Очень интересные факты о коррозии. Почему железо покрывается ржавчиной
Неотъемлемым атрибутом промышленной революции и символом индустриальной мощи. Важность данного ресурса, безусловно, очень велика, но многие ли задумывались, сколь многообразной является данная группа химических элементов? Или какие любопытные свойства наблюдаются у некоторых металлов, а также какие невероятные качества им порой приписывают? Вряд ли. Так что стоит расширить понимание данной темы и перечислить некоторые интересные факты о металлах.
Подгруппы
На данный момент в периодической таблице насчитывают 94 химических элемента, которые рассматриваются в качестве металлов. Все разделены на 7 подгрупп:
- щелочные;
- щелочноземельные;
- переходные;
- легкие;
- полуметаллы;
- лантаноиды;
- актиноиды.
Особого рассмотрения требуют металлы первых четырех подгрупп.
Щелочные металлы
Своё название они обрели за счет свойства преобразования в щелочи в условиях водной среды.
Малоизвестный интересный факт о щелочных металлах: литий обладает некоторыми живительными свойствами. В частности - способствует лечению подагры. Так, ещё в древности люди заметили целебные свойства глины, которая обогащена литием. Мази и компрессы из этого материала способствовали ослаблению симптомов подагры.
Своё применение элементы данной группы нашли и в построении атомных подводных лодок. Натрий используется как теплоноситель в электрогенераторах, установленных на атомном реакторе подводной лодки. Он обеспечивает вращение паровых лопастей.
Но натрий требует особого обращения. При взаимодействии с ним следует учитывать его бурную реакцию с жидкостями. Даже простое прикосновение к натрию голой влажной рукой может спровоцировать небольшой взрыв.
Важны щёлочи и для здоровья. Дефицит натрия и калия в организме человека вызывает сильные судороги и боль, ввиду чего не следует ограничивать себя в воде и соли.
Щелочноземельные металлы
Данной группе присуща высокая плотность и большая температура плавления. Интересный факт о металлах: барий и радий обладают высокой токсичностью. Любопытно, что попавший в организм радий склонен транспортироваться более чем на 70 % в кости, но в силу своей высокой токсичности способствует образованию онкологических поражений костной ткани.
В 1950 году в республиканскую больницу Республики Коми поступило сразу 4 человека, с процентом поражения скелетных тканей злокачественными опухолями в районе 70-85 %, что было вызвано длительными разработками подземных минерализованных месторождений радия.
Переходные металлы
Эта группа заслуживает особого внимания. Интересные факты про металлы, относящиеся к ней, нельзя не упомянуть, так как она является наиболее многочисленной. Эта группа объединяет элементы с самыми разными свойствами.
Многие переходной группы задействованы в сфере производства продуктов электротехнической индустрии, так как обладают свойствами проводников электричества.
Забавный факт: общеизвестно, что Япония является лидером по поставкам хай-тек-оборудования на мировом рынке. В городе Сува была произведена оценка концентрации золота в пепельной массе, полученной от сожжения осадочных отложений городского коллектора. Итоговые показатели превосходили результаты аналогичных опытов в самых богатых рудниках на планете примерно в 50 раз, что объяснялось наличием огромной промышленной зоны, где изготавливают изделия электроники с применением сплавов драгоценных металлов, главным образом - золота. Кстати, о нём можно поведать немало интересного.
Золото
Всем известно, что изделия из этого материала сочетают в себе престиж, изысканность и роскошь. Украшения из золота являются замечательным подарком. Но кто бы мог подумать, что в Швейцарии есть ряд компаний, производящих из него фрагментированные плитки на манер шоколадных, которые могут быть использованы в качестве подарка? Либо же в расчетных операциях. Занимательно, что каждая плитка состоит из долей достоинством в 1 грамм и легко делится на части.
Интересный факт о металле: по состоянию на 2014 год во всем мире было добыто примерно 179 тонн золота, около половины которого приходится на Южно-Африканскую Республику. Почти такое же количества железа добывается из недр Земли ежечасно.
Золото - очень мягкий металл, по этой причине в изготовлении ювелирной продукции его обычно сплавляют с примесями меди или серебра.
Ртуть
Это - единственный металл, способный пребывать в жидком агрегатном состоянии в комнатных условиях. О токсичности ртутных испарений известно всем, но только химики знают, как данный элемент влияет на свойства алюминия.
Законодательными актами и документами, регламентирующими порядок и правила перемещения грузов на борту самолетов в некоторых странах, строго запрещается транспортировка ртути, так как при попадании на алюминиевую поверхность, она способна прожечь отверстие, что особенно важно на борту самолета, конструкция которого включает множество деталей, сделанных из этого материала.
Медь и кобальт
Перечисляя интересные факты о металлах по химии, стоит упомянуть и данные элементы. Медь является объектом особого интереса вандалов и охотников за цветными металлами. Она встречается в трансформаторных будках, так как медные элементы не способны давать искру.
Но на Востоке, главным образом в Японии, медь применяется в рыбных хозяйствах как вещество, препятствующее появлению в водоемах водных грибковых заболеваний.
А возникновение кобальта сопряжено со скандинавской мифологией. Норвежские кузнецы, которые занимались плавкой кобальтосодержащих минералов, получали мышьяковое отравление. Недомогание и головную боль они объясняли местью горного демона - Кобольда, мстящего людям за разорение его рудников. Так и появилось название данного металла. Аналогично происхождение названия никеля.
Железо
Является самым популярным элементом переходной группы. Интересный факт о металле: в глубокой древности, когда человечество еще не было знакомо с технологиями производства стали, железо укреплялось посредством обжига в навозе и лоскутах кожи, за счет чего происходило углеродное обогащение материала и значительно повышалась прочность. Поэтому кузницы зачастую строились возле конюшен.
Нельзя не упомянуть и о коррозии металла. Интересный факт: то, что железо окисляется при взаимодействии с кислородом, в первую очередь учитывается космонавтами при снаряжении инвентарного отсека космического корабля. И ясное дело, почему! Ведь в условиях космического вакуума железо не способно окислиться, а при соприкосновении с другими металлами они буквально слипаются.
Во избежание данной проблемы, инструменты для работы в открытом космосе обволакивают специальной пластиковой основой либо подвергают окислению на Земле.
Серебро
Многим знакомо выражение: «Серебро дороже золота». Оно не соответствует действительности. Тем не менее данное утверждение произрастает на почве благотворных, целебных, очистительных свойств серебра. Вода, долгое время пребывавшая в посуде из этого материала, приобретает антитоксичные свойства. Чем и объяснялась высокая популярность серебряной утвари в старые времена. Из этих соображений, на современных космических станциях функционируют серебряные водоочистители.
Первые изделия из данного металла были обнаружены в Египте, и насчитывают они возраст более 6 тысяч лет. На территории современной Индии принято употреблять в пищу десерты, покрытые тончайшей серебряной фольгой, что помогает поддерживать здоровье желудочно-кишечного тракта в условиях высокой антисанитарии.
Данный металл активно применяется азиатскими производителями терморегуляционной техники, главным образом - при сборке кондиционеров с функцией воздушной очистки.
В старину серебро служило средством предотвращения молочного окисления. Ложку из этого металла помещали в крынку с молоком, за счет чего оно не окислялось долгое время. И наконец, он стимулирует репродукцию гемоглобина, положительно влияет на центральную нервную систему. Такой вот удивительный металл - серебро. Интересных фактов о нём ещё много, но это - основные.
Легкие металлы
Данная категория является особо токсичной и трудно выявляемой. Полоний, чрезвычайно ядовитый металл, неоднократно использовался при покушениях на высокопоставленных чиновников и политиков. Его особенность состоит в том, что его трудно обнаружить в организме на ранних этапах, а его токсический эффект очень высок. Человек, чья пища была отравлена полонием, обречен на мучительную кончину.
Очень вредными являются испарения цинка. Тем не менее цинк благоприятно воздействует на репродуктивную функцию мужских тестикул. У индийских работников змеиных ферм, занимающихся добычей змеиного яда, после неоднократных укусов кобр или гадюк наблюдается сильная эрекция и интенсивная выработка половых гормонов, что объясняется повышенным содержанием цинка в яде змей.
Коррозия
Это сугубо негативный процесс, хотя есть у него и свои преимущества. Ещё 100 лет назад кавказские джигиты осознали всю полезность коррозийного процесса для производства прочных, не тупящихся клинков.
Так, они первые стали зарывать свои сабли и клинки в землю на пару лет, где те обретали прочность и способность разрезать даже самые твердые волокна. Данные характеристики металла достигались за счет абсорбирующего свойства ржавчины, которая, находясь в земле, впитывала в себя органические элементы и углеродистые соединения.
Индийское инженерное научное сообщество изобрело собственный инновационный метод защиты металлических поверхностей посредством катализа коррозии и последующего нанесения оксидированной краски на заржавевшую поверхность. Таким образом, специальная краска вступает в реакцию с ржавчиной и образует однородный, крепкий защитный слой.
В производстве инструментов для разделки туш применяются сплавы с небольшим процентом хрома, меди и никеля, за счет чего изделие быстро покрывается коррозией, под которой со временем образовывается прочный защитный слой, препятствующий дальнейшему образованию ржавчины.
Другие любопытные факты
Невероятно прочный титан, на удивление, находит свое наивысшее признание не в металлургии, не в машиностроении или технике, а в производстве синтетических пластиков, бумаги и красок.
Алюминий в 1885 году считался одним из самых дорогих металлов. И ценился он выше золота и серебра. Наличие алюминиевых пуговиц у офицеров французской армии расценивалось как знак высшего благородства.
При строительстве спутников и космических радиационных дозиметров американцы в свое время решились на распиливание затонувшего в конце Первой мировой войны корабля «Кронпринц Вильгельм», так как сталь, изготавливаемая после 1945 года, содержит слишком большой процент радиации. Использование такого металла воспрепятствовало бы сбору достоверных данных.
И наконец, факт о калифорнии. Он является самым дорогостоящим синтезированным металлом. Его стоимость превышает 6,5 миллиона за грамм. Фото, кстати, представлено выше.
На самом деле, ещё можно рассказать много интересных фактов про металлы. Химия - удивительная наука, и каждый элемент периодической таблицы обладает уникальными, неповторимыми свойствами и качествами.
Общие сведения о металлах
Вам известно, что большинство химических элементов от носят к металлам - 92 из 114 известных элементов.
Металлы - это химические элементы, атомы ко торых отдают электроны внешнего (а некоторые - и предвнешнего) электронного слоя, превращаясь я положительные ионы.
Это свойство атомов металлов, как вы знаете, определяется тем, что они имеют сравнительно большие радиусы и малое число электронов (в основном от 1 до 3) на внешнем слое.
Исключение составляют лишь 6 металлов: атомы германия, олова, свинца на внешнем слое имеют 4 электрона, атомы сурьмы, висмута -5, атомы полония - 6.
Для атомов металлов характерны небольшие значения электроотрицательности (от 0,7 до 1,9) и исключительно восстановительные свойства, то есть способность отдавать электроны.
Вы уже знаете, что в Периодической системе химических алементов Д. И. Менделеева металлы находятся ниже диагонали бор-астат, я также выше нее в побочных подгруппах. В периодах и глинных подгруппах действуют известные вам закономерности в изменении металлических, и значит, восстановительных свойств атомов элементов.
Химические элементы, расположенные вблизи диагонали бор -астат, обладают двойственними свойствами: в одних своих соединениях ведут себя как металлы, в других - проявляют свойства неметалла.
В побочных подгруппах восстановительные свойства металлов с увеличением порядкового номера чаще всего уменьшаются. Сравните активность известных вам металлов I группы побочной подгруппы: Сu, Аg, Аu; II группы побочной подгруппы - и вы убедитесь в этом сами.
Это можно объяснить тем, что на прочность связи валентных электронов с ядром у атомов этих металлов в большей степени влияет величина заряда ядра, а не радиус атома. Величина заряда ядра значительно увеличивается, притяжение электронов к ядру усиливается. Радиус атома при этом хотя и увеличивается, но не столь значительно, как у металлов главных подгрупп.
Простые вещества, образованные химическими элементами - металлами, н сложные металлсодержащие вещества играют важнейшую роль в минеральной и органической «жизни» Земли. Достаточно вспомнить, что атомы (ноны) элементов-металлов являются составной частью соединений, определяющих обмен веществ в организме человека, животных, растений. Например, в крови человека найдено 76 элементов и из них только 14 не являются металлами. В организме человека некоторые элементы-металлы (кальций, калий, натрий, магний) присутствуют в большом количестве, то есть являются макроэлементами. А такие металлы, как хром, марганец, железо, кобальт, медь, цинк, молибден, присутствуют в небольших количествах, то есть это микроэлементы. Если вес человека 70 кг, то в его организме содержится (в граммах): кальция - 1700, калия - 250, натрия - 70, магния - 42, железа - 5. цинка - 3. Все металлы чрезвычайно важны, проблемы со здоровьем возникают и при их недостатке, и при избытке.
Например, ионы натрия регулируют содержание воды в организме, передачу нервного импульса. Его недостаток приводит к головной боли, слабости, слабой памяти, потери аппетита, а избыток - к повышению артериального давления, гипертонии, заболеваниям сердца. Специалисты по питанию рекомендуют потреблять в день не более 5 г (1 чайная ложка) поваренной соли (NaСl) на взрослого человека. О влиянии металлов на состояние животных и растений можно узнать из таблицы 16.
Простые вещества - металлы
С развитием производства металлов (простых веществ) и сплавов связало возникновение цивилизации («бронзовый век», железный век).
Начавшаяся примерно 100 лет назад научно-техническая революция, затронувшая и промышленность, и социальную сферу, также тесно связана с производством металлов. На основе вольфрама, молибдена, титана и других металлов начали создавать коррозионностойкие, сверхтвердые, тугоплавкие сплавы, применение которых сильно расширило возможности машиностроения. В ядерной и космической технике из сплавов вольфрама и рения делают детали, работающие при температурах до 3000 ºС. в медицине используют хирургические инструменты из сплавов тантала и платины, уникальной керамики на основе оксидов титана и циркония.
И конечно же мы не должны забывать, что в большинстве сплавов используют давно известный металл железо (рис. 37), а основу многих легких сплавов составляют сравнительно «молодые» металлы: алюминий и магний.
Сверхновыми стали композиционные материалы, представляющие, например, полимер или керамику, которые внутри (как бетон железными прутьями) упрочнены металлическими волокнами, которые могут быть из вольфрама, молибдена, стали и других металлов и сплавов - все зависит от поставленной цели, необходимых для ее достижения свойств материала.
Вы уже имеете представление о природе химической связи в кристаллах металлов. Напомним на примере одного из них - натрия, как она образуется.
На рисунке 38 изображена схема кристаллической решетки металла натрия. В ней каждый атом натрия окружен восемью соседними. У атомов натрия, как и у всех металлов, имеется много свободных валентных орбиталей и мало валентных электронов.
Единственный валентный электрон атома натрия Зs 1 может занимать любую из девяти свободных орбиталей, ведь они не очень отличаются по уровню энергии. При сближении атомов, когда образуется кристаллическая решетка, валентные орбитали соседних атомов перекрываются, благодаря чему электроны свободно нере-мещаются с одной орбитали на другую, осуществляя связь между всеми атомами кристалла металла.
Такой тип химической связи называют металлической. Металлическую связь образуют элементы, атомы которых на внешнем слое имеют мало валентных электронов по сравнению с большим числом внешних энергетически близких орбиталей. Их валентные электроны слабо удерживаются в атоме. Электроны, осуществляющие связь, обобществлены и перемещаются по всей кристаллической решетке в целом нейтрального металла.
Веществам с металлической связью присущи металлические кристаллические решетки, которые обычно изображают схематически тик, как показано на рисунке узлах находятся катионы и атомы металлов. Обобществленные электроны электростатически притягивают катионы металлов, расположенные в у ал их кристаллической решетки, обеспечивая ее стабильность и прочность (обобществленные электроны изображены в виде черных маленьких шариков).
Металлическая связь - это связь в металлах и сплавах между атом-ионами металле, расположенными в уллах кристаллической решетки, которая осуществляется обобществленными валентными электронами.
Некоторые металлы кристаллизуются в двух или более кристаллических формах. Это свойство веществ - существовать а нескольких кристаллических модификациях - называют полиморфизмом. Полиморфизм для простых веществ вам известен под названием аллотропия.
Олово имеет две кристаллические модификации:
альфа - устойчива ниже 13,2 ºС с плотностью р - 5.74 г/см3. Это серое олово. Оно имеет кристаллическую решетку типа алмаав (атомную):
бетта - устойчива выше 13.2 ºС с плотностью р - 6,55 г/см3. Это белое олово.
Белое олово - очень мягкий металл. При охлаждении ниже 13,2 ºС он рассыпается в серый порошок, так как при переходе |1 » п значительно увеличивается его удельный объем. Это явление получило название оловянной чумы. Конечно, особый вид химической связи и тип кристаллической решетки металлов должны определять и объяснять их физические свойства.
Каковы же они? Это металлический блеск, пластичность, высокая электрическая проводимость и теплопроводность, рост злектрн чес кого сопротивления при повышении температуры, а также такие практически значимые свойства, как плотность, температуры плавления и кипения, твердость, магнитные свойства.
Давайте попробуем объяснить причины, определяющие основные физические свойства металлов. Почему металлы пластичны?
Механическое воздействие на кристалл с металлической кристаллической решеткой вызывает смещение слоев ион-атомов относительно друг друга, в так как электроны перемещаются но всему кристаллу, разрыв связей не происходит, поэтому дли металлов характерна большая пластичность.
Аналогичное воздействие на твердое вещество с коннлент-кыми связями (атомной кристаллической решеткой) приводит к разрыву ковалентных связей. Разрыв связей в ионной решетке приводит к взаимному отталкиванию одноименно заряженных ионов (рис. 40). Поэтому вещества с атомными и ионными кристаллическими решетками хрупкие.
Наиболее пластичные металлы - это Аu, Af, Cu, Sn, РЪ, Zn. Они легко вытягиваются в проволоку, поддаются ковке, прессованию, прокатыванию в листы- Например, из золота можно изготовить золотую фольгу толщиной 0,008нм, в из 0,5 г этого металла можно вытянуть нить длинной 1 км.
Даже ртуть, к ото рея, как вы знаете, при комнатной температуре жидкая, при низких температурах я твердом состоянии становится ковкой, как свинец. Не обладают пластичностью лишь Bi и Мn, они хрупкие.
Почему металлы имеют характерный блеск, также непрозрачны?
Электроны, заполняющие межатомное пространство, отражают световые лучи (а не пропускают, как стекло), причем большинство металлов в равной степени рассеивают все лучи видимой части спектра. Поэтому они имеют серебристо-белый или серый цвет. Стронций, золото и медь в большей степени поглощают короткие волны (близкие к фиолетовому цвету) и отражают длинные волны светового спектра, поэтому имеют соответственно светло-желтый, желтый и медный цвета.
Хотя на практике, вы знаете, металл не всегда нам кажется светлым телом. Во-первых, его поверхность может окисляться и терять блеск. Поэтому самородная медь выглядит зеленоватым камнем. А во-вторых, и чистый металл может не блестеть. Очень тонкие листки серебра и золота имеют совершенно неожиданный вид - они имеют голубовато-зеленый цвет. А мелкие порошки металлов кажутся темно серыми, даже черными.
Наибольшую отражательную способность имеют серебро, алюминий, палладий. Их используют при изготовлении зеркал, в том числе и в прожекторах.
Почему металлы имеют высокую электрическую проводимость и теплопроводны?
Хаотически движущиеся электроны в металле под волдей-ствием приложенного электрического Напряжения приобретают направленное движение, то есть проводят электрический ток. При повышении температуры мета-тля возрастают амплитуды колебании находящихся в узлах кристаллической решетки атомов и ионов. Это затрудняет перемещение электронов, электрическая проводимость металла падает. При низких температурах колебательное движение, наоборот, сильно уменьшается и электрическая проводимость металлов резко возрастает. Около абсолютного нуля сопротивление у металлов практически отсутствует, у большинства металлов появляется сверх проводимость.
Следует отметить, что неметаллы, обладающие электрической проводимостью (например, графит), при низких температурах, наоборот, не проводят электрический ток из-за отсутствия свободных электронов. И только с повышением температуры и разрушением некоторых ковалентных связей их электрическая проводимость начинает возрастать.
Наибольшую электрическую проводимость имеют серебро, медь, в также золото, алюминии, наименьшую - марганец, свинец, ртуть.
Чаще всего с той же закономерностью, как и электрическая проводимость, изменяется теплопроводность металлов.
Они обусловлена большой подвижностью свободных электронов, которые, сталкиваясь с колеблющимися ионами и атомами, обмениваются с ними энергией. Поэтому происходит выравнивание температуры по всему куску металла.
Механическая прочность, плотность, температура плавления у металлов очень сильно отличаются. Причем с увеличением числя.оекгронов. связывающих ион-атомы, и уменьшением межатомного расстояния в кристаллах показатели этих свойств возрастают.
Так, щелочные металлы, атомы которых имеют один валентный электрон, мягкие (режутся ножом), с небольшой плотностью (литий - самый легкий металл с р - 0.53 г/см3) и плавятся при невысоких температурах (например, температура плавления цезия 29 "С). Единственный металл, жидкий при обычных условиях. - ртуть - имеет температуру плавления, равную 38.9 "С.
Кальций, имеющий два электрона ни внешнем энергетическом уровне атомов, гораздо более тверд и плавится при более высокой температуре (842º С).
Еще более арочной является кристаллическая решетка, образованная атомами скандия, которые имеют три валентных электрона.
Но самые ирочные кристаллические решетки, большие плотности и температуры плавления наблюдаются у металлов побочных подгрупп V, VI, VII, МП групп. Это объясняется тем. что для металлов побочных подгрупп, имеющих неспасенные валентные электроны на d-подуровне, характерно образование очень прочных ковалентных связей между атомами, помимо металлической, осуществляемой электронами внешнего слоя с s-орбиталей.
Вспомните, что самый тяжелый металл - это осмий (компонент сверхтвердых и износостойких сплавов), самый тугоплавкий металл -это вольфрам (применяется для изготовления нитей накаливания ламп), самый твердый металл - это хром Сг (царапает стекло). Они входят в состав материалов, из которых изготавливают металлорежущий инструмент, тормозные колодки тяжелых машин и др.
Металлы различаются по отношению к магнитным полям. Но этому признаку их делят на три группы:
Ферромагнитные Способны намагничиваться под действием даже слабых магнитных полей (железо - альфа-форма, кобальт, никель, гадолиний);
Парамагнитные проявляют слабую способность к намагничиванию (алюминий, хром, титан, почти все лантаноиды);
Диамагнитные не притягиваются к магниту, лаже слегка отталкиваются от него (олово, мель, висмут).
Напомним, что при рассмотрении электронного строения металлов мы подразделили металлы на металлы главных подгрупп (к- и р-элементы) и металлы побочных подгрупп.
В технике принято классифицировать металлы по различным физическим свойствам:
а) плотности - легкие (р < 5 г/см3) и тяжелые (все остальные);
б) температуре плавления - легкоплавкие и тугоплавкие.
Классификации металлов по химическим свойствам
Металлы с низкой химической активностью называют благородными (серебро, золото, платина и ее аналога - осмий, иридий, рутений, палладий, родий).
По близости химических свойств выделяют щелочные (металлы I группы главной подгруппы), щелочноземельные (кальций, стронций, барий, радий), а также редкоземельные металлы (скандий, иттрий, лантан и лантаноиды, актиний и актиноиды).
Общие химические свойства металлов
Атомы металлов сравнительно легко отдают валентные электроны и переходят в положительно заряженные ноны, то есть окисляются. В этом, как вам известно, заключается главное общее свойство и атомов, и простых веществ-металлов.
Металлы в химических реакциях всегда восстановителе. Восстановительная способность атомов простых веществ - металлов, образованных химическими элементами одного периода или одной главной подгруппы Периодической системы Д. И. Менделеева, изменяется закономерно.
Восстановительную активность металла в химических реакциях, которые протекают в водных растворах, отражает его положение в электрохимическом ряду напряжений металлов.
1. Чем левее стоит металл я этом ряду, тем более сильным восстановителем он является.
2. Каждый металл способен вытеснять (восстанавливать) иа солен в растворе те металлы, которые в ряду напряжений стоят после него (правее).
3. Металлы, находящиеся в ряду напряжений левее водорода, способны вытеснять его из кислот в растворе.
4. Металлы, являющиеся самыми сильными восстановителями (щелочные и щелочноземельные), в любых водных растворах взаимодействуют прежде всего с водой.
Восстановительная активность металла, определенная по электрохимическому ряду, не всегда соответствует положению его в Периодической системе. Это объясняется тем. Что при определении положения металла в ряду напряжений учитывают не только энергию отрыва электронов от отдельных атомов, но и энергию, затрачиваемую на разрушение кристаллической решетки, а также энергию, выделяющуюся при гидратации ионов.
Например, литий более активен в водных растворах, чем натрий (хотя по положению в Периодической системе Nа - более активный металл). Дело в том, что энергия гидратации ионов Li+ значительно больше, чем энергия гидратации ионов Na+. поэтому первый процесс является энергетически более выгодным.
Рассмотрев общие положения, характеризующие восстановительные свойства металлов, перейдем к конкретным химическим реакциям.
Взаимодействие с простыми веществами-неметаллами
1. С кислородом большинство металлов образуют оксиды - основные и амфотерпые. Кислотные оксиды переходных металлов, например оксид хрома или оксид марганца не образуются при прямом окислении металла кислородом. Их получают косвенным путем.
Щелочные металлы Nа, К активно реагируют с кислородом воздуха, образуя пероксиды.
Оксид натрия получают косвенным путем, при прокаливании пероксидов с соответствующими металлами:
Литий и щелочноземельные металлы взаимодействуют с кислородом воздуха, образуя основные оксиды.
Другие металлы, кроме золота и платиновых металлов, которые вообще не окисляются кислородом воздуха, взаимодействуют с ним менее активно или при нагревании.
2. С галогенами металлы образуют соли галогеноводородных кислот.
3. С водородом самые активные металлы образуют гидриды - ионные солен од обные вещества, в которых водород имеет степень окисления -1, например:
гидрид кальция.
Многие переходные металлы образуют с водородом гидриды особого типа - происходит как бы растворение или внедрение водорода в кристаллическую решетку металлов между атомами и ионами, при этом металл сохраняет свой внешний вид, но увеличивается в объеме. Поглощенный водород находится в металле, по-видимому, в атомарном виде. Существуют и гидриды металлов промежуточного характера.
4. С серой металлы образуют соли - сульфиды.
5. С азотом металлы реагируют несколько труднее, так как химическая связь в молекуле азота Г^г очень прочна, при этом образуются нитриды. При обычной температуре взаимодействует с азотом только литий.
Взаимодействие со сложными веществами
1. С водой. Щелочные и щелочноземельные металлы при обычных условиях вытесняют водород из воды и образуют растворимые основания-щелочи.
Другие металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода, тоже могут при определенных условиях вытеснять водород из воды. Но алюминий бурно взаимодействует с водой, только если удалить с его поверхности оксидную пленку.
Магний взаимодействует с водой только при кипячении, при этом также выделяется водород. Если горящий магний внести в воду, то горение продолжается, так как протекает реакция: горит водород. Железо взаимодействует с водой только в раскаленном виде.
2. С кислотами в растворе взаимодействуют металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода. При этом образуются соль и водород. А вот свинец (и некоторые другие металлы), несмотря на его положение в ряду напряжений (слева от водорода), почти не растворяется в разбавленной серной кислоте, так как образующийся сульфат свинца PbSO, нерастворим и создает на поверхности металла защитную пленку.
3. С солями менее активных металлов в растворе. В результате такой реакции образуется соль более активного металла и выделяется менее активный металл в свободном виде.
Нужно помнить, что реакция идет в тех случаях, когда образующаяся соль растворима. Вытеснение металлов из их соединений другими металлами впервые подробно изучал Н. Н. Бекетов - крупный русский физикохимик. Он расположил металлы по химической активности в «вьггеснительный ряд», ставший прототипом ряда напряжений металлов.
4. С органическими веществами. Взаимодействие с органическими кислотами аналогично реакциям с минеральными кислотами. Спирты же могут проявлять слабые кислотные свойства при взаимодействии со щелочными металлами.
Металлы участвуют в реакциях с галогеналканами, которые используют для получения низших циклоалкн нов и для синтезов, в ходе которых происходит усложнение углеродного скелета молекулы (реакция А. Вюрца):
5. Со щелочами в растворе взаимодействуют металлы, гидроксиды которых амфотерны.
6. Металлы могут образовывать химические соединения друг с другом, которые получили общее название - интерметаллические соединения. В них чаще всего не проявляются степени окисления атомов, которые характерны для соединений металлов с неметаллами.
Интерметаллические соединения обычно не имеют постоянного состава, химическая связь в них в основном металлическая. Образование этих соединений более характерно для металлов побочных подгрупп.
Оксиды и гидроксиды металлов
Оксиды, образованные типичными металлами, относят к солеобраяующим, основным по характеру свойств. Как вы знаете, им соответствуют гидроксиды. являющиеся основаниями, которые в случае щелочиых и щелочноземельных металлов растворимы в воде, являются сильными электролитами и называются щелочами.
Оксиды и гидроксиды некоторых металлов амфотерны, то есть могут проявлять и основные, и кислотные свойства в зависимости от веществ, с которыми они взаимодействуют.
Например:
Многие металлы побочных подгрупп, имеющие в соединениях переменную степень окисления, могут образовывать несколько оксидов и гидроксидов, характер которых зависит от степени окисления металла.
Например, хром нвсоединениях проявляет три степени окисления: +2, +3, +6, поэтому он образует три ряда оксидов и гидроксидов, причем с увеличением степени окисления усивается кислотный характер и ослабляется основный.
Коррозия металлов
При взаимодействии металлов с веществами окружающей среды нн их поверхности обриауются соединения, обладающие совершенно иными свойствами, чем сами металлы. В обычной жилки мы часто употребляем слова «ржавчина», «ржавление», видя коричнево-рыжий налет на изделиях из железа и его сплавов. Ржавление зто частый случай коррозии.
Коррозия - это процесс самопроимольного разрушения металлов и сплата not) алияішсм анешней среды (от лат. - разъедание).
Однако разрушению подвергаются практически все металлы, н результате чего многие их свойства ухудшаются (или совсем теряются): уменьшаются прочность, пластичность, блеск, снижается электропроводность, л также возрастает трение между движущимися деталями мншин, изменяются размеры деталей и т. д.
Коррозия металлов бывает сплошной и местной.
Нервен не так опасна, как вторая, ее проявления могут быть учтены при проектировании конструкций и аппаратов. Значительно опаснее местная коррозия, хотя потери металла здесь могут быть и небольшими. Один из наиболее опасных ее видов - точечная. Они заключается п образовании сквозных поражений, то есть точечных полостей - питтингов, при этом снижается прочность отдельных участков, уменьшается надежность конструкций, аппаратов, сооружений.
Коррозия металлов наносит большой экономический вред. Человечество несет огромные материальные потери в ре-эуньтате разрушения трубопроводов, деталей машин, судов, мостов, различного оборудования.
Коррозия приводит к уменьшению надежности работы металлоконструкций- Учитывая возможное разрушение, приходится завышать прочность некоторых изделий (например, деталей самолетов, лопастей турбин), а значит, увеличивать расход металла, а зто требует дополнительных экономических затрат.
Коррозия приводит к простоям производства из-за замены вышедшего из строя оборудования, к потерям сырья и продукции в результате разрушения гало-, нефте- и водопроводов. Нельзя не учитывать и ущерб природе, а значит, и здоровью человека, нанесенный в результате утечки нефтепродуктов и других химических веществ. Коррозия может приводить к загрязнении) продукции, а следовательно, к снижению ее качества. Затраты на возмещение потерь, связанных с коррозией, колоссальны. Они составляют около 30% годового производства металлов во всем мире.
Из всего сказанного следует, что очень важной проблемой является изыскание способов защиты металлов и сплавов от коррозии.
Они весьма разнообразны. Но для их выбора необходимо знать и учитывать химическую сущность процессов коррозии.
Но химической природе коррозия - это окнислительно-восстановительный процесс. В зависимости от среды, в которой он протекает, различают несколько видов коррозии.
Наиболее часто встречающиеся виды коррозии: химическая и электрохимическая.
I. Химическая коррозия происходит в не проводящей электрический ток среде. Такой вид коррозии проявляется в случае взаимодействии металлов с сухими газами или жидкостями - неэлектролитами (бензином, керосином и др.) Такому разрушению подвергаются детали и узлы двигателей, газовых турбин, ракетных установок. Химическая коррозия часто наблюдается в процессе обработки металлов при высоких температурах.
Большинство металлов окисляется кислородом воздуха, образуя на поверхности оксидные пленки. Если эта пленка прочная, плотная, хорошо связана с металлом, то она защищает металл от дальнейшего разрушения. У железа она рыхлая, пористая, легко отделяется от поверхности и потому не способна защитить металл от дальнейшего разрушения.
II. Электрохимическая коррозия происходит в токопроводящей среде (в электролите) с возникновением внутри системы электрического тока. Как правило, металлы и сплавы неоднородны, содержат включения различных примесей. При контакте их с электролитами одни участки поверхности начинают выполнять роль анода (отдают электроны), а другие - роль катода (принимают электроны).
В одном случае будет наблюдаться выделение газа (Нг). В другом - образование ржавчины.
Итак, электрохимическая коррозия - реакция, происходящая в средах, проводящих ток (в отличие от химической коррозии). Процесс происходит при соприкосновении двух металлов или на поверхности металла, содержащего включения, которые являются менее активными проводниками (это может быть и неметалл).
На аноде (более активном металле) идет окисление атомов металла с образованием катионов (растворение).
На катоде (менее активном проводнике) идет восстановление ионов водорода или молекул кислорода с образованием соответственно Н2 или гидроксид-ионов ОН-.
Катионы водорода и растворенный кислород важнейшие окислители, вызывающие электрохимическую коррозию.
Скорость коррозии тем больше, чем сильнее отличаются металлы (металл и примеси) по своей активности (для металлов - чем дальше друг от друга они расположены в ряду напряжений). Значительно усиливается коррозия при увеличении температуры.
Электролитом может служить морская вода, речная вода, конденсированная влага и конечно же хорошо известные всем электролиты - растворы солей, кислот, щелочей.
Вы, очевидно, помните, что зимой для удаления снега и льда с тротуаров используют техническую соль (хлорид натрия, иногда хлорид кальция и др.)- Образующиеся растворы стекают в канализационные трубопроводы, создавая тем самым благоприятную среду для электрохимической коррозии подземных коммуникаций.
Способы защиты от коррозии
Уже при проектировании металлических конструкций их изготовлении предусматривают меры защиты от коррозии.
1. Шлифование поверхностей изделия, чтобы на них не задерживалась влага.
2. Применение легированных сплавов, содержащих специальные добавки: хром, никель, которые ири высокой температуре на поверхности металла образуют устойчивый оксидный слой. Общеизвестны легированные стали - нержавейки, нз которых изготавливают предметы домашнего обихода (ножн. вилки, ложки), детали машин, инструменты.
3. Нанесение защитных покрытии.
Рассмотрим их виды.
Неметаллические - неокисляющиеся масла, специальные лаки, краски. Правда, они недолговечны, но зато дешевы.
Химические - искусственно создаваемые поверхностные пленки: оксидные, цитрндные, силицидные, полимерные и др. Например, все стрелковое оружие В детали многих точных приборов подвергают воронению - это процесс получения тончайшей пленки оксидов железа на поверхности стального изделия. Получаемая искусственная оксидная пленка очень прочная и придает изделию красивый черный цвет и синий отлив. Полимерные покрытия изготавливают нз полиэтилена, полихлорвинила, полиамидных смол. Наносят их двумя способами: нагретое изделие помещают в порошок полимера, который плавится и приваривается к металлу, или поверхность металла обрабатывают раствором полимера в низкокииящем растворителе, который быстро испаряется, а полимерная пленка остается на изделии.
Металлические - это покрытия другими металлами, на поверхности которых под действием окислителей образуются устойчивые защитные пленки.
Нанесение хрома на поверхность - хромирование, никеля - никелирование, цинка - цинкование, олова - лужение и т. д. Покрытием может служить и пассивный в химическом отношении металл - золото, серебро, медь.
4. Электрохимические методы защиты.
Протекторная (анодная) - к защищаемой металлической конструкции присоединяют кусок более активного металла (протектор), который служит анодом и разрушается в присутствии электролита. В качестве протектора при защите корпусов судов, трубопроводов, кабелей и других стильных изделий используют магний, алюминий, цинк;
Катодная - металлоконструкцию подсоединяют к катоду внешнего источника тока, что исключает возможность ее анодного разрушения
5. Специальная обработка электролита или той среды, в которой находится защищаемая металлическая конструкция.
Известно, что дамасские мастера для снятия окалины и
ржавчины пользовались растворами серной кислоты с добавлением пивных дрожжей, муки, крахмала. Эти принеси и были одними из первых ингибиторов. Они не позволяли кислоте действовать на оружейный металл, в результате растворялись лишь окалина и ржавчина. Уральские оружейники применяли для этих целей травильные супы - растворы серной кислоты с добавкой мучных отрубей.
Примеры использования современных ингибиторов: соляная кислота при перевозке и хранении прекрасно «укрощается» производными бутиламина. а серная кислота - азотной кислотой; летучий диэтиламин впрыскивают в различные емкости. Отметим, что ингибиторы действуют только на металл, делая его пассивным по отношению к среде, например к раствору кислоты. Науке известно более 5 тыс. ингибиторов коррозии.
Удаление растворенного в воде кислорода (деаэрация). Этот процесс используют при подготовке воды, поступающей в котельные установки.
Способы получения металлов
Значительная химическая активность металлов (взаимодействие с кислородом воздуха, другими неметаллами, водой, растворами солей, кислотами) приводит к тому, что в земной коре они встречаются главным образом в виде соединений: оксидов, сульфидов, сульфатов, хлоридов, карбонатов и т. д.
В свободном виде встречаются металлы, расположенные в ряду напряжений правее водорода, хотя гораздо чаще медь и ртуть в природе можно встретить в виде соединений.
Минералы и горные породы, содержащие металлы и их соединения, из которых выделение чистых ме таялов технически возможно и экономически целесообразно, называют рудами.
Получение металлов из руд - задача металлургии.
Металлургия - это и наука о промышленных способах получения металлов из руд. и отрасль промышленности.
Любой металлургический процесс - это процесс восстановления ионов металла с помощью различных восстановителей.
Чтобы реализовать этот процесс, надо учесть активность металла, подобрать восстановитель, рассмотреть технологическую целесообразность, экономические и экологические факторы. В соответствии с этим существуют следующие способы получения металлов: пирометаллургический. гидрометяллургический, электрометаллургический.
Пирометаллургия - восстановление металлов из руд ори высоких температурах с помощью углерода, оксида углс-рода(П). водорода, металлов - алюминия, магния.
Например, олово восстанавливают из касситерита, а медь - из куприта прокаливанием с углем (коксом). Сульфидные руды предварительно подвергают обжигу при доступе воздуха, а затем полученный оксид восстанавливают углем. Из карбонатных руд металлы выделяют также путем накачивания а углем, так как карбонаты при нагревании разлагаются, превращаясь в оксиды, а последние восстанавливаются углем.
Гидрометаллургия - это восстановление металлов им их солей в растворе. Процесс проходит в 2 этапа:
1) природное соединение растворяют в подходящем реагенте для получении раствори соли этого металле;
2) из полученного рахтворя данный металл вытесняют более активным или восстанавливают электролизом. Например чтобы получить медь на руды, содержащей оксид меди СиО ее обрабатывают разбавленной серной киглотой.
Затем медь извлекают из растворе соли либо:электролизом, либо вытесняют кз сульфата железом. Таким способом получают серебро, цинк, молибден, золото, уран.
Электрометаллургия - восстановление металлов в про цессе электролиза растворов или расплавов их соединений.
Электролиз
Если в раствор или расплав электролита опустить электроды и пропустить постоянный электрический ток, то ионы будут двигаться направленно: катионы - к катоду (отрицательно заряженному электроду), анионы - к аноду (положительно заряженному электроду).
Па катоде катионы принимают электроны и восстанавливаются на аноде анионы отдают электроны и окисляются. Этот процесс называют электролизом.
Электролиз это окислительно восстаногштель ныи процесс, протекающий на злсктроікія при прохождении электрического тока чсрсэ распяая или раствор электролита.
Простейший пример таких процессов электролиз расплавленных солей. Рассмотрим процесс электролиза расплава хлорида натрия. В расплаве идет процесс термической диссоциации. Под дейстиием алектрического тока катионы движутся к катоду и принимают от него электроны.
На катоде образуется металлический натрий, на аноде - газообразный хлор.
Главное, что вы должны помнить: в процессе электролиза за счет электрической энергии осуществляется химическая реакция, которая самопроизвольно идти не может.
Сложнее дело обстоит в случае электролиза растворов электролитов.
В растворе соли, кроме ионов металла и кислотного остатка, присутствуют молекулы воды. Поэтому при рассмотрении процессов на электродах необходимо учитывать их участие в электролизе.
Для определения продуктов электролиза водных растворов электролитов существуют следующие правила.
1. Процесс на катоде зависит не от материала катода, на которого он сделан, а от положения металла (катиона электролита) в электрохимическом ряду напряжений, при этом если:
1.1. Катион электролита расположен в ряду напряжений а начале ряда (по Аl включительно), то на катоде идет процесс восстановления воды (выделяется водород). Катионы металла не восстанавливаются, они остаются в растворе.
1.2. Катион электролита находится в ряду напряжений между алюминием и водородом, то на катоде восстанавливаются одновременно и ноны металла, и молекулы воды.
1.3. Катион электролита находится в ряду напряжений после водорода, то на катоде восстанавливаются катионы металла.
1.4. В растворе содержится катионы разных металлов, то скачала восстанавливается катион металла, стоящего в ряду напряжений
Эти правили отражены на схеме 10.
2. Процесс на аноде зависит от материала анода и от природы аннона (схема 11).
2.1. Коли анод растворяется (железо, цинк. медь, серебро и все металлы, которые окисляются в процессе электролиза), то окисляется металл анода, несмотря на природу аниона.
2.2. Если анод не растворяется (его называют инертным - графит, золото, платина), то:
а) при электролизе растворов солей бескислородных кислот (про ме фторидов) на аноде идет процесс окисления аниона;
б) при электролизе растворов солей кислородсодержащих кисяот и фторидов на аноде идет процесс окисления воды. Анионы не окисляются, они остаются в растворе;
Электролиз расплавов н растворов веществ широко используют в промышленности:
1. Для получения металлов (алюминии, магний, натрий, кадмий получают только электролизом).
2. Для получения водорода, галогенов, щелочей.
3. Для очистки металлов - рафинирования (очистку меди, никеля, свинца проводят электрохимическим методом).
4. Для защиты металлов от коррозии - нанесения защитных покрытий в виде тонкого слоя другого металла, устойчивого к коррозии (хроме, никеля, меди, серебра, золота) - гальваностегия.
5. Получение металлических копий, пластинок - гальванопластика.
Практическое задание
1. Как связаны строение металлов к расположение их в главных и побочных подгруппах Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева?
2. Почему щелочные и щелочноземельные металлы имеют в соединениях единственную степень окислення: (+1) и (+2) соответственно, а металлы побочных подгрупп, как правило, проявляют в соединениях разные степени окисления?
3. Какие степени окисления может проявлять марганец? Какие оксиды к гидрокенды соответствуют марганцу в этих степенях окисления? Каков их характер?
4. Сравните электронное строение атомов элементов VII группы: марганца и хлора. Объясните различие в их химических свойствах и наличие разных степенен окисления атомов у обоих элементов.
5. Почему положение металлов в электрохимическом ряду напряжений не всегда соответствует нх положению в Периодической системе Д. И. Менделеева?
9. Составьте уравнения реакций натрия и магния с уксусной кислотой. В каком случае и почему скорость реакции будет больше?
11. Какие способы получения металлов вы знаете? В чем состоит сущность всех способов?
14. Что такое коррозия? Какие виды коррозии вы знаете? Какой из них предстппляст собой физико-химический процесс?
15. Можно ли считать коррозией следующие процессы: а) окисление железа при электросварке, б) взаимодействие цинка с соляной кислотой при получении травленой кислоты для паяния? Дайте обоснованный ответ.
17. Изделие из марганца находится в воде н контактирует с медным изделием. Сохранятся ли оба они в неизменном виде?
18. Будет ли защищена железная конструкция от электрохимической коррозии в воде, если на ней украпить пластину из другого металла: а) магния, б) свинца, в) никеля?
19. С какой целью поверхность цистерн для хранения нефтепродуктов (бензина, керосина) окрашивают серебрином - смесью алюминиевой пудры с одним из растительных масел?
20. На поверхности закисленной почвы садового учпеткл находятся железные трубы со вставленными латунными кранами. Что будет подвергаться коррозии: труба иян кран? В каком месте разрушение наиболее выражено?
21. Чем отличается электролиз расплавов от электролиза водных растворов?
22*. Какие металлы можно получить электролизом расплавов их солей и нельзя получить электролизом водных растворов этих веществ?
23*. Составьте уравнения электролиза хлорида бария в: а) расплаве, б) растворе
28. К раствору, содержащему 27 г хлорида меди(II), добавили 1-4 г железных опилок. Какая масса медн выделилась в результате этой реакции?
Ответ: 12,8 г.
29. Какую массу сульфата цинка можно получить при взаимодействии избытки цинка с 500 мл 20%-ного раствора серной кислоты с плотностью 1.14 г/мл?
Ответ: 187.3 г.
31. При обработке 8 г смеси магния и оксида магния соляной кислотой выделилось 5.6 л водорода (н, у.). Какова массовая доля (в %) ИЮНЯ в исходной смеси?
Ответ: 75%.
34. Определите массовую долю (в процентах) углерода в стали (сплав железа с углеродом), если при сжигании ее навески массой 10 г в токе кислорода было собрано 0,28 л оксида углеродя(ІV) (н. у.).
Ответ: 1.5%.
35. Образец натрии массой 0.5 г поместили в воду. Ни нейтрализацию полученного раствора израсходовали 29,2 г 1,5%-ной соляной кислоты. Какова массовая доля (в процентах) натрия в образце?
Ответ: 55.2%.
36. Сплав меди и алюминия обработали избытком раствора гидроксидя натрия, при этом выделился газ объемом 1,344 л (н. у.), Остаток после реакции растворили в азотной кислоте, затем раствор выпарили и прокалили до постоянной массы, которая оказалась равной 0.4 г. Каков состав сплава? Ответ: 1.08 г Аl 0,32 г Сu или 77,14% Аl 22.86% Сu.
37. Какую массу чугуна, содержащего 94% железа, можно получить из 1 т красного железняка (Fe2О3), содержащего 20% примесей?
Ответ: 595.74 кг.
Металлы в природе
Если вы внимательно изучали химию в предыдущих классах, то вам известно, что таблица Менделеева насчитывает более девяноста видов металлов и приблизительно шестьдесят из них можно встретить в природной среде.
Встречающиеся в природе металлы можно условно разделить на такие группы:
Металлы, которые можно встретить в природе в свободном виде;
металлы, встречающиеся в виде соединений;
металлы, которые можно встретить в смешанном виде, то есть, они могут быть, как в свободном виде, так и в виде соединений.
В отличие от других химических элементов, металлы довольно часто встречаются в природе в виде простых веществ. Они, как правило, имеют самородное состояние. К таким металлам, которые представлены в виде простых веществ, можно отнести золото, серебро, медь, платину, ртуть и другие.
Но не все металлы, встречающиеся в природной среде, представлены в самородном состоянии. Некоторые металлы можно встретить в виде соединений и их называют минералами.
Кроме того, такие химические элементы, как серебро ртуть и медь, можно встретить, как в самородном состоянии, так и в состоянии имеющих вид соединений.
Все те минералы, из которых в дальнейшем можно получить металлы, называются рудами. В природе существуют руда, в состав которой входит железо. Такое соединение получило название железной руды. А если же в составе находится медь, но соответственно, такое соединение называется медной рудой.
Конечно же, наиболее распространенными в природе являются металлы, которые активно взаимодействуют с кислородом и серой. Их принято называть оксидами и сульфидами металлов.
Таким распространенным элементом, который образует металл, является алюминий. Алюминий содержится в глине, а также входит в состав таких драгоценных камней, как сапфир и рубин.
Вторым по популярности и распространению, является такой металл, как железо. Он, как правило, встречается в природе в виде соединений, а в самородном виде его можно встретить только в составе метеоритных камней.
Следующими по распространению в природной среде, вернее в земной коре, являются такие металлы, как магний, кальций, натрий, калий.
Держа в руке монеты, вы, наверное, замечали, что от них исходит характерный запах. Но, оказывается это не запах металла, а запах, который исходит от соединений, который образуется при соприкосновении металла с человеческим потом.
А знали ли вы, что в Швейцарии налажен выпуск золотых слитков в форме шоколадной плитки, которую можно разломать на дольки и использовать в качестве подарка или платежного средства? Такие шоколадные плитки компания производит из золота, серебра, платины и палладия. Если такую плитку разломать на дольки, то каждая из них весит всего один грамм.
А еще, довольно таки интересным свойством обладает такой металлический сплав, как нитинол. Он уникален тем, что обладает эффектом памяти и при нагреве деформированное изделие из этого сплава способно возвращаться к своей первозданной форме. Такие своеобразные материалы с так называемой памятью применяют для изготовления втулок. Они обладают свойством при низких температурах сжиматься, а при комнатной температуре эти втулки распрямляются и это соединение является даже надежнее, чем сварка. А происходит такое явление благодаря тому, что эти сплавы имеют структуру термоупругости.
А задумывались ли вы над тем, почему в золотые ювелирные изделия принято добавлять сплав серебра или меди? Оказывается, это происходит потому, что золото в чистом виде очень мягкое и его легко поцарапать даже с помощью ногтя.
Коррозия - это самопроизвольное разрушение металла под действием внешних факторов. Проблема коррозии существует с тех самых пор, как человек научился выплавлять металл. Из-за коррозии разрушаются, а иногда и безвозвратно гибнут металлические конструкции, станки, оборудование, механизмы машин и т.д., что наносит вред экономике.
Виды коррозии
В зависимости от среды, которая воздействует на металл, различают атмосферную, подземную и подводную коррозии.
В зависимости от того, как протекает процесс коррозии, её делят на химическую и электрохимическую. При химической коррозии происходит химическая реакция, в результате которой и разрушается металл. А в процессе электрохимической коррозии реакции протекают под воздействием электрических импульсов.
Защита от коррозии
В связи с тем, что от действия коррозии ежегодно теряется 20–30% металлов, остро стоит вопрос о защите металла. Один из популярных способов антикоррозийной защиты - защитные покрытия. Различают металлические и неметаллические покрытия, изолирующие металл от агрессивной среды. К неметаллическим покрытиям относятся покрытие лаком и краской, резиной, пластмассой, фосфатной плёнкой и т.д.
Металлические покрытия наносят тремя способами:
1. Погружение деталей в расплавленный цинк. Такой способ называется горячим цинкованием. Подробнее почитать об этом способе защиты металла можно, набрав в поисковике «горячее цинкование екатеринбург ». Такое покрытие не имеет декоративного вида, но надёжно защищает изделие в производственных условиях.
2. Металлизация или распыление. Металл распыляется в электрической дуге и сжатым воздухом или инертным газом наносится на поверхность изделия.
3. Блокирование - метод защиты металла от коррозии другим металлом, который устойчив к агрессивной среде. Два вида металла подвергают прокатке с последующей термообработкой, и в результате диффузии на границе металлов возникает прочное сцепление.
2014-05-22
Коррозия является очень разрушительной формой окисления (т.е. реакцией с кислородом), происходящей в железе и металлах, содержащих железо. Ржавчина образуется в виде оранжевого вещества на железе, ослабляя его и металл в конце распадается. Другие металлы окисляются с образованием соединений. В этих случаях процесс известен как коррозия, а не ржавчина. Ржавчина конкретный тип коррозии, которая происходит только тогда, когда присутствует железо.
Ржавчина является общим названием для соединения железа называемого оксидом, который представляет собой сочетание железа и кислорода. Кислород есть в воздухе и не реагирует с железом, потому что он объединяется с другими частицами кислорода, но когда вода вступает в контакт с железом она сочетает с диоксидом углерода в воздухе с образованием кислоты, которая растворяет железо и расщепляет воду. Свободный кислород затем может взаимодействовать с железом с образованием оксида железа – ржавчины. Этот процесс освобождает электроны, позволяя им переходить в другой кусок металла или в другую точку, где происходит дальнейшая коррозия.
Железо ржавеет быстрее при воздействии морской воды или солей, чем когда она находится в контакте с чистой водой. Это из-за присутствия натрий-хлорид ионов, которые хорошо проводят ток и которые в свою очередь ускоряет процессы ржавчины.
Нанесение покрытий на металлы защитными красками может помочь предотвратить окисления, но ржавчина может появиться в любом месте что краска поцарапана. Процесс галаванизации цинком металлов, создает защитный слой и предотвращает коррозию путем замедления процесса коррозии, и коррозирует вместо него. Такая защита используется для предотвращения коррозии на судах и подземных труб. Магний похож цинка по восприимчивости к коррозии и часто используется таким же образом.
Металл служит примером прочности. Недаром, когда хотят подчеркнуть это свойство, говорят: «прочный, как сталь». С понятием «металл», «металлический», «стальной» связано представление о чем-то неизменном, твердом, прочном.
Но если заглянуть в Исторический музей, где нас познакомят с остатками вооружения наших предков, извлеченных при раскопках древних могил, то мы увидим, что когда-то блестящие и прочные мечи, топоры, стальные кольчуги и другие металлические изделия потеряли блеск и прочность. Они покрыты не только толстым слоем ржавчины, но почти полностью разрушены. Такому разрушению подвергаются металлические предметы, не только оставленные в земле, но и находящиеся в сыром помещении.
Следовательно, металлы оказываются далеко не такими прочными, как об этом гласит народная молва. Под влиянием внешней среды, водных растворов кислот, солей и электрического тока они окисляются, в результате чего разрушаются.
Такого рода разрушение металлов получило название коррозии. В переводе с латинского “corrodere” означает – разъедать.
Почему же они разрушаются?
Как известно, все металлы, за исключением золота, платины, серебра, встречаются в природе в виде соединений с кислородом, серой, а также в виде солей серной, соляной и других кислот, т. е. в окисленном состоянии. Чтобы получить их в чистом виде, необходимо затратить химическую или электрическую энергию. Так, например, для получения железа из его руд строятся громадные доменные печи, в которых оно выплавляется. Из естественного, природного (окисленного) состояния они переводятся в металлическое состояние. Это состояние неустойчиво. Металл как бы стремится вновь перейти в то соединение, в котором изначально существовал в природе.
Коррозия металлов – это процесс перехода металла в то природное, естественное состояние, в котором мы встречаем его в земной коре.
Почему же все-таки при некоторых условиях металлы не так быстро переходят в свое естественное состояние, в оксиды или соли кислот? Одним из замечательных памятников старого Дели в Индии является минарет Кутуб-Минар, построенный в 1200 г. Во дворе минарета уже более тысячи лет стоит известная Делийская железная колонна. Эта колонна знаменита тем, что она не подверглась разрушающему действию коррозии. О Делийской колонне рассказывают много легенд, касающихся ее исключительной коррозийной стойкости.
Чем же объясняют исключительную коррозийную устойчивость металла, из которого сделана эта колонна? Есть разные версии её антикоррозийной устойчивости, но, скорее всего, высокую коррозийную стойкость колонны можно объяснить условиями, в которых она находится. Дело в том, что климат Дели, в особенности там, где находится колонна, очень сухой: относительная влажность в течение года не превышает 50-60%, а обычная – в пределах 30- 40%.
Английский ученый Вернон нашел, что при относительной влажности до 30% коррозия металла практически не наблюдается, при повышении же влажности до 60-70% наблюдается медленное увеличение коррозии. При влажности выше 70% коррозия резко возрастает и несколько снижается при влажности выше 90%.
Итак, вывод:
Коррозийная стойкость металлов в значительной мере зависит и от условий, в которых они находятся.
А) Результаты опыта.
Для ответа на многие вопросы, связанные со скоростью коррозии металла в зависимости от среды, мною был заложен опыт, и проводились наблюдения за ходом процесса окисления металла в течение семи дней. Было взято 7 стаканов воды, только в первом стакане вода была кипяченая. В остальных 6-ти случаях – вода сырая, то есть содержащая определенное количество растворенного в воде кислорода.
№1 Описание условий эксперимента
Железный гвоздь полностью погружен в кипяченую воду
Железный гвоздь погружен в некипяченую воду, он виден из воды
Железный гвоздь полностью погружен в некипяченую воду
Железный гвоздь погружен в некипяченую воду, он виден из воды, в воду добавлена поваренная соль (NaCl)
Железный гвоздь погружен в некипяченую воду, он виден из воды, в воду добавлена питьевая сода (NaHCO3)
Железный гвоздь погружен в воду, он виден из воды, в воды, к гвоздю прикручена алюминиевая проволока
Железный гвоздь погружен в воду, он виден из воды, к гвоздю прикручена медная проволока
Результаты наблюдения:
1-ый стакан: Вода кипяченая, полностью покрывает железный гвоздь. Необходимо отметить, что в этом стакане гвоздь покрылся налетом ржавчины, но толщина слоя по сравнению с другими стаканами – минимальная. То есть, в кипяченой воде скорость коррозии самая малая из-за отсутствия растворенного в воде кислорода.
Во 2-ом и в 3-ем стаканах - вода сырая. Во втором стакане гвоздь виден из воды, а в третьем – полностью погружен в воду. Во втором стакане, где гвоздь виден из воды, коррозия железа достигла большего размера, чем в стакане, где гвоздь полностью покрыт водой. То есть, на границе раздела воздух – вода металл больше подвергается коррозии, так как идет соприкосновение воды и металла с кислородом воздуха и процесс окисления железа ярче выражен.
Таким образом, вода, содержащая растворенный кислород (опыты №№ 2,3), значительно опаснее в коррозионном отношении, чем вода, не содержащая его (опыт №1).
В 4-ом стакане в воду была добавлена поваренная соль – хлорид натрия NaCl. Гвоздь в этом стакане покрылся толстым слоем ржавчины, коррозия значительна. Причина кроется в среде – в воду добавлен электролит – поваренная соль, которая способствует разъеданию металла. В морской воде также содержится большое количество поваренной соли и других солей, которые тоже являются прекрасными электролитами, что способствует более быстрому протеканию коррозии корпусов кораблей.
В 5-ом стакане в воду было добавлено небольшое количество питьевой соды, которая имеется у всех дома – NaHCO3 (гидрокарбонат натрия). Раствор питьевой соды имеет слабо выраженную щелочную среду. Но коррозия быстрее протекает в кислых и нейтральных средах, в которых имеются растворенный в воде кислород и ионы водорода (Н+). В щелочной же среде концентрация гидроксид-ионов (ОН-) преобладает над концентрацией ионов водорода, то есть фактически ионы водорода устранены, что не позволяет разрушаться металлу. Щелочная среда препятствует протеканию реакций окисления металла. И по результатам опыта было видно, что в этом стакане гвоздь по истечении семи дней остался без изменений.
Что произошло в 6-ом и 7-ом стаканах? Об этом – немного позднее.
Человек не только должен знать, почему разрушается металл, но и как сберечь его от разрушения, ибо трудно себе представить сейчас нашу жизнь без металла, который в жизни человеческого общества играет первостепенную роль. Из него делают тысячи различных предметов: станки, автомобили, тракторы, сложные аппараты, самолеты, реактивные двигатели. Наши города и села связаны металлическими линиями проводов.
По металлическим трубам, проложенным под землей, протекают реки нефти из одних районов в другие. По трубам же подается вода от центральной водопроводной станции города на фабрики, заводы и в наши квартиры. Но металл играет большую роль не только в промышленности, он окружает нас и в быту. Всюду металл, без него нельзя представить себе современную жизнь.
Одной из важнейших задач в настоящее время является не только увеличение производства металла, но и сохранение его от разрушения. Чтобы представить, какое значение имеет борьба с коррозией металлов, рассмотрим, какой вред она приносит. Подсчеты, которые были сделаны в начале 20-х годов ХХ века, показали, что за время с 1860 по 1920 года, то есть за 60 лет, было выплавлено чугуна во всем мире 1860 млн. тонн, а в результате коррозионных разрушений погибло 660 млн. тонн, что составляет около 33% от всего выплавленного металла.
Сейчас считают, что примерно около 10% всей ежегодно выплавляемой стали идет на покрытие безвозвратных потерь металла от коррозии. Наша страна ежегодно теряет 5-6 млн. тонн металла. Иначе говоря, буквально в пыль превращается годовая продукция крупного металлургического комбината.
Чтобы понять, как можно лучше защитить металл от коррозии, познакомимся с некоторыми свойствами металлов.
Б) Общие свойства металлов.
В настоящее время известно 110 химических элементов, из них почти 90 – металлы. Последние весьма распространены в природе и встречаются в виде различных соединений в недрах земли, водах рек, озер, морей, океанов, составе тел животных, растений и даже в атмосфере. Можно сказать, что соединения металлов находятся повсюду: в горных породах, в воде.
По своим свойствам металлы резко отличаются от неметаллов.
Периодический закон, установленный великим русским ученым Д. И. Менделеевым, представляет основу классификации химических элементов. Химические и физические свойства каждого элемента можно охарактеризовать, зная то место, которое занимает данный элемент в периодической системе; можно заранее сказать, какими химическими, а следовательно, и коррозионными свойствами обладает тот или иной элемент.
Русский ученый Николай Николаевич Бекетов расположил все металлы по своей активности в электрохимический ряд активности металлов:
В этом ряду каждый металл, стоящий левее, является более активным, по сравнению с правостоящим. Более активные металлы легче вступают в химические реакции, а, следовательно, легче окисляются. Так, мы видим, что алюминий является более активным металлом, чем железо, а медь – менее активным металлом по сравнению с тем же железом. Поэтому, при соприкосновении двух металлов различной активности они сразу образуют гальваническую пару, или гальванический элемент. В этом случае, металл, являющийся более активным, начинает энергично разрушаться (он активнее отдает свои электроны), следовательно, активнее подвергается коррозии, а металл, менее активный, остается в неизменном виде. Этот момент появления гальванической пары я и исследовала в двух последних случаях моего опыта. В стакан под № 6 был помещен гвоздь, который находился в контакте с алюминиевой проволокой. Сравнив расположение двух металлов в ряду активности, мы видим, что алюминий – более активен, чем железо, следовательно, разрушаться в воде должен именно этот металл. Мои наблюдения полностью подтвердили эту гипотезу: алюминиевая проволока за 7 дней покрылась рыхлым белым налетом гидроксида алюминия (Al(OH)3), а железный гвоздь совсем не изменился. В стакан № 7 я поместила гальваническую пару, состоящую из железного гвоздя и медной проволоки. Из результата опыта видно, что железо, как более активный металл, покрылся толстым слоем ржавчины, а медная проволока осталась без изменений.
Интересен один исторический факт. В начале XX века по заказу одного американского миллионера была построена роскошная яхта «Зов моря». Днище ее было обшито монель-металлом (это сплав меди и никеля), а рама руля, киль и другие детали были изготовлены из стали. Когда яхту спустили на воду, возник гигантский гальванический элемент, состоящий из катода – монель-металла, стального анода и раствора электролита – морской воды. Последствия были ужасными! Еще до выхода в открытое море яхта полностью вышла из строя, а «Зов моря» остался в истории мореплавания как пример конструкторской недальновидности и самонадеянного невежества.
В) Виды коррозии.
Этот вид коррозии, которая возникает в результате контакта двух различных металлов, получил название – электрохимическая коррозия.
Известны и другие виды коррозии металлов. Например, электрическая коррозия металла под воздействием блуждающих токов. Что это за токи и откуда они берутся?
Такой вид коррозии характерен в тех местах, где проложены рельсы для электропоездов. Электрический ток попадает в почву от линий метро, электричек, сварочных аппаратов из-за недостаточной изоляции. Подземные трубопроводы, кабельные сети и другие металлические сооружения, находящиеся под землей, подвергаются наибольшей коррозии. Чтобы понять действие блуждающего тока, рассмотрим простейшую схему:
Воздушный провод Эл. ток от станции
Рельс Эл. ток к станции
Труба 1 2 3
Ток поступает от электростанции в рабочий воздушный провод, от которого питается электропоезд, а обратно к станции электрический ток двигается по рельсам. Но очень часто рельсы соприкасаются с почвой, и часть тока ответвляется и направляется в землю. Если металлическая труба расположена вблизи токонесущих рельсов, то часть электрического тока потечет уже по трубе. Таким образом, можно разделить зоны движения тока по трубе, находящейся в почве, на три части:
1. Участок входа блуждающего тока из почвы на трубопровод. Эта зона не опасна для трубопровода.
2. Зона протекания блуждающего тока по трубопроводу. Данная зона также не вызывает изменений в трубопроводе.
3. Участок выхода блуждающего тока из металлического трубопровода в почву и далее на рельсы. Вот здесь то и возникает коррозия трубопровода. Она проявляется в виде глубоких язв или даже разрывов. Коррозионные разрушения зависят от величины блуждающего тока.
Для борьбы с блуждающими токами в настоящее время разработан ряд мероприятий. Во-первых, это тщательная изоляция токонесущих систем. Для защиты трубопроводов, прокладываемых в земле, применяют битумное покрытие.
Еще один интересный вид коррозии металлов – биокоррозия. Это новый вид коррозии. Известно, что коррозия протекает при участии микроорганизмов. Они выделяют продукты, которые могут вызывать коррозию. Биокоррозия изучена еще недостаточно. Но интересно отметить особый вид бактерий - так называемых железных, которые усваивают железо в виде ионов, для чего они выделяют продукты, разрушающие металл, переводящий его в соединения железа, то есть в окисленное состояние.
Особе место в коррозионном разрушении металлов занимает морская вода. А коррозия, возникающая в морской воде, получила название морской коррозии. В морской воде очень значительно содержание различных солей. Кроме того, в ней в растворенном состоянии всегда находятся газы: азот, кислород, углекислый газ, оксиды азота и другие.
В морской воде корродируют не только подводные части морских судов, но и периодически орошаемые надводные и палубные надстройки, а также металлические конструкции и сооружения, установленные в море. Морская коррозия приносит громадные потери народному хозяйству.
Г) Защита металлов от коррозии.
Вопрос о том, как защищать металлы от разрушения, является столь же древним, как и их применение. Можно сказать, что вместе с использованием металла возникла необходимость и его защиты. Однако научные методы защиты металлов от коррозии возникли много позже.
Разработка методов защиты тесно связана с изучением причин, вызывающих коррозию металлов. Первые научные основы изучения коррозии металлов были заложены гениальным русским ученым М. В. Ломоносовым.
Наряду с разработкой методов защиты металлов от коррозии в настоящее время получают новые вещества, которые с успехом могут заменять в некоторых изделиях металлы. Следовательно, борьба с коррозией металлов идет не только по пути защиты самих металлов, но и замены их коррозионно-стойкими материалами.
Все применяемые методы защиты металлов можно разделить на две группы.
Способы защиты:
Покрытие металла: Электрохимические методы защиты:
1. Металлические покрытия, гальванотехника. 1. Протекторная защита.
2. Неметаллические покрытия: покрытие красками, эмалями, лаками, смазками, оксидирование.
К первой группе относят различного рода покрытия. Сущность этого метода сводится к тому, что на поверхности металла создается та или иная пленка, защищающая поверхность металла от контакта с внешней средой. Покрытия в свою очередь делятся на металлические и неметаллические.
Ко второй группе относят электрохимические методы защиты.
Итак, первая группа защиты. Роль покрытия как средства защиты от коррозии большей частью сводится к тому, чтобы изолировать металл от внешней среды.
В качестве металлических покрытий корпусов изделий используют хром, никель, серебро и золото. Хромированные, никелированные, серебрённые и золочёные изделия имеют красивый внешний вид и в то же время коррозионно-стойки. Этот метод получил название гальванотехники. Часто металлические изделия, как говорят, «работают» в жидких средах, например в воде, растворах кислот, щелочей и солей. Здесь уже необходимы более сложные методы защиты. Из металлических покрытий для изделий, «работающих» в воде или во влажной атмосфере, широко применяют цинковые или оловянные покрытия: оцинкованные ведра, луженая посуда.
Из неметаллических покрытий часто используют покрытие эмалью, кислотоупорным лаком, различными смолами нефтяного происхождения, резиной. Многие из этих неметаллических покрытий являются очень стойкими, как, например, резина или фенолформальдегидные смолы, которые предохраняют металл даже в таких средах, как растворы соляной кислоты любой концентрации.
Часто на поверхность металла искусственно наносится оксидная пленка другого металла, которая является прочным веществом. Образование таких пленок получило название оксидирование. Оксидирование как средство защиты приборов, станков, а также основных частей огнестрельного оружия получило широкое распространение. Оксидирование не только играет защитную роль, но и придает изделиям красивую черную или синюю окраску. Поэтому очень часто оксидирование называют воронением, потому что окраска изделия в этом случае напоминает цвет воронова крыла.
Таким образом, мы видим, что выбор покрытия зависит от того, в каких условиях будет находиться изготовляемое металлическое изделие.
Из коррозионных разрушений металла мы наиболее часто встречаемся с ржавлением железа. Борьба с ржавлением железа и изделий из него имеет наибольшее значение в народном хозяйстве.
Рассматривая процесс ржавления металлов, я отметила, что если железо находится в контакте с другими металлами, то последние могут сильно изменить скорость ржавления. В одних случаях – контакта железа с медью (контакт с менее активным металлом) – скорость ржавления увеличивается, а в других, когда железо находится в контакте с алюминием, цинком (контакт железа с более активным металлом), наоборот, ржавление замедляется или полностью прекращается. Метод защиты металла способом создания гальванической пары получил название протекторная защита.
Цинк – один из наиболее широко применяемых металлов в протекторной защите. Кроме цинка, для этих целей используют сплавы магния и алюминия. Выбор протектора зависит от характера структуры металла, из которого изготовлена сама конструкция, а также условий, в которых находится данный металл.
Протекторную защиту обычно применяют для крупных сооружений: нефтехранилищ, танкеров, заводской арматуры, электрических кабелей, находящихся под землей, водопроводных труб, корпусов морских судов.
3. Заключение.
В своей работе я не ставила цель исследовать все существующие виды коррозии, их гораздо больше, чем я изложила. Но даже те виды коррозии, которые здесь представлены, уже говорят о значимости этой проблемы и путях ее решения. При изучении химии в дальнейшем мне еще предстоит более детальное знакомство с явлением разрушения металла под воздействием различных факторов. Но уже те немногие сведения, которые собраны здесь, думаю, заинтересуют тех ребят, которые прочтут данную работу, и помогут им в дальнейшем защитить свой собственный автомобиль, крышу дома, хозяйственный инвентарь от коррозии. А это уже не мало. Значит, есть результат от работы.