Металлы (стр. 4 )

Изменение коррозионных свойств металла достигается его лигированием или нанесением защитных покрытий.

Из химически стойких сплавов наиболее широкое применение имеют нержавеющие стали, в состав которых входит до 18 % хрома и до 10 % никеля.

Покрытия, применяемые для защиты металлов, подразделяются на металлические и неметаллические, образованные в результате химической или электрохимической обработки металла. Металлопокрытия подразделяют на анодные, в тех случаях, когда металл покрытия более активен (имеет меньший потенциал), чем металл основы; в противоположном случае покрытия называют катодным. Для защиты железа от коррозии чаще всего используют покрытия из цинка (анодные) или олова, меди, никеля (катодные). Нарушение механической целостности метоллопокрытия в коррозионной среде приводит к возникновению гальванической пары: покрытие – металл основы. При работе таких гальванических пар, в случае повреждения катодных покрытий, в первую очередь разрушается более активный металл основы, а на металле покрытия происходит катодный процесс – восстановления окислителя. При повреждении анодных покрытий более интенсивному окислению подвергается именно металл покрытия.

К неметаллическим покрытиям относятся покрытия лаками, красками, эмалями, фенолформальдегидными и другими смолами. Для длительной защиты от атмосферной коррозии металлических сооружений, деталей машин, приборов чаще всего применяют лакокрасочные покрытия.

Покрытия, создаваемые химической или электрохимической обработкой металла, представляют собой защитные оксидные или солевые пленки. Примерами могут служить оксидирование алюминия, фосфатирование стальных изделий.

6. ПОЛУЧЕНИЕ МЕТАЛЛОВ ИЗ РУД

Металлургия – это наука о промышленных способах получения металлов из руд. Базируется на реакциях окисления-восстанов-ления. С помощью металлургии получают около 80 металлов
и множество сплавов. Различают пиро-, гидро-, электрометаллургию, а также металло - и водородотермию. Способы получения металлов приведены в табл. 8.

Различают порошковую, цветную и черную металлургию.

Порошковая металлургия – это отрасль металлургии, связанная с производством порошков и получением из них изделий с заданными свойствами.

Цветная металлургия охватывает производство цветных
металлов и их сплавов, начиная от добычи и переработки рудного сырья и кончая получением готовой продукции.

Черной металлургией называют отрасль металлургии, которая охватывает производство черных металлов, начиная от добычи
и переработки рудного сырья и кончая получением чугуна, стали, ферросплавов, проката и некоторых изделий дальнейшего передела.

Существует также вакуумная металлургия, предусматривающая плавку и обработку металлов и сплавов в разреженной атмосфере.

Мировое производство металлов приближается к миллиарду тонн в год. Анализ показывает, что производство металлов не имеет корреляции с их распространенностью.

Так, производство меди и хрома соизмеримо с производством алюминия, хотя запасы первых на три порядка ниже запасов алюминия в земной коре. Следует отметить, что разведанные запасы минералов, из которых могут быть извлечены металлы, значительно меньше суммарных запасов. На грани истощения находятся разведанные запасы хрома, никеля, цинка, свинца, молибдена, олова, серебра, кадмия, ртути и других металлов.

Таблица 8

Способы получения металлов

Наименование способа	Сущность метода	Примеры	Получаемые металлы
Пирометаллургия	Получение сплавов с помощью реакций восстановления, протекающих при высоких температурах		Восстановление углем: получают металлы Cu, Zn, Cd, Ge, Sn, Pb и др.
Металлотермия: алюминотермия (была открыта в 1859 г.), магнийтермия	Восстановление металлов из их соединений другими металлами, химически более активными. Процесс называется алюминотермией, если восстановителем является алюминий, и магнийтермией, если восстановителем является магний		Mn, Cr, Ti, W и др.
Водородотермия	Восстановление металлов из их оксидов водородом		Металлы высокой чистоты
Гидрометаллургия	Извлечение соединений металлов из руд с помощью различных реагентов в виде соединений, растворимых в воде, с последующей обработкой этих растворов для выделения металлов в свободном виде		Металлы Cu, Au, Ag, Zn, Cd, Mo, V
Электрометаллургия	Восстановление активных металлов из расплавленных хлоридов, оксидов или гидроксидов с помощью электрического тока (электролиз)		Металлы K, Na, Ca, Al и др.

7. СПЛАВЫ

Металлические сплавы – это вещества, обладающие
металлическими свойствами и состоящие из двух или более
элементов, из которых хотя бы один является металлом. Их
получают охлаждением расплавленных смесей, совместным осаждением из газовой фазы, электроосаждением из растворов и расплавов, диффузионным насыщением. Свойства сплавов значительно отличаются от свойств металлов (см. табл. 9). Например, прочность на разрыв сплава меди и цинка (латуни) в три раза выше, чем у меди и в шесть раз по сравнению с цинком. Железо хорошо растворимо, а его сплав с хромом и никелем (нержавеюща сталь) – устойчив в разбавленной серной кислоте.

Различают однофазные сплавы (твердые растворы), механические смеси и химические соединения (интерметаллиды).

Твердые растворы – это фазы переменного состава, в которых различные атомы образуют общую кристаллическую решетку. Примерами твердых растворов служат сплавы серебро – золото, никель – кобальт, медь – никель, молибден – вольфрам.

Многие металлы, взаимно растворимые в расплавленном состоянии, при охлаждении образуют смесь кристаллов с различной кристаллической решеткой ─ эвтектический сплав, температура плавления которого ниже температуры плавления отдельных компонентов. Эвтектические сплавы характеризуются малыми размерами и однородностью кристаллов и имеют высокие твердость и механическую прочность. Поэтому сплавы свинца с оловом и сурьмой применяются в качестве типографских шрифтов и решеток аккумуляторов. Вследствие легкоплавкости сплавы свинца с оловом также применяются для припоев и подшипников.

Химические соединения (интерметаллиды) обычно возникают между металлами, отличающимися по электроотрицательности и химическим свойствам, например, между магнием и медью (MgCu2), магнием и никелем (MgNi2), магнием и сурьмой (Mg3Sb2), между алюминием и никелем (NiXAly), лантаном
и алюминием (LaAl4), лантаном и никелем (LaNi5), кальцием
и цинком (CaZn10) и многими другими.

Таблица 9

Характеристики сплавов

Название сплава	Состав	Способы получения	Характерные свойства	Области применения
1	2	3	4	5
Стали	Fe + C (до 1,7 %) + легирующие добавки (Cr, Ni, Mo, W, Al, Mn) + металлургические примеси (Si, S, P)	Переработка чугуна мартеновским и электротермическим способами, основанными на выжигании (окислении) углерода. Мартеновским способом получают 15 % стали, электротермическим – стали, содержащие W, Mo и др.	Обладают большей твердостью по сравнению с чистым железом и имеют в своем составе до 10 различных элементов	Основной материал, применяемый в машиностроении, строительстве и во многих отраслях техники и науки
Чугун	Fe + C (> 2 %) + + Si, Mn, P, S	Выплавка в доменных печах (93 % Fe + 4,5 % C + 0,5 – 2 % Si, 1 – 3 % Mn, 0,02 – 2 % P и до 0,08 % S)	Очень тверд и хрупок по сравнению с чистым железом	Массивные детали различных машин и сырье для получения стали
Бронза оловянистая, свинцовая, кремниевая	Cu + Sn Cu + Al Cu + Pb Cu + Si	Сплавлением в специальных печах	Обладает высокой стойкостью к атмосферной коррозии	Части машин и художественные отливки
Латунь	Cu + Zn	Сплавлением в специальных печах	Обладает высокой пластичностью и стойкостью к атмосферной коррозии	Приборы, детали машин, предметы домашнего обихода, находит применение в моторостроении
Дуралюмин	Al (95 %) + Mg + + Cu + Mn	То же	По прочности равен стали, но в 3 раза легче ее	Детали в самолетостроении

Окончание табл. 9

1	2	3	4	5
Нихром	Ni + Cr + Fe + Mn	–«–	Обладает высокой жаростойкостью и большим электросопротивлением	Электрические нагревательные приборы
Силумин	86…88 % Al + + 12…14 % Si	–«–	Обладает хорошими литейными свойствами	Детали машин
Манганин	Cu + Mn (11 – 14%) + Ni (2- 4%)	–«–	Обладает низким коэффициентом электрического сопротивления при 15 – 35 0С	Эталонные сопротивления в приборах высокого класса точности
Монель-металл	Ni + Cu (23…27%)+ + Fe (2…3 %) + + Mn (1…2 %)	–«–	Отличается высокой устойчивостью в атмосферных условиях, в кислотах, не обладающих окислительными свойствами, крепких растворах щелочей, высокопрочен и пластичен	Конструкционный материал в судостроении, химической промышленности, медицине

8. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ТИПОВЫХ ЗАДАЧ

Задача 1. По распределению валентных электронов определить элемент. Составить электронную конфигурацию его атома и указать заряд ядра.

Решение: Наибольшее значение главного квантового числа, исходя из фрагмента электронной формулы атома, равно 4. Значит элемент находится в четвертом периоде. Это d-элемент, т. к. в d-подуровне предпоследнего энергетического уровня содержится пять электронов. Число валентных электронов равно семи (сумма s-электронов внешнего и d-неспаренных электронов предпоследнего уровней). Следовательно, это марганец, элемент седьмой группы с зарядом ядра +25. Электронная формула марганца в соответствии с принципом наименьшей энергии и правилом Клечковского имеет вид: .

Задача 2. Какие нижеприведенные ионы являются изоэлектронными: .

Решение: В ионе общее число электронов равно 21, на 3 электрона меньше, чем в нейтральном атоме , которое определяется порядковым номером элемента. Аналогично, в ионах общее число электронов соответственно равно: 25, 24, 23, 21, 28, 27. Следовательно, изоэлектронными являются ионы и , имеющие одинаковое число электронов.

Задача 3. Указать соединения, которые может образовывать цинк?

Ответы:

1)	2)
3)	4)
5) ни одного из указанных

Решение: Цинк – d-элемент II В группы периодической системы элементов. На внешнем энергетическом уровне у атома цинка два электрона, на предыдущем – восемнадцать. Таким образом, цинк является типичным металлом, в соединениях проявляет постоянную степень окисления +2. Оксиду цинка отвечает гидроксид цинка . Оксид и гидроксид цинка – амфотерные соединения. Сульфат цинка – . Формула хлорида цинка составлена неверно, так как степень окисления +1 для цинка нехарактерна.

Задача 4. С какими из указанных веществ будет реагировать ?

Ответы:

1)	2)
3)	4)
5) ни одного из указанных

Решение:

1. Сульфат меди (), растворимая в воде соль меди, вступает в реакции со щелочами, с образованием малорастворимого гидроксида:

2. Соли выступают в роли окислителей, поэтому реакция с иодидом калия будет проходить как окислительно-восстановительная:

		процесс восстановления
		процесс окисления

3. , взаимодействует с раствором аммиака с образованием основного сульфата меди:

основной сульфат меди в избытке аммиака растворяется с одновременным образованием комплексной соли и комплексного основания меди интенсивного – синего цвета. Координационное число равно 4:

4. Реакция между растворами сульфата меди и хлорида натрия обратима, так как продукты взаимодействия хорошо растворимы в воде не уходят из сферы реакции.

Задача 5. По какой из указанных схем может пойти реакция образования ?

Ответы:

1)	2)
3)	4)
5) ни одного из указанных

Решение:

1. Вода почти не действует на цинк, хотя он стоит в ряду напряжений значительно раньше водорода:

Это объясняется тем, что образующийся на поверхности цинка гидроксид практически нерастворим и препятствует дальнейшему течению реакции.

2. Если же к воде добавить щелочи, то она растворяет гидроксид цинка с образованием гидроксоцинкатов, освобождает металлический цинк от защитной пленки, и реакция взаимодействия цинка с водой продолжается:

3. Оксид цинка малорастворим в воде, поэтому гидроксид цинка получается при взаимодействии солей с растворами щелочей:

Таким образом, правильный ответ № 4.

Задача 6. Вычислить заряды следующих комплексных ионов, образованных хромом (III):

1)	2)
3)	4)
5) ни одного из указанных

Решение: При вычислении заряда комплексного иона следует исходить из того, что этот заряд равен алгебраической сумме зарядов комплексообразователя и лигандов; при этом заряд комплексообразователя принимается равным его степени окисления.