Загальна характеристика металів

Періодична система на 4/5 складається з металічних хімічних елементів. До металічних хімічних елементів відносяться:

- s – елементи за винятком Гідрогену і Гелію;

- p – елементи по діагоналі від Алюмінію до Полонію;

- всі d – елементи;

- всі f – елементи.

В металічних хімічних елементів на зовнішньому енергетичному рівні мала кількість електронів, в основному 1 – 2. Може бути і більше, але вони далеко від атомного ядра, а тому їх рухливість дуже велика.

Атоми неметалічних елементів мають малі значення електронегативностей, а тому при взаємодії з неметалічними елементами вони віддають свої валентні електрони.

Летких сполук з Гідрогеном металічні елементи не утворюють.

Найпоширеніший із металічних елементів Алюміній, далі Натрій і Ферум, Кальцій, Магній.

Властивості металів зумовлені наявністю у металів особливого металічного зв’язку. У вузлах кристалічних решіток металів знаходяться і атоми і позитивно заряджені йони, а між вузлами є вільні електрони. Електрони рухаються хаотично і можуть покидати атоми, перетворюючи атоми в йони і навпаки.

Відомі два види металічних кристалічних граток:

- гексагональна (шестикутна) вони менш пластичні порівняно з метелами, що мають кубічну гратку;

кубічна (шестикутна) буває гранецентрова і і об’ємноцентрова – метали з такою граткою дуже пластичні.

При звичайних умовах метали тверді кристалічні речовини за винятком ртуті.

За густиною метали поділяють на:

- легкі – густина яких менша 5 г/см³;

- Важкі – густина яких більша 5 г/см³.

Самий легкий метал літій густина якого 0,534 г/см³, а самий важкий – осьмій густина якого 22,5 г/см³.

За температуро плавлення метали поділяють на:

- легкоплавкі – температура плавлення яких не вища 350 ⁰С;

- тугоплавкі – температура плавлення яких понад 350 ⁰С.

Самий легкоплавкий метал ртуть температура плавлення якої –38,9 ⁰С, а самий тугоплавкий – вольфрам температура плавлення якого 3380 ⁰С.

Електропровідність металів пов’язана з вільними електронами, що є кристалах металів. Самими електропровідними являються такі метали: срібло, мідь, алюміній.

Теплопровідність металів має ту ж причину, що і електропровідність. Теплопровідність металів у тій же послідовності, що і електропровідність.

Метали мають металічний блиск. Він є наслідком відбиття світла від поверхні. Найбільш лискучий метал срібло. Блиск металів здебільшого сріблястий, а у цезію і золота жовтий, у міді – червоний.

За кольором метали поділяють на:

- чорні – залізо, ром, марганець;

- решта – кольорові.

Метали відрізняються за твердістю. Найтвердіший метал – хром, а найм’якші – натрій, літій.

Пластичність металів – здатність деформуватись під впливом певних навантажень. Найбільшу пластичність має золото. Його можна прокатати у фольгу завтовшки 0,03 мм, в дротину, яку можна ледве побачити.

Лу́жні мета́ли – елементи групи 1 періодичної системи, за старою класифікацією головної підгрупи I групи. Назва пов'язана з тим, що при взаємодії лужних металів з водою утворюється їдкий луг. До лужних металів належать (у порядку збільшення атомного номера) літій (Li), натрій (Na), калій (K), рубідій (Rb), цезій (Cs), францій (Fr).

Характерною рисою будови атомів лужних металів, є наявність одного електрона на зовнішньому електронному рівні. Завдяки цьому всі вони з легкістю віддають електрон, переходячи до закінченої електронної оболонки попереднього рівня і є дуже сильними відновниками.

Лужні метали – м'які (натрій ріжеться ножем, як вершкове масло, інші трохи жорсткіші) метали від сріблясто-білого до сірого кольору з характерним блиском, які дуже швидко тьмяніють на повітрі. Легкоплавкі й рухливі. Агресивні, вибухонебезпечні (зберігаються в атмосфері інертного газу або під шаром гасу).

Алюміній – металічний елемент головної підгрупи ІІІ групи 3 періоду періодичної системи хімічних елементів. Електронна конфігурація зовнішнього енергетичного рівня його атома 3 s ²3 p ¹. При хімічних взаємодіях у збудженому стані він здатен утворювати три ковалентних зв’язки або повністю віддавати свої три електрони, проявляючи у своїх сполуках ступінь окиснення +3. Отже, Алюміній є активним відновником.

Алюміній по поширеності займає третє місце серед інших елементів. Масова частка Алюмінію в земній корі становить 8,5 %. У природі він зустрічається тільки у вигляді сполук. Він входить до складу алюмосилікатів, до яких належать: глини, слюди, польові шпати, зокрема каолін. Промислово важливою алюмінієвою рудою є боксит Al₂O₃∙ n Н₂О. Алюміній входить до складу мінералу корунду, який є кристалічним алюміній оксидом Al₂O₃. Різні домішки здатні надавати корундові різних кольорів. зеленого, жовтого, жовтогарячого, фіолетового та інших кольорів й відтінків. Його синій різновид називають сапфіром, а червоний – рубіном. І рубіни, і сапфіри є коштовними каменями.

Проста речовина алюміній – блискучий сріблясто-білий метал. Він має високу здатність відбивати світлові та теплові промені, а також високі тепло- та електропровідність. Температура плавлення алюмінію 660 °С. Це досить легкий і пластичний метал. З нього можна виробляти тонкий дріт і фольгу.

Хімічно алюміній дуже активний. На повітрі він швидко окислюється і вкривається тонкою плівкою алюміній оксиду. Оксидна плівка є досить міцною й зумовлює корозійну стійкість алюмінію. При нагріванні на повітрі чи в кисні алюміній згоряє, утворюючи також алюміній оксид:

4Al + 3O₂ = 2Al₂O₃.

Алюміній активно реагує з іншими неметалами. За звичайних умов він взаємодіє з хлором і бромом, утворюючи солі, наприклад, алюміній хлорид:

2Al + 3Сl₂ = 2AlСl₃.

Реакція алюмінію з йодом відбувається, якщо до суміші алюмінієвого порошку з йодом додати кілька крапель води, яка виконує роль каталізатора:

2Al + 3I₂ = 2AlІ₃.

При нагріванні алюміній реагує з сіркою, азотом, вуглецем, наприклад:

2Al + 3S = Al₂S₃.

У звичайному стані алюміній покритий захисною оксидною плівкою і є стійким до дії води навіть при нагріванні. Якщо плівка алюміній оксиду буде зруйнована, то алюміній буде активно реагувати з водою з виділенням газуватого водню:

2Al + 6Н₂О = 2Al(ОН)₃↓ + 3Н₂↑.

Алюміній реагує з розчинами кислот з утворенням солей і водню, наприклад:

2Al + 6НСl= 2AlCl₃ + 3Н₂↑.

Концентровані сульфатна і нітратна кислоти пасивують алюміній, тобто збільшують міцність оксидної плівки. Таким чином, алюміній з ними не реагує.

Оксидна плівка легко розчиняється в лугах і алюміній реагує з розчинами лугів з виділенням водню:

2Al + 2NaOH +6Н₂O = 2Na[Al(OH)₄] + 3Н₂↑.

Алюміній відновлює метали з їхніх оксидів при нагріванні (алюмінотермія), наприклад:

Fe₂O₃ + 2Al = 2Fe + Al₂O₃.

Алюміній добувають шляхом електролізу глинозему розчиненого в розплавленому кріоліті Na₃[AlF₆].

Широке застосування алюмінію зумовлене його властивостями. Поєднання легкості з достатньо високою електропровідністю дозволяє застосовувати алюміній як провідник електричного струму. Алюміній і його сплави використовують практично у всіх галузях сучасної техніки: в авіаційній й автомобільній промисловості, залізничному і водному транспорті, машинобудуванні тощо. Завдяки високій корозійній стійкості алюміній широко застосовують при виготовленні апаратури для виробництва харчових продуктів та деяких хімічних речовин. З полірованого алюмінію виготовляють дзеркала та поверхні нагрівальних і освітлювальних рефлекторів. Алюміній використовують як розкисник сталей та інших сплавів. Ним відновлюють метали з їхніх оксидів.

Газобетон – різновид пористого бетону: будівельний матеріал, який представляє собою штучний камінь з рівномірно розподіленим по всьому об’ємі сферичними порами діаметром 1–3 мм. Якість газобетону визначаються рівномірним розподілом та однаковою величиною і закритістю пор.

Основными компонентами этого материала являются цемент, кварцевый песок и специализированные газообразователи, также возможно добавление гипса и извести. Сюда могут входить и промышленные отходы, такие как, например, зола и шлаки. В качестве специализированных газообразователей используются алюминиевые пасты и пудры. Сырьё смешивается с водой заливается в форму и происходит реакция воды и газообразователя, приводящая к выделению водорода, который и образует поры, смесь поднимается как тесто. После первичного затвердевания разрезается на блоки, плиты и панели. После этого изделия подвергаются закалке паром в автоклаве, где они приобретают необходимую жёсткость, либо высушиваются в условиях электроподогрева. В зависимости от условий твердения газобетон подразделяется на автоклавный и неавтоклавный газобетон.

Газобетон хорошо подлежит обработке простейшими инструментами: пилится, сверлится, строгается. В него легко забиваются гвозди, скобы. Со временем газобетон становится твёрже и твёрже. Не горит, так как состоит только из минеральных компонентов.

Газосиликат – разновидность ячеистых материалов, получаемая из смеси извести, молотого или мелкого песка и воды с газообразующими (порообразующими) добавками, с применением обычно автоклавной обработки для ускорения твердения. В качестве газообразующих добавок часто используют алюминиевую пудру.

Газосиликат часто сравнивают с пенобетоном. При равной прочности газосиликат будет иметь меньшую плотность и меньшую теплопроводность, а при одинаковой плотности и теплопроводности будет прочнее.

Газосиликат имеет и определённые недостатки:

- высокая степень водопоглощения – поэтому при относительной влажности более 60% его применение ограничено

- сравнительно низкая термостойкость – выше 400⁰C газосиликат не используют

Газосиликат, в отличие от пенобетона, производится из цемента, кварцевого песка, извести и воды. Этот материал, вспенивается и отвердевает в автоклаве, где для него создаются специальные условия. Газосиликат в автоклаве закаляется водяным паром при давлении 8-12 атмосфер и температуре около 200 градусов Цельсия.

Газосиликат, находясь в автоклаве, получается хорошего качества во всех точках готового изделия, что нельзя сказать о пенобетоне, у которого процесс отвердевания не регулируется.

По словам производителей, вследствие хорошей обработки, газосиликат имеет большие преимущества перед пенобетоном – он прочнее, легче, теплее, легко штукатурится и создает хорошую звукоизоляцию.

Газосиликатные блоки имеют меньшую плотность, но при этом сохраняют свою прочность. Это означает, что стены из материала при меньшей плотности, будут более теплыми. Например, газосиликатный блок прочностью М30-35 будет иметь плотность D=600 и коэффициент теплопроводности 0,15. При той же прочности, блок из пенобетона будет иметь плотность D=800-900 и коэффициент теплопроводности 0,21.

Газосиликат производится в автоклаве, поэтому не дает усадки.

Глиноземистий цемент − являє собою гідравлічну в'яжучу речовину, основу якої становлять алюмінати кальцію, головним чином − однокальцієвий алюмінат СаО∙А1₂O₃ (скорочено СА). У незначних кількостях алюмінатний (глиноземистий) цемент містить також інші алюмінати кальцію − СаО∙2А1₂O₃ (СА₂), 5СаО∙3А1₂O₃ (С_бА₃), алюмосилікат кальцію − геленіт 5CaO∙Al₂O₃ ∙SiO₂ (C₂S), а також двокальцієвий силікат 2CaO∙SiO₂ (C₂S).

Глиноземистий цемент за складом і властивостями значно відрізняється від портландцементу. Він швидко тужавіє, продукти його тужавіння мають високу міцність.

Одержання глиноземистого цементу. Як вихідні матеріали, для виробництва глиноземистого цементу використовують вапняк СаСO₃ і боксит А1₂O₃∙nН₂O. Складена з них сировинна суміш нагрівається до температури 1250−1300 °С, за якої вона спікається, утворюючи клінкер, або до температури 1400−1500 °С, за якої вона плавиться, внаслідок чого одержують сплав.

Послідовність реакцій при утворенні мінералів глиноземистого цементу можна подати у такий спосіб. Гідроксид алюмінію, що входить до складу бокситів, розкладається при нагріванні понад 300°С з виділенням А1₂O₃. При температурі 800−1000 °С розкладається й карбонат кальцію:

СаСO₃ → СаО + СO₂.

Взаємодія між СаО і А1₂О_а має наслідком утворення алюмінатів кальцію:

12СаО + 7А1₂O₃ → 12СаО∙7А1₂0₃,

СаО ₊ А1₂O₃ → СаО∙А1₂O₃.

Алюмінат кальцію 12СаО∙7А1₂O₃ за вищих температур вступає у взаємодію з оксидом алюмінію А1₂O₃, утворюючи однокальцієвий алюмінат СаО∙А1₂0₃:

12СаО + 7А1₂O₃ + 5А1₂O₃ →12(СаОА1₂O₃).

При подальшому нагріванні однокальцієвий алюмінат може вступити в реакцію з А1₂О₃ з утворенням СаО∙2А1₂O₃:

СаО∙А1₂O₃ + А1₂O₃ → СаО∙2А1₂O₃.

Сплав, одержаний у результаті випалу сировинної суміші, являє собою щільний темний дрібнозернистий камінь. Його дроблять, а тоді розмелюють. Подрібнюється він сутужніше, ніж портландцементний клінкер, тому на помел витрачається більше енергії. Крім того, боксити, які використовують переважно для виробництва алюмінію, виявляються більш коштовною сировиною, ніж вапняк і глина. Тому вартість глиноземистого цементу приблизно втричі більша, ніж портландцементу, і виробляють його у значно менших обсягах. З метою розширення сировинної бази для виготовлення глиноземистого цементу використовують відходи виробництва, наприклад, шлаки, що утворюються при вторинній плавці алюмінію (містять велику кількість А1₂O₃).

Взаємодія глиноземистого цементу з водою. Основний мінерал глиноземистого цементу − моноалюмінат кальцію СаОА∙1₂O₃. При взаємодії його з водою утворюється гідроалюмінат кальцію 2СаО∙2А1₂O₃∙8Н₂O і гідроксид алюмінію:

2(СаО∙А1₂O₃) + 11Н₂O = 2СаО∙А1₂O₃∙8Н₂O + 2А1(ОН)₃.

Можна виділити дві стадії цього процесу. Спочатку при взаємодії СаО∙Аl₂O₃ з водою утворюється гідроалюмінат кальцію складу СаО∙А1₂О₃∙10Н₂О:

CaO∙Al₂O₃ + 10Н₂O = СаО ∙А1₂О₃∙10Н₂О,

а потім з нього виділяються C₂AH₈ і А1(ОН)₃:

2(СаО∙А1₂О₃∙10Н₂О) = 2СаО∙А1₂О₃∙8Н₂О + 2А1(ОН)₃ + 9Н₂О.

Вода, що утворюється, знову вступає у взаємодію з СаО∙А1₂О₃. Описані реакції відбуваються, якщо температура не перевищує 25°С. За вищих температур

(30−35⁰С й вище) гідроалюмінати кальцію САН₁₀ і C₂AH₈ перетворюються у трикальцієвий гідроалюмінат 3СаО∙А1₂О₃∙6Н₂О (С₃АН₆) з виділенням Аl(ОН)₃. У результаті цього відбувається зменшення об'єму, виникають внутрішні напруження у цементному камені й міцність бетону зменшується у 2−3 рази. Ось чому не можна застосовувати глиноземистий цемент в умовах підвищеної температури для бетонування масивних конструкцій, або піддавати тепловологому впливу.

Властивості і застосування глиноземистого цементу. Глиноземистий цемент тужавіє швидко. На відміну від портландцементу, у якого марочна міцність забезпечується після 28-ї доби тужавіння за нормальних умов, глиноземистий цемент досягає значення марочної міцності за 3 доби тужавіння. Уже за 24 години його міцність становить не менше 60 % марочної. Швидке тужавіння глиноземистого цементу супроводжується помітним тепловиділенням, яке протягом першої доби в 3−4 рази більше, ніж при тужавінні портландцементу. Загальне ж тепловиділення при тужавінні глиноземистого цементу приблизно в 1,5 разу вище, ніж у портландцементу.

Строки початку й кінця схоплювання у глиноземистого цементу приблизно такі ж самі, як і в портландцементу.

Продукти тужавіння глиноземистого цементу не містять гідроксид кальцію Са(ОН)₂ і 3СаО∙А1₂О₃∙6Н₂О. Внаслідок цього бетон, отриманий з використанням такого цементу, відзначається більшою стійкістю до дії як прісної, так і морської води, а також води, що містить сульфати й карбонати, ніж бетон на основі портландцементу. Продукти тужавіння глиноземистого цементу не викликають корозії алюмінію, оскільки не створюють сильного лужного середовища.

Розчини лугів руйнують глиноземистий цемент через утворення алюмінатів, тому його не можна змішувати з портландцементом, вапном, використовувати в середовищах, які містять луги.

Глиноземистий цемент застосовують з причини його швидкого тужавіння для виконання аварійних, ремонтних, монтажних робіт. Використовують його і для одержання жаростійких бетонів і будівельних розчинів у суміші із шамотом і магнезитом, хромовою рудою, бо при цьому внаслідок реакцій у твердому стані, що відбуваються через підвищення температури, утворюються продукти, що забезпечують високу міцність й жаростійкість виробів.

Дата добавления: 2014-10-15