Сурьма в ряду активности металлов

Обновлено: 19.05.2024

Химические свойства металлов определяются их активностью. Простые вещества – металлы в химических реакциях всегда являются восстановителями . Положение металла в ряду активности характеризует то, насколько активно данный металл способен вступать в химические реакции (т. е. то, насколько сильно у него проявляются восстановительные свойства).

Среди металлов традиционно выделяют несколько групп.

благородные металлы (серебро, золото, платина, иридий);

щелочные металлы – I(A) группа ;

щелочноземельные металлы – II(A) группа , кроме Be, Mg.

Металлы встпают в реакции с простыми веществами – неметаллами (кислород, галогены, сера, азот, фосфор и др.) и сложными веществами (вода, кислоты, растворы солей)

Взаимодействие с простыми веществами-неметаллами

1. Металлы взаимодействуют с кислородом, образуя оксиды:

4Li + O ₂ = обыч. усл . = 2Li ₂ O

2Mg + O ₂ = t, °C = 2MgO

Серебро, золото и платина с кислородом не реагируют

2. Металлы взаимодействуют с галогенами (фтором, хлором, бромом и йодом), образуя галогениды – Ме +n Г -1 _n

2Na + Cl ₂ = 2NaCl

3. Металлы взаимодействуют с серой, образуя сульфиды.

4. Активные металлы при нагревании реагируют с азотом, фосфором и некоторыми другими неметаллами.

3Na + P = t, °C = Na ₃ P

Взаимодействие со сложными веществами

I. Взаимодействие воды с металлами

1). Взаимодействие с самыми активными металлами, находящимися в периодической системе в I(А) и II(А) группах (щелочные и щелочноземельные металлы) и алюминий . В результате образуются основание и газ водород .

Me + H ₂ O = Me(OH) _n + H ₂ (р. замещения)

Внимание! Алюминий и магний ведут себя также:

Магний (в горячей воде):

2) Взаимодействие воды с менее активными металлами, которые расположены в ряду активности от алюминия до водорода.

Металлы средней активности, стоящие в ряду активности до (Н ₂ ) – Be, Fe, Pb, Cr, Ni, Mn, Zn – реагируют с образованием оксида металла и водорода

Me + Н ₂ О = Ме _х О _у + Н ₂ (р. замещения)

Бериллий с водой образует амфотерный оксид:

Be + H ₂ O = t°C = BeO + H ₂

Раскалённое железо реагирует с водяным паром, образуя смешанный оксид — железную окалину Fe ₃ O ₄ и водород:

3) Металлы, стоящие в ряду активности после водорода, не реагируют с водой.

Cu + H ₂ O ≠ нет реакции

II. Взаимодействие растворов кислот с металлами

Металлы, стоящие в ряду активности металлов левее водорода, взаимодействуют с растворами кислот ( раствор азотной кислоты – исключение ), образуя соль и водород.

Кислота _{(раствор)} + Me _{до (Н2)} = Соль + H ₂ ↑

III. Взаимодействие кислот-окислителей с металлами

Металлы особо реагируют с серной концентрированной и азотной кислотами:

H ₂ SO ₄ (конц.) + Me = Сульфат + H ₂ O + Х

HNO ₃ + Me = Нитрат + H ₂ O + Х

4Zn + 10HNO _{3 (раствор горячий)} = t˚C = 4Zn(NO ₃ ) ₂ + N ₂ O + 5H ₂ O

4Zn + 10HNO _{3 (оч. разб. горячий)} = t˚C = 4Zn(NO ₃ ) ₂ + NH ₄ NO ₃ + 3H ₂ O

IV. С растворами солей менее активных металлов

Ме + Соль = Новый металл + Новая соль

Активность металла в реакциях с кислотами, водными растворами солей и др. можно определить, используя электрохимический ряд, предложенный в 1865 г русским учёным Н. Н. Бекетовым: от калия к золоту восстановительная способность (способность отдавать электроны) уменьшается, все металлы, стоящие в ряду левее водорода, могут вытеснять его из растворов кислот; медь, серебро, ртуть, платина, золото, расположенные правее, не вытесняют водород.

Сурьма

Сурьма (химический символ — Sb; лат. Stibium ) — химический элемент 15-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы пятой группы) пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева; имеет атомный номер 51. Простое вещество сурьма — полуметалл серебристо-белого цвета с синеватым оттенком, грубозернистого строения. Известны четыре металлических аллотропных модификаций сурьмы, существующих при различных давлениях, и три аморфные модификации (взрывчатая, чёрная и жёлтая сурьма). Также есть названия у этого элемента Antimony.

Содержание

1 История

2 Нахождение в природе

2.1 Генетические группы и промышленные типы месторождений
2.2 Месторождения

3.1 Резервы

8.1 Электроника
8.2 Термоэлектрические материалы

История

Сурьма известна с глубокой древности. В странах Востока она использовалась примерно за 3000 лет до н. э. для изготовления сосудов. В Древнем Египте уже в XIX в. до н. э. порошок сурьмяного блеска (природный Sb₂S₃) под названием mesten или stem применялся для чернения бровей. В Древней Греции он был известен как στίμμι и στίβι , отсюда лат. stibium . Около XII—XIV вв. н. э. появилось название antimonium. Подробное описание свойств и способов получения сурьмы и её соединений впервые дано алхимиком Василием Валентином (Германия) в 1604 году. В 1789 году А. Лавуазье включил сурьму в список химических элементов под названием antimoine (современный английский antimony, испанский и итальянский antimonio, немецкий Antimon). Русское слово «сурьма» произошло от турецкого и крымско-татарского sürmä; им обозначался порошок свинцового блеска PbS, также служивший для чернения бровей (по другим данным, «сурьма» — от персидского «сурме» — металл).

Нахождение в природе

Кларк сурьмы — 500 мг/т. Её содержание в изверженных породах в общем ниже, чем в осадочных. Из осадочных пород наиболее высокие концентрации сурьмы отмечаются в глинистых сланцах (1,2 г/т), бокситах и фосфоритах (2 г/т) и самые низкие в известняках и песчаниках (0,3 г/т). Повышенные количества сурьмы установлены в золе углей. Сурьма, с одной стороны, в природных соединениях имеет свойства металла и является типичным халькофильным элементом, образуя антимонит. С другой стороны она обладает свойствами металлоида, проявляющимися в образовании различных сульфосолей — бурнонита, буланжерита, тетраэдрита, джемсонита, пираргирита и др. С такими металлами, как медь, мышьяк и палладий, сурьма может давать интерметаллические соединения. Ионный радиус сурьмы Sb 3+ наиболее близок к ионным радиусам мышьяка и висмута, благодаря чему наблюдается изоморфное замещение сурьмы и мышьяка в блёклых рудах и геокроните Pb₅(Sb, As)₂S₈ и сурьмы и висмута в кобеллите Pb₆FeBi₄Sb₂S₁₆ и др. Сурьма в небольших количествах (граммы, десятки, редко сотни г/т) отмечается в галенитах, сфалеритах, висмутинах, реальгарах и других сульфидах. Летучесть сурьмы в ряде её соединений сравнительно невысокая. Наиболее высокой летучестью обладают галогениды сурьмы SbCl₃. В гипергенных условиях (в приповерхностных слоях и на поверхности) антимонит подвергается окислению примерно по следующей схеме: Sb₂S₃ + 6O₂ = Sb₂(SO₄)₃. Возникающий при этом сульфат окиси сурьмы очень неустойчив и быстро гидролизирует, переходя в сурьмяные охры — сервантит Sb₂O₄, стибиоконит Sb₂O₄ • nH₂O, валентинит Sb₂O₃ и др. Растворимость в воде довольно низкая (1,3 мг/л), но она значительно возрастает в растворах щелочей и сернистых металлов с образованием тиокислоты типа Na₃SbS₃. Содержание в морской воде — 0,5 мкг/л. Главное промышленное значение имеет антимонит Sb₂S₃ (71,7 % Sb). Сульфосоли тетраэдрит Cu₁₂Sb₄S₁₃, бурнонит PbCuSbS₃, буланжерит Pb₅Sb₄S₁₁ и джемсонит Pb₄FeSb₆S₁₄ имеют небольшое значение.

Генетические группы и промышленные типы месторождений

В низко- и среднетемпературных гидротермальных жилах с рудами серебра, кобальта и никеля, также в сульфидных рудах сложного состава.

Месторождения

Месторождения сурьмы известны в ЮАР, Алжире, Азербайджане, Таджикистане, Болгарии, России, Финляндии, Казахстане, Сербии, Китае, Киргизии.

Производство

По данным исследовательской компании Roskill, в 2010 году 76,75 % мирового первичного производства сурьмы приходилось на Китай (120 462 т, включая официальное и неофициальное производство), второе место по объёмам производства занимала Россия (4,14 %; 6500 т), третье — Мьянма (3,76 %; 5897 т). Среди других крупных производителей — Канада (3,61 %; 5660 т), Таджикистан (3,42 %; 5370 т) и Боливия (3,17 %; 4980 т). Всего в 2010 году в мире было произведено 196 484 тонн сурьмы (из которых вторичное производство составляло 39 540 тонн).

В 2010 году официальное производство сурьмы в Китае снизилось по сравнению с 2006—2009 годами и в ближайшее время вряд ли увеличится, говорится в отчёте Roskill.

В России крупнейший производитель сурьмы — это холдинг GeoProMining (6500 тонн в 2010 г.), который занимается добычей и обработкой сурьмы на принадлежащих ему производственных комплексах «Сарылах-Сурьма» и «Звезда» в Республике Саха (Якутия).

Резервы

Согласно статистическим данным Геологической службы США:

Мировые резервы сурьмы в 2010 году (содержание сурьмы в тоннах)

Всего в мире	1 831 000	100,0
Страна	Резервы	%
Китай	950 000	51,88
Россия	350 000	19,12
Боливия	310 000	16,93
Таджикистан	50 000	2,73
ЮАР	21 000	1,15
Другие (Канада/Австралия)	150 000	8,19

Изотопы

Природная сурьма является смесью двух изотопов: 121 Sb (изотопная распространённость 57,36 %) и 123 Sb (42,64 %). Единственный долгоживущий радионуклид — 125 Sb с периодом полураспада 2,76 года, все остальные изотопы и изомеры сурьмы имеют период полураспада, не превышающий двух месяцев.

Пороговая энергия для реакций с высвобождением нейтрона (первого):

121 Sb — 9,248 МэВ,
123 Sb — 8,977 МэВ,
125 Sb — 8,730 МэВ.

Физические свойства

Сурьма в свободном состоянии образует серебристо-белые кристаллы с металлическим блеском, плотность — 6,68 г/см³. Напоминая внешним видом металл, кристаллическая сурьма обладает большей хрупкостью и меньшей тепло- и электропроводностью. В отличие от большинства других металлов, при застывании расширяется. Примесь сурьмы понижает точки плавления и кристаллизации свинца, а сам сплав при отвердении несколько расширяется в объёме. В сравнении со своими гомологами по группе - мышьяком и висмутом, для которых тоже характерно наличие как металлических так и неметаллических свойств, металлические свойства сурьмы слегка преобладают над неметаллическими, у мышьяка свойства металла, у висмута - напротив свойства неметалла - выражены слабо.

Получение

Основной способ получения — обжиг сульфидных руд с последующим восстановлением оксида углём:

Химические свойства

Со многими металлами образует интерметаллические соединения — антимониды. Основные валентные состояния в соединениях: III и V.

Окисляющие концентрированные кислоты активно взаимодействуют с сурьмой.

серная кислота превращает сурьму в сульфат сурьмы (III) с выделением сернистого газа:

азотная кислота переводит сурьму в сурьмяную кислоту (условная формула H₃SbO₄ ):

Сурьма растворима в «Царской водке»:

3Sb + 18HCl + 5HNO₃ ⟶ 3H[SbCl₆] + 5NO↑ + 10H₂O

Сурьма легко реагирует с галогенами:

с йодом в инертной атмосфере при незначительном нагревании:

с хлором реагирует по-разному, в зависимости от температуры:

Применение

Сурьма всё больше применяется в полупроводниковой промышленности при производстве диодов, инфракрасных детекторов, устройств с эффектом Холла. Является компонентом свинцовых сплавов, увеличивающим их твёрдость и механическую прочность. Область применения включает:

батареи;
антифрикционные сплавы;
типографские сплавы;
стрелковое оружие и трассирующие пули;
оболочки кабелей;
спички;
лекарства, противопротозойные средства;
пайка — некоторые бессвинцовые припои содержат 5 % Sb;
использование в линотипных печатных машинах.

Вместе с оловом и медью сурьма образует металлический сплав — баббит, обладающий антифрикционными свойствами и использующийся в подшипниках скольжения. Также Sb добавляется к металлам, предназначенным для тонких отливок.

Соединения сурьмы в форме оксидов, сульфидов, антимоната натрия и трихлорида сурьмы, применяются в производстве огнеупорных соединений, керамических эмалей, стекла, красок и керамических изделий. Триоксид сурьмы является наиболее важным из соединений сурьмы и главным образом используется в огнестойких композициях. Сульфид сурьмы является одним из ингредиентов в спичечных головках.

Природный сульфид сурьмы, стибнит, использовали в библейские времена в медицине и косметике. Стибнит до сих пор используется в некоторых развивающихся странах в качестве лекарства.

Соединения сурьмы, например, меглюмина антимониат (глюкантим) и натрия стибоглюконат (пентостам), применяются в лечении лейшманиоза.

Электроника

Термоэлектрические материалы

Теллурид сурьмы применяется как компонент термоэлектрических сплавов (термо-ЭДС 150—220 мкВ/К) с теллуридом висмута.

Биологическая роль и воздействие на организм

Сурьма токсична. Относится к микроэлементам. Её содержание в организме человека составляет 10 −6 % по массе. Постоянно присутствует в живых организмах, физиологическая и биохимическая роль не выяснена. Сурьма проявляет раздражающее и кумулятивное действие. Накапливается в щитовидной железе, угнетает её функцию и вызывает эндемический зоб. Однако, попадая в желудочно-кишечный тракт, соединения сурьмы не вызывают отравления, так как соли Sb(III) там гидролизуются с образованием малорастворимых продуктов. При этом соединения сурьмы (III) более токсичны, чем сурьмы (V). Пыль и пары Sb вызывают носовые кровотечения, сурьмяную «литейную лихорадку», пневмосклероз, поражают кожу, нарушают половые функции. Порог восприятия привкуса в воде — 0,5 мг/л. Смертельная доза для взрослого человека — 100 мг, для детей — 49 мг. Для аэрозолей сурьмы ПДК в воздухе рабочей зоны 0,5 мг/м³, в атмосферном воздухе 0,01 мг/м³. ПДК в почве 4,5 мг/кг. В питьевой воде сурьма относится ко 2 классу опасности, имеет ПДК 0,005 мг/л, установленную по санитарно-токсикологическому лимитирующему признаку вредности. В природных водах норматив содержания составляет 0,05 мг/л. В сточных промышленных водах, сбрасываемых на очистные сооружения, имеющие биофильтры, содержание сурьмы не должно превышать 0,2 мг/л.

Антимонид галлия (GaSb)
Антимонид индия (InSb)
Антимониды
Бромид сурьмы (III) (SbBr₃)
Гексагидроксостибат калия (K[Sb(OH)₆])
Гексахлоростибат водорода (H[SbCl₆]•4,5H₂O)
Гексафтороантимонат водорода (H[SbF₆])
Гексафторостибат натрия (Na[SbF₆])
Диантимонид платины (PtSb₂)
Йодид сурьмы (III) (SbI₃)
Йодид сурьмы (V) (SbI₅)
Оксид сурьмы (III) (Sb₂O₃)
Оксид сурьмы (V) (Sb₂O₅)
Оксибромид сурьмы (Sb₄O₅Br₂)
Оксид-хлорид сурьмы (SbOCl)
Оксихлорид сурьмы (Sb₄O₅Cl₂)
Оксистибат ртути (Hg₂Sb₂O₇)
Селенид сурьмы (III) (Sb₂Se₃)
Соль Шлиппе (Na₃[SbS₄]·₉H₂O)
Стибин (H₃Sb)
Сульфат сурьмы (Sb₂(SO₄)₃)
Сульфид сурьмы (III) (Sb₂S₃)
Сульфид сурьмы (V) (Sb₂S₅)
Сурьмяная кислота
Теллурид сурьмы (III) (Sb₂Te₃)
Тетраоксид сурьмы (Sb₂O₄)
Триметилсурьма (Sb(CH₃)₃)
Трифенилсурьма (Sb(C₆H₅)₃)
Триэтилсурьма (Sb(C₂H₅)₃)
Тритиостибат натрия (Na₃[SbS₃])
Фторид сурьмы (III) (SbF₃)
Фторид сурьмы (V) (SbF₅)
Хлорид сурьмы (III) (SbCl₃)
Хлорид сурьмы (V) (SbCl₅)

Eu, Sm, Li, Cs, Rb, K, Ra, Ba, Sr, Ca, Na, Ac, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Gd, Tb, Mg, Y, Dy, Am, Ho, Er, Tm, Lu, Sc, Pu,
Th, Np, U, Hf, Be, Al, Ti, Zr, Yb, Mn, V, Nb, Pa, Cr, Zn, Ga, Fe, Cd, In, Tl, Co, Ni, Te, Mo, Sn, Pb, H₂,
W, Sb, Bi, Ge, Re, Cu, Tc, Te, Rh, Po, Hg, Ag, Pd, Os, Ir, Pt, Au

Металл серебристо-белого цвета

Сурьма́ / Stibium (Sb), 51

[Kr] 4d 10 5s 2 5p 3

2,05 [1] (шкала Полинга)

(300 K) 24,43 Вт/(м·К)

Сурьма́ (лат. Stibium ; обозначается символом Sb) химический элемент 15-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы пятой группы) пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева; имеет атомный номер 51. Простое вещество сурьма (CAS-номер: 7440-36-0) — полуметалл серебристо-белого цвета с синеватым оттенком, грубозернистого строения. Известны четыре металлических аллотропных модификаций сурьмы, существующих при различных давлениях, и три аморфные модификации (взрывчатая, чёрная и жёлтая сурьма) [2] .

Сурьма известна с глубокой древности. В странах Востока она употреблялась примерно за 3000 лет до н. э. для изготовления сосудов. В Древнем Египте уже в 19 в. до н. э. порошок сурьмяного блеска (природный Sb₂S₃) под названием mesten или stem применялся для чернения бровей. В Древней Греции он был известен как stími и stíbi, отсюда латинский stibium. Около 12—14 вв. н. э. появилось название antimonium. В 1789 А. Лавуазье включил сурьму в список химических элементов под названием antimoine (современный английский antimony, испанский и итальянский antimonio, немецкий Antimon). Русская «сурьма» произошло от турецкого sürme; им обозначался порошок свинцового блеска PbS, также служивший для чернения бровей (по другим данным, «сурьма» — от персидского «сурме» — металл). Подробное описание свойств и способов получения сурьмы и её соединений впервые дано алхимиком Василием Валентином (Германия) в 1604.

Кларк сурьмы 500 мг/т. Её содержание в изверженных породах в общем ниже, чем в осадочных. Из осадочных пород наиболее высокие концентрации сурьмы отмечаются в глинистых сланцах (1,2 г/т), бокситах и фосфоритах (2 г/т) и самые низкие в известняках и песчаниках (0,3 г/т). Повышенные количества сурьмы установлены в золе углей. Сурьма, с одной стороны, в природных соединениях имеет свойства металла и является типичным халькофильным элементом, образуя антимонит. С другой стороны она обладает свойствами металлоида, проявляющимися в образовании различных сульфосолей — бурнонита, буланжерита, тетраэдрита, джемсонита, пираргирита и др. С такими металлами как медь, мышьяк и палладий, сурьма может давать интерметаллические соединения. Ионный радиус сурьмы Sb 3+ наиболее близок к ионным радиусам мышьяка и висмута, благодаря чему наблюдается изоморфное замещение сурьмы и мышьяка в блёклых рудах и геокроните Pb₅(Sb, As)₂S₈ и сурьмы и висмута в кобеллите Pb₆FeBi₄Sb₂S₁₆ и др. Сурьма в небольших количествах (граммы, десятки, редко сотни г/т) отмечается в галенитах, сфалеритах, висмутинах, реальгарах и других сульфидах. Летучесть сурьмы в ряде её соединений сравнительно невысокая. Наиболее высокой летучестью обладают галогениды сурьмы SbCl₃. В гипергенных условиях (в приповерхностных слоях и на поверхности) антимонит подвергается окислению примерно по следующей схеме: Sb₂S₃ + 6O₂ = Sb₂(SO₄)₃. Возникающий при этом сульфат окиси сурьмы очень неустойчив и быстро гидролизирует, переходя в сурьмяные охры — сервантит Sb₂O₄, стибиоконит Sb₂O₄ • nH₂O, валентинит Sb₂O₃ и др. Растворимость в воде довольно низкая (1,3 мг/л), но она значительно возрастает в растворах щелочей и сернистых металлов с образованием тиокислоты типа Na₃SbS₃. Содержание в морской воде 0,5 мкг/л [4] . Главное промышленное значение имеет антимонит Sb₂S₃ (71,7 % Sb). Сульфосоли тетраэдрит Cu₁₂Sb₄S₁₃, бурнонит PbCuSbS₃, буланжерит Pb₅Sb₄S₁₁ и джемсонит Pb₄FeSb₆S₁₄ имеют небольшое значение.

Месторождения сурьмы известны в ЮАР, Алжире, Армении, Таджикистане, Болгарии, России, Финляндии, Китае, Киргизии [5] [6] .

По данным исследовательской компании Roskill, в 2010 г. 76,75 % мирового первичного производства сурьмы приходилось на Китай (120 462 т, включая официальное и неофициальное производство), второе место по объёмам производства занимала Россия (4,14 %; 6 500 т), третье — Мьянма (3,76 %; 5 897 т). Среди других крупных производителей — Канада (3,61 %; 5 660 т), Таджикистан (3,42 %; 5 370 т) и Боливия (3,17 %; 4 980 т). Всего в 2010 г. в мире было произведено 196 484 т сурьмы (из которых вторичное производство составляло 39 540 т) [7] .

В 2010 г. официальное производство сурьмы в Китае снизилось по сравнению с 2006—2009 г. и в ближайшее время вряд ли увеличится, говорится в отчете Roskill [7] .

В России крупнейший производитель сурьмы — это холдинг GeoProMining (6 500 т в 2010 г.), который занимается добычей и обработкой сурьмы на принадлежащих ему производственных комплексах «Сарылах-Сурьма» и «Звезда» в Республике Саха (Якутия) [8] .

Согласно статистическим данным Геологической службы США (United States Geological Survey):

Мировые резервы сурьмы в 2010 г. (содержание сурьмы в тоннах) [9]

Страна	Резервы	%
КНР	950 000	51,88
Россия	350 000	19,12
Боливия	310 000	16,93
Таджикистан	50 000	2,73
ЮАР	21 000	1,15
Другие (Канада/Австралия)	150 000	8,19
Всего в мире	1 831 000	100,0

Природная сурьма является смесью двух изотопов: изотопная распространённость 57,36 %) и периодом полураспада 2,76 года, все остальные изотопы и изомеры сурьмы имеют период полураспада, не превышающий двух месяцев.

Физические и химические свойства

Сурьма в свободном состоянии образует серебристо-белые кристаллы с металлическим блеском, плотность 6,68 г/см³. Напоминая внешним видом металл, кристаллическая сурьма обладает большей хрупкостью и меньшей тепло- и электропроводностью [10] .

Основные валентные состояния в соединениях: III и V.

батареи
антифрикционные сплавы
типографские сплавы
стрелковое оружие и трассирующие пули
оболочки кабелей
спички
лекарства, противопротозойные средства
пайка — некоторые бессвинцовые припои содержат 5 % Sb
использование в линотипных печатных машинах

Физические свойства

Обыкновенная сурьма — серебристо-белый с сильным блеском металл. В отличие от большинства других металлов, при застывании расширяется. Sb понижает точки плавления и кристаллизации свинца, а сам сплав при отвердении несколько расширяется в объёме.

Электроника

Цены на металлическую сурьму в слитках чистотой 99,5 % составили около 15,5 долл/кг.

Термоэлектрические материалы

Теллурид сурьмы применяется как компонент термоэлектрических сплавов (термо-э.д.с 100—150 мкВ/К) с теллуридом висмута.

Сурьма относится к микроэлементам. Её содержание в организме человека составляет 10 −6 % по массе. Постоянно присутствует в живых организмах, физиологическая и биохимическая роль не выяснена. Сурьма проявляет раздражающее и кумулятивное действие. Накапливается в щитовидной железе, угнетает её функцию и вызывает эндемический зоб. Однако, попадая в пищеварительный тракт, соединения сурьмы не вызывают отравления, так как соли Sb(III) там гидролизуются с образованием малорастворимых продуктов. При этом соединения сурьмы (III) более токсичны, чем сурьмы (V). Пыль и пары Sb вызывают носовые кровотечения, сурьмяную «литейную лихорадку», пневмосклероз, поражают кожу, нарушают половые функции. Порог восприятия привкуса в воде — 0,5 мг/л. Смертельная доза для взрослого человека — 100 мг, для детей — 49 мг. Для аэрозолей сурьмы ПДК в воздухе рабочей зоны 0,5 мг/м³, в атмосферном воздухе 0,01 мг/м³. ПДК в почве 4,5 мг/кг. В питьевой воде сурьма относится ко 2 классу опасности, имеет ПДК 0,005 мг/л [11] , установленное по санитарно-токсикологическому ЛПВ. В природных водах норматив содержания составляет 0,05 мг/л. В сточных промышленных водах, сбрасываемых на очистные сооружения, имеющие биофильтры, содержание сурьмы не должно превышать 0,2 мг/л [12] .

Электрохимический ряд активности металлов

Электрохимический ряд активности (ряд напряжений, ряд стандартных электродных потенциалов) металлов — последовательность, в которой металлы расположены в порядке увеличения их стандартных электрохимических потенциалов φ 0 , отвечающих полуреакции восстановления катиона металла Me n+ : Me n+ + nē → Me

Ряд напряжений характеризует сравнительную активность металлов в окислительно-восстановительные реакциях в водных растворах.

Последовательность расположения металлов в порядке изменения их химической активности в общих чертах была известна уже алхимикам [1] . Процессы взаимного вытеснения металлов из растворов и их поверхностное осаждение (например, вытеснение серебра и меди из растворов их солей железом) рассматривались как проявление трансмутации элементов.

Поздние алхимики вплотную подошли к пониманию химической стороны взаимного осаждения металлов из их растворов. Так, Ангелус Сала в работе «Anatomia Vitrioli» (1613) пришёл к выводу, что продукты химических реакций состоят из тех же «компонентов», которые содержались в исходных веществах. Впоследствии Роберт Бойль предложил гипотезу о причинах, по которым один металл вытесняет другой из раствора на основе корпускулярных представлений [2] .

В 1793 году Алессандро Вольта, конструируя гальванический элемент («Вольтов столб»), установил относительную активность известных тогда металлов: Zn, Pb, Sn, Fe, Cu, Ag, Au. «Сила» гальванического элемента оказывалась тем больше, чем дальше стояли друг от друга металлы в этом ряду («ряд напряжений»). Однако Вольта не связал этот ряд с химическими свойствами металлов.

В 1798 году Иоганн Вильгельм Риттер указал, что ряд Вольта эквивалентен ряду окисления металлов (т. е. последовательности уменьшения их сродства с кислородом). Таким образом, Риттер высказал гипотезу о возникновении электрического тока вследствие протекания химической реакции [3] .

В эпоху становления классической химии способность элементов вытеснять друг друга из соединений стала важным аспектом понимания реакционной способности. Й. Берцелиус на основе электрохимической теории сродства построил классификацию элементов, разделив их на «металлоиды» (сейчас применяется термин «неметаллы») и «металлы» и поставив между ними водород.

Не отрицая значительных заслуг Бекетова в становлении современных представлений об ряде активности металлов, следует считать ошибочным бытующее в отечественной популярной и учебной литературе представление о нём как единственном создателе этого ряда. [5] [6] .

Многочисленные экспериментальные данные, полученные в конце XIX века, опровергали гипотезу Бекетова. Так, Уильям Одлинг описал множество случаев «обращения активности». Например, медь вытесняет олово из концентрированного подкисленного раствора SnCl₂ и свинец — из кислого раствора PbCl₂; она же способна к растворению в концентрированной соляной кислоте с выделением водорода. Медь, олово и свинец находятся в ряду правее кадмия, однако могут вытеснять его из кипящего слабо подкисленного раствора CdCl₂.

Бурное развитие теоретической и экспериментальной физической химии указывало на иную причину различий химической активности металлов. С развитием современных представлений электрохимии (главным образом в работах Вальтера Нернста) стало ясно, что эта последовательность соответствует «ряду напряжений» – расположению металлов по значению стандартных электродных потенциалов. Таким образом, вместо качественной характеристики — «склонности» металла и его иона к тем или иным реакциям — Нерст ввёл точную количественную величину, характеризующую способность каждого металла переходить в раствор в виде ионов, а также восстанавливаться из ионов до металла на электроде, а соответствующий ряд получил название ряда стандартных электродных потенциалов.

Теоретические основы

Значения электрохимических потенциалов являются функцией многих переменных и поэтому обнаруживают сложную зависимость от положения металлов в периодической системе. Так, окислительный потенциал катионов растёт с увеличением энергии атомизации металла, с увеличением суммарного потенциала ионизации его атомов и с уменьшением энергии гидратации его катионов.

В самом общем виде ясно, что металлы, находящиеся в начале периодов характеризуются низкими значениями электрохимических потенциалов и занимают места в левой части ряда напряжений. При этом чередование (щелочных и щёлочноземельных металлов отражает явление диагонального сходства. Металлы, расположенные ближе к серединам периодов, характеризуются большими значениями потенциалов и занимают места в правой половине ряда. Последовательное увеличение электрохимического потенциала (от −3,395 В у пары Eu 2+ /Eu [источник не указан 228 дней] до +1,691 В у пары Au + /Au) отражает уменьшение восстановительной активности металлов (свойство отдавать электроны) и усиление окислительной способности их катионов (свойство присоединять электроны). Таким образом, самым сильным восстановителем является металлический европий, а самым сильным окислителем — катионы золота Au + .

В ряд напряжений традиционно включается водород, поскольку практическое измерение электрохимических потенциалов металлов производится с использованием стандартного водородного электрода.

Практическое использование ряда напряжений

Ряд напряжений используется на практике для сравнительной оценки химической активности металлов в реакциях с водными растворами солей и кислот и для оценки катодных и анодных процессов при электролизе:

Руководство по материалам электротехники для всех. Часть 12. Финальная

Последняя часть руководства. Внутри бонусные главы, немного новых фотографий, и главное — pdf с руководством которое можно скачать и поделиться с другом.

Доработки (доступны в pdf версии):

— Добавлены фото деструкции оптического поликарбоната, добавлены фото кварцевого стекла, фото проводящих углеродных композиций в конструкции ПДУ.
— Доработан раздел с изолентами, пришлось подождать посылок, но оно того стоило — теперь это самое полное описание изоляционных лент (добавлена полиэфирная, мастичная, тканевая и другие виды лент).
— Добавлена глава про электрические соединения — с ответом на вопрос почему нельзя.
— Ну и много мелких правок согласно комментариям.

Название я сменил, просто из соображений «легко запомнить-легко гуглить».

Электрические соединения

Популярная шутка говорит о том, что электротехника — это наука о контактах. И две основные неисправности — нет контакта там где он должен быть, и есть контакт там где его быть не должно.

На обложке этого руководства изображена скрутка двух проводов — медного и алюминиевого. Некоторых читателей такое зрелище возмутило, и не без оснований — так делать нельзя. Если попытаться разобраться в причинах этого «нельзя», то можно найти множество дискуссий на эту тему, практически в каждой из которых можно найти довод «всегда так делал, на даче такая скрутка работает уже 100500 лет». К сожалению, понимания причин запрета такой подход не привносит.

В чем же проблема соединить в контакт два произвольных металла? Дело в том, что в силу некоторых причин (о которых ниже) некоторые металлы образуют надежный контакт и работают практически безотказно, а некоторые образуют контакт, который тоже работает, но менее надежен и чаще приносит проблемы. Нужно понимать, что «чаще» не означает, что если вы сделали такое соединение, то оно откажет завтра с вероятностью 100%. Нет, вероятность отказа станет не 0,0001%, а к примеру 0,01%. Все такая же малая, но вас бы не устроила в 100 раз большая вероятность пожара?

Опыт эксплуатации различной техники привел инженеров к выводу, что определенные комбинации металлов обеспечивают приемлемую надежность контакта, а некоторые слишком низкую. Еще раз стоит отметить, что на надежность контакта сильно влияют условия эксплуатации, если соединение находится при постоянной температуре в сухом месте, то оно может быть вполне надежным, даже если пара металлов нежелательная.

Ряд электрохимической активности металлов

Первая причина нарушения контакта которую мы рассмотрим — электрохимическая коррозия. Некоторые из вас помнят со школы ряд активности металлов (неполный):

Li K Ba Sr Ca Na Mg Al Mn Cr Zn Fe Cd Co Ni Sn Pb H Sb Bi Cu Hg Ag Pd Pt Au

Металл	Электрохимический потенциал, Вольт
Литий (Li)	-3,0401
Калий (K)	-2,931
Барий (Ba)	-2,905
Стронций (Sr)	-2,899
Кальций (Ca)	-2,868
Натрий (Na)	-2,71
Магний (Mg)	-2,372
Алюминий (Al)	-1,700
Марганец (Mn)	-1,185
Хром (Cr)	-0,852
Цинк (Zn)	-0,763
Железо (Fe)	-0,441
Кадмий (Cd)	-0,404
Кобальт (Co)	-0,28
Никель (Ni)	-0,234
Олово (Sn)	-0,141
Свинец (Pb)	-0,126
Водород (H)	0
Сурьма (Sb)	+0,240
Висмут (Bi)	+0,317
Медь (Cu)	+0,338
Ртуть (Hg)	+0,7973
Серебро (Ag)	+0,799
Палладий (Pd)	+0,98
Платина (Pt)	+0,963
Золото (Au)	+1,691

Для инженера этот ряд говорит следующее: В присутствии электролита (вода, влажность воздуха) в паре металлов будет разрушаться тот металл, что в ряду напряженности левее. Чем дальше друг от друга металлы в ряду, тем интенсивнее будет протекать коррозия. На базе
этого явления построена электрохимическая защита металлов, например оцинковка стали. При наличии воды, первым делом разрушается цинковое покрытие, и только после того как оно разрушилось начинается коррозия стали.

В случае электрических контактов, нам важнее не то, какой металл разрушится в паре, они нужны оба, а то, насколько интенсивно будет протекать процесс коррозии. И в этом плане потенциал создаваемый парой алюминий-медь 2,038 В очень большой, его достаточно чтобы разорвать молекулу воды в процессе электролиза! Но если разделить эти два металла стальной оцинкованной пластинкой, то образуется две пары: цинк-алюминий с потенциалом 0,937 В, и цинк-медь, с потенциалом 1,101 В. Это уже не такие большие потенциалы, поэтому процесс коррозии будет протекать медленнее.

Принимая во внимание, что основными металлами для изготовления проводников являются медь и алюминий, то заучивать таблицу и считать потенциалы не требуется, важно только помнить, что непосредственно соединять медь и алюминий в электрический контакт работающий на воздухе нельзя.

Тепловое расширение

Все тела при нагревании расширяются, и металлы не исключение. Для любого материала есть характеристика, такая как «коэффициент теплового расширения тел», который показывает, во сколько раз увеличится размер тела, при нагреве на 1 градус Цельсия. (В различных диапазонах температур значение теплового коэффициента расширения может различаться, кроме того для некоторых анизотропных материалов коэффициент может различаться в разных плоскостях. Для упрощения не будем учитывать эту разницу, воспользовавшись усредненными значениями) Вот небольшая табличка:

Материал	Тепловой коэффициент расширения α, (1/К)
Алюминий
Медь
Сталь
Стекло
Стекло термостойкое (боросиликатное)
Стекло кварцевое
Инвар (сплав)
Платина

Из этой таблички видно, что соединение из двух материалов при нагревании будет расширяться по разному, провоцируя внутренние напряжения и деформации. Иногда это полезное свойство — оно используется в биметаллических пластинках в терморегуляторах, такие пластинки при нагреве изгибаются и разрывают контакт. Но в деле создания надежного электрического соединения такая разница в величине теплового расширения может ослабить контакт. Если соединение не обладает упругими свойствами, то спустя нескольких циклов нагрева и охлаждения, можно обнаружить что вместо плотного тугого контакта проводник болтается.

Если соединения разных материалов не избежать, то нужно помнить, что такое соединение потенциально может ослабнуть при изменениях температуры, и должно быть обслуживаемым и контролируемым. Замуровать соединение медного и алюминиевого проводника в стенке под слоем штукатурки — плохая идея.

Ползучесть

Некоторые материалы склонны проявлять явление «ползучести», когда к примеру проводник под небольшой механической нагрузкой, не достаточной для пластической деформации, тем не менее деформируется со временем. Величина этого явления зависит от нагрузки и от температуры, характеризуясь очень малой величиной. Пройдут тысячи часов, прежде чем размер тела изменится на доли процента. Тем не менее это явление достаточно важно в обеспечении надежного контакта. Ползучесть, наряду с тепловым расширением вносит вклад в то, что затянутая клемма спустя годы ослабевает и провод в ней болтается.

К сожалению алюминий (чистый) обладает значительно более интенсивной ползучестью, чем медь, что делает электрические контакты с его участием менее надежными и требующими регулярного обслуживания. Это стоит помнить при ремонте и обслуживании проводки из алюминиевого кабеля времен СССР. Производители современных алюминиевых кабелей легируют алюминий в токопроводящей жиле, добиваясь уменьшения ползучести до значений, сопоставимых с медью, пускай и ценой небольшого снижения электропроводности.

Так как же все-таки соединять провода?

Вопрос сложный тем, что ответ зависит от условий работы соединения и однозначно универсального способа нет.

Но про пару алюминий-медь было сказано столько плохого, что я просто обязан дать ответ на вопрос «как их соединять?».

Первый вариант — классический, при помощи стальной пластинки исключая непосредственный контакт меди и алюминия. Стальная пластинка предотвратит интенсивную электрохимическую коррозию (но не избавит от нее совсем), обеспечит приемлемое усилие на площади контакта проводников. Но такое соединение требует регламентных работ по обслуживанию: 1–2 раза в год необходимо проверять усилие затяжки проводников.

Второй вариант. Специализированные пружинные клеммы для алюминиевого проводника. (например клеммники WAGO серии 2273 с пастой). В такой клемме зачищенный проводник всё время прижимается пружинным контактом, предотвращая его ослабление вследствие ползучести.
Паста внутри клеммника предотвращает доступ влаги и воздуха к поверхности алюминия, препятствуя окислению проводника. (Важно отметить, клеммы должны быть качественные, а сечение проводника номинальным. Самолично наблюдал сгоревшие соединения выполненные клеммами, купленными в ближайшем киоске (вероятно поддельными).)

Третий вариант — Медно-алюминиевые гильзы. Этот вид соединения актуален для силовых линий на большие токи с сечением от 10 кв. мм. Медно-алюминиевые гильзы предназначены под опрессовку специальным инструментом. Соединенные в толще металлы обеспечивают надежный контакт большой площади, влага и электрохимическая коррозия могут лишь повредить нежную поверхность гильзы, не нарушив контакт в толще.

И помните, любое силовое электрическое соединение (тем более из разных металлов) должно быть доступно для обслуживания! Замурованная в стену скрутка — залог того, что вас будет вспоминать ремонтная бригада в различных матерных выражениях.

Заключение

Так как установка при написании данного пособия была на минимум брехни, я писал о том, что сам пощупал, использовал, с чем работал. Некоторые темы я не раскрыл, в силу малого опыта (или малого количества собранного материала) в этих областях, но их стоило бы раскрыть. Переписывать бездумно то, что описано в специализированной литературе я не стал, зачем искажать источник? Поэтому, если вы можете что-то рассказать по теме — я буду рад включить ваш текст в руководство.

Данное руководство распространяется свободно, вы можете скачать самую последнюю вер-
сию у меня в блоге совершенно бесплатно. Если вам понравилась моя работа, я буду рад услышать от вас пожелания и предложения, а также замечания и указания на допущенные ошибки.

Где скачать?

→ Руководство на GitHub вместе с исходником текста и фотографиями. Там же pdf с книгой.

→ Домашняя страничка руководства на моем сайте.

Если вы захотите бумажный экземпляр к себе на полку, то его можно приобрести (технология печати по требованию). Это не реклама — я выставил руководство по себестоимости — не заработаю ни копейки. К сожалению в бумажном виде иллюстрации будут черно-белые.

Благодарности

Выражаю признательность Алексею Gall Галахову за ценные дополнения руководства и помощь в верстке руководства.

Talion_amur за предоставленный образец ртутного счетчика времени наработки.

Спасибо всем кто написал комментарии, они дали ценную обратную связь.

Пользуясь случаем хочу передать привет Meklon DIHALT Milfgard lozga superhimik tnenergy BarsMonster — я с удовольствием читаю ваши посты и старался держать планку не ниже.

Ссылки на части руководства:

1: Проводники: Серебро, Медь, Алюминий.
2: Проводники: Железо, Золото, Никель, Вольфрам, Ртуть.
3: Проводники: Углерод, нихромы, термостабильные сплавы, припои, прозрачные проводники.
4: Неорганические диэлектрики: Фарфор, стекло, слюда, керамики, асбест, элегаз и вода.
5: Органические полусинтетические диэлектрики: Бумага, щелк, парафин, масло и дерево.
6: Синтетические диэлектрики на базе фенолформальдегидных смол: карболит (бакелит), гетинакс, текстолит.
7: Диэлектрики: Стеклотекстолит (FR-4), лакоткань, резина и эбонит.
8: Пластики: полиэтилен, полипропилен и полистирол.
9: Пластики: политетрафторэтилен, поливинилхлорид, полиэтилентерефталат и силиконы.
10: Пластики: полиамиды, полиимиды, полиметилметакрилат и поликарбонат. История использования пластиков.
11: Изоляционные ленты и трубки.

Так получилось, что у меня параллельно собирается материалы по нескольким темам, какая тема интереснее?

Читайте также: