Елементи VIБ підгрупи. Родина Хрому

І. В. Євтушенко, укладач


Усі три елементи VIБ підгрупи — Хром Cr, Молібден Mo, Вольфрам W — відіграють велику роль у промисловості, особливо в електротехніці й металургії, де ці метали використовують для вироблення спеціальних сталей. Кожний із цих елементів посідає середнє положення у своєму ряді перехідних металів. На зовнішньому енергетичному рівні в атомів Хрому й Молібдену є один електрон, у Вольфраму — два, зв’язок і кристалічна ґратка — металічні. Ступінь окиснення у сполуках усіх елементів підгрупи Хрому дорівнює +6, а також +5, +4, +3 і +2. Зі збільшенням порядкового номера елементів підвищується й температура плавлення. Наприклад, вольфрам — найбільш тугоплавкий метал, його температура плавлення становить 3390 °C. Елементи підгрупи досить стійкі до зовнішніх чинників (повітря, вода). Всі розглянуті метали покриваються пасивуючою оксидною плівкою під час зберігання на повітрі або в середовищі кислоти-окисника. У разі видалення цієї плівки хімічним або механічним способом хімічна активність металів істотно посилюється. За вмістом у земній корі Хром, Молібден і Вольфрам належать до досить поширених елементів. Трапляються вони винятково у вигляді сполук. Основною рудою хрому є природний хромистий залізняк. Із молібденових руд найбільш важливий мінерал молібденіт, із руд вольфраму — мінерали вольфраміт і шеєліт.
 
ХРОМ
 
Хром — один із найтвердіших металів. Має високу хімічну стійкість. Один із найважливіших металів, використовуваних у виробництві легованих сталей. Більшість сполук Хрому має яскраве забарвлення, причому найрізноманітніших кольорів. За цю особливість елемент і було названо Хромом, що в перекладі з грецької означає «фарба».
 
Мінерал, який містить Хром, було відкрито біля Єкатеринбурга 1766 р. І. Г. Леманном і названо «сибірським червоним свинцем». Зараз цей мінерал називають крокоїтом. Відомий і його склад — PbCrO4.
 
Свого часу «сибірський червоний свинець» викликав чимало розбіжностей серед учених. Тридцять років сперечалися про його склад, поки, нарешті, 1797 р. французький хімік Луї Нікола Воклен не виділив із нього метал, який (теж, до речі, після деяких суперечок) назвали Хромом.
 
Воклен обробив крокоїт поташем K2CO3плюмбум хромат перетворився на калій хромат. Потім із допомогою хлоридної кислоти калій хромат було перетворено на окис Хрому й воду (хромова кислота існує тільки в розведених розчинах). Нагрівши зелений порошок окису Хрому в графітовому тиглі з вугіллям, Воклен одержав новий тугоплавкий метал.
 
Паризька академія наук зафіксувала це відкриття, але, швидше за все, Воклен виділив не металічний хром, а його карбіди. Про це свідчить голкоподібна форма отриманих дослідником світло-сірих кристалів.
 
Назву «хром» запропонували друзі Воклена, але вона йому не сподобалася — метал не відрізнявся особливим кольором. Однак друзям удалося вмовити хіміка, посилаючись на те, що з яскраво забарвлених сполук Хрому можна одержувати гарні фарби. (До речі, саме в роботах Воклена вперше пояснено смарагдове забарвлення деяких природних силікатів Берилію й Алюмінію: виявляється, їх забарвлювали домішки сполук Хрому.) Так за новим елементом затвердилася ця назва.
 
У земній корі Хрому досить багато — 0,02 %. Основний мінерал, з якого промисловість одержує хром, — це хромова шпінель змінного складу із загальною формулою (Mg,Fe)O⋅(Cr,Al, Fe)2O3 .
 
Хромова руда має назву хроміти, або хромистий залізняк (тому що майже завжди містить залізо). Застосовують її переважно в трьох галузях промисловості: металургії, хімії й виробництві вогнетривів, причому металургія споживає приблизно дві третини всього хроміту. Хроміти йдуть здебільшого на виплавку ферохрому. Це один із найважливіших феросплавів, абсолютно необхідний для масового виробництва легованих сталей. Хромом легують пружинні, ресорні, інструментальні, штампові й шарикопідшипникові сталі; легована хромом, вона має підвищену міцність, стійкість проти корозії в агресивних і окисних середовищах.
 
Оскільки хром добре опирається окисненню на повітрі й дії кислот, його часто наносять на поверхню інших матеріалів, щоби захистити їх від корозії. Метод нанесення давно відомий — це електролітичне осадження. Хромування буває двох видів: декоративне й тверде. Частіше трапляється декоративне хромування: на годинниках, дверних ручках та інших предметах. Тут шар хрому наносять на підшар іншого металу, найчастіше нікелю або міді. Сталь захищена від корозії цим підшаром, а тонкий (0,0002–0,0005 мм) шар хрому надає виробу урочистого вигляду. Тверді покриття побудовані інакше. Хром наносять на сталь значно більш товстим шаром (до 0,1 мм), але без підшарів. Такі покриття підвищують твердість і зносостійкість сталі, а також зменшують коефіцієнт тертя.
 
МОЛІБДЕН
 
Молібден одержав свою назву від латинського слова molibdaena, яким у середньовіччя позначали всі мінерали, здатні залишати слід на папері: і графіт, і галеніт (свинцевий блиск) PbS, і навіть сам свинець, а також мінерал, який зараз називають молібденітом, або молібденовим блиском. Згодом виявилося, що це головний мінерал тоді ще невідомого елемента № 42. Але до середини XVIII ст. молібденіт і графіт не відрізняли. Лише 1758 р. відомий шведський хімік і мінералог Аксель Фредерик Кронстедт припустив, що це дві самостійні речовини, але минуло ще 20 років, перш ніж це зуміли довести дослідним способом.
 
Мінерал, яким писали, потрапив у лабораторію іншого великого хіміка (теж шведа), Карла Вільгельма Шеєле, який з’ясував, що «особлива біла земля» має, говорячи сучасною мовою, властивості ангідриду, кислотного оксиду.
 
У той час хіміки ще не мали чіткого уявлення про те, що ангідрид («кислота мінус вода») — це сполука елемента з Оксигеном. Однак власний досвід підказував ученому: щоби виділити елемент із «землі», потрібно прожарити її з чистим вугіллям. Але для цього в Шеєле не було підходящої печі, тому він попросив виконати цей дослід іншого хіміка, Г’єльма, в якого така піч була. Г’єльм погодився. І коли досліди завершилися одержанням невідомого раніше металу, Шеєле написав Г’єльму: «Радію, що ми тепер маємо метал — молібден».
 
Але метал, отриманий Шеєле та Г’єльмом, не був чистим, уже після смерті обох першовідкривачів їхній знаменитий співвітчизник Берцеліус відновив молібденовий ангідрид не вугіллям, а воднем, одержавши дійсно чистий молібден, визначив його атомну вагу й докладно дослідив його властивості.
 
Так само як і хром, молібден широко використовують у металургії. Усього 0,3 % молібдену збільшували твердість сталі так само, як 1 % вольфраму. Впливає молібден і на якість чавуну. Добавка молібдену дозволяє одержати дрібнокристалічний чавун із підвищеною міцністю та зносостійкістю. Молібден поряд із хромом, нікелем, кобальтом дістав широке застосування як легуючий елемент, причому сталь легують зазвичай не технічним молібденом, а феромолібденом — так вигідніше.
 
Крім того молібден застосовують і в електротехніці. Нитки електричних ламп розжарювання підвішують на молібденових гачках, упаяних у скло. Молібденовий дріт є обмоткою у високотемпературних (до 2200 °C) індукційних печах. Тугоплавкий, ковкий молібден, який не тьмяніє та має приємний колір, одержав визнання у ювелірів. Ним іноді замінюють дорогоцінну платину. У хімічній промисловості молібден і солі молібденової кислоти застосовують як каталі затори.
 
ВОЛЬФРАМ
 
Вольфрам зазвичай вважають рідкісним металом: його вміст у земній корі оцінюють у 0,0055 %; його немає в морській воді, його не вдалося виявити в сонячному спектрі. Вольфрам трапляється у природі головним чином у вигляді окиснених складних сполук, утворених вольфрам(ІІІ) оксидом WO3 і оксидами Феруму й Мангану або Кальцію, а іноді Плюмбуму, Купруму, Торію й рідкоземельних елементів. Найпоширеніший мінерал — вольфраміт. Однак за популярністю вольфрам може посперечатися з багатьма аж ніяк не рідкісними металами, а його мінерали були відомі задовго до відкриття самого елемента. Так, ще в XVII ст. у багатьох європейських країнах знали «вольфрам» і «тунгстен» — так називали тоді найпоширеніші мінерали Вольфраму — вольфраміт і шеєліт. А металічний вольфрам було відкрито в останній чверті XVIII ст. Дуже швидко цей метал одержав практичне значення — як легуюча добавка. Головна особливість вольфраму як легуючої добавки полягає в тому, що він надає сталі червоностійкості — дозволяє зберегти твердість і міцність за високої температури. Крім того, більшість сталей за охолодження на повітрі (після витримки за температури, близької до температури червоного жару) втрачають твердість, а вольфрамові — ні. Інструмент, виготовлений із вольфрамової сталі, витримує величезні швидкості найінтенсивніших процесів металообробки. Швидкість різання таким інструментом вимірюють десятками метрів за секунду. Із вольфрамової сталі й інших сплавів, які містять вольфрам або його карбіди, виготовляють танкову броню, оболонки торпед і снарядів, найбільш важливі деталі літаків і двигунів.
 
Вольфрам — неодмінна складова частина різних електротехнічних приладів і пристосувань. Із вольфраму виготовляють спіралі електроламп. Незамінність вольфраму в цій галузі пояснюється не тільки його тугоплавкістю, але й пластичністю. З одного кілограма вольфраму витягають дріт завдовжки 3,5 км, тобто цього кілограма досить для виготовлення ниток розжарювання 23 тисяч 60-ватних лампочок. Псевдосплави вольфраму з міддю й сріблом — чудовий матеріал для рубильників і вимикачів електричного струму високої напруги: вони працюють у шість разів довше за звичайні мідні контакти. Останніми роками важливе практичне значення отримали хімічні сполуки Вольфраму. Зокрема, фосфорно-вольфрамову гетерополікислоту застосовують для виробництва лаків і яскравих, стійких на світлі фарб. Розчин натрій вольфрамату Na2WO4 надає тканинам вогнестійкості й водонепроникності, а вольфрамати лужноземельних металів, Кадмію й рідкоземельних елементів застосовують для виготовлення лазерів і світних фарб.
 
Dounload PDF

Відгуки читачів