Что такое растворимость металлов

Обновлено: 18.05.2024

Растворимость. Это - способность вещества растворятся в том или ином растворителе. Металлы растворяются в сильных кислотах и едких щелочах.

В промышленном производстве наиболее часто употребляется серная, азотная и соляные кислоты, смесь азотной и соляной кислот (царская водка), а также щелочи - едкий натр и едкое кали.

Растворение может быть частичным, затрагивающим только поверхностные слои, или полным, когда металл полностью переходит в раствор.

Частичное растворение происходит, например, при травлении изделий для получения гладкой поверхности или для нанесения рисунка на изделие, полное - при растворении цинка в соляной кислоте в целях получения флюса для пайки.

Окисляемость. Она характеризует способность металлов соединяться с кислородом и образовывать оксиды.

Интенсивность окисления металлов пропорциональна энтальпии их оксидов (таблица 14). Для сравнения отметим, что энтальпия монооксида углерода СО составляет 111 кДЖ/моль.

Таблица 14. Устойчивость оксидов.

Оксид	Энтальпия, кДЖ/моль	Оксид	Энтальпия, кДЖ/моль
CuO	157	MgO	602
FeO	265	TiO	944
ZnO	351	Al₂O₃	1533
SnO₂	581	-	-

В ряде случаев образование прочной оксидной пленки на поверхности изделия желательно, так как пленка предохраняет металл от дальнейшего окисления. При пайке и сварке алюминиевых сплавов пленка препятствует соприкосновению припоя с чистой поверхностью металла.

Коррозионная стойкость. Это - способность металла сопротивляться разрушению, которое вызвано химическим воздействием окружающее среды.

Чисто химическая коррозия определяется главным образом окислением, электрохимическая коррозия возникает из-за физико-химической неоднородности металлов в присутствии жидкости, способной проводить электрический ток.

Электрохимическая активность металлов характеризуется электронным потенциалом, измеренным относительно водорода (таблица 15).

Таблица 15. Электрохимический ряд напряжений.

Металл	Электрический потенциал	Металл	Электрический потенциал
Калий	-2,92	Олово	-0,14
Магний	-1,55	Свинец	-0,13
Алюминий	-1,32	Водород	0
Цинк	-0,76	Медь	+0,34
Хром	-0,51	Серебро	+0,81
Железо	-0,44	Ртуть	+0,86
Никель	-0,25	Золото	+1,50

Каждые два металла образуют гальваническую пару. При этом электродвижущая сила будет тем больше, чем дальше друг от друга они стоят в эклектическом ряду.

Взаимодействие металлов с газами. Количество отливки во многом зависит от взаимодействия металлов (особенно их жидких расплавов) с газами. Это взаимодействие представляет собой комплекс сложных физико-химических процессов, направленных в строну равновесия.

В реальных условиях полное равновесие между газообразной и жидкой фазами достигается крайне редко. Поэтому термодинамические расчеты, относящиеся к состоянию равновесия, как правило, показывают лишь направление взаимодействия.

Возможны три случая взаимодействия газов с расплавами.
1. Полная взаимная интенсивность. Она наблюдается, например, при плавлении любых металлов в среде интерных газов (аргона, гелия идр.)
2. Газ практически нерастворим в металле. Образующиеся химические соединения в виде жидких капель, плен или кристаллов, проникая в металл, загрязняют его.
3. Газы образуют с металлом растворы. Как известно, растворимость в металле двухатомного газа [Г]ме зависит от давления газа рr и от температуры Т:

[Г]ме = к√рr exp [ - ΔQ/ (RT)].

где, k - постоянный коэффициент, R - газовая постоянная, ΔQ - теплота растворения 1 модуля газа в расплаве. Значение ΔQ может быть положительным и отрицательным.

При ΔQ > 0 процесс растворения газа сопряжен с поглощением теплоты и является эндоремическим. В этом случае повышение температуры вызывает увеличение содержания газа в металле.

При ΔQ МеО + 2 [Н];

СаНm > nC + m [H].

Растворение водорода в металлах ряда Mq - Fe (см. таблицу 16) сопровождается поглощением теплоты. Снижение температуры вызывает уменьшение содержания газа в растворе. В этих металлах возможно образование газовой пористости, если расплав содержит большое количество водорода. Растворение водорода в титане является экзотермическим процессом, растворимость расет с понижением температуры и образование водородной пористости невозможно.

Взаимодействие с кислородом. Все жидкие металлы взаимодействуют с кислородом.

Легкоплавкие металлы - от олова до алюминия (см. таблицу 16) - практически не растворяют кислород. Взаимодействие этих металлов с кислородом сводится к образованию оксидных плен на поверхности металла.

Остальные металлы способны растворять кислород в определенных количествах, после чего начинается образование оксидов.

Взаимодействие с азотом. Растворение азота в марганце, никеле и железе является эндотермическим процессом, вследствие чего эти металлы подвержены образованию газовой пористости, вызванной выделением азота из расплавов.

В титане азот растворяется с выделением теплоты, что исключает образование газовой пористости.

Растворение азота в жидких сплавах металлов в общем случае пропорционально содержанию компонентов. Исключение составляют сплавы железа и никеля с добавками алюминия и титана. В этих сплавах образуются твердые нитриды титана и алюминия в виде включений.

Для металлов от олова до меди (см. таблицу 16) азот практически является инертным газом.

Взаимодействие с водой. Большая часть металлов в жидком состоянии располагает воду. Результаты взаимодействия расплава с водой зависят от характера его взаимодействия с водородом и кислородом.

Если расплав не растворяет ни водород, ни кислород, то в результате контакта с влагой расплав покроется пленой оксидов, а водород уйдет в атмосферу. Так ведут себя олово , цинк, свинец и все сплавы на их основе.

Если же расплав не растворяет кислород, но растворяет водород происходит окисление поверхности расплава и насыщение его растворенным водородом.

Если расплав способен растворять и кислород, и водород, то именно это и будет происходить. Конечное равновесие в системе определяется парциальным давлением паров воды и концентрациями кислорода и водорода в расплаве.

Взаимодействие металлов с оксидом углерода. Взаимодействие металлов с оксидом углерода определяется возможностью прохождения реакции:

Ме + СО >МеО + С;

Ме + СО > [Ме + О] + С;

Ме + СО > [Ме + С + О].

Свинец, олово и медь с оксидом углерода практически не взаимодействуют, для этих металлов его модно рассматривать как нейтральный газ.

Для цинка, магния, алюминия СО является окислительным газом, взаимодействие с ним приводит к образованию нерастворимых оксидов на поверхности расплава.

Для остальных металлов, представленных в таблице 16. понижение температуры равновесие между содержанием кислорода и углерода в расплаве сдвигается в влево, т.е. в строну образований СО. Следовательно, расплавы, содержащие растворенные углерод и кислород, при охлаждении и кристаллизации могут поражаться газовой пористостью, образованной оксидом углерода. Подобное, например, происходит в литейных углеродистых сталях в случае недостаточного раскисления.

Взаимодействие металлических расплавов с огнеупорными материалами. Огнеупорные материалы, которыми футеруют плавильные печи и из которых изготавливают плавильные тигли, должны быть при высоких температурах механически прочными и химически стойкими, чтобы не вступать во взаимодействие с металлическим расплавом, оксидами, шлаками, флюсами.

Наиболее часто применяют шамот (60-75 % SiО₂ , остальное - Al₂O₃), динас (более 95 % SiO₂, остальные - примеси), магнезит (80 % MqO), хромомагнезит (45-50 % МqО, 30-35 % Cr₂O₃, остальное - SiO₂), циркон (65 % ZrO₂,, 35 % SiO₂), высокоглиноземистые огнеупоры (более 50 % Al₂O₃, остальное - SiO₂). Самым дешевым и доступным огнеупорным материалом является шамот.

Основной характеристикой этих материалов является огнеупорность - температура, o С, при которой материал способен выдержать напряжение сжатие 0,2 МПа (таблице 17). (Огнеупорность формовочных смесей оценивается температурой, при которой происходит деформация специальных образцов - конусов.

Таблица 17. Огнеупорность материалов.

Материал	Огнеупорность, o С
Циркон	1700
Динас	1600
Магнезит	1550
Хромомагнезит	1500
Высокоглиноземистые материалы	1500
Шамот	1300

Химическая стойкость огнеупоров определяется возможностью происхождения реакции между жидким металлом и огнеупорным оксидом

Ме + RO > MeO + [R]С _Me;

Ме + RO > [Me + O + R].

где, R - металл, входящий в состав оксида.

В результате этих реакций разрушается футеровка, расплав загрязняется оксидами и примесью R или кислородом и примесью R.

Кроме того, возможно взаимодействие оксидов огнеупора и оксидов металла, выражающееся во взаимном растворении. Оценить такое взаимодействие можно по виду диаграммы состояния МеО - RO. Если в системе МеО - RO.имеются эвтектики с температурой плавления ниже температуры расплава, то при плавке на воздухе обязательно будет происходить активное разъедание футеровки.

Легкоплавкие металлы - олово, свинец, цинк - имеют столь низкие температуры огнеупорных материалов. Однако при плавке свинца и его сплавов в шамоте перегревы до 750 o С приводит к оплавлению футеровки вследствие того, что в системе PbO - SiO имеется эвтектика с температурой плавления 715 o С.

Поскольку магний при температурах расплава около 850 o С активно восстанавливает кремний из шамота, магниевые сплавы плавят в печах с магнезитовой футеровкой или в стальных тиглях.

При плавке алюминия также происходит восстановление кремния из кремнезема шамота. Поскольку шамот - наиболее дешевый материал, его используют для приготовления алюминиевых сплавов, если примесь кремния допустима в определенных пределах.

Медь и многие медные сплавы плавят в шамотной футеровки. Сплавы меди с цирконием, хромом и титаном получают в печах с магнезитовой футеровкой.

Для сплавов на основе никеля и железа шамот непригоден из-за недостаточной огнеупорности. Эти сплавы изготавливают в динасе, магнезите, хромомагнезите и цирконии.

Иногда металл плавят в графитовых тиглях, но чистый графит пригоден лишь для сплавов, не растворяющих углерод. Кроме того, его применение требует защитной атмосферы, поскольку при температурах, превышающих 600 o С, графит на воздухе быстро сгорает. Как добавка в оксидные огнеупоры графит повышает стойкость материала. Широко известен графитошамот (40-50 % графита), из которого делают плавильные тигли.

Расплавы, рабочие температуры которых не превышают 900 o С, можно получать в стальных и чугунных тиглях. Главная опасность при этом - возможность насыщения расплава железом. Ее оценивают по диаграмме состояния "железо - расплавленных металл".

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Растворимость металла в расплаве увеличивается с температурой и иногда достигает весьма больших значений. Взаимодействие продуктов электролиза между собой и с электролитом зависит от плотности тока на катоде. [3]

Растворимость металлов в расплавах других металлов колеблется в широких пределах. Так, серебро отлично растворимо в цинке и очень мало в свинце, цинк малорастворим в жидком свинце. [4]

Растворимость металлов при более низких температурах в расплавах NaCl - МеС12 проходит через определенный минимум, положение которого отвечает составу смеси 2NaCl Me СЬ - При более высокой температуре ( 770) этот минимум исчезает и растворимость носит прямолинейный характер. [6]

Растворимость металла в системах Zn - ZnF2 31 составляет лишь - 1 мол. По аналогии с кадмиевыми системами столь низкую растворимость можно объяснить отсутствием свободных ионов Zn2 в расплавленном ZnCl2 - Вероятно, цинк в растворе присутствует в форме комплексных ионов. [8]

Растворимость металлов друг в друге в твердом состоянии в работе [1] не исследовали. Построенная в этой работе диаграмма состояния была подтверждена в работе [2], выполненной методами термического и микроструктурного анализов и измерением электросопротивления и его температурного коэффициента. В этой работе температуры перитектической и эвтектической реакций были определены в 455 и 35 Г соответственно. [9]

Растворимость металлов понижается при наличии солевых добавок и комплексообразования в расплаве [4, 9], с ростом межфазного натяжения [4, 9], с увеличением радиуса аниона и поляризации [4], при наличии некоторых примесей других металлов. Положение равновесия и величина константы обменной реакции ( VI-1) зависят от температуры и разбавления металлической и солевой фаз. [10]

Растворимость металлов в солевых расплавах играет большую роль в процессах их электролиза. По-видимому, она является главной причиной отклонений от законов Фарадея, наблюдаемых при электролизе солевых расплавов. [11]

Растворимость металлов в расплавленной соли уменьшается при введении в расплав соли другого, более электроотрицательного металла. Растворимость, например, Cd в CdCl2 уменьшается при добавлении в расплавленный CdCl2 солей КС1, СаС12 и др. Растворимость металла меняется при разбавлении металлической фазы более электроположительным металлом. [12]

Растворимость металла в расплаве увеличивается с температурой и иногда достигает весьма больших значений. [13]

Растворимость металла Б в Л ограничена и изменяется с изменением температуры по линии а-в. Для эвтектической температуры растворимость максимальна и определяется проекцией точки а на горизонтальную ось, а для нормальной температуры определяется концентрацией, соответствующей точке в. Растворимость А в Б также ограничена ( линия б-г), но от температуры в рассматриваемом случае не зависит. [14]

Растворимость металлов в чистых солях обычно выше, чем в смесях солей, в особенности с резко различной природой катионов. [15]

Взаимная растворимость металлов не является обратимым свойством. Из этого обобщения имеются исключения, тем не менее оно является все же полезным правилом. Приводимые ниже цифры, взятые из значительно более подробных данных Юм-Розери, дают некоторое представление о поразительной разнице в растворимости в тех случаях, когда размеры атомов благоприятствуют растворимости. [1]

Взаимная растворимость металлов А и В часто увеличивается с ростом температуры. Если быстро охладить однофазный твердый раствор А - В, равновесный при некоторой температуре TI Гкомн, то образуется пересыщенный твердый раствор. Выдержка закаленного сплава при комнатной или повышенной температуре Т2 ( ТКОМН Т2Тг) приводит к изменению его механических и физических свойств вследствие структурных изменений. Этот процесс называется старением и широко используется как один из весьма эффективных способов обработки сплавов. Старение при комнатной температуре называется естественным, при повышенной - искусственным. [2]

Взаимная растворимость металлов в твердом состоянии зависит от следующих условий. [3]

На взаимную растворимость металлов , кроме геометрического фактора ( близкие размеры атомов), большое влияние оказывает валентный фактор - разница валентности элементов, образующих систему, а также химическая природа атомов. Чем более электроотрицателен один из компонентов и более электроположителен другой, тем больше вероятность образования химического соединения, а не твердого раствора. [4]

Между величинами взаимной растворимости металлов Д руг в друге пет однозначного соответствия. Юм-Розерл обнаружил, что при прочих равных условиях металл с более низкой валентностью растворяет в себе значительно больше мет ал. Несмотря на то что из этого правила возможны исключения, оно бывает полезно. Приведенные - ниже значения, являющиеся частью намного более полных данных Юм-Розери, дают некоторое представление об относительно-резком различии растворимостей даже в тех случаях, когда размерный фактор достаточно благоприятен. [5]

При наличии взаимной растворимости металлов соединение их хорошо осуществляется сваркой плавлением, а также и сваркой давлением в твердом состоянии. [6]

При отсутствии взаимной растворимости металлов в системе вольфрам-медь оба металла растворимы в никеле, вследствие чего при определенных соотношениях компонентов можно получить, используя методы металлокерамики, тройные сплавы с высоким содержанием вольфрама ( напр. Сплавы обладают большой плотностью ( 16), повышенной коррозионной стойкостью и высоким коэфф. Применяются в атомной и авиационной технике, приборостроении и др. областях. [7]

При отсутствии взаимной растворимости металлов в системе вольфрам-медь оба металла растворимы в никеле, вследствие чего при определенных соотношениях компонентов можно получить, используя методы металлокерамики, тройные сплавы с высоким содержанием вольфрама ( напр. Сплавы обладают большой плотностью ( - 16), повышенной коррозионной стойкостью и высоким коэфф. Применяются в атомной и авиационной технике, приборостроении и др. областях. [8]

В связи с тем что взаимная растворимость металлов ( и полуметаллов) в жидком состоянии часто бывает ограниченной и поскольку после завершения взаимодействия основных компонентов металл-растворитель должен быть удален из образовавшегося соединения, применение этого метода ограничено соединениями, практически индифферентными по отношению к тому растворителю, который, применяется для удаления третьего металла. Таким растворителем служит преимущественно разб. В большинстве случаев прз растворении не удается избежать некоторых потерь выделяемого соединения. Этот метод применяется в основном при получении силицидов, бо-ридов, фосфидов н полуметаллов, например GaSe, GaTe, особенно в виде монокристаллов. Другими успешно применяемыми металлами-растворителями являются свинец, алюминий, магний, медь и серебро. Благодаря иногда весьма значительным различиям в растворимости металлов-реагентов в металле-растворителе часто удается, варьируя количества реагентов, получать в расплаве металла-растворителя вполне определенное бинарное соединение из нескольких возможных в данной системе. Как металл-растворитель можно рассматривать и ртуть при образовании амальгам ( см. ниже разд. [9]

При наличии той или иной степени взаимной растворимости металлов , определяемой типом диаграммы фазового состояния, соединение их путем сварки плавлением, а равно и в твердом состоянии осуществить всегда возможно. Наиболее благоприятные результаты получаются при сварке металлов, образующих непрерывный ряд твердых растворов. Сварка металлов с ограниченной растворимостью более сложна. [10]

Ошибочно причислять к КМ гомогенные сплавы со взаимной растворимостью металлов ( например, Ni-Си) и плакированные металлы [19] или любые слоистые ( сэндвич) и сотовые структуры, как и многослойные покрытия или изделия с покрытием, поскольку отдельные компоненты таких систем во многих случаях проявляют только свои индивидуальные свойства, несмотря на то что между ними существует межфазная граница. Сотовые и слоистые системы [24] следует рассматривать скорее как композиционные конструкции, а не материалы. Слоистые системы можно условно причислить к композиционным материалам в тех случаях, когда при эксплуатации и наличии диффузии или при малых толщинах пластин одна из них может образовать непрерывную фазу во всем объеме материала. [12]

Определенных данных о существовании особой сингулярной суб-окисной фазы между металлическим цирконием и Zr02 не имеется, однако взаимная растворимость металла и двуокиси при высокой температуре значительна. [13]

Исследованиями, выполненными методами термического 2, микроструктурного [1-3, 5], рентгеновского [2] и термодинамического анализов [4, 6], согласно установлено образование индием и цинком диаграммы состояния эвтектического типа с небольшой взаимной растворимостью металлов в твердом состоянии. [14]

Если сплавляемые элементы принадлежат к разным ( притом, достаточно далеким) группам Периодической системы, взаимодействие между разнородными атомами будет иное, чем взаимодействие между атомами одного и того же элемента; энергия смешения будет велика и взаимная растворимость металлов будет ограничена. [15]

Растворимость металла растет с повышением температуры. В большинстве случаев зависимость от обратной температуры 1 / Г имеет линейный характер. Растворимость щелочных и щелочноземельных металлов бывает настолько значительной, что некоторые системы можно охарактеризовать диаграммами плавкости металл - соль. При определенной температуре достигается полная взаимная растворимость. [19]

Растворимость металлов увеличивается с ростом температуры ( рнс. [20]

Растворимость металлов в ртути весьма различна. Наибольшей растворимостью при комнатной температуре обладают таллий и индий ( около 50 %); растворимостью от 1 до 10 % обладают цезий, рубидий, кадмий, цинк, свинец, висмут, олово, галлий; от 0 1 до % - натрий, калий, магний, кальций, стронций, барий; от 0 01 до 0 1 % - литий, серебро, золото, торий; от 0 01 до 0 001 % - медь, алюминий и марганец. Практически нерастворимы в ртути металлы семейства железа, а также бериллий, германий, титан, цирконий, мышьяк, сурьма, ванадий, тантал, хром, молибден, вольфрам и уран. Для некоторых металлов растворимость в ртути сильно увеличивается с увеличением температуры. Известны амальгамы нерастворимых в ртути металлов; эти системы представляют собой коллоидные растворы или взвеси в ртути. [22]

Растворимость металлов в чистых солях обычно выше, чем в смесях солей, в особенности с резко различной природой катионов. [23]

На растворимость металлов в расплавленных солях сильное влияние оказывает состав солевой фазы. Наибольшая растворимость металлов отмечается в соли именно того металла, который растворяется. Этим облегчается образование субсоединений данного металла. [24]

По растворимости металлов в ртути была намечена общая закономерность, связанная со строением внешних rf - электронных оболочек их атомов. Если эти оболочки полностью свободны ( ряды аналогов 1 и 2), то металлы энергично взаимодействуют с ртутью, обра. При наличии частично заполненных d - оболочек ( ряды 3 - 10) металлы малорастворнмы или практически нерастворимы в ртути. Наконец, при наличии вполне заполненных d - оболочск ( ряды 11 - 15) растворимость металлов вновь возрастает, но уже без резко выраженной тенденции к образованию соединений с ртутью. По мере повышения номера периода, в котором находится данный элемент, растворимость металла в ртути обычно возрастает. [25]

При растворимости взаимодействующих металлов фронт контактного плавления плоский, диффузии по границам зерен и в объеме зерна мало различаются. [27]

Повышение растворимости металла в стекле типа золотой рубин благодаря присутствию Sn Вейль [60] объясняет стремлением закисного или окисного олова связывать атомы металла в соединения. [28]

Степень растворимости металла в электролите зависит прежде всего от его природы. Имеются металлы, например натрий, весьма бурно растворяющиеся даже в воде. Цинк и железо, не растворимые заметно в воде, легко растворяются в кислотах. Такие же металлы, как золото и платина, имеют незначительное стремление к растворению. [29]

Уменьшение растворимости металла в расплавленных солях наблюдается при введении в расплав соли более электроотрицательного металла. Иногда растворимость выделяемого металла так велика, что только введение понижающих растворимость добавок позволяет практически осуществить процесс. [30]

Читайте также: