В связи с развитием новых отраслей техники требуются металлы очень высокой чистоты. Например, в металле германии, используемом в качестве полупроводника, допустимо содержание на десять миллионов атомов германия только одного атома фосфора, мышьяка или сурьмы. В жаропрочных сплавах, применяемых в ракетостроении, совершенно недопустима даже ничтожная примесь свинца или серы.
Один из лучших конструкционных материалов для атомных реакторов – цирконий становится совершенно непригодным, если в нем содержится даже незначительная примесь гафния, кадмия или бора, поэтому содержание этих элементов в материалах атомной энергетики не должно превышать 10 -6 . Электрическая проводимость меди снижается на 14 % при наличии примеси мышьяка лишь 0,03 %. Особенно большое значение имеет чистота металлов в электронной и вычислительной технике, а так же ядерной энергетике. Для металлических материалов термоядерных реакторов и полупроводниковых приборов содержание примесей не должно превышать 10 -10 %. Существует несколько методов очистки металлов.
1. Перегонка в вакууме. Этот метод основан на различии летучести металла и имеющихся в нем примесей.
2. Термическое разложение летучих соединений металлов. В основе данного способа лежат химические реакции, в которых металл с тем или иным реагентом образует газообразные продукты, разлагающиеся затем с выделением высокочистого металла. Рассмотрим принцип данного способа на примере карбонильного и йодидного методов.
А) Карбонильный метод. Этот метод применяется для получения высокочистых никеля и железа. Подлежащий очистке технический металл нагревают при данном методе в присутствии оксида углерода (II): Ni + 4CO = Ni(CO) 4 , Fe + 5CO = Fe(CO) 5
Полученные летучие карбонилы Ni(CO) 4 (температура кипения 43 °С) или Fe(CO) 5 (температура кипения 105 °С) перегоняют для очистки от примесей. Затем карбонилы разлагают при температуре выше 180 °С, в результате образуются чистые металлы и газообразный оксид углерода (II): Ni(CO) 4 = Ni + 4CO, Fe(CO) 5 = Fe + 5CO
Б) Йодидный метод. При данном методе очищаемый металл, например титан, нагревают вместе с йодом до температуры 900 °С: Ti + 2I 2 = ТI 4
Образующийся летучий тетрайодид титана поступает в реактор, в котором находится проволока из чистого титана, нагреваемая электрическим током до 1400 °С. При этой температуре тетрайодид титана термически диссоциирует: Til 4 = Ti + 2I 2
Чистый титан осаждается на проволоке, а йод снова возвращается в процесс очистки титана. Этим методом получают также чистый цирконий, хром и другие тугоплавкие металлы.
3. Зонная плавка. Замечательным методом очистки является так называемая зонная плавка. Зонная плавка заключается в медленном протягивании слитка очищаемого металла через кольцевую печь. Зонной плавке подвергаются металлы, прошедшие предварительную очистку до концентрации примесей приблизительно 1 %. Метод основан на различном содержании примесей в твердом и расплавленном металле . Процесс проводят путем медленного перемещения вдоль твердого удлиненного образца (слитка) узкой расплавленной зоны, создаваемой специальным нагревателем (кольцевая печь).
Участок (зона) слитка металла, который в данный момент находится в печи, переходит в расплавленное состояние.
Возникает две подвижные межфазные границы: на одной (вхождение металла в печь) происходит плавление, на другой (выход металла из печи) происходит кристаллизация.
В зависимости от растворимости примесей одни концентрируются в расплавленной зоне и перемещаются вместе с ней к концу слитка, примеси других металлов концентрируются в образующихся кристаллах и остаются за движущейся зоной, при неоднократном повторении процесса они перемещаются к началу слитка. Вследствие этого состав образующихся кристаллов отличается от состава расплава.
Для достижения высокой степени очистки обычно производят несколько проходов расплавленной зоны вдоль слитка металла. В результате средняя часть слитка получается наиболее чистой, ее вырезают и используют.
Метод зонной плавки позволяет получить особо чистые металлы с содержанием примесей 10 -7 -10 -9 %. Данный метод применяется для получения сверхчистых германия, висмута, теллура и др.
Основное достоинство данного метода - высокая эффективность. Недостатки метода - низкая производительность, высокая стоимость, большая продолжительность процесса.
4. электрохимический метод очистки металлов (рафинирование металлов).
Очень долго считались хрупкими и некоторые другие металлы - хром, молибден, вольфрам, тантал, висмут, цирконий и т. д. Однако так было до тех пор, пока не научились их получать в достаточно чистом виде. Как только это удалось, оказалось, что эти металлы очень пластичны даже при низких температурах. Кроме того, они не ржавеют и обладают еще целым рядом ценных свойств. Теперь эти металлы широко применяются в различных отраслях промышленности.
Но что же такое - чистый металл? Оказывается, на это тоже нельзя дать однозначного ответа. Условно по чистоте металлы делятся на три группы - технически чистые, химически чистые и особо чистые. Если сплав содержит не менее 99,9 процента основного металла - это техническая чистота. От 99,9 до 99,99 процента - химическая чистота. Если же 99,999 и более - это особо чистый металл. В обиходе ученые применяют и другое определение чистоты - по количеству девяток после запятой. Говорят: «чистота три девятки», «чистота пять девяток» и т. д.
Поначалу промышленность вполне удовлетворяли химически, а часто даже и технически чистые металлы. Но научно-техническая революция предъявила гораздо более жесткие требования. Первые заказы на сверхчистые металлы поступили от атомной промышленности. Десятитысячные, а порой и миллионные доли процента некоторых примесей делали негодными уран, торий, бериллий, графит. Получение сверхчистого урана было, пожалуй, главной трудностью при создании атомной бомбы.
Затем предъявила свои требования реактивная техника. Сверхчистые металлы потребовались для получения особо жаропрочных и жаростойких сплавов, которые должны были работать в камерах сгорания реактивных самолетов и ракет. Не успели металлурги справиться с этим заданием, как поступила новая «заявка» - на полупроводники. Эта задача была потруднее - во многих полупроводниковых материалах количество примесей не должно превышать миллионной доли процента! Пусть эта мизерная величина не смущает вас. Даже и при такой чистоте, где один атом примеси приходится на 100 000 000 000 атомов основного вещества, в каждом его грамме все еще содержится более 100 000 000 000 «чужих» атомов. Так что это далеко не идеальная чистота. Впрочем, абсолютной чистоты и не бывает. Это идеал, к которому надо стремиться, но достичь которого на данном уровне развития техники невозможно. Даже если чудом и удастся получить абсолютно чистый металл, то в него тут же проникнут атомы других веществ, содержащихся в воздухе.
Показателен в этом отношении курьезный случай, происшедший со знаменитым немецким физиком Вернером Гейзенбергом. Он работал с масс-спектрографом в своей лаборатории. И вдруг прибор показал в подопытном веществе наличие атомов золота. Ученый изумился, поскольку этого никак не могло быть. Но прибор упорно «стоял на своем». Недоразумение разъяснилось лишь тогда, когда ученый снял и спрятал свои очки в золотой оправе. Отдельные атомы золота, «вырвавшиеся» из кристаллической решетки оправы, попали в исследуемое вещество и «смутили» исключительно чувствительный прибор.
А ведь это происходило в лаборатории, где воздух чист. Что же говорить о современных промышленных районах, воздух которых все больше и больше загрязняется отходами производства?
Мы начали эту главу с разговора о том, что в одном случае наличие посторонних примесей в металле - это хорошо, а в другом - плохо. Более того, сначала мы говорили, что сплавы имеют лучшую прочность и жаростойкость, чем чистые металлы, а теперь, оказывается, чистые металлы обладают самыми высокими свойствами. Противоречия никакого нет. Во многих случаях сплав более прочен, более жаростоек и т. д., чем любой из металлов, входящих в его состав. Но эти качества усиливаются многократно, когда все компоненты сплава выполняют определенную, необходимую для человека задачу. Когда в нем нет ничего «лишнего». А это значит, что сами компоненты должны быть как можно более чистыми, содержать в себе минимальное количество «посторонних» атомов. Поэтому сейчас вопрос о чистоте получаемых металлургических продуктов приобретает все большую и большую остроту. Как же решают эту проблему?
На металлургических заводах, где производят большое количество металла, идущего на обычные изделия, все шире применяется вакуум. В вакууме металл плавят и разливают, и это дает возможность предохранить его от попадания вредных газов и молекул других веществ из окружающего воздуха. А в некоторых случаях плавку ведут в атмосфере нейтрального газа, что еще больше предохраняет металл от нежелательного «проникновения».
ЧИСТЫЕ МЕТАЛЛЫ
металлы, металлы с низким содержанием примесей. В зависимости от степени чистоты различают металлы повышенной чистоты (99,90-99,99%), металлы высокой чистоты, или химически чистые (99,99-99,999%), металлы особой чистоты, или спектрально-чистые, ультрачистые металлы (свыше 99,999%).
Большая советская энциклопедия, БСЭ. 2012
Смотрите еще толкования, синонимы, значения слова и что такое ЧИСТЫЕ МЕТАЛЛЫ в русском языке в словарях, энциклопедиях и справочниках:
- ЧИСТЫЕ
ЧАСТНЫЕ ВНУТРЕННИЕ ИНВЕСТИЦИИ - валовой объем частных внутренних инвестиций за вычетом амортизационных … - ЧИСТЫЕ в Словаре экономических терминов:
УБЫТКИ - потери экономических субъектов, связанные с созданием монополистом искусственного дефицита, приводящего к установлению цены, не совпадающей с предельными … - ЧИСТЫЕ в Словаре экономических терминов:
ТРАНСФЕРТНЫЕ ПЛАТЕЖИ-личные и государственные трансфертные платежи жителям других стран за вычетом личных и государственных трансфертных платежей, полученных от жителей других … - ЧИСТЫЕ в Словаре экономических терминов:
ТЕКУЩИЕ АКТИВЫ - текущие, легко реализуемые активы за вычетом затрат, связанных с их … - ЧИСТЫЕ в Словаре экономических терминов:
ПОКУПКИ - суммарная величина покупок за определенный период за вычетом скидок, возвратов первоначально купленной продукции и сокращений нормальной цены и … - ЧИСТЫЕ в Словаре экономических терминов:
НАЛОГИ НА ПРОДУКЦИЮ - разность между налогами на продукцию и субсидиями, выделенными на ее … - ЧИСТЫЕ в Словаре экономических терминов:
НАЛОГИ НА ИМПОРТ - разность между налогами на импорт и субсидиями по … - ЧИСТЫЕ в Словаре экономических терминов:
НАЛОГИ - налоги, которые уплачиваются населением государству, за вычетом трансфертных платежей, которые население получает от … - ЧИСТЫЕ в Словаре экономических терминов:
ЛИКВИДНЫЕ АКТИВЫ - сумма наличных денежных средств, легко реализуемых ценных бумаг, а тж. дебиторской задолженности по … - ЧИСТЫЕ в Словаре экономических терминов:
КАПИТАЛОВЛОЖЕНИЯ - валовые капиталовложения за вычетом … - ЧИСТЫЕ в Словаре экономических терминов:
ИЗДЕРЖКИ ОБРАЩЕНИЯ - затраты, непосредственно связанные с процессом купли-продажи товара; включают транспортные затраты, затраты по перевалке груза, его обработке, … - ЧИСТЫЕ в Словаре экономических терминов:
АКТИВЫ - расчетная величина, определяемая путем вычитания из суммы активов, в которую включаются денежное и неденежное имущество по балансовой стоимости, … - МЕТАЛЛЫ в Словаре экономических терминов:
ДРАГОЦЕННЫЕ - см ДРАГОЦЕННЫЕ МЕТАЛЛЫ … - МЕТАЛЛЫ в Библейской энциклопедии Никифора:
В Свящ. Писании нередко упоминаются из металлов: железо, медь, олово, свинец, цинк, серебро, золото. см. о каждом в своем … - МЕТАЛЛЫ в Большом энциклопедическом словаре:
(греч.) вещества, обладающие в обычных условиях высокими электропроводностью (106-107 Ом-1 см-1, уменьшается с ростом температуры) и теплопроводностью, ковкостью, "металлическим" блеском … - МЕТАЛЛЫ
простые вещества, обладающие в обычных условиях характерными свойствами: высокой электропроводностью и теплопроводностью, отрицательным температурным коэффициентом электропроводности, способностью хорошо отражать электромагнитные … - МЕТАЛЛЫ
I (и металлоиды) (хим.) — М. называется группа простых тел (см.), обладающих известными характерными свойствами, которые в типических представителях резко … - МЕТАЛЛЫ в Современном энциклопедическом словаре:
- МЕТАЛЛЫ в Энциклопедическом словарике:
простые вещества, обладающие в обычных условиях характерными свойствами - высокой электропроводностью (106-104 Ом-1?см-1), уменьшающейся с ростом температуры, высокой теплопроводностью, блеском, … - ЧИСТЫЕ
"Ч́ИСТЫЕ БРАТЬЯ" ("Братья чистоты", араб. Ихван ас-сафа), группа философов 10 в., в к-рую входили мыслители Ирака (гл. обр. из г. … - МЕТАЛЛЫ в Большом российском энциклопедическом словаре:
"МЕТ́АЛЛЫ", науч. журнал РАН, с 1959, Москва. Учредитель (1998) - Ин-т металлургии им. А.А. Байкова. 6 номеров в … - МЕТАЛЛЫ в Большом российском энциклопедическом словаре:
МЕТ́АЛЛЫ, вeщества, обладающие в обычных условиях высокими электропроводностью (10 6 - 10 4 Ом -1 см -1 , уменьшается с … - ЧИСТЫЕ в Новом толково-словообразовательном словаре русского языка Ефремовой:
- МЕТАЛЛЫ в Современном толковом словаре, БСЭ:
(греч.), вещества, обладающие в обычных условиях высокими электропроводностью (106-107 Ом-1 см-1, уменьшается с ростом температуры) и теплопроводностью, ковкостью, «металлическим» блеском … - ЧИСТЫЕ в Толковом словаре Ефремовой:
чистые мн. разг. Деньги, остающиеся после вычетов, … - ЧИСТЫЕ в Новом словаре русского языка Ефремовой:
мн. разг. Деньги, остающиеся после вычетов, … - ЧИСТЫЕ в Большом современном толковом словаре русского языка:
мн. разг. Деньги, остающиеся после вычетов, … - ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
металлы, техническое название всех металлов и их сплавов (кроме железа и его сплавов, называемых чёрными металлами). Термин "Ц. м." в … - ТУГОПЛАВКИЕ МЕТАЛЛЫ в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
металлы, по технической классификации - металлы, плавящиеся при температуре выше 1650-1700 |С; в число Т. м. (таблица) входят титан … - РЕДКИЕ МЕТАЛЛЫ в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
металлы, условное название группы металлов (свыше 50), перечень которых дан в таблице. Это металлы, относительно новые в технике или ещё … - БЛАГОРОДНЫЕ МЕТАЛЛЫ в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
металлы, золото, серебро, платина и металлы платиновой группы (иридий, осмий, палладий, родий, рутений), получившие своё название главным образом благодаря высокой … - МЕТАЛЛОВ ЛИТЬЕ: МЕТАЛЛЫ ДЛЯ ЛИТЬЯ в Словаре Кольера:
К статье МЕТАЛЛОВ ЛИТЬЕ Литью поддаются все металлы. Но не все металлы обладают одинаковыми литейными свойствами, в частности жидкотекучестью - … - ИМПРЕССИОНИЗМ в Лексиконе нонклассики, художественно-эстетической культуры XX века, Бычкова:
(от франц. impression — впечатление) Направление в искусстве, возникшее во Франции в последней трети XIX в. Главные представители И.: Клод … - ТВЁРДОЕ ТЕЛО в Большой советской энциклопедии, БСЭ.
- РЕАКТИВЫ ХИМИЧЕСКИЕ в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
химические, реагенты химические, химические препараты (вещества), применяемые в лабораториях для анализа, научных исследований (при изучении способов получения, свойств и превращений … - МЕТАЛЛУРГИЯ в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
(от греч. metallurgeo - добываю руду, обрабатываю металлы, от metallon - рудник, металл и ergon - работа), в первоначальном, узком … - КЛЕИ в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
природные или синтетические вещества, применяемые для соединения различных материалов за счёт образования адгезионной связи клеевой плёнки с поверхностями склеиваемых материалов. … - ИЗДЕРЖКИ ОБРАЩЕНИЯ в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
обращения, совокупность затрат, связанных с процессом обращения товаров. По своей экономической природе И. о. подразделяются на чистые и дополнительные. Чистые … - ФТОР
- ТЮРКИ в Энциклопедическом словаре Брокгауза и Евфрона:
(точное значение слова неизвестно) — группа народностей, говорящих на различных диалектах тюркского языка (см. Турецкие языки) и по физическим признакам … - СПЛАВЫ в Энциклопедическом словаре Брокгауза и Евфрона.
- НАСАЖДЕНИЯ в Энциклопедическом словаре Брокгауза и Евфрона:
участки леса, естественно отличающиеся от соседних по характеру древесной растительности. Различие между Н. может обуславливаться происхождением их, составом, возрастом, степенью … - КРАСКИ ОРГАНИЧЕСКИЕ ИСКУССТВЕННЫЕ в Энциклопедическом словаре Брокгауза и Евфрона:
Развитие производства и применения искусственных органических К. тесно связано с историей научного исследования каменноугольной смолы. Изучая состав последней, Рунге в … - ЗАВОДЫ в Энциклопедическом словаре Брокгауза и Евфрона:
В разговорном языке не отличают понятий З. и фабрики, и, быть может, до сих пор нет особой в том надобности, … - ГЕРМАНЦЫ ФИЗИЧЕСКИЙ ТИП в Энциклопедическом словаре Брокгауза и Евфрона:
Рим. писатели (Тацит и др.) описывали Г. как народ высокого роста, крепкого сложения, белокурый или рыжеволосый и с светлыми, голубыми … - ВОССТАНОВЛЕНИЕ в Энциклопедическом словаре Брокгауза и Евфрона:
Алхимики принимали, что металлы суть тела сложные, состоящие из духа, души и тела, или ртути, серы и соли; под духом, …
Если в периодической таблице элементов Д.И.Менделеева провести диагональ от бериллия к астату, то слева внизу по диагонали будут находиться элементы-металлы (к ним же относятся элементы побочных подгрупп, выделены синим цветом), а справа вверху – элементы-неметаллы (выделены желтым цветом). Элементы, расположенные вблизи диагонали – полуметаллы или металлоиды (B, Si, Ge, Sb и др.), обладают двойственным характером (выделены розовым цветом).
Как видно из рисунка, подавляющее большинство элементов являются металлами.
По своей химической природе металлы – это химические элементы, атомы которых отдают электроны с внешнего или предвнешнего энергетического уровней, образуя при этом положительно заряженные ионы.
Практически все металлы имеют сравнительно большие радиусы и малое число электронов (от 1 до 3) на внешнем энергетическом уровне. Для металлов характерны низкие значения электроотрицательности и восстановительные свойства.
Наиболее типичные металлы расположены в начале периодов (начиная со второго), далее слева направо металлические свойства ослабевают. В группе сверху вниз металлические свойства усиливаются, т.к увеличивается радиус атомов (за счет увеличения числа энергетических уровней). Это приводит к уменьшению электроотрицательности (способности притягивать электроны) элементов и усилению восстановительных свойств (способность отдавать электроны другим атомам в химических реакциях).
Типичными металлами являются s-элементы (элементы IА-группы от Li до Fr. элементы ПА-группы от Мg до Rа). Общая электронная формула их атомов ns 1-2 . Для них характерны степени окисления + I и +II соответственно.
Небольшое число электронов (1-2) на внешнем энергетическом уровне атомов типичных металлов предполагает легкую потерю этих электронов и проявление сильных восстановительных свойств, что отражают низкие значения электроотрицательности. Отсюда вытекает ограниченность химических свойств и способов получения типичных металлов.
Характерной особенностью типичных металлов является стремление их атомов образовывать катионы и ионные химические связи с атомами неметаллов. Соединения типичных металлов с неметаллами — это ионные кристаллы «катион металлаанион неметалла», например К + Вг — , Сa 2+ О 2-. Катионы типичных металлов входят также в состав соединений со сложными анионами — гидроксидов и солей, например Мg 2+ (OН —) 2 , (Li +)2СO 3 2-.
Металлы А-групп, образующие диагональ амфотерности в Периодической системе Ве-Аl-Gе-Sb-Ро, а также примыкающие к ним металлы (Gа, In, Тl, Sn, Рb, Вi) не проявляют типично металлических свойств. Общая электронная формула их атомов ns 2 np 0-4 предполагает большее разнообразие степеней окисления, большую способность удерживать собственные электроны, постепенное понижение их восстановительной способности и появление окислительной способности, особенно в высоких степенях окисления (характерные примеры — соединения Тl III , Рb IV , Вi v). Подобное химическое поведение характерно и для большинства (d-элементов, т. е. элементов Б-групп Периодической системы (типичные примеры — амфотерные элементы Сr и Zn).
Это проявление двойственности (амфотерности) свойств, одновременно металлических (основных) и неметаллических, обусловлено характером химической связи. В твердом состоянии соединения нетипичных металлов с неметаллами содержат преимущественно ковалентные связи (но менее прочные, чем связи между неметаллами). В растворе эти связи легко разрываются, а соединения диссоциируют на ионы (полностью или частично). Например, металл галлий состоит из молекул Ga 2 , в твердом состоянии хлориды алюминия и ртути (II) АlСl 3 и НgСl 2 содержат сильно ковалентные связи, но в растворе АlСl 3 диссоциирует почти полностью, а НgСl 2 — в очень малой степени (да и то на ионы НgСl + и Сl —).
Общие физические свойства металлов
Благодаря наличию свободных электронов («электронного газа») в кристаллической решетке все металлы проявляют следующие характерные общие свойства:
1) Пластичность — способность легко менять форму, вытягиваться в проволоку, прокатываться в тонкие листы.
2) Металлический блеск и непрозрачность. Это связано со взаимодействием свободных электронов с падающими на металл светом.
3) Электропроводность . Объясняется направленным движением свободных электронов от отрицательного полюса к положительному под влиянием небольшой разности потенциалов. При нагревании электропроводность уменьшается, т.к. с повышением температуры усиливаются колебания атомов и ионов в узлах кристаллической решетки, что затрудняет направленное движение «электронного газа».
4) Теплопроводность. Обусловлена высокой подвижностью свободных электронов, благодаря чему происходит быстрое выравнивание температуры по массе металла. Наибольшая теплопроводность — у висмута и ртути.
5) Твердость. Самый твердый – хром (режет стекло); самые мягкие – щелочные металлы – калий, натрий, рубидий и цезий – режутся ножом.
6) Плотность. Она тем меньше, чем меньше атомная масса металла и больше радиус атома. Самый легкий — литий (ρ=0,53 г/см3); самый тяжелый – осмий (ρ=22,6 г/см3). Металлы, имеющие плотность менее 5 г/см3 считаются «легкими металлами».
7) Температуры плавления и кипения. Самый легкоплавкий металл – ртуть (т.пл. = -39°C), самый тугоплавкий металл – вольфрам (t°пл. = 3390°C). Металлы с t°пл. выше 1000°C считаются тугоплавкими, ниже – низкоплавкими.
Общие химические свойства металлов
Сильные восстановители: Me 0 – nē → Me n +
Ряд напряжений характеризует сравнительную активность металлов в окислительно-восстановительных реакциях в водных растворах.
I. Реакции металлов с неметаллами
1) С кислородом:
2Mg + O 2 → 2MgO
2) С серой:
Hg + S → HgS
3) С галогенами:
Ni + Cl 2 – t° → NiCl 2
4) С азотом:
3Ca + N 2 – t° → Ca 3 N 2
5) С фосфором:
3Ca + 2P – t° → Ca 3 P 2
6) С водородом (реагируют только щелочные и щелочноземельные металлы):
2Li + H 2 → 2LiH
Ca + H 2 → CaH 2
II. Реакции металлов с кислотами
1) Металлы, стоящие в электрохимическом ряду напряжений до H восстанавливают кислоты-неокислители до водорода:
Mg + 2HCl → MgCl 2 + H 2
2Al+ 6HCl → 2AlCl 3 + 3H 2
6Na + 2H 3 PO 4 → 2Na 3 PO 4 + 3H 2
2) С кислотами-окислителями:
При взаимодействии азотной кислоты любой концентрации и концентрированной серной с металлами водород никогда не выделяется!
Zn + 2H 2 SO 4(К) → ZnSO 4 + SO 2 + 2H 2 O
4Zn + 5H 2 SO 4(К) → 4ZnSO 4 + H 2 S + 4H 2 O
3Zn + 4H 2 SO 4(К) → 3ZnSO 4 + S + 4H 2 O
2H 2 SO 4(к) + Сu → Сu SO 4 + SO 2 + 2H 2 O
10HNO 3 + 4Mg → 4Mg(NO 3) 2 + NH 4 NO 3 + 3H 2 O
4HNO 3 (к) + Сu → Сu (NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O
III. Взаимодействие металлов с водой
1) Активные (щелочные и щелочноземельные металлы) образуют растворимое основание (щелочь) и водород:
2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2
Ca+ 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2
2) Металлы средней активности окисляются водой при нагревании до оксида:
Zn + H 2 O – t° → ZnO + H 2
3) Неактивные (Au, Ag, Pt) — не реагируют.
IV. Вытеснение более активными металлами менее активных металлов из растворов их солей:
Cu + HgCl 2 → Hg+ CuCl 2
Fe+ CuSO 4 → Cu+ FeSO 4
В промышленности часто используют не чистые металлы, а их смеси - сплавы , в которых полезные свойства одного металла дополняются полезными свойствами другого. Так, медь обладает невысокой твердостью и малопригодна для изготовления деталей машин, сплавы же меди с цинком (латунь ) являются уже достаточно твердыми и широко используются в машиностроении. Алюминий обладает высокой пластичностью и достаточной легкостью (малой плотностью), но слишком мягок. На его основе готовят сплав с магнием, медью и марганцем — дуралюмин (дюраль), который, не теряя полезных свойств алюминия, приобретает высокую твердость и становится пригодным в авиастроении. Сплавы железа с углеродом (и добавками других металлов) — это широко известные чугун и сталь.
Металлы в свободном виде являются восстановителями. Однако реакционная способность некоторых металлов невелика из-за того, что они покрыты поверхностной оксидной пленкой , в разной степени устойчивой к действию таких химических реактивов, как вода, растворы кислот и щелочей.
Например, свинец всегда покрыт оксидной пленкой, для его перехода в раствор требуется не только воздействие реактива (например, разбавленной азотной кислоты), но и нагревание. Оксидная пленка на алюминии препятствует его реакции с водой, но под действием кислот и щелочей разрушается. Рыхлая оксидная пленка (ржавчина ), образующаяся на поверхности железа во влажном воздухе, не мешает дальнейшему окислению железа.
Под действием концентрированных кислот на металлах образуется устойчивая оксидная пленка. Это явление называется пассивацией . Так, в концентрированной серной кислоте пассивируются (и после этого не реагируют с кислотой) такие металлы, как Ве, Вi, Со, Fе, Мg и Nb, а в концентрированной азотной кислоте — металлы А1, Ве, Вi, Со, Сг, Fе, Nb, Ni, РЬ, Тh и U.
При взаимодействии с окислителями в кислых растворах большинство металлов переходит в катионы, заряд которых определяется устойчивой степенью окисления данного элемента в соединениях (Nа + , Са 2+ ,А1 3+ ,Fе 2+ и Fе 3+)
Восстановительная активность металлов в кислом растворе передается рядом напряжений. Большинство металлов переводится в раствор соляной и разбавленной серной кислотами, но Сu, Аg и Нg — только серной (концентрированной) и азотной кислотами, а Рt и Аи — «царской водкой».
Коррозия металлов
Нежелательным химическим свойством металлов является их , т. е. активное разрушение (окисление) при контакте с водой и под воздействием растворенного в ней кислорода (кислородная коррозия). Например, широко известна коррозия железных изделий в воде, в результате чего образуется ржавчина, и изделия рассыпаются в порошок.
Коррозия металлов протекает в воде также из-за присутствия растворенных газов СО 2 и SО 2 ; создается кислотная среда, и катионы Н + вытесняются активными металлами в виде водорода Н 2 (водородная коррозия ).
Особенно коррозионно-опасным может быть место контакта двух разнородных металлов (контактная коррозия). Между одним металлом, например Fе, и другим металлом, например Sn или Сu, помещенными в воду, возникает гальваническая пара. Поток электронов идет от более активного металла, стоящего левее в ряду напряжений (Ре), к менее активному металлу (Sn, Сu), и более активный металл разрушается (корродирует).
Именно из-за этого ржавеет луженая поверхность консервных банок (железо, покрытое оловом) при хранении во влажной атмосфере и небрежном обращении с ними (железо быстро разрушается после появления хотя бы небольшой царапины, допускающей контакт железа с влагой). Напротив, оцинкованная поверхность железного ведра долго не ржавеет, поскольку даже при наличии царапин корродирует не железо, а цинк (более активный металл, чем железо).
Сопротивление коррозии для данного металла усиливается при его покрытии более активным металлом или при их сплавлении ; так, покрытие железа хромом или изготовление сплава железа с хромом устраняет коррозию железа. Хромированное железо и сталь, содержащая хром (нержавеющая сталь ), имеют высокую коррозионную стойкость.
электрометаллургия , т. е. получение металлов электролизом расплавов (для наиболее активных металлов) или растворов солей;
пирометаллургия , т. е. восстановление металлов из руд при высокой температуре (например, получение железа в доменном процессе);
гидрометаллургия , т. е. выделение металлов из растворов их солей более активными металлами (например, получение меди из раствора СuSO 4 действием цинка, железа или алюминия).
В природе иногда встречаются самородные металлы (характерные примеры — Аg, Аu, Рt, Нg), но чаще металлы находятся в виде соединений (металлические руды ). По распространенности в земной коре металлы различны: от наиболее распространенных — Аl, Nа, Са, Fе, Мg, К, Тi) до самых редких — Вi, In, Аg, Аu, Рt, Rе.
Чистые металлы и сплавы, применяемые в радиоэлектронике
Лекция 8. Проводниковые материалы и провода
Назначение проводниковых материалов;
Назначение и виды проводов.
Цели лекции:
Изучение проводниковых материалов;
Изучение проводов.
8.1 Нзначение проводниковых материалов
Большинство металлических проводниковых материалов обладает вы-сокой электропроводностью (ρ = 0,015 ÷ 0,028 мкОм·м). Это преимущес-твенно чистые металлы, которые используют для изготовления обмоточных и радиомонтажных проводов и кабелей.
Наряду с этим в радиоэлектронике применяют проводники с большим электрическим сопротивлением – сплавы различных металлов. У металличес- ких (резистивных) ρ = 0,4 ÷ 2,0 мкОм·м. Эти сплавы составляют группу металлических материалов с малым температурным коэффициентом удельного сопротивления (ТК ρ ) и применяются для изготовления проволоч- ных резисторов и других радиокомпонентов.
Медь – главный материал, обладающий высокой пластичностью, доста- точной механической прочностью и высокой электропроводностью. Температура плавления меди 1083°С, коэффициент температурного расширения КТР = 17· 10 -6 1/°С. Для изготовления изделий (обмоточные, ра-диомонтажные провода и кабели) применяют чистую медь марок М00к; МОКу; Мок; М1к и М00б; Моб; М1б. Содержание меди 99,99 – 99,90%. У изделий из мягкой меди (при 20°С) плотность 8900 кг/м 3 ; σ р = 200÷280 МПа; е = 6÷35%; ρ = 0,072÷0,01724 мкОм·м. Температурный коэффициент удельного сопротивления для всех марок меди ТК ρ = 0,0041/°С.
Бронза представляет собой сплавы меди с оловом (оловянная бронза), алюминием (алюминиевая), бериллием (бериллиевая) и другими легирующи-ми элементами. В отношении электропроводности бронза уступает меди, но превосходит ее по механической прочности, упругости, сопротивлению исти- ранию и коррозионной стойкости. Из бронзы изготовляют пружинящие контакты, контактные части разъемов и другие детали.
Латунь – сплав меди с цинком, в котором наибольшее содержание цинка может составлять 45% (по массе). Из листовой латуни изготовляют ра-зличные детали: зажимы, контакты, крепежные детали. Основные харак-теристики бронзы, латуни и меди приведены в таблице 8.1.
Ковар – сплав никеля (около 29% по массе), кобальта (около 18%), же-леза (остальное). Характерной особенностью ковара является близость значе-ний его КТР=(4,3÷5,4) · 10 -6 1/°С к значениям КТР стекла и керамики в интер- вале температур 20 – 200°С. Это позволяет производить согласованные, гер- метичные спаи ковара со стеклом и керамикой. Его применяют для изготовления корпусов ИС и полупроводниковых приборов.
Алюминий является вторым после меди проводниковым материалом благодаря его сравнительно большой электропроводности и стойкости к ат-мосферной коррозии.
Плотность алюминия 2700 кг/м 3 , ᴛ.ᴇ. он в 3,3 раза легче меди, темпе-ратура плавления 658°С. Алюминий отличается малой твердостью и неболь- шой прочностью при растяжении (σ р = 80÷180 МПа) и больший по сравне-нию с медью КТР= 24·10 -6 1/°С. Это является недостатком алюминия.
Из марок алюминия особой чистоты изготовляют обкладки электроли- тических конденсаторов, а также фольгу. Алюминиевую проволоку выпуска- ют Ø0,08 – 8мм трех разновидностей: мягкую (АМ), полутвердую (АПТ), твердую (АТ).
Таблица 8.1
Серебро относится к группе благородных металлов, не окисляющихся в воздухе при комнатной температуре. Окисление начинается при 200°С. Серебро отличается высокой пластичностью, позволяющей получать фольгу и проволоку Ø до 0,01мм, и наивысшей электропроводностью.
Основные характеристики серебра: плотность 1050 кг/м 3 ; температура плавления 960,5 °С; σ р = 150÷180 Мпа (мягкое серебро); σ р = 200÷300 Мпа (твердое серебро); ρ = 0,0158 мкОм·м; ТКρ = 0,003691/°С; КТР= 24·10 -6 1/°С.
Из серебра выполняют защитные слои на медных жилах радиомонтаж- ных проводов, используемых при температуре до 250°С. Серебро наносят на внутреннюю поверхность волноводов для получения слоя с высокой электро-провдностью, а также вводят в припои (ПСр10, ПСр50), применяемые для пайки токопроводящих частой в РЭА.
Золото – в отличие от серебра не окисляется в воздухе даже при высо-ких температурах. Оно обладает весьма высокой пластичностью, из него получают фольгу толщиной до 0,005 мм и проволоку Ø до 0,01мм.
Основные характеристики золота: плотность 1930 кг/м 3 ; температура плавления 1063°С; σ р = 150÷180 Мпа, ρ = 0,0224 мкОм·м; ТКρ = 0,003691/°С;
КТР= 14,2·10 -6 1/°С.
Золото применяют для тонкопленочных контактных покрытий при коммутации малых токов в микросхемах, а также для покрытия стенок
волноводов и резонаторов СВЧ.
Чистые металлы и сплавы, применяемые в радиоэлектронике - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Чистые металлы и сплавы, применяемые в радиоэлектронике" 2017, 2018.
