Получение металлов высокой чистоты.

В ряде отраслей техники требуется получение металлов высокой степени чистоты. Например, для ядерных реакторов нужен химически чистый цирконий без примеси гафния. Для электронной промышленности необходим германий, в котором не должно быть более одного атома фосфора, мышьяка или сурьмы на миллион атомов германия. Исследование металлов в чистом состоянии показало, что некогда существовавшие представления об их свойствах являются ошибочными. Так, например, чистые титан, хром оказались настолько пластичными, что их можно ковать, прокатывать в тонкие листы и пр. Алюминий высокой чистоты мягок, как свинец, а его электропроводимость значительно выше.

Чистые металлы можно получить электролизом, но степень их чистоты недостаточно высокая, поэтому для получения металлов ОСЧ – особой чистоты, используют специальные методы:

- переплавка в вакууме (получают ОСЧ литий, щелочно-земельные металлы, хром, марганец, бериллий);

- разложение летучих соединений на раскаленной поверхности (получают ОСЧ титан, цирконий, хром, тантал, ниобий, кремний и др.);

- использование так называемой «зонной плавки» (получают германий, кремний, олово, алюминий, висмут и галлий).

Зонная плавка основана на различной растворимости примесей в твердой и жидкой фазах очищаемого металла. Лодочку или тигель специальной формы со слитком металла передвигают с очень медленной скоростью (несколько мм в час) через печь При этом происходит расплавление небольшого участка (зоны) металла. По мере продвижения тигля зона жидкого металла перемещается от одного конца слитка к другому. Примеси, содержащиеся в металле, собираются в зоне плавления, перемещаются вместе с ней и после окончания плавки оказываются в конце слитка. Многократное повторение операции дает возможность получить металл высокой степени чистоты.

 

Дополнения к теме «Физико-хмический анализ»

Многочисленные работы Ник. Семен. Курнакова по выяснению природы металлических сплавов внесли ясность в понимание процессов, происходящих при затвердевании сплавов. В частности, при изучении сплавов были открыты химические соединения, состав которых может меняться в широких пределах. Эти соединения, состав которых может меняться в широких пределах, Курнаков назвал бертоллидами, по имени французского химика Бертолле, допустившего их существование. Тогда как соединения постоянного состава (подчиняющиеся закону постоянства состава), были названы дальтониды. Стехиометрическое соотношение компонентов, образующих химическое соединение постоянного состава соблюдается только в парообразном состоянии, в молекулярных кристаллах и жидкостях. Исходя из вышесказанного, можно дать более развернутое определение, что такое химическое соединение. Химическое соединение – это вещество постоянного или переменного состава, образованное из атомов одного или нескольких химических элементов, с качественно своеобразным химическим и кристаллохимическим строением.

При сплавлении металлов может образоваться твердый раствор или химическое соединение переменного состава. В отличие от твердых растворов (общее между растворами и хим. соединениями – однородность и наличие теплового эффекта при образовании), соединение переменного состава характеризуется только ему присущим кристаллохимическим строением, отличающимся от строения исходных компонентов.

Условием образования

 

Металлы и сплавы

Большинство металлов не растворяются в воде, органических растворителях, но в расплавленном состоянии они могут взаимно растворяться или смешиваться с друг другом, образуя сплавы – продукты сплавления или спекания двух и более компонентов, обладающих свойствами как исходных веществ, так и новыми свойствами. Компонентами сплавов могут быть металлы, металлы и неметаллы, а также только неметаллы. Поэтому различают металлические и неметаллические сплавы (например, керамические материалы – сплавы различных оксидов и солей и стеклообразные). Для металлических сплавов характерен металлический тип химической связи; в неметаллических – связь ковалентная, а также смешанного типа – ионно-ковалентная. Сплавы могут быть стехиометрическими (дальтониды) и нестихиометрическими соединениями (бертоллиды). Следует помнить следующее. Стехиометрическое соотношение компонентов, образующих химическое соединение постоянного состава соблюдается только в парообразном состоянии, в молекулярных кристаллах и жидкостях. Химические соединения, состав которых может меняться в широких пределах называются соединениями переменного состава – бертоллидами, в честь французкого химика Бертолле. Бертоллиды – это кристаллические вещества. Например, известно, что формула оксида железа (II) не FeO, а Fe_0,95O. Исходя из вышесказанного, существует развернутое определение, что такое химическое соединение. Химическое соединение – это вещество постоянного или переменного состава, образованное из атомов одного или нескольких химических элементов, с качественно своеобразным химическим и кристаллохимическим строением.

Примеры широко распространенных металлических сплавов:

- дюраль 95%алюминия+4%меди +по 0,5% магния и марганца;

- силумин – алюминий с добавками кремния;

- нейзельбер («немецкое серебро») Ni-Zn-Cu (1:1:2);

- бронза – сплав меди с добавками олова, но могут быть и другие компоненты, и соответствующие названия (бериллиевая бронза – бериллия с медью, никелевая бронза – сплав никеля с медью);

- нихром – сплав никеля с хромом, мельхиор (+медь?);

- сплавы на основе железа - чугун 93%железа +5%углерода, а также кремний, марганец, сера; сталь – менее 0,3% углерода (твердые стали -0,3-2%С).

Есть понятие легирование металла - введение добавок для улучшения свойств металла. Чаще всего легируют сталь. Легированная сталь – это сталь, в которую для улучшения ее механических свойств и коррозионной устойчивости вводят другие металлы. Если количество добавленных металлов не превышает 3%, то такую сталь называют низколегированной. Стали, содержащие от 1-4% никеля и 0,5-2% хрома (высоколегированные) применяются для производства артиллерийских орудий, брони, бронебойных снарядов, оболочек для пуль и пр.

 

При сплавлении металлов может образоваться твердый раствор – простое растворение одного металла в другом или, что чаще всего происходит, металлы вступают друг с другом во взаимодействие, образуя химическое соединение переменного состава. Твердый раствор – это твердая однородная смесь кристаллических или аморфных (стеклообразных) веществ переменного состава.

В отличие от твердых растворов (общее между растворами и хим. соединениями – однородность и наличие теплового эффекта при образовании), химическое соединение переменного состава характеризуется только ему присущим кристаллохимическим строением, отличающимся от строения исходных компонентов. Химические соединения металлов друг с другом называют интерметаллическими сплавами: Cu₅Zn₈, MgCuAl₂, Al₆Mn. Многие металлы образуют несколько различных соединений друг с другом в составе одного сплава, например: AuZn, Au₃Zn₅, AuZn₃, Na₄Sn, NaSn, NaSn₂. Интерметаллические соединения способны растворяться в жидком аммиаке, образуя проводящие ток растворы. При электролизе таких растворов один металл выделяется на аноде (свинец - в сплавах свинец-натрий), а на катоде – натрий. В растворах интерметаллические соединения могут вступать в реакции обмена, замещения с солями: Ca(NO₃)₂ + K₄Pb = Ca₂Pb + 4KNO₃.

Таким образом, сплавы представляют собой смеси свободных металлов и их химических соединений, образование которых сопровождается значительным тепловым эффектом. Например, алюминий в расплаве меди раскаляется добела. Свойства сплавов во многом отличаются от свойств металлов, образующих сплавы, не являясь их среднеарифметическим, т.к. идет образование твердых растворов или химических соединений. Температура плавления сплава бываетдаже ниже температуры плавления наиболее легкоплавкого металла. Наоборот, твердость сплавов часто больше с=твердости составляющих их металлов.

Большинство сплавов смешиваются друг с другом в любых пропорциях. Но некоторые металлы растворяются в другом до известного предела. Например, цинк со свинцом при остывании смеси образуют два слоя: нижний свинец, в котором растворено немного цинка и верхний – цинк, в котором растворено немного свинца.

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Аналитическая химия – это раздел химии, изучающий свойства и процессы превращения веществ с целью установления их химического состава. Установление химического состава веществ (химическая идентификация) – это ответ на вопрос о том, какие элементы или их соединения и в каких количественных соотношениях содержаться в анализируемом образце. Аналитическая химия развивает теоретические основы химического анализа веществ и материалов, разрабатывает методы идентификации, обнаружения, разделения и определения химических элементов и их соединений, а также методы установления строения вещества. Обнаружение или, как говорят, открытие элементов или ионов, входящих в состав исследуемого вещества, составляют предмет качественного анализа. Определение концентраций или количества химических веществ, входящих в состав анализируемых объектов, составляет задачу количественного анализа. Качественный анализ обычно предшествует количественному анализу, так как для выполнения количественного анализа требуется знать качественный состав анализируемого образца. Когда состав изучаемого объекта известен заранее, качественный анализ проводят по мере необходимости.

 

 

МЕТОДЫ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ

Для обнаружения какого-либо компонента обычно используют так называемый аналитический сигнал. А налитический сигнал – этовидимые изменения в самом объекте исследования (образование осадка, изменение окраски и т.д.) или изменение параметров измерительных приборов (отклонение стрелки прибора, изменение цифрового отсчета, появление линии в спектре и пр.). Для получения аналитического сигнала используют химические реакции разных типов (ионообменные, комплексообразования, окислительно-восстановительные), различные процессы (например, осаждение, выделение газов), а также разнообразные химические, физические и биологические свойства самих веществ и продуктов их реакций. Поэтому аналитическая химия располагает различными методами для решения своих задач.

Химические методы (химический анализ) основаны на проведении химической реакции между изучаемым образцом и специально подобранными реактивами. В химических методах аналитический сигнал, возникающий в результате химической реакции, наблюдают, главным образом, визуально.

В физико-химических методах анализа используются определенные свойства химических веществ и происходящие с ними химические реакции. но аналитическим сигналом служит какое-нибудь физическое свойство (электрический потенциал, сила тока, сопротивление) или параметр (температура фазовых превращений, твердость, плотность, вязкость, давление насыщенного пара, скорость абсорбции и др.).

Физико-химические методыанализа часто основаны на количественном изучении зависимости состав – физическое свойство объекта. Аналитический сигнал – какое-либо физическое свойство (температура фазовых превращений, твердость, плотность, вязкость, давление насыщенного пара и т.п.), связан определенной функциональной зависимостью с составом и концентрацией объекта исследования. Физико-химические методы исследования обычно требуют применения высокочувствительной аппаратуры. Достоинствами этих методов являются их объективность, возможность автоматизации и быстрота получения результатов. Примером физико-химического метода анализа является потенциометрическое определение рН раствора с помощью измерительных приборов - потенциометров. Этот метод позволяет не только измерять, но и непрерывно следить за изменением рН при протекании в растворах каких-либо процессов.

В физических методах анализа аналитический сигнал, как правило, получают и регистрируют с помощью специальной аппаратуры. К физическим методам, прежде всего, относятся оптические спектроскопические методы анализа, основанные на способности атомов и молекул испускать, поглощать и рассеивать электромагнитное излучение. Регистрируя испускание, поглощение или рассеяние электромагнитных волн анализируемым образцом, получают совокупность сигналов, характеризующих ее качественный и количественный состав.

Между всеми тремя методами нет резкой границы, поэтому это деление несколько условно. Например, в химических методах пробу подвергают сначала действию какого-либо реагента, т.е. проводят определенную химическую реакцию, и только после этого наблюдают и измеряют физическое свойство. При анализе физическими методами наблюдение и измерение выполняют непосредственно с анализируемым материалом, используя специальную аппаратуру, причем химические реакции, если они проводятся, играют вспомогательную роль. В соответствии с этим в химических методах анализа главное внимание уделяют правильному выполнению химической реакции, в то время как в физико-химических и физических методах основной упор делается на соответствующее аппаратурное обеспечение измерения – определение физического свойства.