимодействии с наиболее употребимыми кислотами, поэтому реакции осаждения возможны лишь со сложными реагентами. Неизвестны также характерные цветные реакции с простыми реагентами в нерастворенном или твердом состоянии. По окраске пламени натрием и калием их можно обнаружить качественно.

    Обнаружение калия и натрия

    В несветящемся пламени бунзеновской горелки будем держать палочки магнезии до тех пор, пока не исчезнет начальная окраска пламени. Затем нанесем на палочку чуть-чуть поваренной соли и опять поместим ее в пламя, которое окрасится в яркий желтый цвет. Так как окраска очень интенсивна, а натрий является почти непременной примесью в солях, всегда следует убедиться, сравнивая полученную окраску пламени с окраской пламени чистого соединения натрия, находится ли элемент в виде примеси или в виде основного компонента.
    Калий окрашивает пламя в красно-фиолетовый цвет. Чтобы избавиться от мешающего желтого цвета, в который окрашивает пламя присутствующий тут же натрий, воспользуемся голубым фильтром (кобальтовым стеклом). Таким образом можно проверить содержание калия в некоторых солях.
    При наличии небольшого количества солей лития можно наблюдать окрашивание этим элементом пламени в чудесный красный цвет.

    МЕТАЛЛЫ ПОБОЧНОЙ ПОДГРУППЫ I ГРУППЫ

    В противоположность щелочным металлам, медь, серебро и золото очень инертны. Они обладают незначительным сродством к кислороду, их оксиды очень легко восстанавливать и металлы встречаются в природе в элементарной форме (золото чаще всего).
    Благородный характер металлов усиливается от меди к серебру, а от него - к золоту. Для остальных побочных групп периодической системы также существует правило, что с увеличением порядкового номера элемента убывает его активность. Разбавленными кислотами металлы побочной подгруппы 1 группы не разрушаются. Но медь и серебро растворяются в сильной азотной кислоте, а золото в царской водке (смесь одной объемной части азотной и трех частей соляной кислоты).
    Общими свойствами щелочных металлов и металлов подгруппы меди являются их степень окисления (+I) во многих соединениях, а также отличная электропроводность. Правда, иногда медь и серебро могут именть степень окисления (+II), а золото даже (+III).
    Некоторые свойства и характерные реакции рассматриваемых металлов изучим в следующих опытах.

    Окисление и восстановление меди

    В несветящееся пламя бунзеновской горелки внесем пинцетом кусочек медной проволоки. Медь начнет интенсивно окисляться: сначала на поверхности появятся "цвета побежалости", затем медь окрасится в черный цвет, так как образуется слой оксида меди (II) CuO. При обычной температуре очень быстро возникает слой красного оксида меди (I) Cu2O, который постоянно существует на поверхности.
    Если внести окисленную медь в восстановительную зону пламени бунзеновской горелки (верхняя часть конуса), то оксид восстановится водородом, и мы увидим, что чистый металл красного цвета. Летучие соединения меди окрашивают пламя в зеленый цвет. В этом мы убедимся, если погрузим медную проволоку в соляную кислоту и затем внесем ее в несветящуюся часть пламени. В этом случае образуется некоторое количество летучего хлорида меди CuCl2, который и окрашивает пламя.
    Тонкая медная проволока плавится в несветящемся пламени бунзеновской горелки при 1084 °С. Чтобы нагреть больший кусок меди до этой температуры, нужно применить стеклодувную горелку.
    Любую соль меди можно легко восстановить до металлической меди, если расплавить ее с содой на древесном угле с помощью паяльной трубки. Смешаем очень малое количество безводного сульфата меди с безводной содой в соотношении 1:3 и внесем смесь в углубление на кусочке древесного угля. (Обе соли высушим, прокаливая содержащие воду кристаллы в пробирках из тугоплавкого стекла или в фарфоровых тиглях на пламени бунзеновской горелки). Затем направим на смесь восстановительное пламя паяльной лампы. Через некоторое время охладим смесь и обнаружим в углублении красные крупинки металлической меди.

    Обнаружение меди в сплавах

    На присутствие меди укажет уже окраска. Если у сплава красный или желтый оттенок, вероятно, в нем имеется медь. Правда, например, сплавы меди с серебром даже при высоком содержании меди имеют серебристый цвет. Старые так называемые "серебряные" монеты содержат от 10 до 75% меди!
    Предварительную пробу проведем, капнув на металл азотной кислотой. На присутствие меди укажет появляющаяся чаще всего после высыхания зеленая кромка нитрата меди (похожую реакцию дает никель).
    Исследуем полученное соединение с помощью перла буры. Для этого нагреем палочку магнезии в несветящемся пламени и горячей погрузим ее в буру (тетраборат натрия Na2B4O7). Прилипнувшая соль сплавится, в результате получится стекловидный шарик. Этот шарик в горячем состоянии положим на след соединения меди, например, на кромку нитрата, образовавшегося в предыдущем опыте.
    После нагревания в окислительном пламени перл буры окрасится в зеленый цвет, который при охлаждении изменится на голубой. Соединение никеля в этом случае окрасит буру в коричневый цвет.
    Наконец, растворим немного металла в азотной кислоте. Как при всех аналитических реакциях, будем применять как можно меньшее количество вещества. Вполне достаточно будет кусочка, величиной с булавочную головку.
    Зальем в пробирке металл азотной кислотой. Он растворится с образованием ядовитых красно-коричневых паров оксида азота. Поэтому будем проводить опыт обязательно на открытом воздухе или под тягой.
    Если раствор окрасится в голубовато-зеленый цвет, то, вероятно, в сплаве присутствует медь. Чтобы убедиться в этом наверняка, разбавим раствор дистиллированной водой и разделим его. К первой порции добавим по каплям гидроксид аммония (нашатырный спирт). Если в сплаве присутствует медь, то сначала выпадет в осадок гидроксид меди Сu(ОН)2, который при добавлении избытка гидроксида аммония растворится, окрасив раствор в темно-синий цвет. При быстром добавлении нашатырного спирта осадок не выпадает, а сразу наблюдается синяя окраска:

    Сu2+ + 2NH3*H2O = Cu(OH)2 + 2NH4+

    Cu(OH)2+ 4NH3*H2O = [Cu(NH3)4] (OH)2 + 4H2O

    В результате этой реакции образуется гидроксид тетрамминмеди(II). Это пример комплексного соединения. Для того чтобы понять его строение, представим себе, что четыре молекулы NН3 располагаются вокруг иона меди и образуют вместе с ним один большой катион, который в свою очередь связан с ионами гидроксида.
    Такие комплексы могут быть очень устойчивы. Если в растворе присутствует медь, то она не даст осадка при взаимодействии с NaOH, но при добавлении сероводородной воды выпадет в осадок черно-коричневый сульфид меди.
    Ко второй порции растворенной металлической пробы добавим немного раствора желтой кровяной соли - гексацианоферрата(II) калия. (Осторожно! Яд!) Если выпадет красно-коричневый осадок, то наличие меди будет доказано.
    Прежде чем проводить все аналитические реакции обнаружения, следует поставить вопрос, достаточно ли они отчетливы.
    Например, если в растворе содержится ион никеля, то при добавлении аммиака будет наблюдаться такая же окраска раствора, которая образуется при наличии меди, а в присутствии железа, напротив, обе пробы могут быть неотчетливо выражены. Поэтому для точного определения меди необходим совпадающий результат всех предварительных проб и реакций.
    Если же в растворе имеются ионы железа, то иногда металлы следует химически разделить. Укажем также на то, что соли меди ядовиты (как большинство солей тяжелых металлов). Раствор сульфата меди, например, действует как рвотное средство.

    Опыты с серебром

    Мы часто использовали раствор нитрата серебра для определения соляной кислоты или хлоридов. Так как нитрат серебра нелегко достать, то получим небольшое количество его, растворив кусочек старого серебряного предмета (серебряной монеты, обломка ложки, украшения или цепочки). Серебряные предметы, однако, состоят не из чистого металла, а из сплавов, которые часто содержат в качестве второго компонента медь. Она придает металлу большую твердость, а при высоком содержании способствует растягиванию. Чтобы получить чистый нитрат серебра, необходимо разделить оба металла.
    Сначала растворим наш металл в чистой азотной кислоте, разбавленной водой в соотношении 1:1. При этом выделяется большое количество оксидов азота. (Опыт проводить только под тягой или на открытом воздухе. Газы не вдыхать!)
    При замедлении реакции слегка подогреем раствор для полного растворения. Благодаря наличию меди раствор окрасится в сине-зеленый цвет. Готовый раствор разбавим троекратным количеством дистиллированной воды и отфильтруем в химический стакан.
    Тем временем приготовим крепкий раствор поваренной соли в дистиллированной воде и будем добавлять его к азотнокислому раствору металла до тех пор, пока не перестанут образовываться хлопья осадка. Далее в течение 10 минут будем нагревать жидкость на водяной бане, при этом очень тонкий осадок укрупнится и выпадут большие хлопья. Эти хлопья состоят из хлорида серебра, растворимость которого равна 1,5 мг на литр воды. Отфильтровав, отделим осадок от содержащего медь раствора и многократно промоем его теплой водой. Последние промывные воды не должны давать голубого окрашивания при взаимодействии с аммиаком!
    Теперь восстановим хлорид серебра до чистого металлического серебра. Поместим осадок вместе с вдвое большим (по массе) количеством кусочков цинка или алюминия в химический стакан и зальем разбавленной (10%-ной) соляной кислотой. Цинк или алюминий растворятся с выделением водорода, причем одновременно хлорид серебра восстановится до серебра - серого металлического порошка. Этот порошок отфильтруем и растворим (на открытом воздухе или под тягой) в чистой азотной кислоте. Последняя ни в коем случае не должна содержать соляной кислоты, иначе снова образуется хлорид серебра. Разбавим раствор дистиллированной водой и выпарим, в результате получится твердый нитрат серебра. Можно сохранить и азотнокислый раствор и применять его как реагент.
    Для всех реакций обнаружения применяются сильноразбавленные растворы, но использовать для разбавления следует только дистиллированную воду, так как водопроводная вода содержит следы хлоридов и дает с раствором нитрата серебра помутнение (это необходимо заранее проверить!).
    Твердый нитрат серебра и его концентрированные растворы очень едкие; поэтому соль раньше называли адским камнем. Крепкие растворы оставляют на коже черные пятна, которые очень трудно удалить, они возникают в результате восстановления соли до тонкодисперсного серебра.
    С небольшой частью раствора нитрата серебра проведем следующую реакцию. При добавлении раствора соляной кислоты или хлорида натрия опять выпадут творожистые хлопья хлорида серебра. Эта реакция служит для обнаружения серебра или хлорид-ионов. Кроме серебра, нерастворимые или труднорастворимые хлориды образуют ртуть и свинец. Серебро можно идентифицировать, добавив избыток нашатырного спирта. Хлорид серебра при этом полностью растворяется с образованием комплексного хлорида диамминсеребра, в то время как осадки хлоридов ртути и свинца остаются неизменными.
    К другой части раствора нитрата серебра добавим несколько миллилитров раствора дихромата калия. Если раствор имеет кислую реакцию, сначала нейтрализуем его разбавленным раствором щелочи (NaOH). Выпадающий красно-коричневый осадок хромата серебра, также может служить для обнаружения серебра.
    Чтобы обнаружить серебро в любом металлическом изделии, спилим на незаметном месте небольшое количество металла и растворим его в чистой азотной кислоте (без примеси соляной кислоты). Если при этом выпадет осадок или раствор помутнеет, то либо азотная кислота была загрязнена, либо в пробе присутствовали олово, сурьма или висмут. С раствором проведем обе описанные выше реакции обнаружения.
    Так же как при идентификации меди, обнаружению мешает одновременное присутствие в пробе некоторых металлов. Если, например, проба содержит свинец, ртуть, алюминий или цинк, то осадок хлорида серебра растворяется в аммиаке не полностью. Аналитик должен тогда провести химическое разделение.
    При добавлении сероводородной воды из растворов солей серебра выпадает в осадок черный сульфид серебра. Он образуется также, если серебро находится в атмосфере, содержащей следы соединений серы. Это бывает, например, в воздухе промышленных местностей или на кухне, где горит газовая плита. Серебряные предметы со временем покрываются коричневым или черным налетом. Его можно удалить разбавленными кислотами, нашатырным спиртом или имеющимся в продаже средством для чистки серебра.

    Основной процесс фотографии

    В умеренно темном помещении осадим некоторое количество хлорида серебра из раствора, слегка подогреем его, чтобы осадок уплотнился, и отфильтруем, причем шпателем распределим хлорид серебра на фильтре по возможности равномерно. Или можно смешать суспензию хлорида серебра с раствором желатины и намазать кашицу на гладкий картон или стеклянную пластинку. Положим на фильтр или на пластину кусок черной бумаги, который затемнит часть покрытия, и выставим на некоторое время (около 1 часа) на солнечный свет. Затем осмотрим слой в умеренно темном помещении. В тех местах, куда попадал свет, соль приобрела фиолетовую окраску. Под воздействием света некоторое количество хлорида серебра разложилось и образовались зародыши элементарного серебра.
    Во втором опыте добавим к некоторому количеству хлорида серебра раствор тиосульфата натрия Na2S2O3. Осадок быстро растворится, при этом образуется комплексная соль:

    AgCl + 2Na2S2O3 =
    = Na3[Ag(S2O3)2] + NaCl

    В фотографии хлорид серебра используют главным образом для светочувствительной бумаги. Пленки и фотопластинки покрыты бромидом и иодидом серебра, так как эти соли обладают большей светочувствительностью, чем хлорид серебра. Экспонированные слои обрабатывают восстановителями (проявитель). При этом в местах, подвергшихся воздействию света, где уже образовались зародыши металла, протекает дальнейшее восстановление до металлического серебра. Избыточная соль серебра растворяется в растворе тиосульфата натрия (фиксаж). Изображение после этого остается устойчивым при воздействии света.
    Серебро с нескольких проявленных фотопластинок можно растворить небольшим количеством разбавленной азотной кислоты и затем обнаружить его в растворе, как было описано выше.

    Пробирное искусство

    Для быстрого определения подлинности золотых и серебряных изделий проводят так называемую пробу на выдержку. Прежде всего с предмета (в незаметном месте) снимем тончайший слой золотого или серебряного покрытия (для этого достаточно один раз провести по предмету надфилем). Затем проведем этим местом по тонкому камню для пробы на золото, на котором останется металлическая полоска. В качестве пробного камня используется разновидность черного сланца. Но можно взять и кусок обыкновенного сланца (только очистим его азотной кислотой) или обломок фарфора, хотя на нем штрихи видны не так отчетливо.
    Для определения серебра приготовим пробирную кислоту из 1 части чистой азотной кислоты и 1 части бихромата калия. Если испытуемый материал содержит больше 0,3 серебра, то смоченное кислотой место окрасится в красный цвет, так как образуется хромат серебра. При известном навыке по оттенку цвета можно установить приблизительное содержание серебра.
    Чтобы идентифицировать золото, смочим исследуемую пробу 30 %-ным раствором азотной кислоты. Если металл не растворится, то это укажет на наличие золота; латунь или бронза растворяются в кислоте. Более точно установить содержание золота можно, используя растворы кислоты различной концентрации.
    Если смочить золотые предметы раствором нитрата серебра, то они не изменятся, в то время как на латуни и других неблагородных металлах выделится серебро.
    Крупные золотые предметы можно узнать также по их большой массе, так как плотность золота 19,3 г/см3, что в 2,5 раза больше плотности латуни.

    Читать сначала >>> || Содержание книги || Читать дальше >>>

    Читальный зал кунсткамеры: что тут есть?


     


  • Рассылки Subscribe.Ru
    Алхимик - новости и советы