Proprietà e applicazioni dei metalli refrattari puri. Il valore dei metalli puri nella grande enciclopedia sovietica, bse I

Se nella tavola periodica degli elementi di DI Mendeleev disegniamo una diagonale dal berillio all'astato, allora in basso a sinistra lungo la diagonale ci saranno elementi metallici (includono anche elementi di sottogruppi secondari, evidenziati in blu), e in alto a destra - elementi non metallici (evidenziati in giallo). Gli elementi situati vicino alla diagonale - semimetalli o metalloidi (B, Si, Ge, Sb, ecc.) Hanno un doppio carattere (evidenziato in rosa).

Come si può vedere dalla figura, la stragrande maggioranza degli elementi sono metalli.

Per loro natura chimica, i metalli sono elementi chimici i cui atomi donano elettroni dai livelli energetici esterni o pre-esterni, formando così ioni caricati positivamente.

Quasi tutti i metalli hanno raggi relativamente grandi e un piccolo numero di elettroni (da 1 a 3) a livello di energia esterna. I metalli sono caratterizzati da bassi valori di elettronegatività e proprietà riducenti.

I metalli più tipici si trovano all'inizio dei periodi (a partire dal secondo), più avanti da sinistra a destra, le proprietà metalliche si indeboliscono. In un gruppo dall'alto verso il basso, le proprietà metalliche sono migliorate, poiché il raggio degli atomi aumenta (a causa di un aumento del numero di livelli di energia). Ciò porta ad una diminuzione dell'elettronegatività (la capacità di attrarre elettroni) degli elementi e ad un aumento delle proprietà riducenti (la capacità di donare elettroni ad altri atomi nelle reazioni chimiche).

tipico i metalli sono elementi s (elementi del gruppo IA da Li a Fr. elementi del gruppo PA da Mg a Ra). La formula elettronica generale dei loro atomi è ns 1-2. Sono caratterizzati rispettivamente dagli stati di ossidazione + I e + II.

Il piccolo numero di elettroni (1-2) nel livello di energia esterno dei tipici atomi di metallo suggerisce che questi elettroni si perdono facilmente e mostrano forti proprietà riducenti, che riflettono bassi valori di elettronegatività. Ciò implica le proprietà chimiche e i metodi limitati per ottenere metalli tipici.

Una caratteristica dei metalli tipici è la tendenza dei loro atomi a formare cationi e legami chimici ionici con atomi non metallici. I composti di metalli tipici con non metalli sono cristalli ionici "anione catione metallico di non metallo", ad esempio K + Br -, Ca 2+ O 2-. Tipici cationi metallici sono anche inclusi in composti con anioni complessi - idrossidi e sali, ad esempio Mg 2+ (OH -) 2, (Li +) 2CO 3 2-.

I metalli del gruppo A che formano la diagonale anfotera nella tavola periodica Be-Al-Ge-Sb-Po, così come i metalli ad essi adiacenti (Ga, In, Tl, Sn, Pb, Bi) non presentano proprietà tipicamente metalliche. La formula elettronica generale dei loro atomi n.s 2 np 0-4 implica una maggiore varietà di stati di ossidazione, una maggiore capacità di trattenere i propri elettroni, una graduale diminuzione della loro capacità riducente e la comparsa di una capacità ossidante, soprattutto in stati di elevata ossidazione (tipici esempi sono i composti Tl III, Pb IV, Bi v). Un comportamento chimico simile è anche caratteristico della maggior parte degli (elementi d, cioè elementi dei gruppi B del sistema periodico ( esempi tipici- elementi anfoteri Cr e Zn).

Questa manifestazione di proprietà di dualità (anfotere), sia metalliche (basiche) che non metalliche, è dovuta alla natura del legame chimico. Allo stato solido, i composti di metalli atipici con non metalli contengono legami prevalentemente covalenti (ma meno forti dei legami tra non metalli). In soluzione, questi legami si rompono facilmente e i composti si dissociano in ioni (completamente o parzialmente). Ad esempio, il gallio metallico è costituito da molecole di Ga 2, allo stato solido i cloruri di alluminio e mercurio (II) AlCl 3 e HgCl 2 contengono legami fortemente covalenti, ma in una soluzione AlCl 3 si dissocia quasi completamente e HgCl 2 - in misura molto piccola (e anche allora in HgCl + e Cl - ioni).

Proprietà fisiche generali dei metalli

A causa della presenza di elettroni liberi ("gas di elettroni") nel reticolo cristallino, tutti i metalli presentano le seguenti proprietà generali caratteristiche:

1) Plastica- la capacità di cambiare facilmente forma, allungarsi in un filo, arrotolarsi in fogli sottili.

2) lucentezza metallica e opacità. Ciò è dovuto all'interazione degli elettroni liberi con la luce incidente sul metallo.

3) Conduttività elettrica. È spiegato dal movimento diretto di elettroni liberi dal polo negativo a quello positivo sotto l'influenza di una piccola differenza di potenziale. Quando riscaldato, la conduttività elettrica diminuisce, perché. all'aumentare della temperatura aumentano le vibrazioni di atomi e ioni nei nodi del reticolo cristallino, il che rende difficile il movimento diretto del "gas di elettroni".

4) Conduttività termica.È dovuto all'elevata mobilità degli elettroni liberi, grazie alla quale la temperatura viene rapidamente equalizzata dalla massa del metallo. La più alta conducibilità termica è in bismuto e mercurio.

5) Durezza. Il più duro è il cromo (taglia il vetro); più morbido - metalli alcalini- potassio, sodio, rubidio e cesio - tagliati con un coltello.

6) Densità.È minore, minore è la massa atomica del metallo e maggiore è il raggio dell'atomo. Il più leggero è il litio (ρ=0,53 g/cm3); il più pesante è l'osmio (ρ=22,6 g/cm3). I metalli con densità inferiore a 5 g/cm3 sono considerati "metalli leggeri".

7) Punti di fusione e di ebollizione. Il metallo più fusibile è il mercurio (p.f. = -39°C), il metallo più refrattario è il tungsteno (t°m. = 3390°C). Metalli con t°pl. sopra i 1000°C sono considerati refrattari, sotto - basso punto di fusione.

Proprietà chimiche generali dei metalli

Agenti riducenti forti: Me 0 – nē → Me n +

Numerose sollecitazioni caratterizzano l'attività comparativa dei metalli nelle reazioni redox in soluzioni acquose.

I. Reazioni di metalli con non metalli

1) Con ossigeno:
2Mg + O2 → 2MgO

2) Con zolfo:
Hg + S → HgS

3) Con alogeni:
Ni + Cl2 – t° → NiCl2

4) Con azoto:
3Ca + N 2 – t° → Ca 3 N 2

5) Con fosforo:
3Ca + 2P – t° → Ca 3 P 2

6) Con idrogeno (reagiscono solo i metalli alcalini e alcalino terrosi):
2Li + H2 → 2LiH

Ca + H2 → CaH2

II. Reazioni di metalli con acidi

1) I metalli che si trovano nella serie elettrochimica di tensioni fino a H riducono gli acidi non ossidanti in idrogeno:

Mg + 2HCl → MgCl 2 + H 2

2Al+ 6HCl → 2AlCl 3 + 3H 2

6Na + 2H 3 PO 4 → 2Na 3 PO 4 + 3H 2

2) Con acidi ossidanti:

Nell'interazione di acido nitrico di qualsiasi concentrazione e acido solforico concentrato con metalli l'idrogeno non viene mai rilasciato!

Zn + 2H2SO4 (K) → ZnSO4 + SO2 + 2H2O

4Zn + 5H2SO4(K) → 4ZnSO4 + H2S + 4H2O

3Zn + 4H2SO4(K) → 3ZnSO4 + S + 4H2O

2H 2 SO 4 (c) + Cu → Cu SO 4 + SO 2 + 2H 2 O

10HNO3 + 4Mg → 4Mg(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O

4HNO 3 (c) + Сu → Сu (NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O

III. Interazione dei metalli con l'acqua

1) Gli attivi (metalli alcalini e alcalino terrosi) formano una base solubile (alcali) e l'idrogeno:

2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2

Ca+ 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2

2) I metalli di media attività vengono ossidati dall'acqua quando riscaldati all'ossido:

Zn + H 2 O – t° → ZnO + H 2

3) Inattivo (Au, Ag, Pt) - non reagire.

IV. Spostamento da parte di metalli più attivi di metalli meno attivi da soluzioni dei loro sali:

Cu + HgCl 2 → Hg + CuCl 2

Fe+CuSO4 → Cu+FeSO4

Nell'industria, spesso non vengono usati metalli puri, ma le loro miscele - leghe in cui le proprietà benefiche di un metallo sono integrate dalle proprietà benefiche di un altro. Quindi, il rame ha una bassa durezza ed è di scarsa utilità per la fabbricazione di parti di macchine, mentre le leghe di rame con zinco ( ottone) sono già piuttosto dure e sono ampiamente utilizzate nell'ingegneria meccanica. L'alluminio ha un'elevata duttilità e una leggerezza sufficiente (bassa densità), ma è troppo morbido. Sulla sua base viene preparata una lega con magnesio, rame e manganese: duralluminio (duralluminio), che, senza perdere proprietà utili alluminio, acquista un'elevata durezza e diventa adatto all'industria aeronautica. Le leghe di ferro con carbonio (e aggiunte di altri metalli) sono ampiamente conosciute ghisa E acciaio.

I metalli in forma libera lo sono agenti riducenti. Tuttavia, la reattività di alcuni metalli è bassa a causa del fatto che sono ricoperti di pellicola di ossido superficiale, a vari livelli resistente all'azione di tale sostanze chimiche come acqua, soluzioni di acidi e alcali.

Ad esempio, il piombo è sempre ricoperto da un film di ossido, la sua transizione in soluzione richiede non solo l'esposizione a un reagente (ad esempio acido nitrico diluito), ma anche il riscaldamento. Il film di ossido sull'alluminio impedisce la sua reazione con l'acqua, ma viene distrutto sotto l'azione di acidi e alcali. Film di ossido sciolto (ruggine), formato sulla superficie del ferro in aria umida, non interferisce con l'ulteriore ossidazione del ferro.

Sotto l'influenza concentrato gli acidi si formano sui metalli sostenibile pellicola di ossido. Questo fenomeno è chiamato passivazione. Quindi, in concentrato acido solforico passivato (e quindi non reagisce con l'acido) metalli come Be, Bi, Co, Fe, Mg e Nb, e in acido nitrico concentrato - metalli Al, Be, Bi, Co, Cr, Fe, Nb, Ni, Pb, Th e U.

Quando interagiscono con agenti ossidanti in soluzioni acide, la maggior parte dei metalli si trasforma in cationi, la cui carica è determinata dallo stato di ossidazione stabile di un dato elemento nei composti (Na +, Ca 2+, A1 3+, Fe 2+ e Fe 3+)

L'attività riducente dei metalli in soluzione acida è trasmessa da una serie di sollecitazioni. La maggior parte dei metalli viene convertita in una soluzione di acido cloridrico e acido solforico diluito, ma Cu, Ag e Hg - solo acido solforico (concentrato) e nitrico, e Pt e Au - "acqua regia".

Corrosione dei metalli

indesiderato proprietà chimica i metalli sono loro, ad es. distruzione attiva (ossidazione) a contatto con l'acqua e sotto l'influenza dell'ossigeno disciolto in essa (corrosione da ossigeno). Ad esempio, la corrosione dei prodotti di ferro nell'acqua è ampiamente nota, a seguito della quale si forma la ruggine e i prodotti si sbriciolano in polvere.

La corrosione dei metalli procede in acqua anche per la presenza di gas CO 2 e SO 2 disciolti; viene creato un ambiente acido e i cationi H + vengono spostati da metalli attivi sotto forma di idrogeno H 2 ( corrosione da idrogeno).

Il punto di contatto tra due metalli dissimili può essere particolarmente corrosivo ( corrosione da contatto). Tra un metallo, come Fe, e un altro metallo, come Sn o Cu, posto in acqua, si verifica una coppia galvanica. Il flusso di elettroni va dal metallo più attivo, che si trova a sinistra nella serie di tensioni (Re), al metallo meno attivo (Sn, Cu), e il metallo più attivo viene distrutto (corrode).

È per questo motivo che la superficie stagnata delle lattine (ferro stagnato) si arrugginisce se conservata in un'atmosfera umida e maneggiata con noncuranza (il ferro collassa rapidamente anche dopo che appare un piccolo graffio, consentendo il contatto del ferro con l'umidità). Al contrario, la superficie zincata di un secchio di ferro non arrugginisce a lungo, perché anche se ci sono graffi, non è il ferro che si corrode, ma lo zinco (un metallo più attivo del ferro).

La resistenza alla corrosione per un dato metallo è migliorata quando è rivestito con un metallo più attivo o quando sono fusi; ad esempio, rivestire il ferro con cromo o realizzare una lega di ferro con cromo elimina la corrosione del ferro. Ferro cromato e acciaio contenente cromo ( acciaio inossidabile) hanno un'elevata resistenza alla corrosione.

elettrometallurgia, cioè, ottenere metalli mediante elettrolisi di fusioni (per i metalli più attivi) o soluzioni saline;

pirometallurgia, cioè il recupero di metalli da minerali ad alta temperatura (ad esempio, la produzione di ferro nel processo di altoforno);

idrometallurgia, cioè l'isolamento dei metalli dalle soluzioni dei loro sali da parte di metalli più attivi (ad esempio, la produzione di rame da una soluzione CuSO 4 mediante l'azione di zinco, ferro o alluminio).

I metalli nativi a volte si trovano in natura (esempi tipici sono Ag, Au, Pt, Hg), ma più spesso i metalli sono sotto forma di composti ( minerali metallici). Per prevalenza nella crosta terrestre, i metalli sono diversi: dai più comuni - Al, Na, Ca, Fe, Mg, K, Ti) ai più rari - Bi, In, Ag, Au, Pt, Re.

Per molto tempo, anche alcuni altri metalli sono stati considerati fragili: cromo, molibdeno, tungsteno, tantalio, bismuto, zirconio, ecc. Tuttavia, questo fino a quando non hanno imparato come ottenerli in una forma sufficientemente pura. Fatto ciò si è scoperto che questi metalli sono molto duttili anche a basse temperature. Inoltre, non arrugginiscono e hanno una serie di altre preziose proprietà. Ora questi metalli sono ampiamente utilizzati in vari settori.

Ma cos'è un metallo puro? Si scopre che non esiste una risposta definitiva neanche a questo. Convenzionalmente, in base alla purezza, i metalli sono divisi in tre gruppi: tecnicamente puri, chimicamente puri ed extra puri. Se la lega contiene almeno il 99,9 percento del metallo di base, questa è purezza tecnica. Dal 99,9 al 99,99 percento: purezza chimica. Se 99.999 o più, questo è un metallo particolarmente puro. Nella vita di tutti i giorni, gli scienziati usano anche un'altra definizione di purezza: il numero di nove dopo il punto decimale. Dicono: "la purezza di tre nove", "la purezza di cinque nove", ecc.

All'inizio, l'industria era abbastanza soddisfatta dei metalli chimicamente e spesso anche tecnicamente puri. Ma la rivoluzione scientifica e tecnologica ha fatto richieste molto più rigorose. I primi ordini di metalli ultra puri provenivano dall'industria nucleare. I decimillesimi e talvolta anche i milionesimi di percentuale di alcune impurità rendevano inutilizzabili uranio, torio, berillio e grafite. Ottenere uranio ultrapuro è stata forse la principale difficoltà nella creazione di una bomba atomica.

Quindi la tecnologia a getto ha presentato i suoi requisiti. Erano necessari metalli ultra puri per ottenere leghe particolarmente resistenti al calore e resistenti al calore che avrebbero dovuto funzionare nelle camere di combustione di aerei a reazione e razzi. Prima che i metallurgisti avessero il tempo di far fronte a questo compito, è stata ricevuta una nuova "domanda" - per i semiconduttori. Questo compito era più difficile - in molti materiali semiconduttori la quantità di impurità non deve superare un milionesimo di percento! Non lasciarti confondere da questa misera quantità. Anche con tale purezza, dove un atomo di impurità cade su 100.000.000.000 di atomi della sostanza principale, ogni grammo di essa contiene ancora più di 100.000.000.000 di atomi "estranei". Quindi è tutt'altro che perfetto. Tuttavia, la purezza assoluta non esiste. Questo è un ideale per cui tendere, ma è impossibile da raggiungere a questo livello di sviluppo tecnologico. Anche se per miracolo è possibile ottenere un metallo assolutamente puro, allora gli atomi di altre sostanze contenute nell'aria vi penetreranno immediatamente.

Indicativo a questo proposito è un curioso incidente accaduto al famoso fisico tedesco Werner Heisenberg. Ha lavorato con uno spettrografo di massa nel suo laboratorio. E improvvisamente il dispositivo ha mostrato la presenza di atomi d'oro nella sostanza sperimentale. Lo scienziato era stupito, perché questo non poteva essere. Ma il dispositivo ostinatamente "sta in piedi da solo". L'equivoco è stato chiarito solo quando lo scienziato ha rimosso e nascosto i suoi occhiali dalla montatura d'oro. Atomi d'oro separati, "scappati" dal reticolo cristallino della cornice, sono caduti nella sostanza in esame e "confuso" il dispositivo estremamente sensibile.

Ma questo è successo in laboratorio, dove l'aria è pulita. Cosa possiamo dire delle moderne regioni industriali, la cui aria è sempre più inquinata dai rifiuti industriali?

Abbiamo iniziato questo capitolo parlando del fatto che in un caso la presenza di impurità nel metallo è buona, e nell'altro è cattiva. Inoltre, all'inizio abbiamo detto che le leghe hanno una resistenza e una resistenza al calore migliori rispetto ai metalli puri, e ora si scopre che i metalli puri hanno le proprietà più elevate. Non c'è contraddizione. In molti casi, la lega è più forte, più resistente al calore, ecc., di qualsiasi altro metallo nella sua composizione. Ma queste qualità vengono migliorate molte volte quando tutti i componenti della lega svolgono un determinato compito necessario per una persona. Quando non c'è niente di "extra" in esso. E questo significa che i componenti stessi devono essere il più puri possibile, contenere un numero minimo di atomi "estranei". Pertanto, ora la questione della purezza dei prodotti metallurgici ottenuti sta diventando sempre più acuta. Come risolvono questo problema?

Negli impianti metallurgici, che producono una grande quantità di metallo che va nei prodotti ordinari, viene sempre più utilizzato il vuoto. Nel vuoto, il metallo viene fuso e colato, e questo consente di proteggerlo dall'ingresso di gas nocivi e molecole di altre sostanze dall'aria circostante. E in alcuni casi la fusione avviene in atmosfera di gas neutro, che protegge ulteriormente il metallo da "penetrazioni" indesiderate.

METALLI PURI

metalli, metalli con un basso contenuto di impurità. A seconda del grado di purezza, esistono metalli di elevata purezza (99,90-99,99%), metalli purezza elevata, o chimicamente puri (99,99-99,999%), metalli di elevata purezza o metalli ultrapuri spettralmente puri (oltre il 99,999%).

Grande enciclopedia sovietica, TSB. 2012

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In connessione con lo sviluppo di nuovi rami della tecnologia, sono richiesti metalli di altissima purezza. Ad esempio, nel germanio metallico utilizzato come semiconduttore, è consentito un solo atomo di fosforo, arsenico o antimonio per dieci milioni di atomi di germanio. Nelle leghe resistenti al calore utilizzate nella scienza missilistica, anche una miscela insignificante di piombo o zolfo è del tutto inaccettabile.

Uno dei migliori materiali da costruzione per reattori nucleari- lo zirconio diventa completamente inutilizzabile se contiene anche una leggera impurità di afnio, cadmio o boro, quindi il contenuto di questi elementi nei materiali per l'energia nucleare non dovrebbe superare 10 -6. La conducibilità elettrica del rame diminuisce del 14% in presenza di un'impurità di arsenico di solo lo 0,03%. Di particolare importanza è la purezza dei metalli nella tecnologia elettronica e informatica, nonché l'energia nucleare. Per materiali metallici di reattori termonucleari e dispositivi a semiconduttore il contenuto di impurità non deve superare il 10 -10%. Esistono diversi metodi per pulire i metalli.

1. Distillazione sotto vuoto. Questo metodo si basa sulla differenza tra la volatilità del metallo e le impurità presenti in esso.

2. Decomposizione termica di composti metallici volatili. Questo metodo si basa su reazioni chimiche in cui un metallo con l'uno o l'altro reagente forma prodotti gassosi, che poi si decompongono con il rilascio di metallo di elevata purezza. Considera il principio di questo metodo sull'esempio dei metodi carbonile e ioduro.

A) Metodo del carbonile. Questo metodo viene utilizzato per ottenere nichel e ferro di elevata purezza. Da pulire metallo tecnico riscaldato con questo metodo in presenza di monossido di carbonio (II): Ni + 4CO \u003d Ni (CO) 4, Fe + 5CO \u003d Fe (CO) 5

I carbonili volatili risultanti Ni(CO) 4 (punto di ebollizione 43 °C) o Fe(CO) 5 (punto di ebollizione 105 °C) vengono distillati per rimuovere le impurità. Quindi i carbonili si decompongono a temperature superiori a 180 ° C, provocando la formazione di metalli puri e monossido di carbonio gassoso (II): Ni (CO) 4 \u003d Ni + 4CO, Fe (CO) 5 \u003d Fe + 5CO

B) Metodo ioduro. Con questo metodo, il metallo da pulire, ad esempio il titanio, viene riscaldato insieme allo iodio ad una temperatura di 900 ° C: Ti + 2I 2 \u003d TI 4

Il risultante tetraioduro di titanio volatile entra nel reattore, che contiene un filo di titanio puro riscaldato dalla corrente elettrica a 1400 °C. A questa temperatura il tetraioduro di titanio si dissocia termicamente: Til 4 = Ti + 2I 2

Il titanio puro viene depositato sul filo e lo iodio viene riportato nuovamente al processo di purificazione del titanio. Questo metodo produce anche zirconio puro, cromo e altri metalli refrattari.

3. Zona di fusione. Un notevole metodo di pulizia è il cosiddetto scioglimento a zone. La fusione a zona consiste nel tirare lentamente un lingotto del metallo da purificare attraverso un forno anulare. La fusione a zona viene applicata ai metalli che sono stati sottoposti a purificazione preliminare a una concentrazione di impurità di circa l'1%. Il metodo si basa su diverso contenuto di impurità nel metallo solido e fuso. Il processo viene eseguito spostandosi lentamente lungo un campione solido allungato (lingotto) di una stretta zona fusa creata da uno speciale riscaldatore (forno anulare) .

L'area (zona) del lingotto di metallo, che si trova attualmente nel forno, entra in uno stato fuso.

Esistono due limiti di interfase mobili: su uno (metallo che entra nel forno) si verifica la fusione, sull'altro (metallo che esce dal forno) si verifica la cristallizzazione.

A seconda della solubilità delle impurità, alcune si concentrano nella zona fusa e si muovono con essa fino alla fine del lingotto, le impurità di altri metalli si concentrano nei cristalli risultanti e rimangono dietro la zona di movimento, con ripetute ripetizioni del processo, si spostano all'inizio del lingotto. Di conseguenza, la composizione dei cristalli formati differisce dalla composizione del fuso.

Per ottenere un elevato grado di purificazione, di solito vengono effettuati diversi passaggi della zona fusa lungo il lingotto metallico. Di conseguenza, la parte centrale del lingotto è la più pulita, viene ritagliata e utilizzata.

Il metodo di fusione a zone consente di ottenere metalli altamente puri con un contenuto di impurità del 10 -7 -10 -9%. Questo metodo viene utilizzato per ottenere germanio ultrapuro, bismuto, tellurio, ecc.

Vantaggio principale questo metodo- alta efficienza. Gli svantaggi del metodo sono la bassa produttività, il costo elevato e un lungo tempo di processo.

4. metodo elettrochimico di pulizia dei metalli(raffinazione dei metalli).

DISTILLAZIONE SOTTO VUOTO DI METALLI REFRATTARI DEL 4° PERIODO (Mn, Cr, Fe, Ni, Co)

I metalli più refrattari e poco volatili attualmente sottoposti a distillazione sono il manganese, il cromo, il ferro, il nichel e il cobalto. Tutti questi metalli fanno parte delle più importanti leghe tecniche.

Meccanico e Proprietà fisiche le leghe a base di ferro, nichel e altri elementi specificati, in particolare le proprietà di varie leghe resistenti al calore, sono in gran parte determinate dalla purezza dei materiali di partenza.È noto che le inclusioni non metalliche e una serie di impurità che formano eutettici a fusione facile peggiorano drasticamente molte proprietà delle leghe: duttilità, resistenza al calore, resistenza alla corrosione, ecc. eccezionale interesse sia dal punto di vista dello studio delle loro proprietà sia per lo studio dell'effetto degli additivi leganti sulla modifica delle proprietà delle leghe.I metalli puri sono necessari nella tecnologia del vuoto per la fabbricazione di elettrodi, per anodi di tubi a raggi X e per la produzione di alcune parti di dispositivi ionici.Il ferro puro quasi non interagisce con i vapori di mercurio.Può essere utilizzato in tubi con catodi di ossido, estremamente sensibili alle minime fosse di inquinamento. Il ferro puro ha un'elevata permeabilità magnetica, che gli consente di essere utilizzato per schermare i campi magnetici. Il nichel ad alta purezza è essenziale per rivestire vari metalli refrattari. Una quantità significativa di metalli puri del 4° periodo viene consumata dall'industria chimica per la fabbricazione di vari composti. Informazioni dettagliate sull'effetto delle impurità sulle proprietà dei metalli in esame possono essere trovate nelle monografie.

Il metodo più comune per pulire i metalli refrattari del 4° periodo è il legame chimico delle impurità come risultato di processi redox (spesso mediante trattamento con idrogeno) seguiti dal degassamento e dalla distillazione delle impurità durante la fusione sotto vuoto. La lavorazione di metalli fusi sotto vuoto si è diffusa negli ultimi 5-10 anni. Viene utilizzato non solo per metalli puri, ma anche per acciai e altre leghe. Non potendo delucidare in dettaglio i relativi lavori, in cui la gamma delle questioni considerate va ben oltre lo scopo di questo argomento, ci limiteremo a una descrizione del lavoro sulla distillazione di questi metalli e sulla distillazione delle impurità metalliche. Informazioni dettagliate sulla fusione sotto vuoto dei metalli e sulla rimozione delle impurità gassose si trovano in numerose raccolte di articoli e monografie.

Dei metalli considerati in questo paragrafo, ferro, nichel e cobalto sono inclusi nel sottogruppo del ferro del gruppo VIII della tavola periodica. Come le principali impurità in questi metalli, oltre agli elementi correlati, ci sono rame, silicio, manganese, cromo, alluminio, carbonio, fosforo, zolfo e gas (N 2, 0 2, H 2). A causa della vicinanza delle proprietà degli elementi correlati, il grado di purificazione da essi durante la distillazione è basso, ma piccole aggiunte di questi metalli hanno scarso effetto sulle proprietà dell'elemento principale. Tutti i metalli puri del sottogruppo del ferro sono plastici a temperature ambiente e anche inferiori, e il nichel è plastico fino alla temperatura dell'elio liquido (4,2 °K). Tuttavia, un aumento del contenuto di gas e di alcune impurità metalliche può portare ad un aumento della temperatura di transizione dei metalli da uno stato duttile a uno fragile. Pertanto, il ferro contenente >0,005% 0 2 diventa fragile a 20 ° C. Il cobalto ha una duttilità inferiore rispetto al ferro o al nichel, che può essere dovuto alla sua purezza insufficiente. Tutti e tre i metalli considerati hanno valori di tensione di vapore simili. La loro distillazione viene solitamente effettuata a temperature 20-50°C superiori al punto di fusione, anche se sublimano tutte nel vuoto a temperatura > 1100°C.

A differenza dei metalli del sottogruppo del ferro, il cromo e il manganese ad alta purezza sono fragili a temperatura ambiente. Anche piccole concentrazioni di impurità come carbonio, zolfo, azoto e ossigeno le peggiorano notevolmente. proprietà meccaniche. Nel cromo più puro la temperatura di transizione dallo stato fragile a quello duttile è prossima ai 50°C. Esiste però la possibilità di abbassare questa temperatura mediante ulteriore pulizia del metallo.

Allo stato attuale, si ritiene che la ragione principale della fragilità del cromo a temperatura ambiente sia la presenza di azoto e ossigeno in esso in quantità di ~ 0,001%. La temperatura di transizione del cromo allo stato plastico aumenta notevolmente con l'aggiunta di alluminio, rame, nichel, manganese e cobalto. È possibile che si possa ottenere un grande effetto di purificazione del cromo dall'azoto distillandolo in un volume isolato.

Il manganese è fragile nell'intero intervallo di esistenza della fase α (fino a 700°C), mentre le fasi ad alta temperatura (β- e γ-Mπ) sono piuttosto plastiche. Le ragioni della fragilità dell'α-Mn non sono state sufficientemente studiate.

Il cromo e il manganese hanno pressioni di vapore significative al di sotto dei loro punti di fusione. Il cromo sublima nel vuoto a una velocità notevole superiore a 1200 ° C. Poiché il punto di fusione del cromo è di circa 1900 ° C, non è possibile fonderlo nel vuoto a causa della sublimazione. Di solito, la rifusione del metallo originale o del condensato viene effettuata in un gas inerte a una pressione superiore a 700 mm Hg. Arte. Il manganese viene distillato sia per sublimazione che dalla fase liquida.

Di solito, quando si distillano tutti i metalli considerati, è possibile ottenere condensati con una purezza di ~ 99,99%. Tuttavia, la purificazione altamente efficiente è possibile solo con l'uso di condensatori a gradiente di temperatura. La distillazione di cromo e manganese è stata studiata in dettaglio, principalmente da Croll e nel laboratorio degli autori.

La distillazione sotto vuoto del manganese è stata descritta per la prima volta da Thide e Birnbrauer. Geiler ha studiato questo processo in dettaglio e ha studiato una serie di proprietà del risultante manganese ad alta purezza. La distillazione è stata effettuata in un tubo di quarzo lungo 600 mm e con un diametro di 100 mm. Il manganese è evaporato da un crogiolo di magnesite e condensato su un altro crogiolo simile. Il metallo è stato riscaldato da correnti ad alta frequenza. L'evaporazione è stata effettuata a una temperatura di ~ 1250 ° C in un vuoto di 1-2 mm Hg. Arte. Come materiale di partenza sono stati utilizzati un metallo alluminotermico con una purezza di ~ 99% e manganese commerciale (~ 96-98%). I risultati di una singola distillazione sono riportati in tabella. 48. La produzione di metallo puro è stata del -50% del peso del carico. Con i parametri di processo specificati e un carico di 2,7 kg, sono stati ottenuti 0,76 kg di metallo puro in 5 ore. Nell'installazione di Geyler, la possibilità di interazione del metallo con il materiale del tubo non è stata eliminata e quindi, in una serie di esperimenti, il distillato è stato contaminato dal silicio.