Править] Применение в медицине

Классификация металлов

Все металлы условно поделены на черные и цветные. Черные металл обычно имеют темно-серый цвет, большую плотность (кроме щелочных), высокую температуру плавления, относительно высокую твердость. Некоторые из них (железо, титан, кобальт, марганец, цирконий, уран и др.), обладают полиморфизмом (аллотропией). Наиболее типичным черным металлом является железо.

Цветные металлы имеют красную, желтую, белую окраску. Они обладаю большой пластичностью, малой твердостью, низкой температурой плавления. Известно, что олово имеет полиморфизм. Типичный представитель – медь.

К черным металлам относятся:

• − железные металлы – железо, кобальт, никель, марганец;
• − тугоплавкие металлы; имеют температуру плавления выше чем у железа, т.е. более 15390С
• - титан, ванадий, хром, цирконий, ниобий, молибден, вольфрам, технеций, гафний, рений;
• − урановые металлы (актиноиды) – торий, актиний, уран, нептуний, плутоний и др. (с 89 до 103 элемента);
• − редкоземельные металлы (с 57 -71 элементы), лантан, церий, ниодим и д.р.;
• − щелочноземельные металлы
• - литий, натрий, кальций, калий, рубидий, стронций, цезий, барий, франций, родий, скандий.

К цветным металлам относятся:

• − легкие – бериллий, магний, алюминий;
• − благородные металлы
• - рутений, радий, палладий, осмий, иридий, платина, золото, серебро и полублогородная медь;
• − легкоплавкие металлы – цинк, кадмий, ртуть, галлий, индий, талий, германий, олово, свинец, мышьяк, сурьма, висмут.

Единой классификации металлов нет. Чаще всего их классифицируют по какому-либо характерному признаку:

1. По плотности металлы подразделяются на легкие (плотность < 5 г/см³) и тяжелые (плотность > 5 г/см³).
Примером самого легкого металла может служить литий, его плотность равна 0,53 г/см³, самого тяжелого - осмий, его плотность равна 22,48 г/см³.

2. По температурам плавления металлы делят на легкоплавкие, имеющие температуру плавления менее 800 °С (например, температура плавления калия - 63,6 °С, цинка - 419 °С), и тугоплавкие, которые имеют температуру плавления выше 800 °С (например, температура плавления хрома 1850 °С, марганца - 1247 °С).
Это деление условное, очень зависит от степени чистоты металла. Чем он более чист, чем меньше содержит примесей, тем выше у него температура плавления.

Принято классифицировать металлы по положению их в периодической таблице Д. И. Менделеева:

1. Щелочные металлы (s-элементы I группы).

2. Щелочно-земельные металлы (s-элементы II группы).

3. Благородные металлы (d-элементы VIII группы Ru, Rh, Pd, Pt, Ir, Os, а также золото и серебро).

4. Редкоземельные металлы (лантаноиды, актиноиды, ванадий, молибден).

5. Цветные металлы, т. е. металлы, которые сами или их соединения имеют характерную окраску (медь, висмут и др.).

6. Черные металлы - железо и его сплавы.

7. Способы получения металлов

8.
Существуют несколько основных способов получения —металлов.

Восстановление:
— из их оксидов углем или оксидом углерода (II)
ZnО + С = Zn + СО
Fе₂О₃ + ЗСО = 2Fе + ЗСО₂
— водородом
WO₃ + 3H₂ =W + 3H₂O
СоО + Н₂ = Со + Н₂О
— алюминотермия

4Аl + ЗМnО₂ = 2А1₂О₃ + ЗМn

Обжигом сульфидов металлов и последующим восстановлением образовавшихся оксидов (например, углем)
2ZnS + ЗО₂ = 2ZnО + 2SО₂
ZnО + С = СО + Zn

Электролизом расплавов солей
СuСl₂, — Сu₂+ 2Сl
Катод (восстановление): Анод (окисление):
Сu₂+ 2е^- = Сu0 2Cl - 2е^- = Сl°₂

9. Основные способы получения металлов. Металлы получают из руд, т.е. исходного сырья, в котором содержится экономически приемлемое количество металла. По мере истощения руд уменьша­ется экономически приемлемое содержание в них металла и повы­шается его стоимость.

10. Предварительно руда обрабатывается для увеличения концен­трации металла путем отделения пустой породы и разделения ос­татка на различные фракции. Последующие операции заключаются в получении соединения металла, из которого удобно выделить ме­талл тем или иным способом. Так как большинство металлов в природе находится в окисленном состоянии, то извлечение их ос­новано на восстановлении из тех или иных соединений в растворах при невысокой температуре) или расплавах (при повышенных

11. 1гмпературах).

12. Восстановление проводят химическими или электрохимически­ми способами. Химическое восстановление заключается во взаимо­действии соединений металлов с углем, водородом или металла­ми-восстановителями. Например, при взаимодействии оксидов же-еза со специально обработанным углем (коксом) образуется чугун. J помощью водорода получают вольфрам, молибден, кобальт и ругие металлы, например, по реакции:

13. WO₃ + ЗН₂ = W + ЗН₂О

14. Многие металлы производят взаимодействием соединений ме-ллов с другими металлами, например:

15. BeF₂ + Mg = Be + MgF₂ Таким способом получают кадмий, олово, хром, серебро, титан И другие металлы. Кроме магния восстановителями обычно служат Цинк и алюминий. Электролизом из растворов осаждают медь, ни-Ксль, серебро, хром, кадмий, индий, олово и другие металлы. Элек-1ролизом из расплавов осаждаются сильные восстановители, такие, Как щелочные металлы, магний и алюминий.

16. Получение чистых металлов. Свойства металлов зависят от со­держания в них примесей. Например, титан долгое время не на­ходил применения из-за хрупкости, обусловленной наличием примесей. После освоения методов очистки области применения титана резко расширились. Содержание лишь 0,03 % (масс, ноли) мышьяка приводит к снижению электрической проводи­мости меди на 14%. Особенно большое значение имеет чистота материалов в электронной и вычислительной технике и ядерной

17. шергетике.

18. В зависимости от суммарной атомной доли примесей (от 10'¹ до 10~¹⁰%) различают 10 классов чистоты веществ. Если те или иные примеси особенно нежелательны для данной области при­менения материала, то оговаривают допустимое содержание этих примесей. Например, атомная доля бора, гафния и кадмия в ма­териалах атомной энергетики не должна превышать 10"⁴ — 10"⁶%. Стоимость материалов возрастает по мере повышения их степе-

19. ни очистки.

20. очистки.

21. Все методы очистки металлов можно разделить на химические

22. 1изико-химические. Химические методы очистки заключаются во взаи­модействии металлов с теми или иными реагентами, образующи­ми с основными металлами или примесями осадки или газооб­разные продукты. Из-за контакта металла с реагентами и мате­риалами аппаратуры не удается достичь высокой степени чисто­ты металла. Более высокую степень очистки дают транспортные химические реакции (см. § 6.1), в которых металл с реагентом образует газообразные продукты, передаваемые в другую зону, где они разлагаются на чистый металл и исходный реагент, на пример

23.

24. Физико-химические методы включают в себя электрохимические, дистилляционные, кристаллизационные и др.

25. При электрохимическом способе (рафиниро­вании) очищаемый металл служит анодом, чистый металл осаж­дается на катоде электролизера, примеси переходят либо в рас­твор электролита, либо в виде осадка накапливаются в шламе (см. гл. 9). Дистилляционные методы заключаются в испарении жидкого (например, ртути) или расплавленного ме­талла с последующей конденсацией паров. Отделение примесей обусловлено разной температурой испарения основного металла и примеси.

26. Кристаллизационные методы основаны на различном содержании примесей в твердом и расплавленном металлах. Они включают зонную плавку, кристаллизационное вытягивание из расплава и др. Особенно широко применяют зонную плавку, заключающуюся в том, что вдоль слитка (стержня) медленно перемещается зона нагрева и соответствен­но зона расплавленного металла. Некоторые примеси концен­трируются в расплаве и собираются в конце слитка, другие — в начале слитка. После многократных прогонок отрезают началь­ную и концевую части слитка, остается очищенная средняя часть металла.

 

 

Распространенность в природе

В природе значимые скопления фтора содержатся в основном в минерале флюорите (CaF₂), содержащем по массе 51,2 % Ca и 48,8 % F.

Относительно богаты фтором растения чечевица и лук

Содержанием в почве фтор обязан вулканическим газам, за счёт того, что в их состав обычно входит большое количество фтороводорода.

Промышленный способ получения фтора включает добычу и обогащение флюоритовых руд, сернокислотное разложение их концентрата с образованием безводного HF и его электролитическое разложение.

Для лабораторного получения фтора используют разложение некоторых соединений, но все они не встречаются в природе в достаточном количестве и их получают с помощью свободного фтора.

Получение металлов

Лабораторный метод

• В лабораторных условиях фтор можно получать с помощью показанной установки. В медный сосуд 1, заполненный расплавом KF·3HF помещают медный сосуд 2, имеющий отверстия в дне. В сосуд 2 помещают толстый никелевый анод. Катод помещается в сосуд 1. Таким образом, в процессе электролиза газообразный фтор выделяется из трубки 3, а водород из трубки 4. Важным требованием является обеспечение герметичности системы, для этого используют пробки из фторида кальция со смазкой из оксида свинца (II) и глицерина.
• В 1986 году, во время подготовки к конференции по поводу празднования 100-летия открытия фтора, Карл Кристе открыл способ чисто химического получения фтора с использованием реакции во фтороводородном растворе K₂MnF₆ и SbF₅ при 150 °C:

2K₂MnF₆ + 4SbF₅ → 4KSbF₆ + 2MnF₃ + F₂

Хотя этот метод не имеет практического применения, он демонстрирует, что электролиз необязателен, кроме того все компоненты для данных реакций могут быть получены без использования газообразного фтора.

Также для лабораторного получения фтора можно использовать нагрев фторида кобальта(III) до 300 °С, разложение фторидов серебра (слишком дорого) и некоторые другие способы.

Промышленный метод

Промышленное производство фтора осуществляется электролизом расплава кислого фторида калия KF·3HF (часто с добавлениями фторида лития), который образуется при насыщении расплава KF фтористым водородом до содержания 40—41 % HF. Процесс электролиза проводят при температурах около 100 °C в стальных электролизёрах со стальным катодом и угольным анодом.

Применение металлов

Применение в химии

Газообразный фтор используется для получения:

• гексафторида урана UF₆ из UF₄, применяемого для разделения изотопов урана для ядерной промышленности.
• трёхфтористого хлора ClF₃ — фторирующий агент и мощный окислитель ракетного топлива
• шестифтористой серы SF₆ — газообразный изолятор в электротехнической промышленности
• фторидов металлов (например, W и V), которые обладают некоторыми полезными свойствами
• фреонов — хороших хладагентов
• тефлонов — химически инертных полимеров
• гексафтороалюмината натрия — для последующего получения алюминия электролизом
• различных соединений фтора

Править] Ракетная техника

Основная статья: Соединения фтора в ракетной технике

Соединения фтора применяются в ракетной технике как окислитель ракетного топлива.

править] Применение в медицине

Основная статья: Соединения фтора в медицине

Соединения фтора широко применяются в медицине как кровезаменители.

Фтор является жизненно необходимым для организма элементом. В организме человека фтор, в основном, содержится в эмали зубов в составе фторапатита — Ca₅F(PO₄)₃. При недостаточном (менее 0,5 мг/литр питьевой воды) или избыточном (более 1 мг/литр) потреблении фтора организмом могут развиваться заболевания зубов: кариес и флюороз (крапчатость эмали) и остеосаркома, соответственно^[10].

Малое содержание фтора разрушает эмаль за счет вымывания фтора из фторапатита с образованием гидроксоапатита, и наоборот.

Для профилактики кариеса рекомендуется использовать зубные пасты с добавками фтора или употреблять фторированную воду (до концентрации 1 мг/л), или применять местные аппликации 1-2 % раствором фторида натрия или фторида олова. Такие действия могут сократить вероятность появления кариеса на 30-50 %.

Предельно допустимая концентрация связанного фтора^[11] в воздухе промышленных помещениях равна 0,0005 мг/литр.

ХЛОР

Нахождение хлора

В природе встречаются два изотопа хлора ³⁵Cl и ³⁷Cl. В земной коре хлор самый распространённый галоген. Хлор очень активен — он непосредственно соединяется почти со всеми элементами периодической системы. Поэтому в природе он встречается только в виде соединений в составе минералов: галита NaCI, сильвина KCl, сильвинита KCl · NaCl, бишофита MgCl₂ · 6H2O, карналлита KCl · MgCl₂ · 6Н₂O, каинита KCl · MgSO₄ · 3Н₂О. Самые большие запасы хлора содержатся в составе солей вод морей и океанов (содержание в морской воде 19 г/л^[3]). На долю хлора приходится 0,025 % от общего числа атомов земной коры, кларковое число хлора — 0,017 %, а человеческий организм содержит 0,25 % ионов хлора по массе. В организме человека и животных хлор содержится в основном в межклеточных жидкостях (в том числе в крови) и играет важную роль в регуляции осмотических процессов, а также в процессах, связанных с работой нервных клеток.

Получение

Промышленные методы

Первоначально промышленный способ получения хлора основывался на методе Шееле, то есть реакции пиролюзита с соляной кислотой:

MnO₂ + 4HCl → MnCl₂ + Cl₂↑ + 2H₂O

В 1867 году Диконом был разработан метод получения хлора каталитическим окислением хлороводорода кислородом воздуха. Процесс Дикона в настоящее время используется при рекуперации хлора из хлороводорода, являющегося побочным продуктом при промышленном хлорировании органических соединений.

4HCl + O₂ → 2H₂O + 2Cl₂

Сегодня хлор в промышленных масштабах получают вместе с гидроксидом натрия и водородом путём электролиза раствора поваренной соли:

Анод: 2Cl⁻ — 2е⁻ → Cl₂⁰↑

Катод: 2H₂O + 2e⁻ → H₂↑ + 2OH⁻

Применяется три варианта электрохимического метода получения хлора. Два из них электролиз с твердым катодом: диафрагменный и мембранный методы, третий — электролиз с жидким ртутным катодом (ртутный метод производства). В ряду электрохимических методов производства самым легким и удобным способом является электролиз с ртутным катодом, но этот метод наносит значительный вред окружающей среде в результате испарения и утечек металлической ртути.