Йод
| |||||||
Перше знайомство
Йод був відкритий в 1811 р. французьким хіміком-технологом Бернаром Куртуа (1777 ... 1838), сином відомого селітряних варниць. У роки Великої французької революції він вже допомагав батькові «витягати з надр землі основний елемент зброї для поразки тиранів» *, а пізніше зайнявся селітроваріння самостійно.* Цитується один з циркулярів того часу. Цілком цитована фраза перекладається так: «Ті, хто знехтував би обов'язком витягувати з надр землі основний елемент зброї для поразки тиранів, були б негідниками або контрреволюціонерами». Елементом (не в хімічному сенсі, зрозуміло) тут названо селітра KNO 3, частка якої у складі чорного пороху - 75%. Решта - вугілля і сірка порівну.
У той час селітру отримували в так званих селітряніцах, або буртах. Це були купи, складені з рослинних і тваринних відходів, перемішаних з будівельним сміттям, вапняком, мергелем. Утворений при гнитті аміак окислявся мікроорганізмами спершу в азотисту HNO 2, а потім в азотну HNO 3 кислоту, яка реагувала з вуглекислим кальцієм, перетворюючи його в нітрат Ca (NO 3) 2. Його відкликали з суміші гарячою водою, а після додавали поташ. Йшла реакція:
Ca (NO 3) 2 + K 2 CO 3 → 2KNO 3 + CaCO 3 ↓.
Розчин нітрату калію зливали з осаду і упаривали. Отримані кристали калієвої селітри очищали додаткової перекристалізацією.
Куртуа не був простим ремісником. Пропрацювавши три роки в аптеці, він отримав дозвіл слухати лекції з хімії і займатися в лабораторії Політехнічної школи в Парижі у знаменитого Фуркруа. Свої знання він доклав до вивчення золи морських водоростей, з якої тоді добували соду. Куртуа помітив, що мідний казан, у якому випарювали зольні розчини, руйнується дуже швидко. У маточному розчині після упарювання та осадження кристалічних сульфатів натрію і калію залишалися їх сульфіди і, мабуть, щось ще. Додавши до розчину концентрованої сірчаної кислоти, Куртуа виявив виділення фіолетових парів. Не виключено, що щось подібне спостерігали колеги і сучасники Куртуа, по саме він першим перейшов від спостережень до досліджень, від досліджень - до висновків.
Ось ці висновки (цитуємо статтю, написану Куртуа): «У маточному розчині лугу, отриманого з водоростей, міститься достатньо велика кількість незвичайного і цікавого речовини. Його легко виділити. Для цього достатньо долити сірчану кислоту до маточного розчину і нагріти його в реторті, з'єднаної з приймачем. Нове речовина ... осідає у вигляді чорного порошку, що перетворюється при нагріванні в пари чудового фіолетового кольору. Ці пари конденсуються у формі блискучих кристалічних пластинок, що мають блиск, схожий з блиском кристалічного сульфіду свинцю ... Дивовижна забарвлення парів нової речовини дозволяє відрізнити його від усіх донині відомих речовин, і у нього спостерігаються інші чудові властивості, що надає його відкриття найбільший інтерес ».
У 1813 р. з'явилася перша наукова публікація про цю речовину, його стали вивчати хіміки різних країн, у тому числі такі світила науки, як Жозеф Гей-Люссак і Хемфрі Деві. Рік по тому ці вчені встановили елементарність речовини, відкритого Куртуа, і Гей-Люссак назвав новий елемент йодом - від грецького ιοειδης - темно-синій, фіолетовий.
Друге знайомство: властивості звичайні і незвичайні
Йод - хімічний елемент VII групи періодичної системи. Атомний номер - 53. Атомна маса - 126,9044. Галоген. З наявних у природі галогенів - найважчий, якщо, звичайно, не вважати радіоактивний короткоживучий астат. Практично весь природний йод складається з атомів одного-єдиного ізотопу з масовим числом 127. Радіоактивний йод-125 утворюється в результаті спонтанного поділу урану. Зі штучних ізотопів йоду найважливіші - йод-131 і йод-133; їх використовують в медицині.Молекула елементарного йоду, як і в інших галогенів, складається з двох атомів. Йод - єдиний з галогенів - знаходиться в твердому стані при нормальних умовах. Красиві темно-сині кристали йоду найбільше схожі на графіт. Явно виражене кристалічна будова, здатність проводити електричний струм - всі ці «металеві» властивості характерні для чистого йоду.
Але, на відміну від графіту і більшості металів, йод дуже легко переходить в газоподібний стан. Перетворити йод в пару легше навіть, ніж в рідину.
Щоб розплавити йод, потрібна досить низька температура: +113,5 ° C, але, крім того, потрібно, щоб парціальний тиск парів йоду над плавкими кристалами було не менше однієї атмосфери. Іншими словами, в вузькогорлого колбі йод розплавити можна, а у відкритій лабораторної чашці - не можна. У цьому випадку пари йоду не накопичуються, і при нагріванні йод возгонітся - перейде в газоподібний стан, минаючи рідкий, що зазвичай і відбувається при нагріванні цієї речовини. До речі, температура кипіння йоду ненабагато більше температури плавлення, вона дорівнює всього 184,35 ° C.
Але не тільки простотою перекладу в газоподібний стан виділяється йод серед інших елементів. Дуже своєрідно, наприклад, його взаємодію з водою.
Елементарний йод у воді розчиняється погано: при 25 ° C лише 0,3395 г / л. Проте можна отримати значно більше концентрований водний розчин елемента № 53, скориставшись тим же нехитрим прийомом, який застосовують медики, коли їм потрібно зберегти подовше иодной настоянку (3 - або 5%-ний розчин йоду в спирті): щоб иодной настоянка не видихалася , в неї додають трохи йодистого калію KI. Ця ж речовина допомагає отримувати і багаті йодом водні розчини: йод змішують з не надто розбавленим розчином йодистого калію.
Молекули KI здатні приєднувати молекули елементарного йоду. Якщо з кожного боку в реакцію вступає по одній молекулі, утворюється червоно-бурий трііодід калію. Іодістий калій може приєднати і більше число молекул йоду, в результаті виходять з'єднання різного складу аж до KI 9. Ці речовини називають полііодідамі. Полііодіди нестійкі, і в їх розчині завжди є елементарний йод, причому в значно більшій концентрації, ніж та, яку можна отримати прямим розчиненням йоду.
У багатьох органічних розчинниках - сірковуглеці, гасі, спирті, бензолі, ефірі, хлороформі - йод розчиняється легко. Забарвлення неводних розчинів йоду не відрізняється постійністю. Наприклад, розчин його в сірковуглеці - фіолетовий, а в спирті - бурий. Чим це пояснити?
Очевидно, фіолетові розчини містять йод у вигляді молекул I 2. Якщо ж вийшов розчин іншого кольору, логічно припустити існування в ньому сполук йоду з розчинником. Однак не всі хіміки поділяють цю точку зору. Частина їх вважає, що відмінності в забарвленні иодной розчинів пояснюються існуванням різного роду сил, що з'єднують молекули розчинника і розчиненої речовини.
Фіолетові розчини йоду проводять електрику, тому що в розчині молекули I 2 частково дисоціюють на іони I + і I -. Таке припущення не суперечить уявленням про можливі валентності йоду. Головні валентності його: 1 - (такі сполуки називають иодидами), 5 + (Йодати) і 7 + (перйодатом). Але відомі також сполуки йоду, в яких він проявляє валентності 1 + і 3 +, граючи при цьому роль одновалентного або тривалентного металу. Є з'єднання йоду з киснем, в якому елемент № 53 восьмівалентен, - IO 4.
Але найчастіше йод, як і належить галогенів (на зовнішній оболонці атома сім електронів), проявляє валентність 1 -. Як і інші галогени, він досить активний - безпосередньо реагує з більшістю металів (навіть благородне срібло стійко до дії йоду лише при температурі до 50 ° C), але поступається хлору і брому, не кажучи вже про фторі. Деякі елементи - вуглець, азот, кисень, сірка, селен - у безпосередню реакцію з йодом не вступають.
Третє знайомство: виявляється, йоду на Землі менше, ніж лютецію
Йод - елемент досить рідкісний. Його кларк (вміст в земній корі у вагових відсотках) - всього 4.10 -5%. Його менше, ніж самих важкодоступних елементів сімейства лантаноїдів - тулію і лютецію.Є у йоду одна особливість, що ріднять його з «рідкісними землями», - крайня неуважність в природі. Будучи далеко не найбільш поширеним елементом, йод присутній буквально скрізь. Навіть у надчистих, здавалося б, кристалах гірського кришталю знаходять микропримеси йоду. У прозорих кальциту зміст елемента № 53 досягає 5.10 -6%. Йод є в грунті, у морській і річковій воді, в рослинних клітинах і організмах тварин. А ось мінералів, багатих йодом, дуже мало. Найбільш відомий з них - Лаутари Ca (IO 3) 2. Але промислових родовищ лаутаріта на Землі немає.
Щоб отримати йод, доводиться концентрувати природні розчини, що містять цей елемент, наприклад воду солоних озер або попутні нафтові води, плі переробляти природні концентратори йоду - морські водорості. У тонні висушеної морської капусти (ламінарії) міститься до 5 кг йоду, в той час як в тонні морської води його всього лише 20 ... 30 мг.
Як і більшість життєво важливих елементів, йод в природі здійснює кругообіг. Оскільки багато сполук йоду добре розчиняються у воді, йод вилуговується з магматичних порід, виноситься у моря й океани. Морська вода, випаровуючись, підіймає в повітря маси елементарного йоду. Саме елементарного: сполуки елемента № 53 у присутності вуглекислого газу легко окислюються киснем до I 2.
Вітри, які переносять повітряні маси з океану на материк, переносять і йод, який разом з атмосферними опадами випадає на землю, потрапляє в грунт, грунтові води, в живі організми. Останні концентрують йод, але, відмираючи, повертають його в грунт, звідки він знову вимивається природними водами, потрапляє в океан, випаровується, і все починається заново. Це лише загальна схема, в якій опущені всі зокрема і хімічні перетворення, неминучі на різних етапах цього вічного коловороті.
А вивчений кругообіг йоду дуже добре, і це не дивно: надто велика роль мікрокількостей цього елементу в житті рослин, тварин, людини ...
Четверте знайомство: біологічні функції йоду
Вони не обмежуються иодной настоянкою. Не будемо докладно говорити про роль йоду в житті рослин - він один з найважливіших мікроелементів, обмежимося його роллю в житті людини.Ще в 1854 р. француз Шатене - чудовий хімік-аналітик - виявив, що поширеність захворювання зобом знаходиться в прямій залежності від вмісту йоду в повітрі, грунті, споживаної людьми їжі. Колеги опротестували висновки шатена, більше того, Французька академія наук визнала їх шкідливими. Що ж до походження хвороби, то тоді вважали, що її можуть викликати 42 причини - брак йоду в цьому переліку не фігурував.
Минуло майже півстоліття, перш ніж авторитет німецьких вчених Баумана і Освальда змусив французьких вчених визнати помилку. Досліди Баумана і Освальда показали, що щитовидна залоза містить вражаюче багато йоду і виробляє іодсодержащне гормони. Недолік йоду спочатку призводить лише до невеликого збільшення щитовидної залози, але, прогресуючи, ця хвороба - ендемічний зоб - вражає багато систем організму. У результаті порушується обмін речовин, сповільнюється зростання. В окремих випадках ендемічний зоб може призвести до глухоти, до кретинізму ... Ця хвороба більше поширена в гірських районах і в місцях, сильно віддалених від моря.
Про широке поширення хвороби можна судити навіть за творами живопису. Один з кращих жіночих портретів Рубенса «Солом'яний капелюшок». У красивої жінки, зображеної на портреті, помітна припухлість шиї (лікар відразу сказав би: збільшена щитовидка). Ті ж симптоми і у Андромеди з картини «Персей і Андромеда». Ознаки иодной недостатності видно також у деяких людей, зображених на портретах і картинах Рембрандта, Дюрера, Ван-Дейка ...
У нашій країні, більшість областей якої вилучені від моря, боротьба з ендемічним зобом ведеться постійно - перш за все засобами профілактики. Простий і надійний засіб - добавка мікродоз иодидов до повареної солі.
Цікаво відзначити, що історія лікувального застосування йоду йде в глиб століть. Цілющі властивості речовин, що містять йод, були відомі за 3 тис. років до того, як був відкритий цей елемент. Китайський кодекс 1567 до н.е. рекомендує для лікування зоба морські водорості ...
Антисептичні властивості йоду в хірургії першим використав французький лікар Буане. Як не дивно, самі прості лікарські форми йоду - водні та спиртові розчини - дуже довго не знаходили застосування в хірургії, хоча ще в 1865 ... 1866 рр.. великий російський хірург Н.І. Пирогов застосовував иодной настоянку при лікуванні ран.
Пріоритет підготовки операційного поля за допомогою иодной настоянки помилково приписується німецькому лікарю Гроссиха. Між тим ще в 1904 р., за чотири роки до Гроссиха, російська військлікар Н.П. Філончіков у своїй статті «Водні розчини йоду як антисептична рідина в хірургії» звернув увагу хірургів на величезні достоїнства водних і спиртових розчинів йоду саме при підготовці до операції.
Чи треба говорити, що ці прості препарати не втратили свого значення й досі. Цікаво, що іноді иодной настоянку прописують і як внутрішнє: кілька крапель па чашку молока. Це може принести користь при атеросклерозі, але потрібно пам'ятати, що йод корисний лише в малих дозах, а в великих він токсичний.
П'яте знайомство - суто утилітарне
Йодом цікавляться не тільки медики. Він потрібен геологам і ботанікам, хімікам і металургам.Подібно до інших галогенів, йод утворює численні іодорганіческіе з'єднання, які входять до складу деяких барвників.
З'єднання йоду використовують у фотографії і кінопромисловості для приготування спеціальних фотоемульсій і фотопластинок.
Як каталізатор йод використовується у виробництві штучних каучуків.
Отримання надчистих матеріалів - кремнію, титану, гафнію, цирконію - також не обходиться без цього елемента. Іодідним спосіб отримання чистих металів застосовують досить часто.
Иодной препарати використовують як сухий мастила для тертьових поверхонь із сталі і титану.
Виготовляються потужні иодной лампи розжарювання. Скляна колба такої лампи заповнена не інертним газом, а парами йоду, які самі випромінюють світло при високій температурі.
Йод і його сполуки використовуються в лабораторній практиці для аналізу і в хемотрон приладах, дія яких заснована на окислювально-відновних реакціях йоду ...
Чимало праці геологів, хіміків і технологів йде на пошуки иодной сировини та розробку способів видобутку йоду. До 60-х років минулого століття водорості були єдиним джерелом промислового отримання йоду. У 1868 р. йод стали отримувати з відходів селітряні виробництва, в яких є иодат і йодид натрію. Безкоштовне сировину і простий спосіб отримання йоду з селітряних маткових розчинів забезпечили чилійському иоду широке поширення. У першу світову війну надходження чилійської селітри і йоду припинилося, і незабаром недолік йоду почав чинитися на загальному стані фармацевтичної промисловості країн Європи. Почалися пояски рентабельних способів отримання йоду. У нашій країні вже в роки Радянської влади йод стали отримувати з підземних і нафтових вод Кубані, де він був виявлений російським хіміком А.Л. Потиліціним ще в 1882 р. Пізніше подібні води було відкрито в Туркменії і. Азербайджані.
Але вміст йоду в підземних водах і попутних водах нафтовидобутку дуже мало. У цьому й полягала основна складність при створенні економічно виправданих промислових способів отримання йоду. Потрібно було знайти «хімічну приманку», яка б утворювала з йодом досить міцне з'єднання і концентрувала його. Спочатку такий «приманкою» виявився крохмаль, потім солі міді та срібла, які пов'язували йод у нерозчинні з'єднання. Випробували гас - йод добре розчиняється в ньому. Але всі ці способи виявилися дорогими, а часом і вогненебезпечними.
У 1930 р. радянський інженер В.П. Денисович розробив вугільний метод вилучення йоду з нафтових вод, і цей метод досить довго був основою радянського иодной виробництва. У кілограмі вугілля за місяць накопичувалося до 40 г йоду ...
Так само перспективні геотехнологічні методи видобутку йоду. Вони дозволять отримувати йод з попутних вод нафтових і газових родовищ, не викачуючи ці води на поверхню. Спеціальні реактиви, введені через свердловину, під землею сконцентрують йод, і на поверхню буде йти не слабкий розчин, а концентрат. Тоді, очевидно, різко зросте виробництво йоду і споживання його промисловістю - комплекс властивостей, властивих цьому елементу, для неї є досить привабливим.
Йод і людина
Організм людини не тільки не потребує великих кількостях йоду, але з дивовижною постійністю зберігає в крові постійну концентрацію (10 -5 ... 10 -6%) йоду, так зване иодной дзеркало крові. Із загальної кількості йоду в організмі, що становить близько 25 мг, більше половини знаходиться в щитовидній залозі. Майже весь йод, що міститься в цій залозі, входить до складу різних похідних тирозину - гормону щитовидної залози, і тільки незначна частина його, близько 1%, знаходиться у вигляді неорганічного йоду I 1 -.Великі дози елементарного йоду небезпечні: доза 2 ... 3 г смертельна. У той же час у формі иодида допускається прийом всередину набагато більших доз.
Якщо ввести в організм з їжею значна кількість неорганічних солей йоду, концентрація його в крові підвищиться в 1000 разів, але вже через 24 години иодной дзеркало крові прийде до норми. Рівень иодной дзеркала строго підпорядковується закономірностям внутрішнього обміну і практично не залежить від умов експерименту.
У медичній практиці іодорганіческіе з'єднання використовують для рентгенодіагностики. Досить важкі ядра атомів йоду розсіюють рентгенівські промені. При введенні всередину організму такого діагностичного кошти виходять виключно чіткі рентгенівські знімки окремих ділянок тканин і органів.
Йод і космічні промені
Академік В.І. Вернадський вважав, що в освіті йоду в земній корі велику роль відіграють космічні промені, які викликають в земній корі ядерні реакції, тобто перетворення одних елементів в інші. Завдяки цим перетворенням в гірських породах можуть утворюватися дуже невеликі кількості нових атомів, в тому числі атомів йоду.Йод - мастило
Всього 0,6% йоду, доданого до вуглеводневим олив, у багато разів знижують роботу тертя в підшипниках з нержавіючої сталі і титану. Це дозволяє збільшити навантаження на тертьові деталі більш ніж у 50 разів.Йод і скло
Йод застосовують для виготовлення спеціального поляроїдних скла. У скло (або пластмасу) вводять кристалики солей йоду, які розподіляються суворо закономірно. Коливання світлового променя не можуть проходити через них у всіх напрямках. Виходить своєрідний фільтр, званий поляроїдів, який відводить зустрічний сліпуче потік світла. Таке скло використовують в автомобілях. Комбінуючи кілька поляроїдів або обертаючи поляроїдних скла, можна досягти виключно барвистих ефектів - це явище використовують у кінотехніці і в театрі.Чи знаєте ви, що:
· Вміст йоду в крові людини залежить від пори року: з вересня по січень концентрація йоду в крові знижується, з лютого починається новий підйом, а в травні - червні иодной дзеркало досягає найвищого рівня. Ці коливання мають порівняно невелику амплітуду, і їх причини до цих пір залишаються загадкою;· З харчових продуктів багато йоду містять яйця, молоко, риба, дуже багато йоду в морській капусті, яка надходить у продаж у вигляді консервів, драже і інших продуктів;
· Перший у Росії иодной завод був побудований в 1915 р. в Катеринославі (нині Дніпропетровськ); отримували йод з золи чорноморської водорості філофори; за роки першої світової війни на цьому заводі було видобуто 200 кг йоду;
· Якщо грозову хмару «засіяти» іодістий сріблом або йодистого свинцем, то замість граду в хмарі утворюється мелкодисперсная сніжна крупа: засіяне такими солями хмара проливається дощем і не шкодить посівам.
Мідь
| |||||||
Міцність
|
У будь-якому технічному довіднику знаходимо міцнісні характеристики литої міді: межа міцності 17 кг / мм 2 (при нормальній температурі), межа плинності * (при 500 ° C - жорсткі, але цілком реальні умови роботи багатьох виробів з міді) 2,2 кг / мм 2. Багато це чи мало? Межа плинності звичайної сталі в цих умовах досягає 100 кг / мм 2. Протидія ударним навантаженням (а саме такі навантаження в основному дістаються щитів) у міді також менше, ніж у багатьох інших металів і сплавів. Не відрізняється вона і твердістю: мідь, правда, твердіше, ніж золото і срібло, але в півтора рази м'якше заліза (відповідно 3,0 і 4,5 за 10-бальною шкалою).
* Межа текучості - напруга, при якому матеріал продовжує деформуватися без збільшення навантаження.
У вас не склалося враження, що ці цифри, знайди вони раптом дар мови, повторили б услід за Ходжу Насреддіна: «Той, хто носить мідний щит, той має ...»? Але не піддамося «об'єктивності» голих цифр. Адже усі вони взяті з технічної літератури XX століття, а час медіих щитів, як і мідних гармат, минуло багато століть тому.
Зброярів давнину і навіть середньовіччя міцнісні характеристики міді цілком влаштовували. По-перше, навантаження, яку відчував щит при ударі списом або сокирою, куди менше пробивної сили гвинтівкового пострілу. По-друге, у стародавніх металургів не було іншого матеріалу, міцного, як мідь, і доступного, як мідь. Не випадково античний бог-коваль Гефест викував непереможному Ахіллесу мідний щит. Саме мідний!
Як конструкційний матеріал мідь широко використовується і зараз, але головну цінність придбали вже не механічні, а теплові та електричні характеристики міді. За здатності проводити тепло і електрику мідь поступається тільки дорогоцінному сріблу. У алюмінію електроопір майже вдвічі більше, ніж у міді, а у заліза - майже в шість разів.
Але з міді роблять не тільки дріт і струмопровідні деталі апаратури. Її широко використовують у хімічному машинобудуванні при виготовленні вакуум-апаратів, перегінних котлів, холодильників, змійовиків. З міді та її сплавів, як і колись, роблять знаряддя праці та інструмент. У будь-якому цеху, де працюють з вибухонебезпечними або легкозаймистими речовинами, можна зустріти молотки, стамески, викрутки з мідних сплавів. Звичайно, сталевий інструмент міцніше, довговічніше, дешевше, але він «іскрить». Тому вважають за краще частіше змінювати інструмент, більше витрачати на його придбання, але зменшити пожежо-і вибухонебезпечність.
Гільзи патронів і артилерійських снарядів зазвичай жовтого кольору. Вони зроблені з латуні - сплаву міді з цинком. (В якості легуючих добавок у латунь можуть входити алюміній, залізо, свинець, марганець та інші елементи). Чому конструктори віддали перевагу латунь більш дешевим чорним сплавів і легкому алюмінію? Латунь добре обробляється тиском і має високу в'язкість. Звідси - хороша опірність ударним навантаженням, створюваним пороховими газами.
Більшість артилерійських латунних гільз використовується неодноразово. Не знаю, як зараз, а в роки війни в будь-якому артилерійському дивізіоні була людина (зазвичай офіцер), відповідальний за своєчасний збір стріляних гільз і відправку їх на перезарядку.
У гільзової латуні 68% міді.
Висока стійкість проти роз'їдаючої дії солоної води характерна для так званих морських латуней. Це латуні з добавкою олова.
Знаменитий корозійно-стійкий сплав томпак - це теж латунь, але частка міді в ньому більше, ніж у будь-якому іншому сплаві цієї групи - від 88 до 97%.
Ще одна важлива властивість латуні: вона, як правило, дешевше бронзи - інший найважливішою групи сплавів на основі міді.
Спочатку бронзою називали тільки сплави міді з оловом. Але олово - дорогий метал, і, крім того, поєднання Сu - Sn не дозволяє отримати всіх властивостей, які хотілося б додати сплавів на основі міді. Зараз існують бронзи взагалі без олова - алюмінієві, кременисті, марганцевистих і т.д.
Бронзи
|
Сучасні бронзи різноманітні за складом і властивостями. Звичайні оловяністих бронзи містять до 33% Sn. У так звану художню бронзу, тисячоліттями застосовується для скульптурного лиття, входить близько 5% олова, до 10% цинку і близько 3% свинцю. У «автомобільних» і «підшипникових» бронзах олова більше - 10 ... 12%. Кілька слів про «безолов'яним» бронзах.
Алюмінієві бронзи. 5 ... 11% Аl перетворюють м'яку мідь в матеріал для виготовлення пружин, а бронза АНЖ10-4-4 (10% Аl, 4% Ni, 4% Fe) застосовується для відповідальних деталей авіаційних двигунів і турбін.
Свинцеві бронзи містять 27 ... 33% Pb. Підшипники з такої бронзи працюють на гранично великих швидкостях.
Крем'янисті бронзи (до 5% Si) служать замінниками оловянністих і відрізняються відносною дешевизною.
А берилієві бронзи (до 2,3% Be) чи не найміцніші з усіх кольорових сплавів.
Історія
|
Подібно золоту і сріблу, мідь іноді утворює самородки. Мабуть, з них близько 10 тис. років тому були виготовлені перші металеві знаряддя праці. Поширенню міді сприяли такі її властивості, як здатність до холодної куванні і відносна простота виплавки з багатих руд.
Мідний вік тривав близько тисячі років - вдвічі менше, ніж бронзовий. Характерно, що в Греції культура міді зародилася пізніше, ніж у Єгипті, а бронзовий вік настав раніше. Руда, з якої виплавляли мідь єгиптяни, не містила олова. Грекам в цьому відношенні пощастило більше. Вони добували «олов'яний камінь» іноді там же, де і мідну руду. Відкриття бронзи сталося, мабуть, випадково, проте великі твердість і щільність, а також відносна легкоплавкость (добавка 15% Sn знижує температуру плавлення міді з 1083 до 960 ° C) дозволили бронзі швидко витіснити мідь з багатьох виробничих сфер.
Мистецтво виплавки та обробки міді і бронзи від греків успадкували римляни. Вони отримували мідь з підкорених країн, в першу чергу з Галлії та Іспанії, продовжували розпочату греками видобуток мідної руди на Криті та на Кіпрі. До речі, з назвою останнього острова пов'язують латинське ім'я міді - «купрум». А олов'яний камінь римляни вивозили з Кассітерідскіх островів (так тоді називали острови Британії); основний мінерал олова і зараз називається каситериту. У II ... I ст. до н.е. зброю римлян робилося вже в основному із заліза, але у виробництві предметів домашнього ужитку все ще переважали бронза та мідь.
Бронза та мідь зіграли видатну роль не тільки в становленні матеріальної культури більшості народів, а й в образотворчому мистецтві. У цій якості вони пройшли через століття. І в наші дні відливають бронзові скульптури, роблять барельєфи і гравюри на міді. Докладно про це розповідати, ймовірно, не варто. Твори образотворчого мистецтва краще дивитися, ніж міркувати про них.
Металургія
|
Це, природно, ускладнило технологію виробництва цього металу. Отримання міді - багатоступінчастий процес.
У першу чергу руду дроблять, а потім піддають флотації. Під флотаційних машинах подрібнена руда змішується з водою, в яку заздалегідь введені спеціальні добавки - флотоагенти. Сюди ж подається повітря. Утворюється що піниться пульпа. Зерна мінералів, що містять метали та погано змочуються водою, прилипають до бульбашок повітря і спливають на поверхню, а пуста порода осідає на дно. Умілим підбором реагентів можна ще при флотації частково відокремити власне модну руду від соедівестій інших металів. Так, добавка ціанідів і цинкового купоросу зменшує флотуємості (від англійського float - «плавати») сірчистого цинку - частого супутника міді в сульфідних рудах. Добавка вапна дозволяє «втопити» частину залізовмісного піриту. Сульфіди заліза присутні в більшості мідних руд.
Перша в СРСР збагачувальна фабрика для флотації мідної руди була побудована в 1929 р. в Казахстані.
У результаті флотаційного збагачення виходить концентрат, який надходить в міделиварний печі.
Найбільш поширені зараз відбивні печі. Це великі горизонтальні агрегати, що займають більшу площу. Шихту завантажують у піч, на укоси, що йдуть уздовж її бічних стін. Газоподібне, рідке або пиловидне паливо подається не в шихту, а в простір над нею, і тепло, що утворюється при згоранні, як би відбивається від стін печі; температура в відбивної печі близько 1200 ° C.
При плавці тут утворюється не мідь, а так званий штейн, що складається в основному з трьох елементів - міді, заліза і сірки.
Природно, утворюється і шлак. Розплави штейну і шлаку не змішуються, більш легкий шлак плаває на поверхні штейну.
Кварцовий флюс вводиться до складу шихти для того, щоб зменшити вміст заліза в штейні. Окислене залізо сплавляється з кварцом і частково переходить у шлак. Крім того, щоб збільшити вміст в штейні міді, концентрат попередньо піддають окислювальному випалу.
Але, незважаючи на всі хитрощі, кількість міді в штейні рідко перевищує 30%. Тому наступна стадія виробництва - перетворення штейну в чорнову мідь. Цей процес відбувається в конвертерах, на зразок бесемерівський, схожих, правда, не на грушу, а на барило, покладений на бік. Оскільки кількість домішок, які треба випалити в конвертері, дуже велике, процес іде довго; шлак, що утворюється при цьому, доводиться неодноразово зливати.
Підігрівати конвертер не потрібно: штейн у нього заливається в розплавленому стані, а реакції окислення заліза і сірки супроводжуються виділенням великих кількостей тепла. Тому в конвертер подаються лише повітря і - через горловину - подрібнений кварц.
Спочатку випалюється залізо. Як метал менш благородний, воно окислюється киснем повітря раніше, ніж мідь. Його окисли реагують з кварцом, і утворюється шлак - силікати заліза.
Потім починається окислення пов'язаної з міддю сірки. Температура в конвертері весь час знаходиться приблизно на одному рівні - близько 1200 ° C. Продування конвертера повітрям припиняють, коли в ньому залишається так звана чорнова мідь, що містить 98 ... 99% основного метал ла; решта припадає головним ооразом на залізо, сірку, нікель, миш'як, сурму, срібло і золото.
Миш'як, сурма, сірка та залізо - домішки шкідливі. Вони негативно впливають на найважливіше властивість міді - електропровідність. Їх необхідно видалити. А золото, срібло і дефіцитний нікель занадто цінні самі по собі. Тому чорнову мідь піддають рафінуванню - вогневому і електролітичному. Перша в Росії електролітична мідь була отримана в кінці 80-х років минулого століття.
У ванну з електролітом поміщається катод - тонкий лист з чистої міді. Анодом служить товста лита плита з чорнової міді. Анод розчиняється в електроліті, і іони міді розряджаються на катоді. У електроліті міститься сірчана кислота, яка переводить у розчин такі домішки, як нікель, залізо, цинк. Але так як у ряді напруг вони розташовані значно лівіше міді, на катоді вони не осідають - залишаються в розчині. А золото, срібло і телур у розчин не переходять і при руйнуванні анода осідають на дно ванни у вигляді шламу.
Знаменно, що всі витрати на рафінування звичайно окупаються витягнутими з чорнової міді дорогоцінними металами.
У рафінованої міді сума домішок не перевищує 0,1%.
У живому організмі
|
В організмі деяких нижчих тварин відносний вміст міді вище. Гемоціанін - пігмент крові молюсків і ракоподібних - містить 0,15 ... 0,26% Сu.
Мідь потрібна і рослинам. Це один з найважливіших мікроелементів, що бере участь у процесі фотосинтезу і впливає на засвоєння рослинами азоту. Недостатньо міді в грунті - рослини гірше плодоносять або взагалі стають безплідними. Мідні добрива сприяють синтезу білків, жирів і вітамінів, крім того, вони підвищують морозостійкість мяогіх сільськогосподарських культур.
Зазвичай мідь вносять у грунт як найпоширенішою її солі - мідного купоросу - CuSO 4 · 5H 2 О. Це синьо-блакитне кристалічна речовина отримують з відходів міді, обробляючи їх підігрітою сірчаної кислотою при вільному доступі кисню.
У сільському господарстві мідний купорос використовується і в інших цілях. У його розчинах протруюють насіння перед посівом. Як і багато інших солі міді, купорос отруйний, особливо для нижчих організмів. Розчин купоросу знищує спори цвілевих грибів на насінні.
Серед інших сполук міді особливою популярністю користується малахіт Сu 2 (OH) 2 CO 3, вживаний як камінь виробу.
Але малахіт використовується і як сировина для виробництва міді. Тому що більше, ніж красиві прикраси, людству потрібна мідь - основний метал електротехніки.
Мідь у земній корі
Зміст міді в земній корі порівняно невелика - 0,007%. Це в 1000 разів менше, ніж алюмінію, в 600 разів менше, ніж заліза. Однак мідь входить до складу 200 мінералів. Багато хто з них відрізняються яскравою і красивою забарвленням. Борніт Cu 5 FeS 4 і лазурит Сu 3 (OH) 2 CO 3 синього кольору, халькопірит CuFeS 2 золотистого, а темно-зелені величезні вази з малахіту Сu 2 (OH) 2 CO 3 та опорядження знаменитого «малахітового залу» пам'ятає кожен, хто хоч раз побував у ленінградському Ермітажі. Головні джерела міді - сульфідні руди і Медист пісковики.Багатство Африки
У молодих африканських державах зосереджені величезні поклади мідистих пісковиків - пісковиків зі значними вкрапленнями сполук міді. Розвідані запаси міді в цих країнах значно більше, ніж у Чилі - традиційному експортері мідної руди.Російська мідь
Перші в Росії міделиварний виробництва були створені, очевидно, в XIII в. З документів відомо, що ще в 1213 р. недалеко від Архангельська було знайдено Цільменское родовище мідної руди.У 1479 р. в Москві вже існувала «гарматна хата» і робилися бронзові гармати різних калібрів.
У XVI ... XVII ст. Росія відчувала гостру потребу в металах і особливо в міді. «Для розшуку медния руди» російські умільці відправлялися на північ, за Волгу, на Урал. У 1652 р. казанський воєвода доносив царю: «Медния руди ... знайти багато і заводи .. до мідного справі заводимо ». І дійсно заводили. Відомо, що за 12 років, починаючи з 1652 р., «в присилання було з Казані до Москви чисті міді 4641 пуд 6 грівенок».
Але металу все одно не вистачало. Не випадково Ломоносов писав, що метали «... до праць Петрових майже всі приходило були від навколишніх народів, так що і військову зброю іноді у самих ворогів злидні примушували перекуповувати через інші руки дорогою ціною».
Петро I багато чого зробив для розвитку російської металургії. До кінця його царювання (в 1724 р.) лише на Уралі було 11 плавильних та 4 «переплавних» печей, які випускали мідь. Почався видобуток кольорових металів і на Алтаї.
А в 1760 р. в Росії було вже більше 50 мідеплавильних заводів. Щорічна виплавка міді досягла 180 тис. пудів, або близько 3 тис. т. До середини XIX ст. вона ще подвоїлася. У цей час виробництво міді було зосереджено в основному на Уралі, Кавказі та в Казахстані.
Мідні гроші
Петро I не раз висловлював думку про необхідність заміни срібною розмінної монети на мідну. За його життя цей перехід і був здійснений. У 1700 р. з'явилися мідні «гріш» - 1 / 2 копійки, «полушка» - 1 / 4 копійки і «полуполушка» - 1 / 8 копійки. Перша мідна копійка викарбувана в 1704 р.У 1766 р. на Алтаї був організований новий Коливанський монетний двір. Нерозумно було возити з Сибіру мідь, а в Сибір монети, викарбувані з цієї самої міді. У Коливань стали чеканити нові монети з міді гідністю в 1, 5 і 10 копійок. На реверсі - зворотній стороні їх був напис: «Сибірська монета» і герб Сибіру - два соболя. За 15 років, з 1766 по 1781 р. на Коливанськом монетному дворі таких монет було викарбовано майже на 4 млн рублів.
Сучасні мідні монети робляться з алюмінієвої бронзи - сплаву міді з 4,5 ... 5,5% алюмінію.
Піч з «святих» цеглин
У 1919 р. геолог М.М. Урванцев виявив у Норильську залишки медеплавильной печі. З'ясувалося, що вона побудована ще в 1872 р. купцем Сотниковим. Про те, що на Таймирі є руда, у другій половині минулого століття вже знали, але будівельні матеріали, особливо цегла, обходилися там дуже дорого.Заповзятливий купець домігся від губернатора дозволу на будівництво в Дудинці дерев'яної церкви. У губернаторської канцелярії, природно, не знали про те, що в Дудинці вже є церква, але не дерев'яна, а кам'яна. Сотников отримав ліс і дійсно побудував з нього церква, а стару - розібрав і з «святих» цеглин вибудував мідеплавильний піч. На ній було виплавлено кілька сот пудів міді.
Так на 69-й паралелі з'явилося перше металургійне підприємство, яке можна вважати «прадідусем» відомого всьому світу Норильського гірничо-металургійного комбінату.
Перша електролітична
Перший в Росії цех електролітичного рафінування міді був побудований на Калукептском заводі (Азербайджан).«Робляться досить вдалі досліди отримання чистої міді шляхом електролізу прямо з купферштейна; почісловие дані, а також подробиці виробництва заводоуправління тримає в таємниці. На Калакентском заводі, де є запас живої сили води, робляться тепер грандіозні приготування для електролізу, причому дпнамоелектромашіна Вернера Сіменса буде приводитися в рух за допомогою турбіни ».
Так повідомляв про це найстаріший в Росії науковий «Гірський журнал» в 1887 р.
«Дражнити» мідь
Електролітичному рафінування міді зазвичай передує вогневе. Його проводять у невеликий печі, опалювальної нафтою, газом або вугільним пилом. У піч вдувається повітря, який окисляє невелику частину металу до закису Сu 2 О. Багато домішки, які мають більший, ніж мідь, спорідненість до кисню (залізо, кобальт, сірка, миш'як), після розплавлення металу віднімають кисень у закису міді і спливають на поверхню у вигляді шлаку.Але замість старих домішок з'являється нова - частина закису міді залишається непрореагіровавгаеі, л щоб видалити її, мідь «дражнять». Робиться це так: у ванну з розплавленим металом опускають свежеспіленная колоду. Ванна починає вирувати. Крім парів води з колоди виділяються і продукти сухої перегонки деревини. Деякі з них (водень, окис вуглецю) реагують із закисом міді і відновлюють її. Одночасно з розплаву віддаляється розчинений у металі сірчистий газ.
На багатьох заводах замість деревини в процесі «дразненія» використовують мазут або природний газ.
Червона і чорна
З киснем мідь реагує дуже легко, утворюючи два оксиду - закис Сu 2 O червоного кольору і окис СuО чорного кольору. Але також легко мідь і відновлюється. Це неважко простежити по тому, як змінює колір мідна пластинка при перенесенні з відновлювальної зони полум'я в окислювальну і назад. На цій властивості засновано застосування міді як каталізатора при виробництві деяких органічних сполук. Мідь служить переносником кисню.Без води - ніяк
Сульфат міді існує звичайно у вигляді кристалогідратів, його молекула пов'язана з кількома молекулами води. У мідним купоросом, наприклад, на одну молекулу CuSO 4 припадає п'ять молекул Н 2 O. Чотири з них при нагріванні досить легко відщеплюються, але п'ятий утримується дуже міцно; щоб відірвати її, потрібні дуже високі температури. Безводний сульфат на відміну від кристалогідратів має не синю, а біле забарвлення. Він дуже активно приєднує воду і, природно, при цьому змінює колір. Його застосовують як реактив на присутність води в органічних рідинах. Якщо бензин, наприклад, містить хоча б трохи розчиненої води, то при додаванні безводного CuSO 4 останній моментально синіє.Мідні «вуса»
Відомо, що практична міцність всіх металів у багато разів менше теоретичної. Причиною тому дислокації - порушення в кристалічній структурі металів. Мідь не виняток серед них. Не будь дислокації, міцність міді вимірювалася б сотнями (!) Кілограмів на квадратний міліметр. І це не гола теорія. Вже отримані мідні «вуса» - ниткоподібні кристали, практично позбавлені дислокації; їх міцність на розтягання близько 300 кг / мм 2. Правда, діаметр цих кристалів значно менше міліметра - всього 1,25 мкм.Мідні «вуса» отримують так. У спеціальну піч поміщають ванночку з хімічно чистим Монохлорид міді CuCl. Туди ж подається ретельно очищений водень. У печі підтримується суворо постійна температура близько 600 ° C. Відбувається реакція 2СuСl + Н 2 = 2Сu + 2HCl. Утворений хлористий водень відводиться в іншу посудину, де вловлюється водою. Спрямованому зростання кристала сприяє електричне поле.
Зі збільшенням розмірів питома міцність ниткоподібних кристалів значно зменшується. Але кілька років тому радянським ученим І.А. Одінгу і І.М. Копйова вдалося отримати «вуса» діаметром близько 100 мкм зі сплаву заліза і міді при відновленні суміші FeCl 2 і CuCl.
Цинк
| |||||||
Свідченням першорядної важливості цинку виступає його дешевизна: на світовому ринку (дані 1960 р.) цинк - третій від кінця серед всіх металів. Дешевше його лише залізо і свинець. Дешевизна цинку - 0,29 долара за кілограм - результат великих масштабів його виробництва. Адже і олівець, наприклад, зробити зовсім не просто, але виготовлені мільйонами штук олівці коштують копійки. Так і з ціаком: не «хороший, тому що дешевий», а «дешевий, тому що хороший».
Цинк і сталь
Як би голосно не називали наш час: «століття полімерів», «вік напівпровідників», «атомний вік» і так далі по суті справи ми не вийшли ще із століття залізного. Цей метал, як і раніше залишається основою промисловості. За виплавки чавуну і сталі і зараз судять про міць держави. А чавун і сталь схильні до корозії, і, незважаючи на значні успіхи, досягнуті людством у боротьбі з «рудим ворогом», корозія щорічно губить десятки мільйонів тонн металу.Нанесення на поверхню сталі і чавуну тонких плівок корозійно-стійких металів - найважливіший засіб захисту від корозії. А на першому місці серед всіх металопокриттів - і за важливістю, і за масштабами - стоять покриття цинкові. На захист стали йде 40% світового виробництва цинку!
Оцинковані відра, оцинкована жерсть на дахах будинків - речі настільки звичні, настільки буденні, що ми, як правило, не замислюємося, а чому, власне, вони оцинковані, а не хромовані або нікельовані? Якщо ж таке питання виникає, то «залізна логіка» миттю видає однозначну відповідь: тому що цинк дешевше хрому і нікелю. Але справа не в одній дешевизні.
Цинкове покриття часто виявляється більш надійним, ніж інші, тому що цинк не просто механічно захищає залізо від зовнішніх впливів, він його хімічно захищає.
Кобальт, нікель, кадмій, олово та інші метали, які застосовуються для захисту заліза від корозії, в ряду активності металів стоять після заліза. Це означає, що вони хімічно більш стійкі, ніж залізо. Цинк ж і хром, навпаки, активніше заліза. Хром в ряду активності коштує майже поруч з залізом (між ними тільки галій), а цинк - перед хромом.
Процеси атмосферної корозії мають електрохімічну природу і пояснюються з електрохімічних позицій. Але в принципі механізм захисту заліза цинком полягає в тому, що цинк - метал більш активний - перш, ніж залізо, реагує з агресивними компонентами атмосфери. Виходить, ніби метали дотримують правила солдатської дружби: сам гинь, а товариша виручай ... Звичайно, метали не солдати, тим не менш, цинк виручає залізо, гинучи.
Ось як це відбувається.
У присутності вологи між залізом і цинком утворюється мікрогальванопара, в якій цинк - анод. Саме він і буде руйнуватися при яка виникла електрохімічному процесі, зберігаючи в недоторканності основний метал. Навіть якщо покриття порушено - з'явилася, допустимо, подряпина, - ці особливості цинкової захисту і її надійність залишаються незмінними. Адже і в такій ситуації діє мікрогальванопара, в якій цинк принесений в жертву, і, крім того, звичайно в процесі нанесення покриття залізо і цинк реагують між собою. І найчастіше подряпина оголює не саме залізо, а интерметаллические з'єднання заліза з цинком, досить стійке до дії вологи.
Істотний і склад продукту, що утворюється при «самопожертвований» елемента № 30. Активний цинк реагує з вологою повітря і одночасно з містяться в ньому вуглекислим газом. Утворюється захисна плівка складу 2ZnCO 3 · Zn (OH) 2, що має достатню хімічну стійкість, щоб захистити від реакцій і залізо, і сам цинк. Але якщо цинк корелює в середовищі, позбавленої вуглекислоти, скажімо, в зм'якшеної воді парового котла, то плівка потрібного складу утворитися не може, і в цьому випадку цинкове покриття руйнується набагато швидше.
Як же наносять цинк на залізо? Способів декілька. Оскільки цинк утворює сплави з залізом, швидко розчиняючи його навіть при невисоких температурах, можна наносити розпилений цинк на підготовлену сталеву поверхню зі спеціального пістолета. Можна оцинковувати сталь (це самий старий спосіб), просто занурюючи її в розплавлений цинк. До речі, плавиться він при порівняно низькій температурі (419,5 ° C). Є, звичайно, електролітичні способи цинкування. Є, нарешті, метод шерардізаціі (по імені винахідника) застосовується для покриття невеликих деталей складної конфігурації, коли особливо важливо зберегти незмінними розміри.
У герметично закритому барабані деталі, пересипані цинковим пилом, витримують протягом декількох годин при 350 ... 375 ° C. У цих умовах атоми цинку досить швидко дифундують в основний матеріал; утворюється железоцінковий сплав, шар якого не «покладений» поверх деталі, а «впроваджений» в неї.
Сплави й трохи історії
Вже згадувалося, що історія елемента з атомним номером 30 досить плутана. Але одне безперечно: сплав міді та цинку - латунь - був отриманий набагато раніше, ніж металевий цинк. Найдавніші латунні предмети, зроблені приблизно в 1500 р. до н.е., знайдені при розкопках у Палестині.Приготування латуні відновленням особливого каменю - χαδμεια (кадмея) вугіллям у присутності міді описане в Гомера, Аристотеля, Плінія Старшого. Зокрема, Аристотель писав про видобувається в Індії міді, яка «відрізняється від золота тільки смаком».
Справді, у досить численній групі сплавів, що носять загальну назву латуней, є один (Л-96, або томпак), за кольором майже не відрізняється від золота. Між іншим, томпак містить менше цинку, ніж більшість латуней: цифра за індексом Л означає процентний вміст міді. Значить, на частку цинку в цьому сплаві доводиться не більше 4%.
Можна припускати, що метал з кадмію і в давнину додавали в мідь не тільки потім, щоб освітлити її. Змінюючи співвідношення цинку і міді, можна одержати численні сплави з різними властивостями. Невипадково латуні поділені на дві великі групи - альфа і бета-латуні. У перших цинку не більше 33%.
Зі збільшенням вмісту цинку пластичність латуні зростає, але тільки до певної межі: латунь з 33 і більше відсотками цинку при деформуванні в холодному стані розтріскується, 33% Zn - рубіж зростання пластичності, за якою латунь стає крихкою.
Втім, могло трапитися, що за основу класифікації латуней взяли б інший «поріг» - всі класифікації умовні, адже і міцність латуней зростає в міру збільшення в них вмісту цинку, але теж до певної межі. Тут межа інший - 47 ... 50% Zn. Міцність латуні, що містить 45% Zn, у кілька разів більше, ніж сплаву, відлитого з рівних кількостей цинку і міді.
Найширший діапазон властивостей латуней пояснюється перш за все хорошою сумісністю міді та цинку: вони утворюють серію твердих розчинів з різною кристалічною структурою. Так само різноманітно і застосування сплавів цієї групи. З латуней роблять конденсаторні трубки і патронні гільзи, радіатори і різну арматуру, безліч інших корисних речей - усього не перелічити.
І що тут особливо важливо. Введений в розумних межах цинк завжди поліпшує механічні властивості міді (її міцність, пластичність, корозійну стійкість). І завжди при цьому він здешевлює сплав - адже цинк набагато дешевше міді. Легування робить сплав дешевшим - таке зустрінеш не часто.
Цинк входить і до складу іншого давнього сплаву на мідній основі. Мова йде про бронзі. Це раніше ділили чітко: мідь плюс олово - бронза, мідь плюс цинк - латунь. Тепер «грані стерлися». Сплав ОЦС-3-12-5 вважається бронзою, але цинку в ньому в чотири рази більше, ніж олова. Бронза для відливання бюстів і статуй містить (марка БХ-1) від 4 до 7% олова і від 5 до 8% цинку, тобто називати її латунню підстав більше - на 1%. А її, як і раніше називають бронзою, та ще художньої ...
До цих пір ми розповідали тільки про захист цинком і про легуванні цинком. Але є і сплави на основі елемента № 30. Хороші ливарні властивості і низькі температури плавлення дозволяють відливати з таких сплавів складні тонкостінні деталі. Навіть різьблення під болти і гайки можна отримувати безпосередньо при литві, якщо маєш справу зі сплавами на основі цинку.
Зростаючий дефіцит свинцю і олова змусив металургів шукати рецептури нових друкарських та антифрикційних сплавів. Доступний, досить м'який і щодо легкоплавкий цинк, природно, привернув увагу в першу чергу. Майже 30 років пошукових та дослідницьких робіт передували появі антифрикційних сплавів на цинковій основі. При невеликих навантаженнях вони помітно поступаються і бабітів і бронзам, але в підшипниках великовантажних автомобілів і залізничних вагонів, угледробілок і землечерпалок вони стали витісняти традиційні сплави. І справа тут не тільки у відносній дешевизні сплавів на основі цинку. Ці матеріали чудово витримують великі навантаження при великих швидкостях в умовах, коли бабіти починають фарбувати ...
Цинкові сплави з'явилися і в поліграфії. Так, поряд з сурм'яно-олов'яно-свинцевим сплавом - гарту для відливання шрифтів використовують і так званий сплав № 3, в якому міститься до 3% алюмінію, 1,2 ... 1,6% магнію, решта цинк. До ролі цинку в поліграфії ми ще повернемося в оповіданні про металевому цинку.
Металевий цинк і знову трохи історії
Коли вперше було виплавлено металевий цинк, точно не встановлено. Відомо, що в Індії його отримували ще у V ст. до н.е. Отримання металевого цинку (під назвою тутіі або фальшивого срібла) описано у римського історика Страбопа (60 ... 20 роки до н.е.). Пізніше, однак, мистецтво виплавки цинку в Європі було втрачено. Правда, цинк ввозили з країн Сходу, але в дуже невеликих кількостях, і до середини XVIII ст. він залишався рідкістю.Лише в 1743 р. у Брістолі запрацював перший в Європі цинковий завод. А адже ще наприкінці XIII ст. Марко Поло описував, як отримують цей метал у Персії. Найбільші вчені XVI ст. Парацельс і Агрікола у своїх працях приділяли місце виплавці цинку. У тому ж XVI ст. були зроблені перші спроби виплавляти його в заводських умовах. Але виробництво «не пішло», технологічні труднощі виявилися нездоланними. Цинк намагалися одержувати точно так само, як і інші метали. Руду обпалювали, перетворюючи цинк на оксид, потім цю окис відновлювали вугіллям ...
Цинк, природно, відновлювався, взаємодіючи з вугіллям, але ... не виплавляється. Не виплавляли тому, що цей метал уже в плавильній печі випаровувався - температура його кипіння всього 906 ° C. А в печі було повітря. Зустрічаючи його, пари активного цинку реагували з киснем, і знову утворювався вихідний продукт - окис цинку.
Налагодити цинкове виробництво в Європі вдалося лише після того, як руду почали відновлювати в закритих ретортах без доступу повітря. Приблизно так само «чорновий» цинк одержують і зараз, а очищають його рафінуванням. Пірометаллургічним спосіб зараз отримують приблизно половину виробленого в світі цинку, а іншу половину - гідрометалургійним.
Слід мати на увазі, що чисто цинкові руди в природі майже, але зустрічаються. Сполуки цинку (зазвичай 1 ... 5% в перерахунку на метал) входять до складу поліметалевих руд. Отримані при збагаченні руди цинкові концентрати містять 48 ... 65% Zn, до 2% міді, до 2% свинцю, до 12% заліза. І плюс частки відсотка розсіяних і рідкісних металів ...
Складний хімічний і мінералогічний склад руд, що містять цинк, був однією з причин, за якими цинкове виробництво народжувалося довго і важко. У переробці поліметалічних руд і зараз ще є невирішені проблеми ... Але повернемося до пирометаллургии елемента № 30 - в цьому процесі виявляються суто індивідуальні особливості цього елемента.
При різкому охолодженні пари цинку відразу ж, минаючи рідкий стан, перетворюються на тверду пил. Це дещо ускладнює виробництво, хоча елементарний цинк вважається нетоксичним. Часто буває потрібно зберегти цинк саме у вигляді пилу, а не топити його в злитки.
У піротехніці цинковий пил застосовують, щоб отримати блакитне полум'я. Цинковий пил використовується у виробництві рідкісних і благородних металів. Зокрема, таким цинком витісняють золото й срібло з ціаністих розчинів. Як не парадоксально, але і при отриманні самого цинку (і кадмію) гідрометалургійним способом застосовується цинковий пил - для очищення розчину сульфату цинку від міді та кадмію. Але це ще не все. Ви ніколи не замислювалися, чому металеві мости, прольоти заводських цехів та інші великогабаритні вироби з металу найчастіше забарвлюють у сірий колір?
Головна складова частина застосовуваної у всіх цих випадках фарби - все та ж цинковий пил. Змішана з окисом цинку і лляною олією, вона перетворюється на фарбу, яка відмінно оберігає від корозії. Ця фарба до того ж дешева, еластична, добре прилипає до поверхні металу і не відшаровується при температурних перепадах.
Мишачий колір теж швидше гідність, ніж недолік. Вироби, які покривають такою фарбою, повинні бути немарким і в той же час охайні.
На властивостях цинку сильно позначається ступінь його чистоти. При 99,9 і 99,99% чистоти цинк добре розчиняється в кпслотах. Але варто «додати» ще одну дев'ятку (99,999%), і цинк стає нерозчинним у кислотах навіть при сильному нагріванні. Цпнк такої чистоти відрізняється й великою пластичністю: його можна витягати в тонкі нитки. А обичпий цинк можна ппокатать в тонкі листи, лише нагріваючи його до 100 ... 150 ° C. Нагрітий до 250 ° C і вище, аж до точки плавлення, цинк знову стає крихким - відбувається чергова перебудова його кристалічної структури.
Листовий цинк широко застосовують у виробництві гальванічних елементів. Перший «вольтів стовп» складався з кружечків цинку і міді. І в сучасних хімічних джерелах струму негативний електрод найчастіше робиться з елемента № 30.
Значна роль цього елемента в поліграфії. Ми вже згадували про друкарських сплавах на основі цинку, але головне в іншому. З цинку роблять кліше, що дозволяють відтворити у пресі малюнки та фотографії. Спеціально приготовлений і оброблений типографський цинк сприймає фотозображення. Це зображення в потрібних місцях захищають фарбою, і майбутнє кліше протравлюють кислотою. Зображення набуває рельєфності, досвідчені гравери підчищають його, роблять пробні відбитки, а потім ці кліше йдуть у друкарські машини.
До поліграфічного цинку пред'являють особливі вимоги: перш за все він повинен мати мелкокристаллическую структуру, особливо на поверхні злитка. Тому цинк, призначений для поліграфії, завжди відливають у закриті форми. Для «вирівнювання» структури застосовують відпал при 375 ° C з подальшим повільним охолоджуванням і гарячої прокаткою. Строго лімітують і присутність у такому металі домішок, особливо свинцю. Якщо його багато, то не можна буде витравити кліше так, як це потрібно. Якщо ж свинцю менше 0,4%, то важко отримати потрібну мелкокристаллическую структуру. Ось по цій крайці і «ходять» металурги, прагнучи задовольнити запити поліграфії.
Коротко про з'єднання цинку
Ще при перших спробах виплавити цинк із руди в середньовічних хіміків виходив білий наліт, який у книгах того часу називали подвійно: або «білим снігом (nix alba), або« філософської птерстью »(lana philosophica). Неважко здогадатися, що це була окис цинку ZnO - речовина, яка є в житлі кожного міського жителя наших днів.Цей «сніг», будучи замішаним на оліфі, перетворюється на цинкові білила - найпоширеніші пз всіх білил. Окис цинку потрібна не тільки для малярських справ, нею широко користуються багато галузей промисловості. Скляна - для отримання молочного скла і (в малих дозах) для збільшення термостійкості звичайних стекол. У гумовій промисловості й виробництві лінолеуму окис цинку використовують як наповнювач. Відома цинкова мазь насправді не цинкова, а окісноцінковая. Препарати на основі ZnO ефективні при шкірних захворюваннях.
Нарешті, з кристалічною окисом цинку пов'язана одна з найбільших наукових сенсацій 20-х років нашого століття. У 1924 р. один із радіоаматорів міста Томська встановив рекорд дальності прийому. Детекторним приймачем він у Сибіру приймав передачі радіостанцій Франції й Німеччини, причому чутність була більш виразною, ніж у власників однолампових приймачів. Як це могло статися? Справа в тому, що детекторний приймач томського любителя був змонтований за схемою співробітника нижегородської радіолабораторії О.В. Лосєва.
Лосєв установив, що якщо в коливальний контур певним чином включити кристал окису цинку, то останній підсилюватиме коливання високої частоти і навіть порушувати незгасаючі коливання, У наші «веселі транзисторні дні» таке подія пройшла б майже непоміченим, але в 1924 р. винахід Лосєва уявлялося революційним. Ось що говорилося в редакційній статті американського журналу «Radio-News», цілком присвяченій роботі нижегородського винахідника: «Винахід О.В. Лосєва з Державної радіоелектричних лабораторії в Росії робить епоху, і тепер кристал замінить лампу! »
Автор статті виявився провидцем: кристал справді замінив лампу, справедливість, це не Лосевський кристал окису цинку, а кристали інших речовин. Але, між іншим, серед широко вживаних напівпровідникових матеріалів є сполуки цинку. Це його селеніди і теллуріди, антімопід і арсенід.
Ще більш важливе застосування деяких з'єднанні цинку, перш за все його сульфіду, для покриття світяться екранів телевізорів, осцилографів, рентгенівських апаратів. Під дією короткохвильового випромінювання або електронного променя сірчистий цинк набуває здатності світитися, причому ця здатність зберігається і після того, як припинилося опромінення.
Резерфорд, вперше зіткнувшись з явищем післясвічення сірчистого цинку, скористався ним для підрахунку вилітають з ядра альфа-часток. У нескладному приборчике, спінтаріскопе, вдаряючись про екран, покритий сульфідом цинку, ці частинки висікали спалах, видиму оком. А якщо частинки падають на екран досить часто, то замість спалахів з'являється постійне світіння.
Біологічна роль цинку
Фармацевти і медики шанують багато сполук елемента № 30. З часів Парацельса до наших днів у фармакопеї значаться очні цинкові краплі (0,25%-ний розчин ZnSO 4). Як присипка здавна застосовується цинкова сіль стеаринової кислоти. Фенолсульфонат цинку - добрий антисептик. Суспензія, до якої входять інсулін, протамін і хлорид цинку - ефективний засіб проти діабету, що діє краще, ніж чистий інсулін.І разом з тим багато сполук цинку, передусім його сульфат і хлорид, токсичні.
Цинк - один з важливих мікроелементів. І в той же час надлишок цинку для рослин шкідливий.
Біологічна роль цинку двояка і не до кінця з'ясована. Встановлено, що цинк - обов'язкова складова частина ферменту крові карбоангідрази. Цей фермент міститься в еритроцитах. Карбоангідраза прискорює виділення вуглекислого газу в легенях. Крім того, вона допомагає перетворити частину CO 2 в іон НCO 3 -, що грає важливу роль в обміні речовин.
Але навряд чи тільки карбоангидразой обмежується роль цинку в житті тварин і людини. І якби було так, то важко було б пояснити токсичність сполук елемента № 30.
Відомо, що досить багато цинку міститься в отруті змій, особливо гадюк і кобр. Але в той же час відомо, що солі цинку специфічно пригнічують активність цих самих отрут; як показали досліди, під дією солей цинку отрути не руйнуються. Як пояснити таке протиріччя? Вважають, що високий вміст цинку в отруті - це той засіб, яким змія від власного отрути захищається. Але таке твердження ще вимагає суворої експериментальної перевірки. Чекають з'ясування і багато інших деталей загальної проблеми «цинк і життя» ...
Що можна сказати на закінчення про елемент № 30. Тільки одне: елемент цей не дуже ефектний (як не дуже ефектно і цинкове покриття). Але для всіх нас він різнобічно важливий.
Бурундучная руда
Найбільш поширений мінерал цинку - сфалерит, або цинкова обманка ZnS. Різноманітні домішки надають цій речовині всілякі кольори. Мабуть, за це мінерал і називають обманкою. Цинкову обманку вважають первинним мінералом, з якого утворилися інші мінерали елемента № 30: Смітсона ZnCO 3, цинкіт ZnO, каламін 2ZnO · SiO 2 · Н 2 O. На Алтаї нерідко можна зустріти смугасту «бурундучную» руду - суміш цинкової обманки і бурого шпату. Шматок такої руди видали дійсно схожий на зачаївся смугастого звіра.Слово «цинк»
Латинське zincum перекладається як «білий наліт». Звідки пішла ця слово, точно не встановлено. Деякі історики науки та лінгвісти вважають, що воно йде від персидського «Ченг», хоча ця назва відноситься не до цинку, а взагалі до каменів. Інші пов'язують його з древнегерманских «цинков», що означав, зокрема, більмо на оці.За багато століть знайомства людства з цинком назва його неодноразово змінювалося: «спелтер», «тутія», «шпіаутер» ... Загальновизнаним назву «цинк» стало лише в 20-х роках нашого століття.
Цинковий чемпіон
У всякій справі є свій чемпіон: чемпіон з бігу, з боксу, з танців, по швидкісній варінні їжі, з відгадування кросвордів ... З ім'ям Чемпіона (Чемпіона з великої літери) пов'язана історія перших в Європі цинкових виробництв. На ім'я Джона Чемпіона був виданий патент на дистиляційний спосіб отримання цинку з окислених руд. Сталося це в 1739 р., а до 1743 був побудований завод в Брістолі із щорічної продукцією 200 т цинку. Через 19 років той же Д. Чемпіон запатентував спосіб отримання цинку із сульфідних руд.Не в ніч під Івана Купала
За старовинним переказам, папороть цвіте лише в ніч під Івана Купала і охороняє цю квітку нечиста сила. У дійсності папороть як споровое рослина не цвіте взагалі, але слова «папоротеві квіти» можна зустріти на сторінках цілком серйозних наукових журналів. Так називають характерні візерунки цинкових покриттів. Ці візерунки виникають завдяки спеціальним добавкам сурми (до 0,3%) або олова (до 0,5%), які вводять у ванни гарячого пінкованія. На деяких заводах «квіти» отримують інакше, - притискаючи гарячий оцинкований лист до рифленого транспортеру.Чи не батарея, але акумулятор
Перший у світі електромотор був сконструйований академіком Б.С. Якобі. У 1838 р. загальне захоплення викликав його електрохід - човен з електричним двигуном, возівшая вгору і вниз по Неві до 14 пасажирів. Мотор отримував струм від гальванічних батарей. У хорі захоплених відгуків дисонансом прозвучала думка відомого німецького хіміка Юстуса Лібіха: «Набагато вигідніше прямо спалювати вугілля для отримання теплоти або роботи, ніж витрачати це вугілля на добування цинку, а потім вже спалюванням його в батареях отримати роботу в електродвигунах». У кінцевому рахунку Лібіх мав рацію наполовину: як джерело живлення електродвигунів батареї скоро перестали застосовувати. Їх замінили акумуляторами, здатними заповнювати запаси енергії. В акумуляторах до останнього часу цинк не застосовували. Лише в наші дні з'явилися акумулятори з електродами з срібла і цинку. Зокрема, такий акумулятор працював на борту третього радянського штучного супутника Землі.Срібло
| |||||||
Пояснюється це просто; як і золото, срібло колись досить часто зустрічалося в самородному вигляді. Його не доводилося виплавляти з руд.
Про походження російського слова «срібло» вчені й донині не прийшли до єдиної думки. Більшість з них вважають, що це видозмінене «Сарпу», яке у мові давніх ассирійців означало як серп, так і півмісяць. В Ассирії срібло вважалося «металом Місяця» і було таким же священним, як у Єгипті золото.
З розвитком товарних відносин срібло, як і золото, стало виразником вартості. Мабуть, можна сказати, що в цій своїй ролі воно сприяло розвитку торгівлі навіть більше, ніж «цар металів». Воно було дешевше золота, співвідношення вартості цих металів у більшості древніх держав було 1:10. Велику торгівлю зручніше було вести за посередництвом золота, дрібна ж, більш масова, вимагала срібла.
Спочатку для пайки
З інженерної точки зору срібло, подібне до золота, довгий час вважалося марним металом, практично не впливав на розвиток техніки, точніше, майже даремним. Ще в давнину його застосовували для пайки. Температура плавлення срібла не настільки вже висока - 960,5 ° C, нижче, ніж золота (1063 ° C) і міді (1083,2 ° C). Порівнювати з іншими металами не має сенсу: асортимент металів давнини був дуже невеликий. (Навіть набагато пізніше, в середньовіччі, алхіміки вважали, що «сім металів створив світ за кількістю семи планет».)Проте якщо ми розкриємо сучасний довідник з матеріалознавства, то й там знайдемо кілька срібних припоїв: ПСр-10, ПСр-12, ПСр-25; цифра вказує на процентний вміст срібла (решта мідь і 1% цинку). У техніці ці припої займають особливе місце, бо паяний ними шов не тільки міцний і щільний, але і корозійно стійкий. Ніхто, звичайно, не подумає запаювати такими припоями каструлі, відра або консервні банки, але суднові трубопроводи, котли високого тиску, трансформатори, електричні шини в них дуже потребують. Зокрема, сплав ПСр-12 використовують для пайки патрубків, штуцерів, колекторів та іншої апаратури з міді, а також з мідних сплавів з вмістом основного металу більше 58%.
Чим вище вимоги до міцності і корозійної стійкості паяного шва, тим з більшим відсотком срібла застосовуються припої. В окремих випадках використовують припої з 70% срібла. А для пайки титану придатно лише чисте срібло.
М'який свинцево-срібний припій нерідко застосовують як замінник олова. На перший погляд це здається нісенітницею: «Метал консервної банки», як охрестив олово академік А.Є. Ферсман, замінюється валютним металом - сріблом! Проте дивуватися тут нема чому, це питання вартості. Найбільш ходовий олов'яний припій ПОС-40 включає в себе 40% олова і близько 60% свинцю. Заміняє ж його срібний припій містить всього лише 2,5% дорогоцінного металу, а всю іншу масу складає свинець.
Значення срібних припоїв у техніці неухильно зростає. Про це можна судити по недавно опублікованими даними. У них вказувалося, що тільки в США на ці цілі витрачається до 840 т срібла на рік.
Дзеркальне відображення
Інше, майже настільки ж давнє технічне використання срібла - виробництво дзеркал. До того як навчилися отримувати листове скло і скляні дзеркала, люди користувалися відполірованими до блиску металевими пластинками. Золоті дзеркала були занадто дорогі, але не стільки ця обставина перешкоджало їхньому поширенню, скільки жовтуватий відтінок, який вони надавали відображенню. Бронзові дзеркала були порівняно дешеві, але страждали тим же недоліком і до того ж швидко тьмяніли. Відполіровані ж срібні пластини відбивали всі рисочки особи без накладення якого-небудь відтінку і в той же час досить добре зберігалися.Перші скляні дзеркала, що з'явилися ще в I ст. н.е., були «бессеребреннікамі»: скляна пластинка поєднувалася зі свинцевим або олов'яної. Такі дзеркала зникли в середні століття, їх знову потіснили металеві. У XVII ст. була розроблена нова технологія виготовлення дзеркал; їх відбиває поверхня була зроблена з амальгами олова. Проте пізніше срібло повернулося в цю галузь виробництва, витіснивши з неї і ртуть, і олово. Французький хімік Птіжан і німецький - Лібіх розробили рецепти серебрільних розчинів, які (з невеликими змінами) збереглися до нашого часу. Хімічна схема сріблення дзеркал загальновідома: відновлення металевого срібла з аміачного розчину його солей за допомогою глюкози або формаліну.
Прискіпливий читач може запитати: а причому тут техніка?
У мільйонах автомобільних та інших фар світло електричної лампочки посилюється увігнутим дзеркалом. Дзеркала є в безлічі оптичних приладів. Дзеркалами забезпечені маяки.
Дзеркала прожекторів в роки війни допомагали виявити ворога в повітрі, на морі і на суші, іноді за допомогою прожекторів вирішувалися тактичні та стратегічні завдання. Так, при штурмі Берліна військами Першого Білоруського фронту 143 прожектора величезної світлосили засліпили гітлерівців у їх оборонної смузі, і це сприяло швидкому результату операції.
Срібне дзеркало проникає в космос і, на жаль, не тільки в приладах. 7 травня 1968 до Ради Безпеки був спрямований протест уряду Камбоджі проти американського проекту запуску на орбіту супутника-дзеркала. Це супутник - щось на зразок величезного надувного матраца з надлегким металевим покриттям. На орбіті - «матрац» наповнюється газом і перетворюється на гігантське космічне дзеркало, яке, за задумом його творців, мало відображати на Землю сонячне світло і висвітлювати площу в 100 тис. км 2 з силою, рівною світла двох місяців. Призначення проекту - висвітлити великі території В'єтнаму в інтересах військ США і їх сателітів.
Чому так енергійно запротестувала Камбоджа? Справа в тому, що при здійсненні проекту міг порушитися світловий режим рослин, а це в свою чергу викликати неврожай і голод у державах Індокитайського півострова. Протест набрав дію: «матрац» в космос не полетів.
І пластичність, і блиск
«Світле тіло, яке кувати можна», - так визначав метали М.В. Ломоносов. «Типовий» метал повинен володіти високою пластичністю, металевим блиском, дзвінкістю, високу теплопровідність і електропровідність. Стосовно до цих вимог срібло, можна сказати, з металів метал.Судіть самі: зі срібла можна отримати листки товщиною всього лише 0,25 мкм.
Металевий блиск - відбивна здатність, про яку говорилося вище. Можна додати, що останнім часом набули поширення родієвим дзеркала, більш стійкі до впливу вологи і різних газів. Але по відбивної здатності вони поступаються срібним (75 ... 80 і 95 ... 97% відповідно). Тому визнали більш раціональним покриття дзеркал робити таки срібним, а поверх нього наносити найтоншу плівку родію, що охороняє срібло від потьмяніння.
У техніці дуже поширене сріблення. Найтоншу срібну плівку наносять не тільки (і не стільки) заради високої відбивної здатності покриття, а перш за все заради хімічної стійкості і підвищеної електропровідності. Крім того, цього покриття властиві еластичність і прекрасне зчеплення з основним металом.
Тут знову можлива репліка прискіпливого читача: про яку хімічної стійкості може йти мова, коли у попередньому абзаці говорилося про захист срібного покриття родієвій плівкою? Суперечності, як це не дивно, немає. Хімічна стійкість - поняття багатогранне. Срібло краще за багатьох інших металів протистоїть дії лугів. Саме тому стінки трубопроводів, автоклавів, реакторів і інших апаратів хімічної промисловості нерідко покривають сріблом як захисним металом. В електричних акумуляторах з лужним електролітом багато деталей наражаються на небезпеку впливу на них їдкого калію або натру високої концентрації. У той же час деталі ці повинні мати високу електропровідність. Кращого матеріалу для них, ніж срібло, що володіє стійкістю до лугів і чудовою електропровідністю, не знайти. З усіх металів срібло самий електропровідний. Але висока вартість елемента № 47 у багатьох випадках змушує користуватися не срібними, а посрібленими деталями. Срібні покриття гарні ще й тим, що вони міцні і щільні - безпористу.
По електропровідності при нормальній температурі сріблу немає рівних. Срібні провідники незамінні в приладах високої точності, коли неприпустимий ризик. Адже не випадково в роки другої світової війни казначейство США розщедрилися, видавши військовому відомству близько 40 т дорогоцінного срібла. І не на що-небудь, а на заміну міді! Срібло знадобилося авторам «Манхеттенського проекту». (Пізніше стало відомо, що це був шифр робіт зі створення атомної бомби.)
Слід зазначити, що срібло - кращий електропровідниками при нормальних умовах, але, на відміну від багатьох металів і сплавів, воно не стає надпровідником в умовах гранично досяжного холоду. Так само, до речі, веде себе і мідь. Як не парадоксально, але саме ці, чудові по електропровідності метали при наднизьких температурах використовують як електроізоляторів.
Машинобудівники жартома стверджують, що земна куля крутиться на підшипниках. Якщо б так було насправді, то можна не сумніватися - у настільки відповідальному вузлі напевно застосовувалися б багатошарові підшипники, в яких один або кілька шарів срібні. Танки і літаки були першими споживачами дорогоцінних підшипників.
У США, наприклад, виробництво підшипників із срібла почалося у 1942 р., тоді на їх виробництво було виділено 311 т дорогоцінного металу. Через рік ця цифра виросла до 778 т.
Вище ми згадували про такий як металів, як дзвінкість. І по дзвінкості срібло помітно виділяється серед інших металів. Недарма в багатьох казках фігурують срібні дзвіночки. Дзвонових справ майстри здавна додавали срібло у бронзу "для малинового дзвону». У наш час струни деяких музичних інструментів роблять зі сплаву, в якому 90% срібла.
Фото і кіно
Фотографія і кінематограф з'явилися в XIX ст. і дали сріблу ще одну роботу. Особлива якість елемента № 47 - світлочутливість його солей.Більше 100 років відомий фотопроцесу, але в чому його суть, який механізм реакції, що лежить в його основі? До останнього часу це уявляли досить наближено.
На перший погляд все просто: світло збуджує хімічну реакцію, і металеве срібло виділяється з срібної солі, зокрема з бромистого срібла - кращого з світлочутливих матеріалів. У желатині, нанесеної на скло, плівку або папір, ця сіль міститься у вигляді кристалів з іонною решіткою. Можна припустити, що квант світла, падаючи на такий кристал, підсилює коливання електрона на орбіті іона брому і дає йому можливість перейти до іону срібла. Таким чином, підуть реакції:
Br - + hv → Br + e -
та Ag + + e - → Ag
Проте вельми істотно те, що стан AgBr більш стійко, ніж стан Ag + Br. Додатково до цього з'ясувалося, що абсолютно чисте бромисте срібло взагалі позбавлене світлочутливості.
У чому ж тоді справа? Як виявилося, чутливі до дії світла тільки дефектні кристали AgBr. У їх кристалічній решітці є свого роду порожнечі, які заповнені додатковими атомами срібла або брому. Ці атоми більш рухливі і грають роль «електронних пасток», ускладнюючи зворотний перехід електрона до брому. Після того як електрон буде «вибитий з сідла» квантом світла, один із «сторонніх» атомів обов'язково прийме його. Навколо такого «зародка світлочутливості» адсорбуються і закріплюються виділилися із грат атоми срібла. Освітлена платівка нічим не відрізняється від неосвітленій. Зображення на ній з'являється лише після прояви. Цей процес посилює дію «зародків світлочутливості», і зображення після закріплення стає видимим. Така принципова схема, яка дає загальне уявлення про механізм фотопроцесу.
Фото-і кінопромисловість стали найбільшими споживачами срібла. У 1931 р., наприклад, США на ці цілі витрачали 146 т дорогоцінного металу, а в 1958 - вже 933 т.
Старі фотографії та, зокрема, фотодокументи з часом вицвітають. До останнього часу був лише один спосіб їх відновлення - репродукція, перезйомка (з неминучими втратами якості). Зовсім недавно знайдений інший спосіб реставрації старих фотографій.
Знімок опромінюють нейтронами, і срібло, яким він «намальований», перетворюється на свій короткоживучий радіоактивний ізотоп. Протягом декількох хвилин це срібло випускає гамма-промені, і якщо в цей час на фотографію накласти платівку або плівку з дрібнозернистою емульсією, то можна отримати зображення, більш чітке, ніж на оригіналі.
Світлочутливість срібних солей використовують не тільки у фотографії та кіно. Нещодавно з НДР і США майже одночасно надійшли повідомлення про універсальні захисних окулярах. Скло їх виготовлені з прозорих ефірів целюлози, в яких розчинено невелика кількість галогенідів срібла. При нормальному освітленні такі окуляри пропускають близько половини падаючих на них світлових променів. Якщо ж світло стає сильнішим, то пропускна здатність стекол падає до 5 ... 10%, оскільки відбувається відновлення частини срібла і скло, природно, стає менш прозорим. А коли світло знову слабшає, відбувається зворотна реакція і скла набувають велику прозорість.
Атомна служба срібла
Кінематограф і фотографія досягли розквіту в XX ст. і стали споживати срібло в значно більших, ніж раніше, кількостях. Але в другій чверті цього століття з'явився ще один претендент на першочергове використання елемента № 47.У січні 1934 р. була відкрита штучна радіоактивність, що виникає під впливом обстрілу нерадіоактивних елементів альфа-частками. Трохи пізніше Енріко Фермі спробував інші «снаряди» - нейтрони. При цьому реєстрували інтенсивність виникає випромінювання і визначали періоди напіврозпаду нових ізотопів. Опромінювали по черзі всі відомі на той час елементи, і ось що з'ясувалося. Особливо високу радіоактивність під дією бомбардування нейтронами набувало срібло, а період напіврозпаду утворюється при цьому випромінювача не перевищував 2 хвилин. Саме тому срібло стало робочим матеріалом у подальших дослідженнях Фермі, при яких було відкрито такий практично важливе явище, як уповільнення нейтронів.
Пізніше цією особливістю срібла скористалися для створення індикаторів нейтронного випромінювання, а в 1952 р. срібло «доторкнулося» і до проблем термоядерного синтезу: перший залп нейтронів з плазмового «шнура» був зафіксований за допомогою занурених у парафін срібних пластин.
Але атомна служба срібла не обмежується областю чистої науки. З цим елементом стикаються і при вирішенні суто практичних проблем ядерної енергетики.
У сучасних атомних реакторах деяких типів тепло відводять розплавленими металами, зокрема натрієм і вісмутом. У металургії добре відомий процес обезвісмучіванія срібла (вісмут робить срібло менш пластичним). Для атомної техніки важливий зворотний процес - обессеребреніе вісмуту. Сучасні процеси очищення дозволяють отримувати вісмут, в якому домішка срібла мінімальна - не більше трьох атомів на мільйон. Навіщо це потрібно? Срібло, потрап воно в зону ядерної реакції, буде по суті гасити реакцію. Ядра стабільного ізотопу срібло-109 (на його частку в природному сріблі доводиться 48,65%) захоплюють нейтрони і перетворюються в бета-активна срібло-110. А бета-розпад, як відомо, призводить до збільшення атомного номера випромінювача на одиницю. Таким чином, елемент № 47 перетворюється на елемент № 48, кадмій, а кадмій - один з найсильніших гасителів ланцюгової ядерної реакції.
Важко перелічити всі сучасні служби елементу № 47. Срібло потрібно машинобудівникам і скловарів, хімікам та електротехніка. Як і раніше, цей метал привертає увагу ювелірів. Як і раніше, частина срібла йде на виробництво медикаментів. Але головним споживачем елемента № 47 стала сучасна техніка. Не випадково вже досить давно була викарбувана остання у світі чисто срібна монета. Занадто цінний і потрібний цей метал, щоб ходити по руках.
Про це, зрозуміло, знають фармакологи. У клінічній медицині застосовують численні препарати, що містять елемент № 47. Це органічні сполуки, переважно білкові, в які введено до 25% срібла. А відомі ліки колларгол містить його навіть 78%. Цікаво, що в препаратах сильної дії (протаргол, протаргентум) срібла менше, ніж у препаратах м'якого дії (Аргин, соларгеітум, аргірол та інші), але в розчин вони віддають його значно легше.
Визначено механізм дії срібла на мікроорганізми. Виявилося, що воно інактивує певні ділянки молекул ферментів, тобто діє як ферментний отрута. Чому ж тоді ці препарати не пригнічують діяльність ферментів у людському організмі, адже і в ньому обміном речовин керують ферменти? Вся справа в дозуванні. У мікроорганізмах процеси обміну йдуть набагато інтенсивніше, ніж у більш складних. Тому можна підібрати такі концентрації сполук срібла, яких з лишком вистачило б на знищення мікробів, але нешкідливі для людини.
Ляпіс володіє прижигающим і терпкою дією. Взаємодіючи з білками тканин, оп сприяє утворенню білкових солей - альбуминатов. Властиво йому і бактерицидну дію - як і будь-якої розчинної солі срібла. Тому ляпіс широко застосовують не тільки в хімічних лабораторіях, але і в медичній практиці.
30 Zn - Цинк
[Ar] 3d 10 4s 2
Дах з оцинкованого заліза надійно захистить господарів від негоди.
Атомна маса: 65,37
Електронегативність: 1,6
Т пл: 420 ° C
T кіп: 907 ° C
Щільність: 7,14 г / см 3
Білий метал, на повітрі досить стійкий, у вологому повітрі в присутності CO 2 повільно кородує. У кислотах розчиняється, на повітрі при сильному нагріванні згоряє до оксиду цинку. Застосовують для антикорозійного цинкування виробів із заліза та сталі, отримання сплавів, пігментів (цинкові білила), складових антіобрастающіх фарб, компонентів в лакофарбній та парфумерної промисловості, в напівпровідниковій техніці. Мікробіоелемент, входить до складу деяких ферментів і гормонів. Металевий цинк малотоксичний, але його сполуки більш токсичні, тому зберігати продукти (особливо квашені та кисломолочні) в цинковій посуді не можна.
29 Cu - Мідь
[Ar] 3d 10 4s 1
Стародавні цивілізації залишили нам безліч виробів з бронзи.
Атомна маса: 63,54
Електронегативність: 1,9
Т пл: 1083 ° C
T кіп: 2567 ° C
Щільність: 8,93 г / см 3
Рожево-червоний метал з високою тепло-і електропровідністю. У сухому повітрі на холоді майже не окислюється. При нагріванні тьмяніє через утворення плівки оксидів міді. З кислотами, крім азотної, не реагує, розчиняється в розчинах кислот, аміаку і ціанідів у присутності окислювачів. У вологому повітрі у присутності CO 2 утворюється зеленувата плівка Cu (OH) 2 · CuCO 3. У з'єднаннях проявляє ступені окислення 1 +, 2 +, 3 +. Застосовується в основному в електротехнічній промисловості, для виготовлення проводів, кабелів, медьсодержащих матеріалів з високотемпературною провідністю, теплообмінної апаратури. Використовується з найдавніших часів у вигляді сплавів (бронза, латунь та ін.) Відноситься до числа мікробіоелементов, багато сполук міді широко застосовуються в медицині як антисептики і інших лікарських препаратів.
47 Ag - Срібло
[Kr] 4d 10 5s 1
Срібло, як дорогоцінний метал, використовується в ювелірній справі.
Атомна маса: 107,87
Електронегативність: 1,9
Т пл: 962 ° C
T кіп: 2212 ° C
Щільність: 10,5 г / см 3
Білий блискучий метал. На повітрі стійкий, розчиняється в HNO 3, важче в H 2 SO 4. Утворює численні з'єднання. Галогеніди срібла застосовуються у виробництві кіно-і фотоматеріалів. Складає основу сплавів, використовуваних у стоматології, електроніці, електротехніці, в хімічних джерелах струму, ювелірній справі, нумізматиці, у виробництві побутових і технічних дзеркал, посуду, апаратів харчової промисловості
46 Pd - Паладій
[Kr] 4d 10 5s 0
Мідні контакти покривають паладієм, це препятсвует окислення.
Атомна маса: 106,4
Електронегативність: 2,2
Т пл: 1554 ° C
T кіп: 3000 ° C
Щільність: 12 г / см 3
Сріблясто-білий метал. Найбільша активність з усіх платинових металів, розчиняється в царській горілці, гарячих HNO 3 і H 2 SO 4, вище 300 ° С покривається тонкою плівкою оксиду PdO, який вище 850 ° С термічно розкладається, а паладій знову стає стійким. Поглинає до 1000 обсягів H 2 при кімнатній температурі до утворення Pd 3 H 4. Утворює численні координаційні сполуки. Широко застосовується для виготовлення медичного інструментарію, в стоматології. В електроніці використовують для виготовлення великих інтегральних схем, некорродірующіх контактів. Найважливіша галузь застосування - каталізатори гідрування, допалювання вихлопу двигунів внутрішнього згоряння, виготовлення тиглів і фільєр в скловарінні, отримання скляних і синтетичних волокон.
28 Ni - Нікель
[Ar] 3d 8 4s 2
Кулькові підшипники зазвичай виготовляються з нікелю.
Атомна маса: 58,71
Електронегативність: 1,9
Т пл: 1455 ° C
T кіп: 2150 ° C
Щільність: 8,91 г / см 3
Сріблясто-білий метал, при температурі нижче 358 ° С - феромагнетик, не взаємодіє з водою і вологим повітрям, при нагріванні окислення починається вище 800 ° С. З кислотами реагує повільно, добре розчиняється в розведеній HNO 3, в концентрованій HNO 3 пасивується, луги на нього не діють. У водних розчинах NH 3 в присутсвии повітря кородує. Ступені окислення - 2 +, рідше 0, 1 +, 3 +, 4 +. Застосовуються для легування сталей, жаро-і корозійностійкої, магнітних сплавів, конструкційний матеріал для хімічних і ядерних реакторів, електродів акумуляторів, каталізаторів в органічному синтезі, відноситься до мікробіоелементам.
Але атомна служба срібла не обмежується областю чистої науки. З цим елементом стикаються і при вирішенні суто практичних проблем ядерної енергетики.
У сучасних атомних реакторах деяких типів тепло відводять розплавленими металами, зокрема натрієм і вісмутом. У металургії добре відомий процес обезвісмучіванія срібла (вісмут робить срібло менш пластичним). Для атомної техніки важливий зворотний процес - обессеребреніе вісмуту. Сучасні процеси очищення дозволяють отримувати вісмут, в якому домішка срібла мінімальна - не більше трьох атомів на мільйон. Навіщо це потрібно? Срібло, потрап воно в зону ядерної реакції, буде по суті гасити реакцію. Ядра стабільного ізотопу срібло-109 (на його частку в природному сріблі доводиться 48,65%) захоплюють нейтрони і перетворюються в бета-активна срібло-110. А бета-розпад, як відомо, призводить до збільшення атомного номера випромінювача на одиницю. Таким чином, елемент № 47 перетворюється на елемент № 48, кадмій, а кадмій - один з найсильніших гасителів ланцюгової ядерної реакції.
Важко перелічити всі сучасні служби елементу № 47. Срібло потрібно машинобудівникам і скловарів, хімікам та електротехніка. Як і раніше, цей метал привертає увагу ювелірів. Як і раніше, частина срібла йде на виробництво медикаментів. Але головним споживачем елемента № 47 стала сучасна техніка. Не випадково вже досить давно була викарбувана остання у світі чисто срібна монета. Занадто цінний і потрібний цей метал, щоб ходити по руках.
Срібло і медицина
Про бактерицидні властивості срібла, про цілющу «срібної» води писали багато. В особливо великих масштабах воду «сріблять» на океанських кораблях. У спеціальній установці, іонаторе, пропускають змінний струм через воду. Електродами служать срібні пластинки. За годину в розчин переходить до 10 г срібла. Цієї кількості достатньо, щоб дезінфікувати 50 кубометрів питної води. Насичення води іонами срібла суворо дозують: надлишок іонів представляє певну небезпеку - у великих дозах срібло токсично.Про це, зрозуміло, знають фармакологи. У клінічній медицині застосовують численні препарати, що містять елемент № 47. Це органічні сполуки, переважно білкові, в які введено до 25% срібла. А відомі ліки колларгол містить його навіть 78%. Цікаво, що в препаратах сильної дії (протаргол, протаргентум) срібла менше, ніж у препаратах м'якого дії (Аргин, соларгеітум, аргірол та інші), але в розчин вони віддають його значно легше.
Визначено механізм дії срібла на мікроорганізми. Виявилося, що воно інактивує певні ділянки молекул ферментів, тобто діє як ферментний отрута. Чому ж тоді ці препарати не пригнічують діяльність ферментів у людському організмі, адже і в ньому обміном речовин керують ферменти? Вся справа в дозуванні. У мікроорганізмах процеси обміну йдуть набагато інтенсивніше, ніж у більш складних. Тому можна підібрати такі концентрації сполук срібла, яких з лишком вистачило б на знищення мікробів, але нешкідливі для людини.
Замінники срібла
Дефіцит срібла - явище не нове. Ще в першій половині XIX ст. він став причиною конкурсу, переможці якого не тільки отримали великі премії, а й збагатили техніку декількома досить цінними сплавами. Потрібно було знайти рецепти сплавів, здатних замінити столове срібло. Так з'явилися нейзильбер, мельхіор, аргентан, «німецьке срібло», «китайське срібло» ... Все це сплави на основі міді та нікелю з різними добавками (цинк, залізо, марганець та інші елементи).Срібло і скло
Ці дві речовини зустрічаються не тільки у виробництві дзеркал. Срібло потрібно для виготовлення сигнальних стекол і світлофільтрів, особливо коли важлива чистота тонів. Наприклад, в жовтий колір скло можна забарвити кількома способами; окислами заліза, сульфідом кадмію, азотнокислим сріблом. Останній спосіб найкращий. За допомогою окислів заліза дуже важко домогтися сталості забарвлення, сульфід кадмію посилює технологію - при тривалому впливі високих температур він перетворюється на оксид, яка робить скло непрозорим і не забарвлює його. Невелика добавка (0,15 ... 0,20%) азотнокислого срібла надає склу інтенсивну золотисто-жовте забарвлення. Правда, тут є одна тонкість. У процесі варіння з AgNO 3 виділяється мелкодісперсноє срібло і рівномірно розподіляється по скломасі. Однак при цьому срібло залишається безбарвним. Забарвлення з'являється при наведенні - повторному обігріві вже готових виробів. Особливо добре фарбуються сріблом високоякісні свинцеві скла. За допомогою срібних солей можна наносити золотисто-жовте забарвлення на окремі ділянки скляних виробів. А помаранчеве скло отримують, вводячи в скломасу золото і срібло одночасно.Найвідоміша сіль
Прізвище одного з самих запам'ятовуючих персонажів Ільфа і Петрова, Никифора Ляпіса, асоціюється зазвичай зі словом «ляпсус». А ляпіс - азотнокисле срібло - це найвідоміша сіль елемента № 47. Спочатку, за часів алхіміків, цю сіль називали lapis infernalis, що в перекладі з латини на російський означає «пекельний камінь».Ляпіс володіє прижигающим і терпкою дією. Взаємодіючи з білками тканин, оп сприяє утворенню білкових солей - альбуминатов. Властиво йому і бактерицидну дію - як і будь-якої розчинної солі срібла. Тому ляпіс широко застосовують не тільки в хімічних лабораторіях, але і в медичній практиці.
30 Zn - Цинк
[Ar] 3d 10 4s 2
Дах з оцинкованого заліза надійно захистить господарів від негоди.
Білий метал, на повітрі досить стійкий, у вологому повітрі в присутності CO 2 повільно кородує. У кислотах розчиняється, на повітрі при сильному нагріванні згоряє до оксиду цинку. Застосовують для антикорозійного цинкування виробів із заліза та сталі, отримання сплавів, пігментів (цинкові білила), складових антіобрастающіх фарб, компонентів в лакофарбній та парфумерної промисловості, в напівпровідниковій техніці. Мікробіоелемент, входить до складу деяких ферментів і гормонів. Металевий цинк малотоксичний, але його сполуки більш токсичні, тому зберігати продукти (особливо квашені та кисломолочні) в цинковій посуді не можна.
29 Cu - Мідь
[Ar] 3d 10 4s 1
Стародавні цивілізації залишили нам безліч виробів з бронзи.
Рожево-червоний метал з високою тепло-і електропровідністю. У сухому повітрі на холоді майже не окислюється. При нагріванні тьмяніє через утворення плівки оксидів міді. З кислотами, крім азотної, не реагує, розчиняється в розчинах кислот, аміаку і ціанідів у присутності окислювачів. У вологому повітрі у присутності CO 2 утворюється зеленувата плівка Cu (OH) 2 · CuCO 3. У з'єднаннях проявляє ступені окислення 1 +, 2 +, 3 +. Застосовується в основному в електротехнічній промисловості, для виготовлення проводів, кабелів, медьсодержащих матеріалів з високотемпературною провідністю, теплообмінної апаратури. Використовується з найдавніших часів у вигляді сплавів (бронза, латунь та ін.) Відноситься до числа мікробіоелементов, багато сполук міді широко застосовуються в медицині як антисептики і інших лікарських препаратів.
47 Ag - Срібло
[Kr] 4d 10 5s 1
Срібло, як дорогоцінний метал, використовується в ювелірній справі.
Білий блискучий метал. На повітрі стійкий, розчиняється в HNO 3, важче в H 2 SO 4. Утворює численні з'єднання. Галогеніди срібла застосовуються у виробництві кіно-і фотоматеріалів. Складає основу сплавів, використовуваних у стоматології, електроніці, електротехніці, в хімічних джерелах струму, ювелірній справі, нумізматиці, у виробництві побутових і технічних дзеркал, посуду, апаратів харчової промисловості
46 Pd - Паладій
[Kr] 4d 10 5s 0
Мідні контакти покривають паладієм, це препятсвует окислення.
Сріблясто-білий метал. Найбільша активність з усіх платинових металів, розчиняється в царській горілці, гарячих HNO 3 і H 2 SO 4, вище 300 ° С покривається тонкою плівкою оксиду PdO, який вище 850 ° С термічно розкладається, а паладій знову стає стійким. Поглинає до 1000 обсягів H 2 при кімнатній температурі до утворення Pd 3 H 4. Утворює численні координаційні сполуки. Широко застосовується для виготовлення медичного інструментарію, в стоматології. В електроніці використовують для виготовлення великих інтегральних схем, некорродірующіх контактів. Найважливіша галузь застосування - каталізатори гідрування, допалювання вихлопу двигунів внутрішнього згоряння, виготовлення тиглів і фільєр в скловарінні, отримання скляних і синтетичних волокон.
28 Ni - Нікель
[Ar] 3d 8 4s 2
Кулькові підшипники зазвичай виготовляються з нікелю.
Сріблясто-білий метал, при температурі нижче 358 ° С - феромагнетик, не взаємодіє з водою і вологим повітрям, при нагріванні окислення починається вище 800 ° С. З кислотами реагує повільно, добре розчиняється в розведеній HNO 3, в концентрованій HNO 3 пасивується, луги на нього не діють. У водних розчинах NH 3 в присутсвии повітря кородує. Ступені окислення - 2 +, рідше 0, 1 +, 3 +, 4 +. Застосовуються для легування сталей, жаро-і корозійностійкої, магнітних сплавів, конструкційний матеріал для хімічних і ядерних реакторів, електродів акумуляторів, каталізаторів в органічному синтезі, відноситься до мікробіоелементам.