Питання і задачі

1. Перелічити основні методи захисту від корозії.

2. Які основні методи ізоляції поверхні металу від корозії ви знаєте?

3. Охарактеризувати основні методи нанесення металевих покрить.

4. Охарактеризувати гальванічні покриття за значенням потенціалів металів.

5. У яких випадках металічні покриття захищають основний метал від корозії при порушенні суцільності покриття, а у яких  ні?

6. Пояснити явище пасивації. Навести приклади пасиваторів.

7. Охарактеризувати процес оксидування сталей і алюмінію.

8. Пояснити хімічні явища при фосфатуванні сталей.

9. Електрохімічний захист (протекторний і катодний).

10. Інгібітори корозії.

11. Скласти схему корозійного гальванічного елемента, утвореного при порушенні мідного покриття на залізі у морській воді. Написати рівняння електродних процесів. Розрахувати ЕРС та DG⁰ для цього елемента, якщо стаціонарні потенціали заліза та міді у морській воді відповідно дорівнюють – 0,50 В та  0,08 В.

12. Скласти схему гальванічного елемента, утвореного при порушенні цинкового покриття на залізі у морській воді. Розрахувати його ЕРС, якщо ^м.в._Fe²⁺_{ Fe}⁰ =  0,50 B, ^м.в._Zn²⁺_{ Zn}⁰ = 0,8 B, _O2OH^– = + 0,82 B.

Розділ 7. Елементи неорганічної хімії Загальні властивості металів

Загальні відомості про метали

Більш ніж 80 з відомих у наш час 110 елементів відносяться до металічних, прості сполуки яких є металами.

При вивченні фізичних і хімічних властивостей елементів і їх простих і складних сполук необхідно чітко розрізняти ці поняття. Атоми елементів характерізуються порівняльно невеликим набором фізико-хімічних властивостей: зарядом ядра, атомною масою, електроною будовою, та ін., які досить повно вивчаються у відповідних розділах загальної хімії. Фізичні і часто хімічні властивості простих речовин (гомоатомних сполук) зумовлені не тільки будовою їх атомів, але й характером звязку між ними і кристалохімічною будовою речовин. Молекулярна форма існування характерна для металів при високих температурах у парах (Na₂, Са₂) і характеризується наявністю ковалентного неполярного звязку. Для конденсованої кристалохімічної форми речовини характерний ковалентний неполярний і металевий звязок.

Для металівпростих речовин набір фізичних властивостей досить великий  термодинамічні, фізикомеханічні, електрофізичні, оптичні, магнітні, тощо. До них відносяться температури плавління і кипіння, твердість і вязкість, електрична провідність і теплопровідність, непрозорість, пластичність, завдяки якій метали можна кувати, прокатувати, штампувати та ін.

Для металів характерні високі тепло  і електропровідність. Вони зумовлені особливостями металічного звязку  у кристалічних решітках металів є відносно вільні електрони, які здатні переміщуватися по кристалу під дією електричних полів. Пластичність металів зумовлена ненасиченістю і ненапрямленістю цього звязку. Якщо механічні навантаження на кристал з атомною структурою можуть спричинити розрив ковалентних звязків і порушення кристалу, то у випадку металічного звязку такі навантаження призводять лише до зміщення одного шару іонів металу відносно іншого, оскільки при цьому водночас відбувається перерозподіл електронного газу і каркас кристала лишається в електронному оточенні.

У компактному стані всі метали непрозорі і мають специфічний блиск і відбивають світлове проміння. Більшість металів має сірий сріблястий колір з різними відтінками, але декілька металів має свій особистий колір - золото (жовтий), мідь (жовто-червоний), цезій (рожевий). У подрібненому стані метали втрачають свій блиск і колір, за винятком магнію і алюмінію (сріблясті порошки).

Найважливіша хімічна властивість металів – це здатність їх атомів віддавати електрони з утворенням катіонів (елементарних аніонів метали не утворюють). Всі метали у елементарному стані є відновниками.

Існує також невелика кількість елементів, які мають одночасно властивості і металів і неметалів, так звані напівметали. До них відносяться, наприклад, Ge, Se, Te, Sb, Tc. Деякі елементи у різних поліморфних модифікаціях мають різні властивості. Наприклад, біле олово – метал, сіре олово має неметалічні властивості; алмаз – типовий неметал, графіт – має металевий блиск і проводить електричний струм.

Класифікації металів

Метали класифікуються в залежності від їх хімічних і фізичних властивостей, промислового використання, знаходження у природі і т.п.

З хімічної точки зору всі метали розділяють на дві великі групи в залежності від будови їх атомів: типові та перехідні. Типовими металами є s- i p-метали, перехідними – d- i f- метали. Для першої групи характерно заповнення зовнішньої електронної оболонки, для других  заповнення внутрішніх оболонок. Метали також розділяють на s-, p-, d- i f- метали. В залежності від їх хімічної активності метали поділяють на дуже активні, активні, малоактивні і неактивні (благородні). В окремі групи виділяють метали з близькими хімічними властивостями  лужні метали (Na,K, Rb, Cs), лужноземельні метали (Са, Mg, Ba), метали підгрупи заліза та ін.

Загальними критеріями фізичних класифікацій металів є густина, температура плавлення, електропровідність, тощо.

Так, метали поділяють на легкі (густина < 5 г/см³ ) і важкі (густина більш ніж 5 г/см³). До легких відносяться лужні, лужноземельні та алюміній, титан та ін. Самий легкий – Li , його густина 0,53 г/см³ і він плаває у воді. Найважчими є осмій (22,5 г/см³), іридій, платина, реній, вольфрам.

До легкоплавких металів відносяться ртуть (Т_пл = –39 ^оС), галій (Т_пл = +29 ^оС), германій та ін. Найбільш тугоплавкі метали вольфрам (Т_пл = 3420 ^оС), молібден.

Крім ртуті за звичайних умов всі метали – тверді кристалічні речовини. Серед них найтвердішим є хром ( 9/10 твердості алмазу ), найбільш мякий – цезій.

Найвищу електропровідність мають метали підгрупм міді  срібло, мідь, золото і алюміній, найменшу – хром і титан.

В техніці всі метали поділяють на чорні (залізо і його сплави) і кольорові (всі останні).

Знаходження металів у природі

У самородному стані зустрічаються тільки малоактивні і благородні метали  золото, платина і платиноїди (рутеній, родій, паладій, осмій та іридій) а також срібло, мідь, ртуть.

Більшість металів у природі знаходяться у звязаному стані у вигляді сполук. Переважаючі форми їх специфічні і залежать від активності металів: чим більш активний метал, тим більш яскраво виражений сольовий характер мають його сполуки. Так, лужні метали трапляються у вигляді галогенідів, нітратів, сульфатів, рідко  карбонатів. Всі ці сполуки добре розчинені у воді, тому вони концентруються у морях, океанах, солених озерах. Копалини на суші (камяна сіль NaCl, сильвініт КСl ^.NaCl) утворюються у результаті випаровування водойомищ і мають осадкове походження.

Для менш активних лужноземельних металів галогеніди і нітратні копалини не характерні (але зустіраються, наприклад, карналіт СаСl₂^.МgСl₂^.6Н₂О, норвезька селітра Ca(NO₃)₂ та ін.). Найбільш типічні для них нерозчинні карбонати, сульфати і фосфати (вапняк, мармур, крейда  СаСО₃, доломіт CaCO₃ ^.MgCO₃, гіпс CaSO₄^.2H₂O, фосфорит Ca₃(PO₄)₂ та ін.). Багато з цих мінералів є породоутворюючими, наприклад, з доломіту складаються Доломітові Альпи.

Знаходження у природі алюмінію зумовлено його високою спорідненістю до кисню, амфотерністю його сполук і здатністю до утворення комплексів. Внаслідок цього цей метал утворює поширений клас алюмосилікатів. Продуктами їх розкладу є оксидногідроксидні копалини  бьоміт АlООН, каолін Al₂O₃^.2SiO₂^.2H₂O, боксит Al₂O₃^.xH₂O, кріоліт Na₃[AlF₆].

Для олова і свинцю і більшості перехідних металів найбільш характерні багаточисленні і різноманітні оксидно-сульфідні копалини. Сульфіди утворюють поліметалічні руди, які містять сполуки багатьох металів і мають осадкове, гідротермальне і магматичне походження.

У вигляді оксидів або гідроксидів металів трапляються магнітний залізняк (магнетит)  Fe₃O₄, червоний залізняк (гематит)  Fe₂O₃, рутил TiO₂ та ін. У вигляді подвійних оксидів трапляються хромистий залізняк FeO^.Cr₂O₃, ільменіт FeO^.TiO₂ та ін. З сульфідів (які можуть бути разом з арсенідами) поширеними є мідний блиск - СuS, цинкова обманка ZnS, кіновар HgS, пірит FeS₂, мідний колчедан СuS ^. FeS та ін.

Метали представлені і розповсюджені на Землі нерівномірно. Масові кларки деяких з них дорівнюють кільком процентам: Al – 8,8% , Fe , Ca –5,1 %, Na – 2,6 %. До поширених металів земної кори належать також К, Mg i Ti. Останні метали  рідкі і їх загальна доля у літосфері Землі складає всього 0,6 %. Так, для Сs вміст складає всього 9 ^.10^-5 %, Re  9 ^.10^-9 % Ce – 5 ^.10^-4 %, для інших лантаноїдів він ще менше.

Другою характеристикою, яка відображає розповсюдженість металів у природі є їх здатність концентруватися і утворювати копалини. Так, загальний вміст міді на Землі оцінюється 3 ^.10^-3 %, тобто досить малий. Але мідь відома людству з давніх часів, що зумовлено її здатністю концентруватися і утворювати власні копалини. З другого боку германий (2 ^.10^-4 %) не утворює власних копалин, а зустрічається у вигляді домішок у поліметалічних рудах і деяких вугіллях. Він і багато інших металів (Li, Rb, Cs, Be, Ga, метали підгрупи скандію, всього біля 40 елементів) є розсіяними.

Мінерали і гірські породи, що містять метали і які використовуються для їх добування називаються рудами. Звичайно руди – це сукупність мінералів. Мінерали, які містять метал називаються рудними мінералами, всі інші – пустою породою. Пуста порода найчастіше складається з піску, глини, вапняку.

У багатьох рудах пустої породи так багато, що добувати метал з них економічно невигідно. Такі руди попередньо збагачують – відокремлюють від них частину пустої породи. Найчастіше використовують флотаційний, гравітаційний і магнітний способи збагачення.

Добування металів

Добування простих речовин з їх природних сполук це завжди окисню-вальновідновний процес. Всі метали, крім саморідних знаходяться у природі у окисненому стані. Загальний принцип їх отримання з природних сполук такий: чим більш активний метал, тим більш енергійний відновник необхідно використовувати для його вилучення. Типовими відновниками в металургії є водень, карбон, активні метали, електричний струм. Основними способами добування металів з руд є пірометалургія, гідрометалургія та електрометалургія.

Пірометалургія  спосіб добування металів відновленням їхніх сполук при високих температурах. Відновниками можуть бути: вуглець у вигляді коксу, деревного вугілля або СО (карботермія), водень або активніший за добутий метал (металотермія) .

Карботермія застосовується у виробництві чавуну та сталі, для добування кобальту, нікелю, хрому, мангану, цинку, кадмію, олова, свинцю, молібдену, вольфраму. Наприклад, добування чавуну описується такими реакціями:

С + О₂  СО₂;

С + СО₂  2СО;

Fe₂O₃ + CO  2 FeO + CO₂;

FeO + CO  Fe + CO₂.

У якості відновника у металотермії використовують алюміній (алюмотермія), магній, кальцій, натрій. Відновленням алюмінієм добувають хром, залізо, кобальт, нікель; цинком відновлюють золото, срібло; магнієм  берилій, титан, цирконій, гафній; кальцієм  лантаноїди, уран, ванадій, ніобій, тантал, мідь.

Cr₂O₃ + 2Al  2Cr + Al₂O₃

CuO + Ca  Cu + CaO

З сульфідів та інших солей прямим відновленням метали добути неможливо. Тоді спочатку використовують випалювання, при якому утворюються оксиди, які потім відновлюють. Таким чином добувають, наприклад, цинк:

2ZnS + 3O₂  2SO₂ + 2ZnO

ZnO + H₂  Zn + H₂O

Гідрометалургія – спосіб добування металів водними розчинами різних реагентів з подальшим виділенням металів з розчину. Наприклад, руди, які містять срібло та золото обробляють розчинами ціанідів лужних металів. При цьому утворюються відповідні комплексні сполуки:

4Au + 8NaCN + 2H₂O + O 4Na [Au (CN)₂] + 4NaOH

Потім дорогоцінний метал добувають витисненням більш активним металом:

2Na[Au (CN)₂] + Zn  2Au + Na₂ [Zn (CN)₄]

Електрометалургія  спосіб добування металів з використанням електролізу.

Метали першої і другої групи добувають електролізом їх розплавлених солей. Наприклад, добування кальцію з розплаву хлориду кальцію:

А: 2Cl^- - 2e  Cl₂

K: Ca²⁺ + 2e  Ca⁰

Електролізом також добувають алюміній з глинозему.

Порівняльно новим методом, який зараз часто використовується, є метод розкладу летких галогенів. Особливість цього метода в тому, що добуваються метали дуже високого ступеню чистоти. Таким способом добувають титан і його аналогі та інші метали.

2TiCl₂  Ti + TiCl₄

Взагалі проблема добування чистих металів є дуже актуальною, тому що нові технології  ядерна енергетика, квантова електроника, напівпровідникові пристрої потребують особо чисті метали. Абсолютно чисті речовини не існуюють. Так, у германії напівпровідникової чистоти 99,9999999 % вміст атомів домішків не перевищує 10^-7 %, але у 1 см³ особо чистого германію міститься 10¹³ атомів домішок! Домішки дуже впливають і можуть змінювати властивості металів. Наприклад, добре відома надзвичайна твердість і крихкість металічного хрому є наслідком вмісту у ньому домішок кисню. Хром, добутий у вакуумі є мяким і пластичним металом.

Хімічні властивості металів

Хімічні властивості визначаються властивостями атомів або молекул, тому що хімічна взаємодія завжди здійснюється на атомному або молекулярному рівні. Але і ці властивості в значній мірі залежать від стану речовини. Наприклад, цинк у вигляді порошку дуже інтенсивно взаємодіє з кислотами, а гранульований цинк  повільно; багато металів (Fe, Al, Ti, Cr) у конденсованому стані пасивуються окисниками, а у атомному є активними відновниками.

Загальною особливістю атомів металів є великі розміри (порівняно з атомами неметалів), причому на відміну від s- і p- металів, d- і f-метали (перехідні) характеризуються меншими значеннями радіусів, що впливає на їх хімічні властивості, особливо при утворенні сполук друг з другом (інтерметалічних і сплавів).

Зовнішні електрони в атомах перебувають на значній відстані від ядра і звязані з ним порівняно слабко, тому атоми металів характеризуються низькими потенціалами іонізації. Найменші значення І мають лужні метали, які є найбільш активними металічними елементами і називаються типовими металами.

Дуже велике значення має також загальна кількість валентних електронів (тобто електронів, здатних до утворення звязків) в атомі. Для типових металів у конденсованому стані характерна наявність тільки металевого звязку, коли всі валентні електрони утвоюють "електронний газ". Для перехідних металів кількість валентних електронів значна більше, але металевий звязок утворюють, в основному, електрони зовнішнього рівня, а d- і f-електрони утворюють звичайний ковалентний звязок. Тому міцність звязків у цих металах значно вище – вони мають високі температури кипіння і плавлення, велику твердість.

Мірою хімічної активності металів є їх стандартний електродний потенціал. За його величиною вони розташовані у ряд активності (ряд напруг) металів. Завдяки своїм відновним властивостям метали можуть взаємодіяти з різними окисниками  простими речовинами, кислотами, солями менш активних металів. Термодинамічна можливість цих взаємодій, як відомо, визначається співвід-ношенням G<0, або (оквідн) >(Ме⁺ⁿMe).

При порівнянні окиснювально-відновних потенціалів металів (див. значення стандартних електродних потенціалів) і типових окисників ((F₂2F^-) = 2,87 В, ((Cl₂2Cl^-) = 1,36 В, ((Br₂2Br^-) = 1,07 В, ((O₂OH^-) = 0,8 В, (2H⁺H₂)= = 0,42 В) можна зробити висновок, що всі метали, крім золота і деяких платинових металів реагують з галогенами і киснем, але часто ця взаємодія гальмується наявністю міцних сольових (нерозчинний РbСl₂), та оксидних (ZnO, Al₂O₃) плівок.

При підвищених температурах більшість металів реагують з іншими типовими неметалами (N₂, Sі, С, В, H₂) з утворенням бінарних сполук  гідридів, нітридів, карбідів, боридів, силіцидів. Більшість цих сполук характеризуються нестехіометричним складом.

Метали реагують також з великою кількостю складних сполук (водою, кислотами, лугами, органічними сполуками).

Розглянемо взаємодію металів з водою, кислотами і лугами. Якщо аніон кислоти не має окислювальних властивостей, то окиснювачем є іон водню Н⁺, який утворюється при дисоціації кислот або води (в малих кількостях). Всі метали, які розташовані у ряді активностей до водню витісняють його з кислот, а активні метали витісняють його і з води:

2Na + 2H₂O  2NaOH + H₂;

Sn + HCl  SnCl₂ + H₂.

Метали, які розташовані у ряді напруг після водню (малоактивні і благородні) з ними не реагують.

Кислоти, аніони (або недисоційовані молекули) яких є окиснювачами реагують з більшістю металів, в тому числі і з малоактивними. Наприклад, відновлення нітратної кислоти може відбуватися до утворення наступних продуктів:

+5 +4 +3 +2 +1 0 -3

HNO₃  NO₂  N₂O₃  NO  N₂O  N₂  NH_3.

Вони утворюються в залежності від активності металів. Чим більш активні метали, тим більше відновлюється нітратна кислота. Так, лужні і лужно-земельні метали відновлюють її до N₂O, N₂, NH_3., метали середньої активності  до NO і N₂O, малоактивні метали  до NO₂, N₂O₃, NO.

4Mg + 10HNO_3(розв)  4Mg(NO₃)₂ + N₂O + 5H₂O;

Pb + 4HNO_3(конц)  Pb(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O;

3Cu + 8HNO_3(розв)  3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O;

4Zn + 10HNO_3(розв)  4Zn(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O;

Zn + 4HNO_3(конц)  Zn(NO₃)₂ + NO₂ + 2H₂O.

Ступень відновлення її залежіть також від концентрації кислоти  чим більше розведена кислота, тим більші окислювальні властивості вона має. Пояснюється це тим, що при використанні концентрованої нітратної кислоти утворені нижчі оксиди окиснюються кислотою до вищих. Більшість металів відновлюють її до NO.

Відновлення сульфатної кислоти може відбуватися до утворення наступних продуктів: _{+6 +4 +4 0 -2}

Н₂SO₄  H₂SO₃  (SO₂)  S  H₂S.

Наприклад:

2АІ + 6Н₂SO_{4 конц}  Al₂(SO₄)₃ + 3SO₂ +6H₂O;

3Zn + 4Н₂SO_{4 конц}  3ZnSO₄ + S + 4H₂O;

4Mg + 5Н₂SO_{4 конц}  4MgSO₄ + H₂S +4H₂O.

Концентровані нітратна і сульфатна кислоти не реагують з благородними металами Au, Pt, Pd, а також з Fe, Al, Cr, W, які вони пасивують.

Амфотерні властивості мають Zn, Al, Sn, Pb та ін. Для цих металів характерна взаємодія не тільки з кислотами, але й з лугами:

2Al + 6NaOH + 3H₂O  2Na₃[Al(OH)₆] + 3H₂;

2Al + 6HCl  2AlCl₃ + 3H₂;

Zn + 2NaOH + 2H₂O  Na₂[Zn(OH)₄] + 2H₂;

Zn + HCl  ZnCl₂ + H₂.

Властивості сполук металів

Властивості сполук металів розглянемо на прикладі властивостей їх оксидів і гідроксидів.

Оксиди і гідроксиди відносяться до найважливіших сполук металів і їх властивості визначають групову належність елементів, тобто характеризують елемент як метал або неметал.

Властивості цих сполук типових металів розглянуті в розділі "Класи неорганічних сполук". Зараз розглянемо особливості хімічної поведінки оксидів і гідроксидів перехідних металів. d-Метали відносяться до металів середньої активності, але на повітрі досить стійки внаслідок утворення міцної оксидної плівки. Всі вони (за винятком останніх металів декад) утворюють сполуки з перемінним ступенем окиснення, причому найвищі ступені окиснення дорівнюють номеру групи. Основні відміни оксидів і других простих сполук (сульфідів, нитридів, тощо) d-елементів від аналогічних сполук металів головних підгруп полягають в тому, що вони часто (але не завжди) мають перемінний (нестехіометричний) склад. Наприклад, склад оксиду титана може коливатись у межах TiO_0,88...TiO_1,2 склад сульфіду заліза – FeS_1,01...FeS_1,14, нітриду титана – TiN_0,45...TiN_1,0.

Властивості оксидів і гідроксидів залежать від ступеню окиснення. Розглянемо ці закономірності на прикладі оксидів і гідроксидів хрому і мангану. Хром утворює сполуки з ступенями окиснення +2, +3, +6, манган – з ступенями окиснення +2, +3, +4, +5, +6, +7:

CrO Cr₂O₃ CrO₃

Cr(OH)₂ Cr(OH)₃ H₂CrO₄

MnO Mn₂O₃ MnO₂ Mn₂O₅ MnO₃ Mn₂O₇

Mn(OH)₂ Mn(OH)₃ Mn(OH)₄ H₃MnO₄ H₂MnO₄ HMnO₄

основні кислотні

відновні окиснювальні

В цих рядах сполук йде поступовий перехід від основних сполук через амфотерні до кислотних, що можна характеризувати наступними рівняннями:

СrO + 2HCl  CrCl₂ + H₂O;

Сr₂O₃ +HCl  CrCl₃ + H₂O; Сr₂O₃ + NaOH + H₂O  Na₃[Cr(OH)₆];

CrO₃ + 2NaOH  Na₂CrO₄ + H₂O.

Оксиди Cr(VІ), Mn(VI) i Mn(VII) є ангидридами кислот, їм відповідають хромова и двухромова кислоти (H₂CrO₄ i H₂Cr₂O₇), манганатна (H₂MnO₄) i перманганатна (HMnO₄) кислоти, які відомі тільки у водних розчинах і утворюють солі – хромати, біхромати, манганати і перманганати. Всі вони є сильними окисниками.

Взагалі, оксиди, гідроксиди і солі металів у нижчих ступенях окиснення мають відновний характер, у вищих – окиснювальний.

+2 +4

Mn(OH)₂ + 2KOH + Cl₂  H₂MnO₃ + 2KCl + H₂O;

+7 +2

2 KMnO₄ +5Na₂SO₃ + 3H₂SO₄  2MnSO₄ + K₂SO₄ +5Na₂SO₄ + 3H₂O;

+6 +3

K₂Cr₂O₇ + 6KJ + 7H₂SO₄  4K₂SO₄ + Cr₂(SO₄)₃ +3J₂ +7 H₂O;

Хімічні звязки в основних оксидах іонні або сильно полярні, що зумовлює їх стійкість, твердість, високі температури плавлення та кипіння. В оксидах з проміжним ступенем окиснення зберігається ковалентно-полярний характер звязку. Вищі оксиди характеризуються наявістью ковалентних звязків. В основних гідроксидах метал з Оксигеном звязаний іонним звязком, а Гідроген з Окигеном – ковалентним. В кислотних гідроксидах – навпаки: звязок Ме–О ковалентний, О–Н – сильно полярний.

Всі перехідні метали здатні до утворення багаточисленних комплексних сполук. Ця їх властивість розглянута у роділі "Комплексні сполуки".

Властивості сплавів

Метали у чистому виді використовуються рідко. Це пояснюються труднощами при одержанні чистих металів і корисними властивостями сплавів. Найчастіше для виготовлення металевих конструкцій використають саме сплави.

Сплави складаються з двох і більше компонентів, причому до їх складу можуть входити як метали, так і неметали (карбон, силіцій, бор та ін.). Властивості їх відрізняються від властивостей вихідних речовин. Іноді незначний вміст компоненту призводить до значних змін властивостей, зокрема, жаростійкості, жароміцності, твердості, корозійній стійкості, магнітних та електричних властивостей. Великий влад у розвиток вчення про сплави внесли вітчизняні вчені Чернов Д.К. і Курнаков Н.С.

В машинобудуванні використовують різні сплави. Особливо велике значення мають сплави заліза. Тверде залізо має здатність розчинювати в собі багато елементів, зокрема в залізі розчиняється вуглець. Твердий розчин вуглецю в a-залізі називається феритом, у g-залізі – аустенітом (a-залізо і g-залізо відрізня-ються будовою кристалічних решіток). Якщо вміст вуглецю складає 6,67 мас.% утворюється хімічна сполука цементит, яка має складну кристалічну структуру і характеризується твердістю, близькою до твердості алмазу і великою крихкістю. Перлит – це евтектоїдна суміш фериту і цементиту (евтектоїдна суміш – суміш двох сполук певного складу, яка має найменшу температуру плавлення).

У техніці використовують сплави заліза, які мають назву чорних металів. Сплави, які містять більш як 2,14 % вуглецю називаються чавунами, менш ніж 2,14 % - сталями. Ця межа стосується тільки сплавів заліза і вуглецю і змінюється, якщо ввести інші компоненти.

В свою чергу сталі поділяються на групи за своїм хімічним складом і призначенням, а чавуни – за станом, у якому міститься в них вуглець.

За хімічним складом сталі поділяються на вуглецеві і леговані.

Склад вуглецю у вуглецевих сталях не перевищує 2,14 %, є домішки фосфору і сірки (0,05-0,1 %), наявність яких зумовлена тим, що вони є у вихідній руді і позбутися їх важко. Крім того при розкисленні у сталь вводять невеликі кількості маргану і кремнію. При повільному охолодженні такі сталі складаються з фериту і цементиту, підвищення в них змісту вуглецю призводить до збільшення їх твердості і зменшення пластичності.

Леговані сталі – це сталі, в які спеціально вводяться легуючи компоненти у певних концентраціях для зміни їх властивостей. До найважливіших легуючих елементів належать хром, нікель, марганець, кремній, ванадій, молібден. Аустенітні сталі – тверді розчини марганцю і нікелю у g-залізі. За своїм призна-ченням сталі поділяють на конструкційні, інструментальні і сталі з особливими властивостями.

Чавуни мало здатні до пластичної деформації, не піддаються куванню, але мають добрі ливарні властивості. Чавун дешевший за сталь. В залежності від кількості і стану вуглецю чавуни бувають білими (містять цементит), сірими (містять графіт), високоміцними (містять магній і графіт сферичної форми) і ковкими (містять графіт у пластинчастій формі).