Общая химия - Николай Глинка

Одно из наиболее ценных свойств металлического циркония — его высокая стойкость против коррозии в различных средах. Так, он не растворяется в соляной и в азотной кислотах и в щелочах.

Цирконий почти не захватывает медленные (тепловые) нейтроны. Это его свойство в сочетании с высокой стойкостью против коррозии и механической прочностью при повышенных температурах делает цирконий и сплавы на его основе одним из главных конструкционных материалов для энергетических атомных реакторов. К важнейшим сплавам циркония относятся циркалои — сплавы, содержащие небольшие количества олова, железа, хрома и никеля.

При производстве стали присадки циркония служат для удаления из нее кислорода, азота, серы. Кроме того, цирконий используется в качестве легирующего компонента некоторых броневых, нержавеющих и жаропрочных сталей.

Добавка циркония к меди значительно повышает ее прочность, почти не снижая электрическую проводимость. Сплав на основе магния с добавкой 4-5% цинка и 0.6-7% циркония вдвое прочнее чистого магния и не теряет прочности при 200°C. Качество алюминиевых сплавов также значительно повышается при добавлении к ним циркония.

Диоксид циркония ZrO2 обладает высокой температурой плавления (около 2700°C), крайне малым коэффициентом термического расширения и стойкостью к химическим воздействиям. Он применяется для изготовления различных огнеупорных изделий, например тиглей. В стекольной промышленности ZrO2 используется в производстве тугоплавких стекол, в керамической — при получении эмалей и глазурей.

Карбид циркония ZnC ввиду его большой твердости применяют в качестве шлифовального материала, а также для замены алмазов при резке стекла.

Гафний не имеет собственных минералов и в природе обычно сопутствует цирконию. По химическим свойствам он весьма сходен с цирконием, но отличается от него способностью интенсивно захватывать нейтроны, благодаря чему этот элемент используется в регулирующих и защитных устройствах атомных реакторов.

- 631 -

При этом применяют как металлический гафний, так и некоторые его соединения, например, диоксид гафния HfO2 последний применяется также при изготовлении оптических стекол с высоким показателем преломления.

ПОДГРУППА ВАНАДИЯ

К подгруппе ванадия относятся элементы побочной подгруппы пятой группы: ванадий, ниобий и тантал. Имея в наружном электронном слое атома два или один электрон, эти элементы отличаются от элементов главной подгруппы (азота, фосфора и др.) преобладанием металлических свойств. Но производные элементов обеих подгрупп в высшей степени окисленности имеют значительное сходство.

Для ванадия и его аналогов наиболее типичны соединения, в которых их степень окисленности равна +5. Их высшие оксиды проявляют свойства кислотных оксидов и образуют соответственно ванадиевую, ниобиевую и танталовую кислоты, которым отвечает ряд солей. Низшие оксиды обладают основными свойствами.

В свободном состоянии ванадий, ниобий и тантал весьма стойки к химическим воздействиям и обладают высокими температурами плавления. Эти металлы, вместе с хромом, молибденом, вольфрамом, рением (см. §§ 228—232), а также рутением, родием, осмием и иридием (см. табл. 40, стр. 676), относятся к тугоплавким металлам. Под последними условно понимают металлы, температура плавления которых превышает температуру плавления хрома (1890 °C ).

Тугоплавкие металлы в чистом виде и в виде сплавов получили в последнее время исключительное значение в ряде отраслей новой техники.

226. Ванадий (Vanadium).

Соединения ванадия широко распространены в природе, но они очень распылены и не образуют сколько-нибудь значительных скоплений; общее содержание ванадия в земной коре оценивается в 0,0015% (масс.).

В СССР главным источником получения ванадия служат железные и полиметаллические руды, содержащие небольшие количества ванадия. Обычно из руд получают или сплав ванадия с железом, так называемый феррованадий, или ванадиевый ангидрид V2O5. Чистый металл получают из его соединений: кальцийтермическим восстановлением V2O5, магнийтермическим восстановлением VCl3, термической диссоциацией VI2.

Чистый ванадий — серебристый ковкий металл, плотностью 5,96 г/см3, плавящийся при температуре около 1900°C. Как и у титана, механические свойства ванадия резко ухудшаются при наличии в нем примесей кислорода, азота, водорода.

Ванадий отличается высокой химической устойчивостью в воде, в морской воде, в растворах щелочей. Он растворяется в плавиковой кислоте, в концентрированных азотной и серной кислотах, в царской водке.

- 632 -

Ванадий в основном используют в качестве добавки к сталям. Сталь, содержащая всего 0.1-0.3% ванадия, отличается большой прочностью, упругостью и нечувствительностью к толчкам и ударам, что собенно важно, например, для автомобильных осей, которые все время подвергаются сотрясению. Как правило, ванадий вводят в сталь в комбинации с другими легирующими элементами: хромом, никелем, вольфрамом, молибденом. Наиболее широкое применение ванадий нашел в производстве инструментальных и конструкционных сталей (см. § 261). Он применяется также для легирования чугуна.

Ванадий образует четыре оксида: VO, V2O3, VO2 и V2O5. Высший оксид V2O5 обладает ясно выраженным кислотным характером, диоксид VO2 амфотерен; оба низших оксида проявляют только основные свойства. Наибольшее значение имеют V2O5 и его производные.

Оксид ванадия(V), или ванадиевый ангидрид, V2O5 — вещество оранжевого цвета, легко растворимое в щелочах с образованием солей метаванадиевой кислоты HVO3 , называемых ванадатами,

Ванадиевый ангидрид и ванадаты применяются в химической промышленности в качестве катализаторов при контактном способе получения серной кислоты и при некоторых органических синтезах. Соединения ванадия используются также в стекольной промышленности, в медицине, в фотографии.

227. Ниобий (Niobium). Тантал (Tantalum).

В земной коре ниобия содержится 0,002, а тантала 0,0002% (масс.). Оба элемента во многом сходны с ванадием. В свободном состоянии они представляют собой тугоплавкие металлы, твердые, но не хрупкие, хорошо поддающиеся механической обработке. Плотность ниобия 8,57 г/см3, тантала 16,6 г/см3 температуры плавления соответственно 2500°C и 3000°C.

Оба металла, в особенности тантал, устойчивы во многих агрессивных средах. На них не действуют соляная, серная, азотная, хлорная кислоты и царская водка, так как на поверхности этих металлов образуется тонкая, но очень прочная и химически стойкая оксидная пленка. У тантала, например, эта пленка представляет собой оксид тантала (V) Ta2O5. Поэтому на тантал действуют только такие реагенты, которые способны взаимодействовать с этим оксидом или проникать сквозь него. К подобным реагентам относятся фтор, фтороводород и плавиковая кислота, расплавы щелочей.

Ниобий — один из основных компонентов многих жаропрочных и коррозионностойких сплавов. Особенно большое значение имеют жаропрочные сплавы ниобия, которые применяются в производстве газовых турбин, реактивных двигателей, ракет. Ниобий вводят также в нержавеющие стали. Он резко улучшает их механические свойства и сопротивляемость коррозии.

Стали, содержащие от 1 до 4% ниобия, отличаются высокой жаропрочностью и используются как материал для изготовления котлов высокого давления. Сталь с добавкой ниобия — превосходный материал для электросварки стальных конструкций: ее применение обеспечивает необычайную прочность сварных швов.

Наиболее важные области применения тантала — электронная техника и машиностроение. В электронике он применяется для изготовления электролитических конденсаторов, анодов мощных ламп, сеток. В химическом аппаратостроении из него изготовляют детали аппаратов, применяемых в производстве кислот. В танталовых тиглях плавят металлы, например, редкоземельные. Из него изготовляют нагреватели высокотемпературных печей. Благодаря тому, что тантал не взаимодействует с живыми тканями организма человека и не вредит им, он применяется в хирургии для скрепления костей при переломах.

Во многих областях применения тантала с ним конкурируют его сплавы с ниобием. Это дает большой экономический эффект, потому что ниобий дешевле тантала.

Карбиды ниобия и тантала отличаются исключительной твердостью и применяются в металлообрабатывающей промышленности для изготовления режущего инструмента.

ПОДГРУППА ХРОМА

Подгруппу хрома образуют металлы побочной подгруппы шестой группы — хром, молибден и вольфрам.

Наружный электронный слой атомов элементов подгруппы хрома содержит один или два электрона, что обусловливает металлический характер этих элементов и их отличие от элементой главной подгруппы. Вместе с тем их максимальная степень окисленности равна +6, так как, помимо наружных электронов, в образовании связей может участвовать еще соответствующее число электронов из недостроенного предпоследнего слоя.