Химия: теория и практика. Металлы и сплавы

 

 

 

 

 

 

А.А. Гуров, П.В. Слитиков, Ж.Н. Медных 

 

 
Химия: теория и практика 

Металлы и сплавы 
 

Учебник для вузов  

 

Под редакцией А.А. Гурова 

Издание 2-е, исправленное 

 

 

 

 

 

УДК 54(075.8) 
ББК 24.1 
  
Г90 
Рецензенты: 
кафедра общей и неорганической химии РХТУ им. Д.И. Менделеева  
(заведующий кафедрой профессор, д-р хим. наук С.Н. Соловьев); 
профессор кафедры общей химии Института биологии и химии МПГУ,  
канд. хим. наук Ю.Н. Медведев 

Рекомендовано Научно-методическим советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебника 

Гуров, А. А. 
Г90 
 
Химия: теория и практика. Металлы и сплавы : учебник для  
вузов / А. А. Гуров, П. В. Слитиков, Ж. Н. Медных ; под ред.  
А. А. Гурова. — 2-е изд., испр. — Москва : Издательство МГТУ 
им. Н. Э. Баумана, 2019. — 359, [1] с. : ил. 

ISBN 978-5-7038-5039-8 
Учебник является оригинальным изданием и не имеет аналогов среди литературы по химии, использующейся в учебном процессе технических университетов и вузов. По содержанию и структуре книга представляет собой совокупность учебника, задачника и практикума и состоит из трех разделов. Первый 
посвящен современным вопросам классификации, строения, получения и 
очистки металлов. Во втором разделе рассмотрены основные физические и химические свойства металлов. Третий раздел содержит материал, охватывающий 
сплавы и растворы в металлических системах. 
 
 
  
  
 
 
 
строгой форме. Некоторые темы в нем освещены более глубоко, чем в существующих учебниках, и, главное, методически удачнее. Приведенные на форзацах современные формы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева 
отражают существование проблем классификации, получения и изучения 
свойств некоторых элементов-металлов. Указана коррозионная стойкость большинства металлов-веществ, которая является одним из важнейших требований, 
предъявляемых к конструкционным металлическим материалам. Периодические системы с такой информацией в современных учебниках практически не 
приводились.  
Учебник соответствует государственному образовательному стандарту по 
химии для технических направлений и специальностей и предназначен для студентов 1–3-го курсов. 
УДК 54(075.8)   
ББК 24.1 
 
 
 
 
 Гуров А.А., Слитиков П.В., 
  
  
 
Медных Ж.Н., 2018 
 
 
 Гуров А.А., Слитиков П.В., 
  
  
 
Медных Ж.Н., 2019, с изменениями 
 
 Оформление. Издательство 
 
ISBN 978-5-7038-5039-8 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019 

Материал учебника изложен в доступной, но в то же время достаточно 

Предисловие 

Предлагаемый учебник является учебником нового поколения. Содержание и структура издания таковы, что позволяют рассматривать его как 
совокупность учебника, практикума и задачника. Он написан в соответствии 
с действующими в технических университетах программами по курсам общей и неорганической химии и отвечает государственным образовательным 
стандартам по этим дисциплинам для технических направлений и специальностей.  
Учебник посвящен рассмотрению свойств металлов и металлических 
систем, имеющих огромное значение для техники. Материал, изложенный  
в девяти главах, разбит на три раздела.  
В первом разделе, содержащем четыре главы, изложены вопросы классификации, строения, получения и очистки металлов с позиций современных 
научных представлений. В нем приведены не только химическая, но и различные виды технической классификации металлов. Представленные здесь 
разнообразные способы получения и очистки металлов подкреплены многочисленными примерами реальных промышленных технологий, используемых 
как в России, так и за рубежом. 
Во втором разделе, объединяющем три главы, описаны основные физические и химические свойства металлов, изучение которых необходимо 
при подготовке будущих инженеров приборо- и машиностроительных специальностей. Физические свойства в нем освещены шире, чем в издававшихся ранее учебниках такого плана, поскольку именно они зачастую определяют практическое применение того или иного металла в технике. В основу рассмотрения химических свойств положен принцип практической 
направленности, что наглядно подтверждают преамбулы к опытам лабораторных работ, представленных в этом разделе.  
Третий раздел, в который входят две главы, посвящен растворам в металлических системах. Особое внимание в нем уделено гомогенным твердым 
растворам — сплавам. Подробно изложены теоретические основы физико- 
химического анализа сплавов, дана характеристика их конкретных представителей, нашедших широкое применение в технике. Материал этого раздела 
служит связующим звеном между такими дисциплинами, как «Неорганическая химия» и «Материаловедение».  
Каждый из трех разделов, помимо теоретического материала, содержит еще и практические занятия. Последние включают в себя примеры решения задач, задачи для самостоятельного решения различного уровня 
сложности, а также вариативные лабораторные работы. Формы отчетов 
представлены таким образом, что достаточно легко могут быть преобразованы в лабораторный журнал.  

Предисловие 
————————————————————————————————————— 
4

В учебнике есть список рекомендуемой литературы, предметный и 
именной указатели, а также приложение. Список рекомендуемой литературы насчитывает 12 наименований наиболее фундаментальных изданий последних лет. В предметный указатель входят все выделенные в тексте термины с отсылкой к тем страницам, на которых они строго определены или 
описаны. Аннотированный именной указатель содержит сведения об упоминаемых в книге ученых. В приложении приведен справочный материал, 
необходимый для решения задач и обработки результатов опытов. 
Материал в учебнике изложен в доступной форме и в то же время достаточно строго, с учетом современных физико-химических представлений, 
прежде всего, о строении вещества и химической термодинамике. Необходимо отметить, что некоторые темы освещены более глубоко, чем в существующих учебниках, и главное по мнению авторов, методически удачнее. 
Большое внимание уделено графическим иллюстрациям, позволяющим читателю лучше понять сущность описываемых явлений и процессов. В основном использованы номенклатура, терминология, обозначения и определения, рекомендованные Международным союзом теоретической и прикладной химии (IUPAC). Приведенные на форзацах две современные формы 
Периодической системы элементов Д.И. Менделеева насчитывают 118 открытых к настоящему времени ее представителей и отражают современное 
состояние проблемы синтеза новых элементов. 
Учебник предназначен для студентов 1–3-го курсов технических университетов и вузов, изучающих химию, а также может быть полезен аспирантам, преподавателям и специалистам в области химии. 
Над созданием учебника работал коллектив авторов, подготовивших 
следующие материалы: главы 1−5 — А.А. Гуров; задачи к разделам I и II, 
приложение и указатели — П.В. Слитиков; предисловие, главы 6 и 7, лабораторные работы 1–3 — П.В. Слитиков и А.А. Гуров; главы 8, 9, задачи к 
разделу III и лабораторную работу 4 — Ж.Н. Медных и А.А. Гуров.  
За тщательный и обстоятельный анализ материалов рукописи, ценные 
замечания и полезные советы, а также различные методические рекомендации, способствовавшие улучшению учебника, авторы в качестве приятного 
долга выражают глубокую благодарность рецензентам: 
коллективу кафедры общей и неорганической химии РХТУ 
им. Д.И. Менделеева и ее заведующему проф., д-ру хим. наук С.Н. Соловьеву; 
профессору кафедры общей химии Института биологии и химии 
МПГУ, канд. хим. наук Ю.Н. Медведеву; 
доценту кафедры «Инструментальная техника и технологии» МГТУ 
им. Н.Э. Баумана, канд. техн. наук Д.В. Виноградову.  
При подготовке рукописи в печать неоценимую помощь авторам оказали Е.А. Кондракова и Р.Ю. Герасимов. 
Все замечания и пожелания просьба направлять по адресу: 105005, 
Москва, 2-я Бауманская ул., 5, стр. 1, Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана. 

I 

КЛАССИФИКАЦИЯ,  
СТРОЕНИЕ И ПОЛУЧЕНИЕ 
МЕТАЛЛОВ 

▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄ 

♦ 
Зонная и квантовая 
теории 
 
♦ 
Строение  
металлических  
кристаллов 
 
♦ 
Химические основы  
металлургических  
процессов 
 
♦ 
Рафинирование  
металлов 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Из 118 открытых к настоящему времени элементов
около 90 являются металлами. Последние располагаются в Периодической системе элементов
Д.И. Менделеева левее диагонали амфотерности — ломаной линии, проходящей от бора 5B до 
оганесона 118Og (см. таблицу на первом форзаце).
Эта граница не является абсолютно строгой, так
как элементы, находящиеся вблизи нее и называемые полуметаллами (семиметаллами), обладают 
свойствами, характерными как для металлов, так и
для неметаллов. Элементы-металлы составляют 
около 80 % всех известных химических элементов,
и этим определяется не только их роль в химии, но
и важность в современной технике. Несмотря на
довольно обширный круг искусственно созданных
в последние годы материалов, основными конструкционными материалами служат металлы, и 
в обозримое время в этом качестве они, по всей 
видимости, будут доминировать. 
Бóльшая часть металлических конструкционных
материалов производится металлургическим способом — выплавкой, технология которой многоступенчата и определяется требуемыми свойствами производимого материала. Общей чертой выплавки металлов и сплавов является нагрев
рудных материалов и полуфабрикатов до температур, превышающих температуру плавления наиболее тугоплавкого компонента, и последующее 
охлаждение расплава до комнатной температуры.
Происходящее при этом затвердевание материала
сопровождается изменением его агрегатного состояния — переходом из жидкого в твердое и уменьшением объема на 2...6 %, вызванным сокращением межатомных расстояний. Эффект тем явственнее, чем более компактную решетку имеет
затвердевший материал. Вследствие уменьшения
объема материала при затвердевании в структуре
реального слитка, как правило, присутствуют

I. Классификация, строение и получение металлов 
————————————————————————————————————— 
6

 
макродефекты — трещины, раковины, полости, а
также содержится множество микродефектов —
вакансий, дислокаций, границ раздела, дефектов
упаковки и др.  
В подавляющем большинстве металлические конструкционные материалы являются многокомпонентными сплавами, в состав которых входят два
вида элементов: легирующие — вводимые специально для придания материалу необходимых
свойств, и примесные — попадающие в него с 
рудными материалами при выплавке и других металлургических процессах. Вступая во взаимодействие, эти элементы образуют фазы — однородные 
по составу, т. е. по количествам и концентрациям
компонентов, и по структуре, т. е. по кристаллическому строению, области, ограниченные поверхностями раздела. Как правило, металлические конструкционные материалы содержат несколько таких фаз, относительные количества которых могут 
существенно различаться. Фазы постоянного состава называют интерметаллическими соединениями или, коротко, интерметаллидами. Это соединения металлов друг с другом. Наличие дефектов,
примесей и легирующих элементов в составе материалов существенно влияет на многие его свойства, среди которых такие, как прочность, пластичность, электрическая проводимость, коррозионная стойкость и др. 
Современная химия металлов — детально разработанная область науки, ставшая источником многих открытий и обобщений, способствующих 
научно-техническому прогрессу. В данном курсе
изучение химии конструкционных металлов начинается с рассмотрения систематизации металлов, 
их структуры, способов получения. 
 
 
 
 
 

♦ 
 
Зонная и квантовая теории 

 

—————————————————————————————— 

Термин «металлы» имеет двоякий смысл. В химии им обозначают
как металлические элементы, имея в виду их химическое поведение
(химический смысл), так и простые вещества с конкретными физическими свойствами (физический смысл).  
В химическом смысле под металлами подразумевают электроположительные элементы (характеризующиеся значением относительной электроотрицательности по шкале Полинга χ < 2), которые при 
обычных условиях (комнатная температура и атмосферное давление) образуют вещества с типично металлическими свойствами. 
Однако многие элементы, которые относятся к неметаллам, при
условиях, сильно отличающихся от обычных, могут образовывать
вещества с явно металлическими свойствами. Например, фосфор Р
при давлении 3·103 МПа переходит в модификацию с металлическими свойствами, обладающую, в частности, хорошей металлической проводимостью. Аналогичная картина наблюдается у иода I
и водорода H. 
В физическом смысле металлы — простые вещества, обладающие
определенной совокупностью характерных для металлов физических свойств, в том числе и высокой электрической проводимостью, которая имеет особый (металлический) характер. Однако
в соответствии с явлением аллотропии разные простые вещества,
образуемые одним и тем же элементом, могут обладать весьма различными физическими свойствами, в том числе разной электрической проводимостью и разными механизмами проводимости электрического тока. Так, олово при температуре ниже 13,2 °С существует в виде α-модификации, называемой серым оловом и 
являющейся полупроводником, а при температуре выше 13,2 °С —
в виде β-модификации, именуемой белым оловом и представляющей собой металл серебристо-белого цвета. 
В связи с двойственностью термина «металлы» правильнее подразделять элементы на электроположительные и электроотрицательные,
тем более что электроотрицательность для них можно оценивать количественно. Электроположительные элементы склонны к образованию простых веществ с металлическими свойствами, электроотрицательные — с неметаллическими. Чем более электроотрицательным
является элемент, тем сильнее выражены неметаллические свойства
у образуемых им простых веществ. И наоборот, чем менее электроотрицателен элемент, тем сильнее металлические свойства у соответствующих ему простых веществ. 
В технике термином «металлы» обозначают не только простые вещества, но и вообще материалы (например, металлические сплавы и
даже некоторые соединения), обладающие свойствами металлов. 

1. Зонная и квантовая теории 
————————————————————————————————————— 
8

1.1. Классификация металлов  
и особенности электронного строения их атомов 

Металлы можно подразделять по различным признакам. Однако строгой и совершенной их классификации ни в химии, ни в технике не существует, поэтому одни и те же металлы могут быть отнесены к различным 
группам. 
Химическая классификация металлов. Основой систематизации 
металлов в химии является положение в Периодической системе. В соответствии с ним все металлы делятся на s-, p-, d- и f-металлы (см. таблицу на 
первом форзаце). Такая классификация основана на том, какие орбитали у 
их атомов заполняются электронами. Так, у s- и p-металлов это соответственно внешние ns- и np-атомные орбитали (АО), у d- и f-металлов — соответственно предвнешние (внутренние) (n–1)d- и (n–2)f-АО, где n — номер 
периода, в котором располагаются металлы. 
Среди s-элементов все, кроме водорода H и гелия He, являются металлами. Эти металлы, часто называемые s-металлами, располагаются в 1-й и  
2-й группах 2–7-го периодов Периодической системы и образуют совокупность из 12 так называемых типичных металлов. Все они отличаются высокой химической активностью и являются сильными восстановителями.  
s-Металлы 1-й группы (литий Li, натрий Na, калий K, рубидий Rb, цезий Cs, 
франций Fr) называются щелочными металлами. Такое наименование они 
получили вследствие того, что гидроксиды некоторых из них издавна известны как щелочи. Эти металлы имеют на внешнем электронном слое атома по одному s-электрону, сильно удаленному от ядра. s-Металлы 2-й группы представлены такими типичными металлами, как бериллий Be и магний 
Mg, и металлами подгруппы кальция (кальций Ca, стронций Sr, барий Ba, 
радий Ra). Совокупность последних называют еще щелочно-земельными  
металлами, так как их гидроксиды обладают щелочными свойствами, а оксиды сходны с оксидами алюминия и тяжелых металлов, именуемых землями. В некоторых изданиях к щелочно-земельным металлам относят и магний. У атомов s-металлов 2-й группы имеется по два спаренных s-электрона 
на внешнем электронном слое. Каждый период (за исключением 1-го)  
Периодической системы начинается со щелочного металла, за которым следует соответствующий s-металл 2-й группы. 
Среди типичных р-элементов, находящихся в 13–18-й группах, металлами являются: в 13-й группе — алюминий Al, галлий Ga, индий In, таллий 
Tl, нихоний Nh; в 14-й — олово Sn, свинец Pb, флеровий Fl; в 15-й — висмут Bi, московий Mс; в 16-й — полоний Ро, ливерморий Lv; в 17-й — теннессин Ts. В технике к р-металлам относят еще германий Ge и сурьму Sb. 
Таким образом, их совокупность, называемая р-металлами, насчитывает 
15 элементов в 3–7-м периодах. У атомов каждого из этих металлов на 

1.1. Классификация металлов и особенности электронного строения их атомов  
————————————————————————————————————— 
9

внешнем энергетическом уровне находятся по два s-электрона и от одного 
до пяти р-электронов, которые и определяют их валентные возможности. 
Все d- (40 наименований) и f- (28 наименований) элементы являются 
металлами, получившими общее название переходных металлов. Термин 
«переходные металлы» малоупотребим. Его происхождение обусловлено 
местом расположения элементов в Периодической системе: они занимают 
переходное положение между начинающими каждый период типичными  
s-металлами и заканчивающими его типичными неметаллами (р-элементами). Чтобы дифференцировать среди переходных металлов d- и  
f-металлы, последние именуют внутренними переходными металлами, поскольку в Периодической системе они располагаются между d-металлами: 
лантаном 57La и гафнием 72Hf, актинием 89Ас и резерфордием 104Rf 
(см. таблицу на первом форзаце). Такая дифференциация обусловлена тем, 
что у внутренних переходных металлов практически совпадают физические и химические свойства. 
d-Металлы, имея сходные, но, в отличие от f-металлов, вполне различимые и физические, и химические свойства, располагаются в 3–12-й груп-
пах 4–7-го периодов. Каждая группа d-металлов состоит из четырех представителей и имеет специфическое название. Так, группы 4–7, 11 и 12 именуют по названию расположенного в 4-м периоде первого элемента, 
например: 4-я группа — металлы группы титана Ti, 7-я группа — металлы 
группы марганца Mn и т. д. Металлы 8–10-й групп объединены в горизонтальном порядке в так называемые триады. Первую триаду составляют металлы подгруппы железа (железо Fe, кобальт Co, никель Ni). Вторую и третью триады образуют металлы подгруппы платины (рутений Ru, родий Rh, 
палладий Pd и осмий Os, иридий Ir, платина Pt соответственно). Металлы 
второй и третьей триад именуют еще платиновыми металлами. Последние 
совместно с серебром Ag и золотом Au составляют совокупность благородных металлов. Четвертую триаду формируют полученные искусственным 
путем хассий Hs, мейтнерий Mt, дармштадтий Ds. Третью группу d-металлов (скандий Sc, иттрий Y, лантан La), в которую входят еще и лантаноиды, 
называют редкоземельными металлами. Эти металлы подразделяют на металлы иттриевой (иттрий Y, гадолиний Gd, тербий Tb, диспрозий Dy, гольмий Ho, эрбий Er, тулий Tm, иттербий Yb, лютеций Lu) и цериевой (церий Ce, лантан La, празеодим Pr, неодим Nd, самарий Sm, европий Eu) 
групп. Такое деление обусловлено особенностями их свойств и технологии. Металлы 11-й группы (медь Cu, серебро Ag, золото Au) образуют 
группу монетных металлов, что связано с исторически сложившимся использованием их для изготовления монет.  
У атомов большинства d-металлов на внешнем электронном уровне 
располагаются два электрона, находящихся на s-АО. Некоторые атомы 
имеют по одному электрону вследствие наблюдающегося у них отклоне

1. Зонная и квантовая теории 
————————————————————————————————————— 
10

ния от регулярного заполнения, называемого провалом (проскоком) внешних ns-электронов. Наличие этого явления точно установлено у атомов 
хрома Cr, ниобия Nb, молибдена Mo, рутения Ru, родия Rh, меди Cu, золота Au, серебра Ag и платины Pt. Провал сразу двух внешних 5s-электронов 
характерен только для атома палладия Pd. Валентные возможности атомов 
d-металлов определяются в первую очередь внешними ns-электронами, а 
затем (n–1)d-электронами, находящимися на предвнешнем электронном 
уровне. В связи с этим валентность атомов d-металлов изменяется в интервале 1–8. Следует отметить, что такие d-металлы, как цинк Zn, кадмий Cd 
и ртуть Hg, не относят к переходным металлам, так как их атомы не имеют 
частично заполненных (n–1)d-АО. 
f-Металлы представлены двумя горизонтальными семействами, именуемыми лантаноидами Ln (z = 58–71) и актиноидами An (z = 90–103) 
(см. таблицу на первом форзаце). Дословно названия этих семейств означают «подобные по свойствам лантану и актинию» соответственно. Горизонтальное формирование семейств f-металлов, в отличие от вертикального 
группирования s-, p- и d-металлов, обусловлено их гораздо бóльшим горизонтальным, нежели вертикальным, сходством между собой. В соответствии 
с таким принципом формирования лантан La (z = 57) и следующие за ним 
14 лантаноидов, а также актиний Ac (z = 89) и следующие за ним 14 актиноидов помещают во многих формах Периодической системы в одну клетку, 
стоящую на пересечении 3-й группы и соответственно 6-го и 7-го периодов. 
Этим подчеркивается химическая близость металлов указанных семейств, 
являющаяся следствием того, что заполнение электронами низколежащих 
АО, в основном (n–2) f-АО, вызывает небольшое, приблизительно на 
0,01...0,03 Å, уменьшение атомных и ионных радиусов при переходе к каждому следующему металлу семейства. Это в свою очередь приводит к плавному изменению свойств f-металлов в семействе. Уменьшение размеров 
атомов и ионов у металлов соответствующих семейств получило название 
лантаноидного и актиноидного сжатия. Было установлено, что указанные 
эффекты оказывают влияние не только на свойства самих  f-металлов, но и 
на вертикальную (по группам) периодичность изменения свойств следующих за ними d-металлов. В семействах f-металлов, несмотря на большую 
близость их свойств, наблюдаются немонотонные их изменения. Это позволяет разделить каждое семейство на две группы: (n – 2) f 1−7 и (n – 2) f 7−14. 
При этом в пределах каждой происходят уже плавные изменения свойств, 
прежде всего структурнозависимых, с минимумом на середине группы при 
(n – 2) f 3−4 и (n – 2) f 10−11. Таким образом, каждое горизонтальное семейство 
f-металлов представляется в виде совокупности четырех тетрад. 
Историческое название лантаноидов — редкоземельные металлы — 
употребляется в настоящее время. Этот термин свидетельствует об относительно малом их содержании в земной коре — 10−5...10−3 кларков (в нашем