Номер 4, страница 130 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 27. Сплавы. Глава 2. Общие свойства металлов - номер 4, страница 130.

Условие.

4. Как вы объясните тот факт, что кобальт образует твердый раствор замещения с никелем, но не с алюминием?

Решение.

Решение 2.

4. Тот факт, что кобальт образует твердый раствор замещения с никелем, но не с алюминием, объясняется с помощью эмпирических правил Юм-Розери. Эти правила определяют условия, при которых два или более элемента могут образовывать твердый раствор замещения с неограниченной растворимостью. Для этого компоненты сплава должны удовлетворять следующим критериям:

• Размерный фактор: различие в атомных радиусах компонентов не должно превышать 15%.
• Кристаллическая структура: компоненты должны иметь одинаковый тип кристаллической решетки.
• Электроотрицательность: компоненты должны иметь близкие значения электроотрицательности. Значительная разница указывает на тенденцию к образованию химических соединений (интерметаллидов), а не твердых растворов.
• Валентность: компоненты должны иметь одинаковую валентность.

Рассмотрим соответствие этим правилам для обеих пар металлов.

В системе кобальт (Co) – никель (Ni) все условия выполняются очень хорошо. Атомные радиусы кобальта ($r_{Co} \approx 125$ пм) и никеля ($r_{Ni} \approx 124$ пм) практически одинаковы, разница составляет всего около 0.8%, что значительно меньше 15%: $\frac{|125 - 124|}{125} \cdot 100\% \approx 0.8\%$. Оба металла при высоких температурах, в условиях кристаллизации сплавов, имеют одинаковую гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку. Их электроотрицательности (1.88 у Co и 1.91 у Ni) и валентности (+2) также очень близки. Совокупность этих факторов и обеспечивает их полную взаимную растворимость в твердом состоянии.

В системе кобальт (Co) – алюминий (Al) ситуация иная. Различие в атомных радиусах кобальта ($r_{Co} \approx 125$ пм) и алюминия ($r_{Al} \approx 143$ пм) велико и находится на границе допустимого предела: $\frac{|143 - 125|}{125} \cdot 100\% = 14.4\%$. Хотя оба металла могут иметь ГЦК-решетку, их химические свойства существенно различаются. Разница в электроотрицательности значительна (1.88 у Co и 1.61 у Al). Это говорит о сильной склонности к химическому взаимодействию, а не к простому замещению атомов в решетке. Кроме того, у них разные валентности (+2 у Co и +3 у Al). Из-за невыполнения нескольких правил Юм-Розери, в особенности из-за большого различия в электроотрицательности и атомном размере, кобальт и алюминий не образуют протяженных твердых растворов, а формируют интерметаллические соединения (например, CoAl).

Ответ: Кобальт образует твердый раствор замещения с никелем, потому что их атомы очень схожи по основным физико-химическим свойствам (размер, тип кристаллической решетки, электроотрицательность, валентность), что полностью соответствует правилам Юм-Розери для образования неограниченных твердых растворов. В то же время кобальт не образует протяженного твердого раствора с алюминием из-за значительных различий в атомных радиусах (почти 15%) и, что более важно, в электроотрицательности и валентности. Эти различия способствуют химическому взаимодействию между атомами Co и Al с образованием интерметаллических соединений, а не неупорядоченного твердого раствора замещения.