Тантал. Металл для лабораторной посуды
Тантал играет важнейшую роль во всей современной электронике, однако обывателю о нем известно немного, если не сказать совсем ничего.
Он относится к рассеянным элементам. На сегодняшний день науке известно около 80 минералов, в состав которых входит этот переходный металл. Несмотря на такое обилие минералов тантал составляет лишь 2×10-4 % массы земной коры, и уж никак нельзя назвать его распространенным. Мы бы хотели обратить внимание читателя на очень красивый минерал танталит состава Fe(TaO3)2.
Как уже видно из подзаголовка, тантал чрезвычайно важен химикам, как в лаборатории, так и на заводах: им покрывают химическую посуду, а также внутренние стенки некоторых реакторов, в которых находятся агрессивные (с химической точки зрения) вещества. Это обусловлено очень высокой химической стойкостью тантала. Читатель, вероятно, еще не знает, что платина обладает также очень высокой химической стойкостью, правда, она в разы дороже тантала.
Почти все мы пользуемся такими электронными устройствами как компьютер, мобильный телефон, телевизор. Но не все пользователи современных устройств знают, что для этих приборов важны конденсаторы, которые на данный момент производят из тантала. Они обладают очень хорошими техническими характеристиками. Отличительными особенностями являются высокая удельная емкость и малые габариты.
Рассказывая о тантале, нельзя забывать про то, что он не вызывает серьезного отторжения организмом человека. Поэтому из него изготавливают пластинки и стержни для восстановительной хирургии.
Интересно, что сплавы танатала с вольфрамом и молибденом обладают повышенным электросопротивлением, что обусловило их использование при изготовлении термопар.
Если вы хотите узнать больше об этих устройствах, а также посмотреть на то, как они работают — посмотрите видео на нашем YouTube — канале «Термопара».
Подгруппа хрома (VIБ)
Эту часть главы можно было бы назвать «Металлы для промышленности», ведь рассматриваемые ниже элементы используются для изготовления бесчисленного множества вещей, которые повседневно окружают нас.
Металлы данной подгруппы обладают широким спектром степеней окисления, наиболее устойчивые из них +3 и +6. В подгруппу VIБ входят хром, молибден и вольфрам — белые блестящие металлы.
В первую очередь хотелось бы отметить выдающиеся «успехи» в твердости и тугоплавкости, среди этих металлов есть и рекордсмены, о чем вы можете прочесть ниже.
Хром. Кусочек радуги на земле
Если вы знаете греческий язык, то, вероятно, уже догадались, что речь пойдет о хроме. Тот, кто им не владеет, сможет найти пояснение ниже.
Хром был открыт Вокеленом в 1797 году во время исследования минерала крокоита. Ученый, изначально ссылаясь на своего коллегу Биндгейма, предполагал наличие в минерале молибдена, однако со временем осознал ошибочность своего предположения. Тогда он измельчил кристалл, прокипятил его с поташем (карбонатом калия K2CO3), тем самым отделив нерастворимый в воде карбонат свинца (PbCO3). Из полученного раствора ученый выкристаллизовал соль рубиново-красного цвета, из которой получил чистый хром и его оксид. Название же свое хром получил из-за ярких цветов своих соединений (χρωμα — «цвет» в переводе с греческого).
В первую очередь хром используют в качестве легирующей добавки к разным сталям. Он повышает устойчивость стали к коррозии, а также улучшает ее способность переносить высокие температуры. Самая распространенная марка нержавеющей стали содержит 18 % Cr, 8 % Ni и около 0,1 % С. Именно из нее был изготовлен в 1937 году памятник «Рабочий и колхозница», который стоит и по сей день в Москве близ северного входа ВДНХ. Сплав никеля и хрома, называемый «нихромом», применяется для изготовления лопаток газовых турбин из-за своей способности переносить большие нагрузки при повышенных температурах. В хирургии же нашел свое применение сплав кобальта, хрома и молибдена.
Если у вас дома есть инструменты и среди них есть гаечные ключи, то вы наверняка увидите на них маркировку «Crome — Vanadium». Если, конечно, они сделаны не из китайского силумина. Силумин — это дешевый и непрочный сплав кремния и алюминия, из которого в Китае делают все подряд. Возвращаясь к хромванадиевым сталям, отметим, что из них делают не только гаечные ключи, но и качественные отвертки, пассатижи, пильные диски и другие инструменты. Метка «Crome — Vanadium» говорит о качестве и прочности изделия.
Хром относится к распространенным элементам, составляя 3,5×10-2% массы земной коры. Важнейшими минералами, в состав которых входит этот металл, являются хромистый железняк FeO×Cr2O3, а также необычайно красивый крокоит, имеющий состав PbCrO4.
Хром относится к биогенным элементам и принимает непосредственное участие в обмене жиров, белков и углеводов. Повышение холестерина в крови может быть связано с недостаточным количеством хрома в организме.
Молибден. Словно создан для промышленности
Молибден сыграл важную роль в Первой мировой войне, а сегодня он применяется в самых различных отраслях производства, в основном благодаря своим уникальным физико-химическим свойствам.
Молибдена в земной коре значительно меньше, чем хрома, находящегося с ним в одной группе. Он встречается только в составе различных соединений. Минералы, в состав которых входит этот металл, встречаются в полиметаллических рудах (руды, содержащие целый ряд химических элементов, важнейшие из которых — цинк и свинец).
В 1778 году Шееле, уже известный читателю как первооткрыватель хлора и марганца, получил оксид молибдена MoO3, а по прошествии двенадцати лет Гьельме сообщил об удачном эксперименте, в ходе которого ему удалось восстановить металл из его оксида. К сожалению, тот образец не обладал нужной степенью чистоты. Лишь через 27 лет непревзойденный мастер Берцелиус смог выделить чистый молибден, дав ему название, которым мы пользуемся и по сей день.
Как отмечалось ранее, молибден — очень нужный промышленности металл. Этот факт можно объяснить тем, что молибден сочетает в себе высочайшую прочность и хорошую тугоплавкость. Этим металлом легируют стали, улучшая их вязкость, прокаливаемость, коррозийную стойкость и другие важные показатели, поэтому из этих сплавов изготавливают подчас самые «ответственные» части различных механизмов. Например, каркасы сверхзвуковых самолетов, головные части ракет состоят из сплавов, содержащих молибден и ниобий. Интерес представляет исторический факт, что немецкая 420-мм мортира «Большая Берта» времен Первой мировой войны была изготовлена из сплава, содержащего молибден, если же в состав сплава не входил этот металл, то сталь плавилась при выстреле из-за очень высокой температуры.
Науке известно по меньшей мере пятьдесят ферментов на основе молибдена, встречающихся в животных и растениях. Нитрогеназа — катализатор преобразования атмосферного азота в аммоний NH4+ в растениях, содержит в своем составе молибден.
Вольфрам. По полю танки грохотали
На очереди еще один очень суровый металл, который применялся во время II Мировой войны по всему миру. Более того, этому металлу принадлежит рекорд тугоплавкости. Встречайте, вольфрам!
Во время II Мировой войны крупнейшим европейским поставщиком вольфрама являлась Португалия, поэтому на нее оказывали давление обе противоборствующие стороны: СССР и фашистская Германия. Этот металл был прекрасен для производства противовесов в артиллерийских снарядах, пулях. Правда говоря, с помощью этого металла не только убивали, но и защищали солдат: из него изготавливали танковую броню, важнейшие части самолетов и двигателей.
Известен вольфрам, а точнее его минералы, с XIV века. Важнейшими минералами вольфрама являются уже известный читатетлю Шеелит CaWO4 и вольфрамит состава (Fe,Mn)WO4. Самородный вольфрам пока не обнаружен, да и не будет, скорее всего.
Помимо феноменальных заслуг в военном деле, вольфрам очень важен и в быту. Большинство лампочек накаливания имеет нить накаливания, сделанную из этого металла. На то есть причина — тугоплавкость. Металл плавится при температуре в 3422 °C, а также высокая пластичность. Из 1 килограмма вольфрама можно сделать 23 тысячи лампочек!
Особого внимания заслуживают сплавы на основе этого металла. Они могут быть жаропрочными, химическими стойкими, твердыми — почти на любой вкус. А объясняется это тем, что вольфрам образует сплавы почти со всеми металлами. Карбид вольфрама WC отличается высочайшей износоустойчивостью и твердостью. Его используют в горнодобывающей промышленности, машиностроении. И нет, туалеты из него не делают.
Подгруппа марганца (VIIБ)
Обсудив титанов промышленности, можно перейти к подгруппе, в которой находятся 2 металла, которые чрезвычайно важны для медицины. Впрочем, обо всем по порядку. В подгруппу марганца входят: марганец, технеций и рений. В соединениях рений и технеций проявляют степень окисления +7, в то время как для марганца характерны +2, +4, +6 и +7.
Эти металлы достаточно тугоплавки, обладают серебристо-белым цветом, устойчивы к окислению кислородом воздуха.
Марганец. Еще один в коллекции
Карл Шееле в 1774 году выступил в Стокгольмской академии наук с докладом «Относительно марганца и его свойств». В ходе своего выступления ученый поведал об открытии двух новых элементов: марганца и бария. Однако выделил марганец в чистом виде Иоганн Ган, прокалив измельченный очищенный пиролюзит с углем. Стоит подчеркнуть, что провел он этот опыт по просьбе своего коллеги К. Шееле. Мы назвали эту часть главы про переходные металлы «Еще один в коллекции» потому, что Шееле открыл не только марганец, но и хлор.