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 ли-
тературы по химии, использующейся в учебном процессе технических универ-
ситетов и вузов. По содержанию и структуре книга представляет собой сово-
купность 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 хи-
мические свойства металлов. Третий раздел содержит материал, охватывающий 
сплавы и растворы в металлических системах. 
 
 
  
  
 
 
 
строгой форме. Некоторые темы в нем освещены более глубоко, чем в суще-
ствующих учебниках, и, главное, методически удачнее. Приведенные на форза-
цах современные формы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева 
отражают существование проблем классификации, получения и изучения 
свойств некоторых элементов-металлов. Указана коррозионная стойкость боль-
шинства металлов-веществ, которая является одним из важнейших требований, 
предъявляемых к конструкционным металлическим материалам. Периодиче-
ские 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 сту-
дентов 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 фи-
зические и химические свойства металлов, изучение которых необходимо 
при подготовке будущих инженеров приборо- и машиностроительных спе-
циальностей. Физические свойства в нем освещены шире, чем в издавав-
шихся ранее учебниках такого плана, поскольку именно они зачастую опре-
деляют практическое применение того или иного металла в технике. В ос-
нову рассмотрения химических свойств положен принцип практической 
направленности, что наглядно подтверждают преамбулы к опытам лабора-
торных работ, представленных в этом разделе.  
Третий раздел, в который входят две главы, посвящен растворам в ме-
таллических системах. Особое внимание в нем уделено гомогенным твердым 
растворам — сплавам. Подробно изложены теоретические основы физико- 
химического анализа сплавов, дана характеристика их конкретных предста-
вителей, нашедших широкое применение в технике. Материал этого раздела 
служит связующим звеном между такими дисциплинами, как «Неорганиче-
ская химия» и «Материаловедение».  
Каждый из трех разделов, помимо теоретического материала, содер-
жит еще и практические занятия. Последние включают в себя примеры ре-
шения задач, задачи для самостоятельного решения различного уровня 
сложности, а также вариативные лабораторные работы. Формы отчетов 
представлены таким образом, что достаточно легко могут быть преобразо-
ваны в лабораторный журнал.  

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

В учебнике есть список рекомендуемой литературы, предметный и 
именной указатели, а также приложение. Список рекомендуемой литерату-
ры насчитывает 12 наименований наиболее фундаментальных изданий по-
следних лет. В предметный указатель входят все выделенные в тексте тер-
мины с отсылкой к тем страницам, на которых они строго определены или 
описаны. Аннотированный именной указатель содержит сведения об упо-
минаемых 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 до-
статочно 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 распола-
гаются в Периодической системе элементов
Д.И. Менделеева левее диагонали амфотерно-
сти — 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 называе-
мые 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 кон-
струкционными материалами служат металлы, и 
в обозримое время в этом качестве они, по всей 
видимости, будут доминировать. 
Бóльшая часть металлических конструкционных
материалов производится металлургическим спо-
собом — выплавкой, технология которой много-
ступенчата и определяется требуемыми свойства-
ми производимого материала. Общей чертой вы-
плавки металлов и сплавов является нагрев
рудных материалов и полуфабрикатов до темпера-
тур, превышающих температуру плавления наибо-
лее тугоплавкого компонента, и последующее 
охлаждение расплава до комнатной температуры.
Происходящее при этом затвердевание материала
сопровождается изменением его агрегатного состо-
яния — переходом из жидкого в твердое и умень-
шением объема на 2...6 %, вызванным сокраще-
нием межатомных расстояний. Эффект тем явст-
веннее, 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 кон-
струкционные материалы являются многокомпо-
нентными сплавами, в состав которых входят два
вида элементов: легирующие — вводимые специ-
ально для придания материалу необходимых
свойств, и примесные — попадающие в него с 
рудными материалами при выплавке и других ме-
таллургических процессах. Вступая во взаимодей-
ствие, эти элементы образуют фазы — однородные 
по составу, т. е. по количествам и концентрациям
компонентов, и по структуре, т. е. по кристалличе-
скому строению, области, ограниченные поверх-
ностями раздела. Как правило, металлические кон-
струкционные материалы содержат несколько та-
ких фаз, относительные количества которых могут 
существенно различаться. Фазы постоянного со-
става называют интерметаллическими соединени-
ями или, коротко, интерметаллидами. Это соеди-
нения металлов друг с другом. Наличие дефектов,
примесей и легирующих элементов в составе ма-
териалов существенно влияет на многие его свой-
ства, среди которых такие, как прочность, пла-
стичность, электрическая проводимость, коррози-
онная стойкость и др. 
Современная химия металлов — детально разра-
ботанная область науки, ставшая источником мно-
гих открытий и обобщений, способствующих 
научно-техническому прогрессу. В данном курсе
изучение химии конструкционных металлов начи-
нается 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 физиче-
скими свойствами (физический смысл).  
В химическом смысле под металлами подразумевают электрополо-
жительные элементы (характеризующиеся значением относитель-
ной электроотрицательности по шкале Полинга χ < 2), которые при 
обычных условиях (комнатная температура и атмосферное давле-
ние) 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 металличе-
скими свойствами, обладающую, в частности, хорошей металличе-
ской проводимостью. Аналогичная картина наблюдается у иода I
и водорода H. 
В физическом смысле металлы — простые вещества, обладающие
определенной совокупностью характерных для металлов физиче-
ских свойств, в том числе и высокой электрической проводимо-
стью, которая имеет особый (металлический) характер. Однако
в соответствии с явлением аллотропии разные простые вещества,
образуемые одним и тем же элементом, могут обладать весьма раз-
личными физическими свойствами, в том числе разной электриче-
ской проводимостью и разными механизмами проводимости элек-
трического тока. Так, олово при температуре ниже 13,2 °С суще-
ствует 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 представляю-
щей собой металл серебристо-белого цвета. 
В связи с двойственностью термина «металлы» правильнее подраз-
делять элементы на электроположительные и электроотрицательные,
тем более что электроотрицательность для них можно оценивать ко-
личественно. Электроположительные элементы склонны к образова-
нию простых веществ с металлическими свойствами, электроотрица-
тельные — с неметаллическими. Чем более электроотрицательным
является элемент, тем сильнее выражены неметаллические свойства
у образуемых им простых веществ. И наоборот, чем менее электро-
отрицателен элемент, тем сильнее металлические свойства у соответ-
ствующих ему простых веществ. 
В технике термином «металлы» обозначают не только простые ве-
щества, 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 стро-
гой и совершенной их классификации ни в химии, ни в технике не суще-
ствует, 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 соответ-
ствии 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 соответ-
ственно внешние ns- и np-атомные орбитали (АО), у d- и f-металлов — соот-
ветственно 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 метал-
лами. Эти металлы, часто называемые s-металлами, располагаются в 1-й и  
2-й группах 2–7-го периодов Периодической системы и образуют совокуп-
ность из 12 так называемых типичных металлов. Все они отличаются высо-
кой 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 из-
вестны как щелочи. Эти металлы имеют на внешнем электронном слое ато-
ма по одному s-электрону, сильно удаленному от ядра. s-Металлы 2-й груп-
пы 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 ок-
сиды сходны с оксидами алюминия и тяжелых металлов, именуемых земля-
ми. В некоторых изданиях к щелочно-земельным металлам относят и маг-
ний. 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 сле-
дует соответствующий s-металл 2-й группы. 
Среди типичных р-элементов, находящихся в 13–18-й группах, метал-
лами 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 — вис-
мут Bi, московий Mс; в 16-й — полоний Ро, ливерморий Lv; в 17-й — тен-
нессин 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 (це-
рий Ce, лантан La, празеодим Pr, неодим Nd, самарий Sm, европий Eu) 
групп. Такое деление обусловлено особенностями их свойств и техноло-
гии. Металлы 11-й группы (медь Cu, серебро Ag, золото Au) образуют 
группу монетных металлов, что связано с исторически сложившимся ис-
пользованием 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) внеш-
них ns-электронов. Наличие этого явления точно установлено у атомов 
хрома Cr, ниобия Nb, молибдена Mo, рутения Ru, родия Rh, меди Cu, золо-
та 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 интер-
вале 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, име-
нуемыми лантаноидами Ln (z = 58–71) и актиноидами An (z = 90–103) 
(см. таблицу на первом форзаце). Дословно названия этих семейств означа-
ют «подобные по свойствам лантану и актинию» соответственно. Горизон-
тальное формирование семейств f-металлов, в отличие от вертикального 
группирования s-, p- и d-металлов, обусловлено их гораздо бóльшим гори-
зонтальным, 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 актино-
идов 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 каж-
дому следующему металлу семейства. Это в свою очередь приводит к плав-
ному 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 следую-
щих за ними d-металлов. В семействах f-металлов, несмотря на большую 
близость их свойств, наблюдаются немонотонные их изменения. Это позво-
ляет 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