Взаимодействие со щелочами

Оно у ?/-металлов происходит трудно. Этому есть объяснение: взаимодействие для металла — это процесс его окисления, а щелочи являются плохими окислителями. Тем не менее с расплавами щелочей в той или иной степени взаимодействуют почти все ?/-металлы (за исключением 2 г и Ш). Особенно легко вступают во взаимодействие некоторые активные металлы (например, из аномальной^{-подгруппы} 5-образных ?/-элементов). При сплавлении порошков таких металлов с сильными щелочами выделяется водород:

Взаимодействие с водородом, галогенами и другими неметаллами.

При стандартных условиях непосредственно с водородом взаимодействуют лишь некоторые ?/-металлы. В этом процессе особенно активны палладий и титан. При обычных условиях один объем палладия способен поглотить до 700, а титан (при нагревании) — до 1800 объемов водорода. Эти примеры демонстрируют различные механизмы взаимодействия ?/-металлов с водородом. В палладии водород растворяется (т.е. абсорбируется) без образования химического соединения, а при взаимодействии с титаном образуется гидрид:

Эта реакция используется для получения очень чистого водорода. Гидрид титана получают из технического водорода, содержащего примеси, нагревая титан в водородной атмосфере. При этом примеси не взаимодействуют с титаном. Полученный же таким образом гидрид титана нагревают в вакууме и он разлагается с выделением очень чистого водорода. Существенно большей, чем гидрид титана, «водородоемкостыо» обладает гидрид ванадия.

Ванадий обладает замечательной особенностью поглощать в значительных количествах водород с образованием гидрида ванадия. Этот процесс происходит при существенно более низкой температуре и в более узком интервале температур, чем образование гидрида титана. Кроме того, выделившийся из гидрида ванадия водород может создать значительное давление. Например, в замкнутом объеме при температуре 50 °C создается давление водорода 24 атм. При уменьшении температуры до 18 °C водород поглощается ванадием и давление снижается до 7 атм. Этот газодинамический процесс может повторяться па протяжении многих тысяч циклов. Из-за дефицитности и дороговизны этот материал широко не используется.

Выше рассматривались солеобразные гидриды щелочных и щелочноземельных металлов. В случае ?/-металлов возникает новый тип гидридов — металлообразные. Образуются они, когда газообразный водород Н₂ на поверхности твердых металлов диссоциирует на атомы и в таком виде диффундирует в объем металлической решетки. При этом до определенной концентрации водорода решетка в целом продолжает вести себя как исходный металл. И только при достаточно больших концентрациях водорода происходит некоторое перестроение решетки и образование стехиометрических соединений.

Иногда исходная решетка остается и вовсе неизменной (растворение водорода в палладии). По характеру химической связи такие гидриды близки к породившим их металлам. Они обладают значительной электропроводностью и металлическим блеском, но очень хрупки. К ним относятся гидриды титана, ванадия, хрома. Насыщенный атомарным водородом поверхностный слой металла и обусловливает каталитическую активность ?/-металлов в реакциях гидрирования.

Так как ?/-металлы имеют малую электроотрицателыюсть, то с галогенами образуют многочисленные солеобразные соединения. При этом процессе интенсивность прямого взаимодействия может быть различной. Так же как и в случае кислорода, протекание процессов галогенирования зависит от свойств образующихся продуктов, а не от электронной структуры металла. Так, Т, Мо, XV взаимодействуют со фтором при незначительном нагревании, Hg, V — при комнатной температуре, Рг — при температуре красного каления, а Ре, Си, №, 7л на холоде со фтором не взаимодействуют, так как на их поверхности образуется защитный слой фторида.

Необходимо помнить, что в зависимости от степени окисления металлов химический характер их галогенидов меняется от солеобразного при низких степенях окисления до соединений ковалентно-полярного типа. Фторид скандия ScF₃ — это типично ионное соединение, бесцветные малорастворимые в воде кристаллы, тетрахлорид титана TiCl₄ — легкоподвижная бесцветная жидкость с резким запахом, а гексафторплатина PtF₆ — коричнево-красный газ, легко конденсирующийся в темно-красные кристаллы.

Гексафторплатина — один из самых сильных стабильных окислителей. Соединение получается при сжигании платины в атмосфере фтора. Через платиновую проволочку, находящуюся в сосуде со фтором, пропускают электрический ток, проволочка накаляется и сгорает с образованием PtF₆. Кроме сильнейшей окислительной способности, PtF_i} обладает и другими весьма необычными особенностями. Проф. В. П. Габуда утверждает, что «по данным экспериментальных исследований, PtF₆ является орбитальным парамагнетиком, а его молекула представляет собой строго правильный октаэдр, в то время как квантовомеханические расчеты предсказывают диамагнитные свойства и искаженную структуру».

Среди соединений с другими неметаллами отметим сульфиды, бориды, нитриды и карбиды. Во всех этих классах химических соединений можно обнаружить сходства с уже рассмотренными закономерностями образования оксидов и галогенидов, но каждый из них проявляет и свои особенности.

Нитриды титана нашли широкое применение в двух сферах — как абразивные материалы в металлообработке и как стойкое (гарантийный срок до 100 лет) покрытие разнообразных материалов с имитацией золотого блеска. Изделия, покрытые им, но внешнему виду не отличаются от золота и могут иметь различные оттенки, в зависимости от соотношения металла и азота в соединении. Нанесение нитрида титана производится в специальных камерах термодиффузионным методом. При высокой температуре титан и азот реагируют на поверхности покрываемого изделия и их соединения диффундируют в саму структуру металла.

Широкое применение нитрида титана как защитно-декоративного покрытия началось с храма Христа Спасителя. Свои декоративные свойства его купола приобрели под Челябинском, в городе Трехгорном, где собирались первые советские атомные бомбы (там золотили для защиты от коррозии плутониевые сферы ядерных зарядов). В Трехгорном купола храма Христа Спасителя покрыли нитридом титана, а затем позолотили тончайшим слоем золота.

Всего в мире потребляется более 5 млн т/год ТЮ₂. Из этого количества на долю производителей лакокрасочных материалов приходится 57%, на производство пластмасс — 21% и на производство ламинированной бумаги — 14%. Титановые белила считаются наилучшей массовой белой краской. Но любопытно то, что о цвете рутила в энциклопедиях говорится: «Цвет черный, бурый, красный (гиацинтово-красный, кровяно-красный), золотисто-желтый и желтобурый, в топких пластинках или игольчатых кристаллах иногда до бесцветного». Белый цвет имеют только его мелкие порошки за счет светорассеяния (точно так же как сахарный песок и поваренная соль) (источник: http://4108.ru/ii/ rutilsvoystva).

Диоксид титана самого высокого качества применяют в виде популярной пищевой добавки Е171 для отбеливания пищевых продуктов. Например, им отбеливают филе трески для крабовых палочек. Добавлением в муку среднего качества можно придать ей белизну, характерную для продукта более высокого сорта. Е171 добавляют в жевательные резинки, витамины и таблетки, в белый шоколад, сухое молоко, крем, майонез, мороженое, мясные продукты, такие как, например, шпик и паштеты (источник, сайт «Prime chemical group», http://www.pcgroup.ru/ blog/dioksid-titana-populyarnyj-otbelivatel).

Карбиды d-металлов, в отличие от карбидов 5-металлов, не являются солеобразиыми ацетиленидами. Это, как правило, прочные ковалентные соединения с некоторой долей металлической связи, механически прочные и термостойкие. Типичными и широко используемыми представителями таких карбидов являются карбиды вольфрама. Используемый в промышленности карбид вольфрама (a-модификация WC) — порошок, очень твердый и стойкий к нагреванию (до 2525°С). Его проводимость аналогична проводимости металлов. В настоящее время значительное количество карбида вольфрама идет на изготовление твердых сплавов, используемых для буровых коронок фильер для волочения проволоки, штампов, пружин, деталей пневматических инструментов (источник: http://www.webknow.ru/geologija_187.html) и других деталей и узлов, для работы которых важна твердость конструкционного материала. В последнее время карбид вольфрама используется как ювелирный материал «под серебро». Его твердость и стойкость гарантируют, что ювелирные изделия из карбида вольфрама не царапаются и не гнутся никогда, а их полировка не бледнеет с течением лет (источник: http://chem21.info/info/601 624).

Хром и скандий могут проявлять одну и ту же степень окисления +3, образуя оксиды Сг₂0₃ и Sc₂0₃ соответственно. Однако первый является амфотерным оксидом, а второй — основным. И они взаимодействуют при сплавлении, давая смешанный оксид Cr₂0₃ Sc₂0₃, который можно рассматривать и как соль — хромит оксоскандия (Ш) (ScO)⁺(Cru₂), называемый в технических приложениях просто хромитом скандия. Хромит скандия используется как один из лучших и наиболее долговечных материалов для изготовления электродов МГД-геператоров (источник: http://ru.wikipcdia.org/wiki/CKaiwm).