Свойства переходных металлов восьмой группы
Общие сведения
К переходным металлам восьмой группы побочной подгруппы периодической системы относятся элементы, которые традиционно классифицируются на два обширных структурных блока: семейство железа и семейство платиновых металлов. Семейство железа включает непосредственно железо, кобальт и никель. Платиновые металлы представлены рутением, родием, палладием, осмием, иридием и платиной. Железо является одним из наиболее распространенных элементов в литосфере Земли, составляя около четырех процентов ее массы, и занимает второе место по распространенности среди всех металлов, уступая лишь алюминию. Кобальт и никель встречаются в природе в значительно меньших концентрациях. Ежегодное мировое потребление железа исчисляется сотнями миллионов тонн, тогда как использование никеля и кобальта составляет сотни и десятки тысяч тонн соответственно.
Электронная конфигурация атомов металлов семейства железа обуславливает их химическую активность и способность проявлять несколько степеней окисления. Наиболее типичными и стабильными для них являются степени окисления плюс два и плюс три. Важной химической закономерностью данной подгруппы является то, что при переходе от железа к никелю термодинамическая устойчивость соединений с низшими степенями окисления последовательно возрастает, а соединений с высшими степенями окисления, напротив, падает. Все элементы восьмой побочной подгруппы представляют собой металлы, находящие широчайшее применение в тяжелой промышленности, точном машиностроении и каталитической химии.
Классификация
Элементы восьмой группы классифицируются на основе их атомной структуры, физико-химических свойств и механических характеристик. Металлы семейства железа выделяются в отдельную группу ферромагнетиков — материалов, обладающих способностью к сильному намагничиванию во внешних магнитных полях. Платиновые металлы классифицируются по своим механическим свойствам на две подгруппы: металлы, хорошо поддающиеся механической обработке давлением (платина, палладий, родий), и твердые, хрупкие металлы, ковка и прокатка которых крайне затруднительна (осмий, иридий, рутений).
Главная промышленная классификация материалов на основе железа базируется на массовой доле растворенного в нем углерода. Сплавы железа подразделяются на чугуны и стали. Чугуны содержат до четырех процентов углерода. В зависимости от структурного состояния углерода чугуны делятся на белый чугун (где углерод связан в химическое соединение цементит, придающее материалу хрупкость) и серый чугун (в котором углерод находится в свободном состоянии в виде графита). Модификации серого чугуна включают ковкий чугун с хлопьевидным графитом и высокопрочный чугун, в котором благодаря специальным добавкам графит кристаллизуется в форме сфер. Стали содержат менее двух процентов углерода и делятся по химическому составу на углеродистые и легированные. По эксплуатационному назначению стали классифицируются на конструкционные, инструментальные, нержавеющие, жаропрочные и магнитные.
Способы получения
Металлургические способы получения сплавов на основе переходных металлов восьмой группы заключаются в высокотемпературном расплавлении базовых элементов с добавлением углерода и различных легирующих компонентов. Сталь массово получают путем окислительной переработки (обезуглероживания) чугуна, снижая в нем концентрацию углерода и удаляя вредные примеси (фосфор, серу). Для синтеза легированных сталей и чугунов с заданными физико-механическими параметрами в расплав вводят строго дозированные количества хрома, марганца, никеля, вольфрама или магния.
В лабораторной и промышленной химической практике чистые мелкодисперсные порошки переходных металлов получают специфическими методами восстановления. Эти порошки обладают колоссальной реакционной способностью, легко вступая в реакции с галогенами с образованием соответствующих солей (например, хлорида кобальта).
Способы получения сложных комплексных соединений базируются на реакциях в водных растворах солей переходных металлов с различными лигандами. Идентификация ионов железа в растворах осуществляется посредством реакций с гексацианоферратами калия (желтой или красной кровяной солью). В результате таких реакций выпадают интенсивные синие осадки комплексных соединений (берлинская лазурь или турнбуллева синь), что широко применяется в аналитической химии.
Свойства
Металлы семейства железа представляют собой блестящие белые вещества с сероватым отливом. Они характеризуются высокими значениями теплопроводности и электрической проводимости. Железо и никель обладают высокой пластичностью, хорошо куются и вытягиваются в проволоку. Температуры плавления железа, кобальта и никеля достаточно близки друг к другу.
Химические свойства железа обусловлены его средней химической активностью. В присутствии влаги железо подвергается интенсивной электрохимической коррозии, покрываясь слоем гидратированного оксида железа (ржавчины). Эта бурая пленка является пористой и не защищает металл от дальнейшего разрушения, в отличие от плотных оксидных пленок алюминия. При сильном нагревании железо окисляется с образованием железной окалины. Оно легко растворяется в кислотах средней концентрации, однако концентрированная азотная кислота вызывает его пассивацию. Железо образует амфотерные оксиды и соли, а также производные неустойчивой железной кислоты со степенью окисления плюс шесть.
Кобальт обладает более высокой химической стойкостью по сравнению с железом. Он медленнее растворяется в кислотах и устойчив к воздействию воды и воздуха при нормальных условиях. Для кобальта характерно образование множества устойчивых катионных и анионных комплексных соединений с координационным числом шесть. Никель отличается еще большей инертностью на воздухе, так как немедленно покрывается тончайшей пассивирующей пленкой оксида. Он вступает во взаимодействие с галогенами лишь при нагревании свыше пятисот градусов Цельсия и растворяется исключительно в разбавленной азотной кислоте.
Платиновые металлы характеризуются серебристо-белым цветом, исключительной тугоплавкостью и выдающейся химической инертностью. Рутений, родий и иридий абсолютно не поддаются воздействию растворителей и не растворяются даже в царской водке. Платина не окисляется кислородом воздуха при любых температурах и растворяется только в царской водке с образованием комплексной гексахлороплатиновой кислоты. Палладий наименее химически устойчив в этой группе: он окисляется при высоких температурах, энергично реагирует с царской водкой и способен растворяться в горячих концентрированных азотной и серной кислотах. Уникальным физическим свойством палладия является его способность растворять огромные объемы газообразного водорода. В соединениях платиновых металлов могут наблюдаться чрезвычайно высокие степени окисления вплоть до плюс восьми.
Применение
Сплавы на основе железа выступают главным конструкционным материалом современной цивилизации. Серый чугун, обладающий хорошими литейными свойствами и способностью гасить вибрации, массово применяется в машиностроении для изготовления станин тяжелых металлорежущих станков и базовых механизмов. Высокопрочный ковкий чугун используется для создания ответственных деталей, подвергающихся переменным нагрузкам (коленчатые валы, гидравлические вентили, корпуса насосов). Конструкционные углеродистые и легированные стали идут на строительство мостов, зданий и несущих металлоконструкций. Инструментальные хромированные стали незаменимы для производства сверхтвердого режущего и измерительного инструмента.
Никель и кобальт критически важны для получения жаропрочных и специальных сплавов. Сплавы никеля с хромом и другими элементами (монель-металл, нихром) сохраняют свою прочность и стойкость к окислению при температурах около тысячи градусов Цельсия, что делает их безальтернативными материалами для турбинных лопаток реактивных авиационных двигателей. Кобальт является важнейшим компонентом твердых сплавов типа стеллита и победита, используемых при сверхскоростной металлообработке и бурении горных пород. Кроме того, мелкодисперсные порошки никеля широко используются в качестве катализаторов в органическом синтезе.
Инертность и каталитическая активность платины обуславливают ее применение в химическом машиностроении для создания коррозионностойкой аппаратуры, электродов для агрессивных процессов и эталонной лабораторной посуды. Палладий также применяется как высокоэффективный катализатор. В электротехнической и радиотехнической промышленности сплавы палладия с золотом и серебром используются для производства высокоточных, не подверженных окислению слаботочных контактов и компонентов прецизионной аппаратуры.
См. также
Свойства переходных металлов третьей- седьмой групп Скорость гетерогенных химических реакций