ПРИМЕНЕНИЯ d-ЭЛЕМЕНТОВ И ИХ СОЕДИНЕНИЙ

Переходные d-элементы и их соединения широко применяются в лабораторной практике, промышленности и технике. Они также играют важную роль в биологических системах. В предыдущем разделе и разд. 10.2 уже упоминалось, что ионы таких d-элементов, как железо, хром и марганец, играют важную роль в окислительновосстановительном титровании и других лабораторных методиках. Здесь мы коснемся только применений этих металлов в промышленности и технике, а также их роли в биологических процессах.

Применения в качестве конструкционных материалов. Сплавы железа

Некоторые d-элементы широко используются для изготовления конструкционных материалов, главным образом в виде сплавов. Сплав - это смесь (или раствор) какого-либо металла с одним или несколькими другими элементами.

Сплавы, главной составной частью которых служит железо, называются сталями. Выше мы уже говорили, что все стали подразделяются на два типа: углеродистые и легированные.

Углеродистые стали. По содержанию углерода эти стали в свою очередь подразделяются на низкоуглеродистую, среднеуглеродистую и высокоуглеродистую стали. Твердость углеродистых сталей возрастает с повышением содержания углерода. Например, низкоуглеродистая сталь является тягучей и ковкой. Ее используют в тех случаях, когда механическая нагрузка не имеет решающего значения. Различные применения углеродистых сталей указаны в табл. 14.10. На долю углеродистых сталей приходится до 90% всего объема производства стали.

Легированные стали. Такие стали содержат до 50% примеси одного или нескольких металлов, чаще всего алюминия, хрома, кобальта, молибдена, никеля, титана, вольфрама и ванадия.

Нержавеющие стали содержат в качестве примесей к железу хром и никель. Эти примеси повышают твердость стали и делают ее устойчивой к коррозии. Последнее свойство обусловлено образованием тонкого слоя оксида хрома (III) на поверхности стали.

Инструментальные стали подразделяются на вольфрамовые и марганцовистые. Добавление этих металлов повышает твердость, прочность и устойчивость при

Таблица 14.10. Углеродистые стали

высоких температурах (жаропрочность) стали. Такие стали используются для бурения скважин, изготовления режущих кромок металлообрабатывающих инструментов и тех деталей машин, которые подвергаются большой механической нагрузке.

Кремнистые стали используются для изготовления различного электрооборудования: моторов, электрогенераторов и трансформаторов.

Другие сплавы

Кроме сплавов железа, существуют также сплавы на основе других d-металлов.

Сплавы титана. Титан легко сплавляется с такими металлами, как олово, алюминий, никель и кобальт. Сплавы титана характеризуются легкостью, коррозионной устойчивостью и прочностью при высоких температурах. Они используются в авиастроении для изготовления лопастей турбин в турбореактивных двигателях. Их используют также в медицинской промышленности для изготовления электронных устройств, имплантируемых в грудную стенку пациента для нормализации аномального ритма сердца.

Сплавы никеля. Одним из важнейших сплавов никеля является монель. Этот сплав содержит 65% никеля, 32% меди и небольшие количества железа и марганца. Он используется для изготовления конденсаторных трубок холодильников, пропеллерных осей, а также в химической, пищевой и фармацевтической промышленности. Другим важным сплавом никеля является нихром. Этот сплав содержит 60% никеля, 15% хрома и 25% железа. Сплав алюминия, кобальта и никеля, называемый альнико, используется для изготовления очень сильных постоянных магнитов.

Сплавы меди. Медь используется для изготовления самых разнообразных сплавов. Наиболее важные из них указаны в табл. 14.11.

Таблица 14.11. Сплавы меди

Промышленные катализаторы

d-Элементы и их соединения находят широкое применение в качестве промышленных катализаторов. Приведенные ниже примеры относятся только к d-элементам первого переходного ряда.

Хлорид титана . Это соединение используется в качестве катализатора полимеризации алкенов по методу Циглера (см. гл. 20):

Оксид . Этот катализатор используется на следующей стадии контактного процесса получения серной кислоты (см. гл. 7):

Железо или оксид . Эти катализаторы используются в процессе Габера для синтеза аммиака (см. гл. 7):

Никель. Этот катализатор используется для отверждения растительных масел в процессе гидрирования, например в производстве маргарина:

Медь или оксид меди(II). Эти катализаторы используются для дегидрирования этанола в процессе получения этаналя (уксусного альдегида):

В качестве промышленных катализаторов применяются также родий (-элемент второго переходного ряда) и платина (-элемент третьего переходного ряда). Оба они используются, например, в процессе Оствальда получения азотной кислоты (см. гл. 15).

Пигменты

Мы уже упоминали о том, что одной из важнейших отличительных особенностей d-злементов является их способность образовывать окрашенные соединения. Например, окраска многих драгоценных камней обусловлена присутствием в них небольшого количества примесей d-металлов (см. табл. 14.6). Оксиды d-элементов применяются для изготовления цветных стекол. Например, оксид кобальта (II) придает стеклу темно-синюю окраску. Целый ряд соединений d-металлов используется в различных отраслях промышленности в качестве пигментов.

Оксид титана . Мировое производство оксида титана превышает 2 млн. т. в год. Он применяется главным образом в качестве белого пигмента в производстве красок и, кроме того, в бумажной, полимерной и текстильной промышленности.

Соединения хрома. Хромовые квасцы (додекагидрат сульфата хрома имеют фиолетовую окраску. Они используются для крашения в текстильной промышленности. Оксид хрома используется в качестве зеленого пигмента. На основе хромата свинца (IV) изготовляются такие пигменты, как хромовый зеленый, хромовый желтый и хромовый красный.

Гексацианоферрат(Ш) калия . Это соединение применяется в крашении, травлении и для изготовления светокопировальной бумаги («синьки»).

Соединения кобальта. Пигмент кобальтовый синий состоит из алюмината кобальта. Пурпурный и фиолетовый пигменты кобальта получают, осаждая соли кобальта с помощью фосфатов щелочноземельных элементов.

Другие промышленные применения

До сих пор мы рассматривали применения -элементов в качестве конструкционных сплавов, промышленных катализаторов и пигментов. Эти элементы имеют, кроме того, множество других применений.

Хром используется для нанесения хромового покрытия на стальных предметах, например на деталях автомашин.

Чугун. Это не сплав, а неочищенное железо. Его используют для изготовления разнообразных предметов, например сковородок, крышек канализационных люков и газовых плит.

Кобальт. Изотоп используется в качестве источника гамма-излучения для лечения онкологических заболеваний.

Медь широко используется в электротехнической промышленности для изготовления проволоки, кабелей и других проводников. Она используется также для изготовления медных канализационных труб.

d-Элементы в биологических системах

d-Элементы играют важную роль во многих биологических системах. Например, организм взрослого человека содержит около 4 г железа. Примерно две трети этого количества приходится на долю гемоглобина, красного пигмента крови (см. рис. 14.11). Железо также входит в состав мышечного белка миоглобина и, кроме того, накапливается в таких органах, как печень.

Элементы, обнаруживаемые в биологических системах в очень небольших количествах, называются микроэлементами. В табл. 14.12 указана масса различных минеральных

Таблица 14.12. Среднее содержание макро- и микроэлементов в организме взрослого человека

Марганец - незаменимый компонент пищи домашней птицы.

К числу микроэлементов, играющих жизненно важную роль для здорового роста сельскохозяйственных растений, относятся многие d-металлы.

элементов и некоторых микроэлементов в организме взрослого человека. Следует обратить внимание на то, что пять из этих элементов принадлежат к числу d-металлов первого переходного рада. Эти и другие микроэлементы из числа d-металлов выполняют разнообразные важные функции в биологических системах.

Хром принимает участие в процессе усвоения глюкозы в человеческом организме.

Марганец входит в состав различных ферментов. Он необходим растениям и является существенным компонентом пищи птиц, хотя не столь важен для овец и крупного рогатого скота. Марганец обнаружен и в человеческом организме, но пока не установлено, насколько он необходим нам. Много марганца содержится в . Хорошими источниками этого элемента служат орехи, специи и крупы.

Кобальт необходим для овец, крупного рогатого скота и человека. Он содержится, например, в витамине Этот витамин используется для лечения злокачественной пернициозной анемии; он необходим также для образования ДНК и РНК (см. гл. 20).

Никель обнаружен в тканях человеческого организма, однако его роль пока не установлена.

Медь является важной составной частью ряда ферментов и необходима для синтеза гемоглобина. Она нужна растениям, а овцы и крупный рогатый скот особенно чувствительны к дефициту меди в рационе питания. При недостатке меди в пище овец появляются ягнята с врожденными уродствами, в частности параличом задних конечностей. В рационе человека единственным продуктом, который содержит значительные количества меди, является печень. Небольшие количества меди содержатся в морепродуктах, бобовых, сушеных фруктах и крупах.

Цинк входит в состав ряда ферментов. Он необходим для выработки инсулина и является составной частью фермента ангидразы, который играет важную роль в процессе дыхания.

Заболеиаиия, связанные с недостатком циика

В начале 1960-х гг. д-р А. С. Прасад открыл в Иране и Индии заболевание, связанное с дефицитом цинка в пище, которое проявляется в замедлении роста детей и анемии. С тех пор недостаток цинка в диете считается главной причиной замедленного развития детей, страдающих от сильного недоедания. Цинк необходим для действия Т-лимфоцитов, без которого иммунная система человеческого организма не может бороться с инфекциями.

Препараты цинка помогают при сильных отравлениях металлами, а также при некоторых наследственных заболеваниях, например при серповидноклеточной анемии. Серповидноклеточная анемия-врожденный дефект эритроцитов, обнаруживаемый у коренного населения Африки. У больных серповидноклеточной анемией эритроциты имеют аномальную (серповидную) форму и поэтому неспособны переносить кислород. Это происходит из-за пересыщения эритроцитов кальцием, который изменяет распределение зарядов на поверхности клеток. Добавление цинка в диету приводит к тому, что цинк конкурирует с кальцием и уменьшает аномалию формы клеточной мембраны.

Препараты цинка помогают также в лечении анорексии (потери аппетита) вызванной нарушениями нервной системы.

Итак, повторим еще раз!

1. Наиболее распространенным на Земле -элементом является железо, за ним следует титан.

2. d-Элементы обнаруживаются в виде микропримесей в растениях, организмах животных и в драгоценных камнях.

3. Для промышленного получения железа используются две руды: гематит и магнетит

4. Железо получают в доменной печи путем восстановления железной руды оксидом углерода. Для удаления примесей в виде шлака в руду добавляют известняк.

5. Углеродистые стали получают главным образом при помощи кислородноконвертерного процесса (процесс Линца-Донавица).

6. Для получения высококачественных легированных сталей используется электроплавильном печь.

7. Титан получают из ильменитовой руды с помощью процесса Кролля. При этом оксид который содержится в руде, сначала превращают в

8. Никель получают из пентландитовой руды. Содержащийся в ней сульфид никеля сначала превращают в оксид который затем восстанавливают углеродом (коксом) до металлического никеля.

9. Для получения меди используется халькопиритовая руда (медный колчедан). Содержащийся в ней сульфид восстанавливают нагреванием в условиях ограниченного доступа воздуха.

10. Сплав - это смесь (или раствор) какого-либо металла с одним или несколькими другими элементами.

11. Стали - это сплавы железа, которое является в них главным компонентом.

12. Твердость углеродистых сталей тем больше, чем больше в них содержание углерода.

13. Нержавеющая сталь, инструментальная сталь и кремнистая сталь - это разновидности легированных сталей.

14. Сплавы титана и никеля широко используются в технике. Сплавы меди используются для изготовления монет.

15. Хлорид оксид оксид оксиды никеля и используются как промышленные катализаторы.

16. Оксиды -металлов используются для изготовления цветных стекол, другие соединения -металлов используются в качестве пигментов.

17. d-Металлы играют важную роль в биологических системах. Например, гемоглобин, который является красным пигментом крови, содержит железо.