Методические рекомендации по изучению темы: «Строение, общие свойства и получение металлов. Алюминий. Железо. Коррозия металлов».

Государственное бюджетное профессиональное
образовательное учреждение Пензенской области
Пензенский колледж архитектуры и строительства












Методические рекомендации по изучению темы:

«Строение, общие свойства и получение металлов.

Алюминий. Железо. Коррозия металлов».














Выполнила преподаватель: Пивкина Н.В.









г. Пенза 2016 г.
Методические рекомендации по изучению материала.

При изучении раздела обратите внимание на следующие понятия:

Металлическая связь
Изменение металлических свойств в ПСХЭ.
Физические свойства металлов.
Химические свойства металлов.
Виды коррозии металлов.
Способы защиты от коррозии.
Способы получения металлов из руды.



Металлы - это элементы, проявляющие в своих соединениях только положительные степени окисления, и в простых веществах которые имеют металлические связи. Металлическая кристаллическая решетка - решетка, образованная нейтральными атомами и ионами металлов, связанными между собой свободными электронами. У металлов в узлах кристаллической решетки находятся атомы и положительные ионы. Электроны, отданные атомами, находятся в общем владении атомов и положительных ионов. Такая связь называется 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.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]
Металлическая связь это связь в металлах и сплавах между атом-ионами металле, расположенными в уллах кристаллической решетки, которая осуществляется обобществленными валентными электронами.

Для металлов наиболее характерны следующие физические свойства: металлический блеск, твердость, пластичность, ковкость и хорошая проводимость тепла и электричества. Теплопроводность и электропроводность уменьшается в ряду металлов: Аg Сu Аu Аl Мg Zn Fе РЬ Hg.
Многие металлы широко распространены в природе. Так, содержание некоторых металлов в земной коре следующее: алюминия -- 8,2%; железа -- 4,1%; кальция -- 4,1%; натрия -- 2,3%; магния -- 2,3%; калия - 2,1%; титана -- 0,56%.
С внешней стороны металлы, как известно, характеризуются прежде всего особым “металлическим” блеском, который обусловливается их способностью сильно отражать лучи света. Однако этот блеск наблюдается обыкновенно только в том случае, когда металл образует сплошную компактную массу. Правда, магний и алюминий сохраняют свой блеск, даже будучи превращенными в порошок, но большинство металлов в мелкораздробленном виде имеет черный или темно-серый цвет. Затем типичные металлы обладают высокой тепло- и электропроводностью, причем по способности проводить тепло и ток располагаются в одном и том же порядке: лучшие проводники - серебро и медь, худшие - свинец и ртуть. С повышением температуры электропроводность падает, при понижении температуры, наоборот, увеличивается.
Очень важным свойством металлов является их сравнительно легкая механическая деформируемость. Металлы пластичны, они хорошо куются, вытягиваются в проволоку, прокатываются в листы и т.п.
Характерные физические свойства металлов находятся в связи с особенностями их внутренней структуры. Согласно современным воззрениям, кристаллы металлов состоят из положительно заряженных ионов и свободных электронов, отщепившихся от соответствующих атомов. Весь кристалл можно себе представить в виде пространственной решетки, узлы которой заняты ионами, а в промежутках между ионами находятся легкоподвижные электроны. Эти электроны постоянно переходят от одних атомов к другим и вращаются вокруг ядра то одного, то другого атома. Так как электроны не связаны с определенными ионами, то уже под влиянием небольшой разности потенциалов они начинают перемещаться в определенном направлении, т.е. возникает электрический ток.
Наличием свободных электронов обусловливается и высокая теплопроводность металлов. Находясь в непрерывном движении, электроны постоянно сталкиваются с ионами и обмениваются с ними энергией. Поэтому колебания ионов, усилившиеся в данной части металла вследствие нагревания, сейчас же передаются соседним ионам, от них - следующим и т.д., и тепловое состояние металла быстро выравнивается; вся масса металла принимает одинаковую температуру.
По плотности металлы условно подразделяются на две большие группы: легкие металлы, плотность которых не больше 5 г/см3, и тяжелые металлы - все остальные.
Химические свойства металлов
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.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]
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.
Рассмотрев общие положения, характеризующие восстановительные свойства металлов, перейдем к конкретным химическим реакциям.

Взаимодействие с простыми веществами:
1. с галогенами: 2. с кислородом:
Na + Cl2 ( 2NaCl 4Al + 3O2 ( 2Al2O3
В реакциях с галогенами и кислородом металлы наиболее энергично проявляют восстановительные способности.
3. с серой: 4. с азотом:
2Na + S ( Na2S 3Mg + N2 ( Mg3N2
5. с фосфором: 6. с водородом:
3Ca + 2P ( Ca3P2 Ca + H2 ( CaH2
Наиболее активные металлы главных подгрупп являются сильными восстановителями, поэтому восстанавливают водород до степени окисления -1 и образуют гидриды.
Взаимодействие со сложными веществами:
1. с кислотами:
2Al +3H2SO4 ( Al2(SO4)3 + 3H2
2Al + 6H + 3SO4 ( 2Al + 3SO4 + 3H2
2Al + 6H ( 2Al + 3H2
Металлы, которые в электрохимическом ряду напряжений металлов находятся до водорода, восстанавливают ионы водорода из разбавленных кислот, а те, которые находятся после водорода, восстанавливают атом основного элемента, образующего данную кислоту.
2. с водными растворами солей:
Zn + Pb(NO3)2 ( Zn(NO3)2 + Pb
Zn + Pb + 2NO3 => Zn + 2NO3 + Pb
Zn + Pb => Zn + Pb
При взаимодействии с водными растворами солей металлы, находящиеся в электрохимическом ряду напряжений металлов левее, восстанавливают металлы, находящиеся в этом ряду правее от них. Однако металлы с сильными восстановительными свойствами (Li, Na, K, Ca) в этих условиях будут восстанавливать водород воды, а не металл соответствующей соли.
3. с водой:
Самые активные металлы реагируют с водой при обычных условиях, и в результате этих реакций образуются растворимые в воде основания и выделяется водород.
2Na + 2HOH ( 2NaOH + H2
Менее активные металлы реагируют с водой при повышенной температуре с выделением водорода и образованием оксида соответствующего металла.
Zn + H2O ( ZnO +H2
Характеристика элементов главной подгруппы III группы. Алюминий.
Алюминий находится в главной подгруппе III группы периодической системы. На внешнем энергетическом уровне атома алюминия имеются свободные р-орбитали, что позволяет ему переходить в возбужденное состояние. В возбужденном состоянии атом алюминия образует три ковалентные связи или полностью отдает три валентных электрона, проявляя степень окисления +3.
Алюминий является самым распространенным металлом на Земле: его массовая доля в земной коре составляет 8,8%. Основная масса природного алюминия входит в состав алюмосиликатов - веществ, главными компонентами которых являются оксиды кремния и алюминия.
Алюминий - легкий металл серебристо-белого цвета, плавится при 600°C, очень пластичен, легко вытягивается в проволоку и прокатывается в листы и фольгу. По электропроводности алюминий уступаает лишь серебру и меди.
Взаимодействие с простыми веществами:
1. с галогенами: 2. с кислородом:
2Al + 3Cl2 ( 2AlCl3 4Al + 3O2 ( 2Al2O3
3. с серой: 4. с азотом:
2Al + 3S ( Al2S3 2Al + N2 ( AlN
С водородом алюминий непосредственно не реагирует, но его гидрид AlH3 получен косвенным путем.
Взаимодействие со сложными веществами:
1. с кислотами:
2Al + 6HCl ( 2AlCl3 + 3H2
2. со щелочами:
2Al + 2NaOH + 6H2O ( 2Na[Al(OH)4] + 3H2
Если NaOH в твердом состоянии:
2Al + 2NaOH + 6H2O ( 2NaAlO2 + 3H2
3. с водой:
2Al + 6H2O ( 2Al(OH)3 + 3H2
Свойства оксида и гидроксида алюминия:
Оксид алюминия, или глинозем, Al2O3 представляет собой белый порошок. Оксид алюминия можно получить, сжигая металл или прокаливая гидроксид алюминия:
2Al(OH)3 ( Al2O3 + 3H2O
Оксид алюминия практически не растворяется в воде. Соответствующий этому оксиду гидроксид Al(OH)3 получают действием гидроксида аммония или растворов щелочей, взятых в недостатке, на растворы солей алюминия:
AlCl3 + 3NH3 · H2O ( Al(OH)3 ? + 3NH4Cl
Оксид и гидроксид этого металла являются амфотерными, т.е. проявляют как основные, так и кислотные свойства.
Основные свойства:
Al2O3 + 6HCl ( 2AlCl3 + 3H2O
2Al(OH)3 + 3H2SO4 ( Al2(SO4)3 + 6H2O
Кислотные свойства:
Al2O3 + 6KOH +3H2O ( 2K3[Al(OH)6]
2Al(OH)3 + 6KOH ( K3[Al(OH)6]
Al2O3 + 2NaOH ( 2NaAlO2 + H2O
Алюминий получают электролитическим методом. Он не может быть выделен из водных растворов солей, т.к. является очень активным металлом. Поэтому основным промышленным методом получения металлического алюминия является электролиз расплава, содержащего оксид алюминия и криолит.
Металлический алюминий широко используется в промышленности, по объему производства занимает второе место после железа. Основная масса алюминия идет на изготовление сплавов:
Дуралюмин - сплав алюминия, содержащий медь и небольшое количество магния, марганца и других компонентов. Дуралюмины - легкие прочные и коррозионностойкие сплавы. Используют в авиа- и машиностроении.
Магналин - сплав алюминия с магнием. Используют в авиа- и машиностроении, в строительстве. Стоек к коррозии в морской воде, поэтому его применяют в судостроении. Силумин - сплав алюминия, содержащий кремний. Хорошо подвергается литью. Этот сплав используют в автомобиле-, авиа- и машиностроении, производстве точных приборов. Алюминий - пластичный металл, поэтому из него изготавливают тонкую фольгу, используемую в производстве радиотехнических изделий и для упаковки товаров. Из алюминия делают провода, краски «под серебро».
Переходные металлы.
Железо.
В периодической системе железо находится в четвертом периоде, в побочной подгруппе VIII группы.
Порядковый номер - 26, электронная формула 1s2 2s2 2p6 3d6 4s2.
Валентные электроны у атома железа находятся на последнем электронном слое (4s2) и предпоследнем (3d6). В химических реакциях железо может отдавать эти электроны и проявлять степени окисления +2, +3 и, иногда, +6.
Железо является вторым по распространенности металлом в природе (после алюминия).Наиболее важные природные соединения: Fe2O3 3H2O - бурый железняк;Fe2O3 - красный железняк;Fe3O4(FeO Fe2O3) - магнитный железняк;FeS2 - железный колчедан (пирит).Соединения железа входят в состав живых организмов.
Железо - серебристо серый металл, обладает большой ковкостью, пластичностью и сильными магнитными свойствами. Плотность железа - 7,87 г/см3, температура плавления 1539С.
В промышленности железо получают восстановлением его из железных руд углеродом (коксом) и оксидом углерода (II) в доменных печах. Химизм доменного процесса следующий:
C + O2 = CO2,
CO2 + C = 2CO.
3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2,
Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2,
FeO + CO = Fe + CO2.
В реакциях железо является восстановителем. Однако при обычной температуре оно не взаимодействует даже с самыми активными окислителями (галогенами, кислородом, серой), но при нагревании становится активным и реагирует с ними:
2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3 Хлорид железа (III)
3Fe + 2O2 = Fe3O4(FeO Fe2O3) Оксид железа (II,III)
Fe + S = FeS Сульфид железа (II)
При очень высокой температуре железо реагирует с углеродом, кремнием и фосфором:
3Fe + C = Fe3C Карбид железа (цементит)
3Fe + Si = Fe3Si Силицид железа
3Fe + 2P = Fe3P2 Фосфид железа (II)
Во влажном воздухе железо быстро окисляется (корродирует):
4Fe + 3O2 + 6H2O = 4Fe(OH)3,
Железо находится в середине электрохимического ряда напряжений металлов, поэтому является металлом средней активности. Восстановительная способность у железа меньше, чем у щелочных, щелочноземельных металлов и у алюминия. Только при высокой температуре раскаленное железо реагирует с водой:
3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2
Железо реагирует с разбавленными серной и соляной кислотами, вытесняя из кислот водород:
Fe + 2HCl = FeCl2 + H2
Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2
При обычной температуре железо не взаимодействует с концентрированной серной кислотой, так как пассивируется ею. При нагревании концентрированная H2SO4 окисляет железо до сульфита железа (III):
2Fe + 6H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O.
Разбавленная азотная кислота окисляет железо до нитрата железа (III):
Fe + 4HNO3 = Fe(NO3)3 + NO + 2H2O.
Концентрированная азотная кислота пассивирует железо.

Из растворов солей железо вытесняет металлы, которые расположены правее его в электрохимическом ряду напряжений:
Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu, Fe0 + Cu2+ = Fe2+ + Cu0.
Оксид железа (II) FeO - черное кристаллическое вещество, нерастворимое в воде. Оксид железа (II) получают восстановлением оксида железа(II,III) оксидом углерода (II):
Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2.
Оксид железа (II) - основной оксид, легко реагирует с кислотами, при этом образуются соли железа(II):
FeO + 2HCl = FeCl2 + H2O, FeO + 2H+ = Fe2+ + H2O.
Гидроксид железа (II) Fe(OH)2 - порошок белого цвета, не растворяется в воде. Получают его из солей железа (II) при взаимодействии их со щелочами:
FeSO4 + 2NaOH = Fe(OH)2 + Na2SO4,
Fe2+ + 2OH- = Fe(OH)2.
Гидроксид железа (II) Fe(OH)2 проявляет свойства основания, легко реагирует с кислотами:
Fe(OH)2 + 2HCl = FeCl2 + 2H2O,
Fe(OH)2 + 2H+ = Fe2+ + 2H2O.
При нагревании гидроксид железа (II) разлагается:
Fe(OH)2 = FeO + H2O.
Соединения со степенью окисления железа +2 проявляют восстановительные свойства, так как Fe2+ легко окисляются до Fe+3:
Fe+2 - 1e = Fe+3
Так, свежеполученный зеленоватый осадок Fe(OH)2 на воздухе очень быстро изменяет окраску - буреет. Изменение окраски объясняется окислением Fe(OH)2 в Fe(OH)3 кислородом воздуха:
4Fe+2(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe+3(OH)3.
Оксид железа (III) Fe2O3 - порошок бурого цвета, не растворяется в воде. Оксид железа (III) получают:
А) разложением гидроксида железа (III):
2Fe(OH)3 = Fe2O3 + 3H2O
Б) окислением пирита (FeS2):
4Fe+2S2-1 + 11O20 = 2Fe2+3O3 + 8S+4O2-2.
Оксид железа (III) проявляет амфотерные свойства:
А) взаимодействует с твердыми щелочами NaOH и KOH и с карбонатами натрия и калия при высокой температуре:
Fe2O3 + 2NaOH = 2NaFeO2 + H2O,
Fe2O3 + 2OH- = 2FeO2- + H2O,
Fe2O3 + Na2CO3 = 2NaFeO2 + CO2.
Феррит натрия
Гидроксид железа (III) получают из солей железа (III) при взаимодействии их со щелочами:
FeCl3 + 3NaOH = Fe(OH)3 + 3NaCl,
Fe3+ + 3OH- = Fe(OH)3.
Гидроксид железа (III) является более слабым основанием, чем Fe(OH)2, и проявляет амфотерные свойства (с преобладанием основных). При взаимодействии с разбавленными кислотами Fe(OH)3 легко образует соответствующие соли:
Fe(OH)3 + 3HCl FeCl3 + H2O
2Fe(OH)3 + 3H2SO4 Fe2(SO4)3 + 6H2O
Fe(OH)3 + 3H+ Fe3+ + 3H2O
Реакции с концентрированными растворами щелочей протекают лишь при длительном нагревании.
Соединения со степенью окисления железа +3 проявляют окислительные свойства, так как под действием восстановителей Fe+3 превращается в Fe+2:
Fe+3 + 1e = Fe+2.
Так, например, хлорид железа (III) окисляет йодид калия до свободного йода:
2Fe+3Cl3 + 2KI = 2Fe+2Cl2 + 2KCl + I20

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 - это частый случай коррозии.
Коррозия это процесс самопроизвольного разрушения металлов и сплавов noд влиянием внешней среды (от лат. разъедание).
Однако разрушению подвергаются практически все металлы, в результате чего многие их свойства ухудшаются (или совсем теряются):  уменьшаются прочность,  пластичность, блеск, снижается электропроводность, а также возрастает трение между движущимися деталями машин, изменяются размеры деталей и т. д.
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 это требует дополнительных экономических затрат. Коррозия приводит к простоям производства из-за замены вышедшего из строя оборудования, к потерям сырья и продукции в результате разрушения газо-, нефте- и водопроводов. Нельзя не учитывать и ущерб природе, а значит, и здоровью человека, нанесенный в результате утечки нефтепродуктов и других химических веществ. 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.
По химической природе коррозия это окислительно-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).
Рассмотрим разрушение железного образца в присутствии примеси меди. На железе, как более активном металле, при соприкосновении с электролитом происходят процессы окисления (растворения) металла и перехода его катионов в электролит. Таким образом, железо (его основная часть) служит анодом. Поток электронов перемещается к меди металлу с меньшей активностью, на ней накапливается избыточное количество электронов. Таким образом, медные участки могут поделиться электронами, поэтому на них возможны процессы восстановления. Примесь меди выполняет роль катода. В зависимости от среды электролита на катоде могут идти разные процессы.
В одном случае будет наблюдаться выделение газа (Н2). 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 при высокой температуре на поверхности металла образуют устойчивый оксидный слой. Общеизвестны легированные стали нержавейки, из которых изготавливают предметы домашнего обихода (ножи, 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, силицидные, полимерные и др. Например, все 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 из 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 низкокипящем 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 примеси 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 металлов 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. гидрометаллургический, электрометаллургический.
Пирометаллургия - восстановление металлов из руд при высоких температурах с помощью углерода, оксида углерода(СО). 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 накаливания с углем, так как карбонаты при нагревании разлагаются, превращаясь в оксиды, а последние восстанавливаются углем. Гидрометаллургия это восстановление металлов и 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 раствора данный металл вытесняют более активным или восстанавливают электролизом. Например, чтобы получить медь на руды, содержащей оксид меди СиО, ее обрабатывают разбавленной серной кислотой. Затем медь извлекают из растворе соли либо :электролизом, либо вытесняют из сульфата железом. Таким способом получают серебро, цинк, молибден, золото, уран.
Электрометаллургия восстановление металлов в процессе 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).
На катоде катионы принимают электроны и восстанавливаются на аноде анионы отдают электроны и окисляются. Этот процесс называют электролизом. Электролиз- это окислительно- восстановительныи процесс, протекающий при прохождении электрического тока через расплав или раствор электролита.
Простейший пример таких процессов - электролиз расплавленных солей. Рассмотрим процесс электролиза расплава хлорида натрия. В расплаве идет процесс термической диссоциации. Под действием электрического 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 ре створов 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 в 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.
2. Процесс на аноде зависит от материала анода и от природы аннона. 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 кислот и фторидов на аноде идет процесс окисления воды. Анионы не окисляются, они остаются в растворе.
Вопросы для самоконтроля.
1. Как связаны строение металлов с 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. Почему положение металлов в электрохимическом ряду напряжений не всегда соответствует их положению в Периодической системе Д. И. Менделеева?
4.. Составьте уравнения реакций натрия и магния с серной кислотой. В каком случае и почему скорость реакции будет больше?
5. Какие способы получения металлов вы знаете? В чем состоит сущность всех способов?
6. Что такое коррозия? Какие виды коррозии вы знаете? Какой из них представляет собой физико-химический процесс?
7. 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.
8. Изделие из марганца находится в воде и контактирует с медным изделием. Сохранятся ли оба они в неизменном виде?
9. Будет ли защищена железная конструкция от электрохимической коррозии в воде, если на ней укрепить пластину из другого металла: а) магния, б) свинца, в) никеля?
10. С какой целью поверхность цистерн для хранения нефтепродуктов (бензина, керосина) окрашивают серебрином смесью алюминиевой пудры с одним из растительных масел?
11*. Составьте уравнения электролиза хлорида бария в: а) расплаве, б) растворе
12. К раствору, содержащему 27 г хлорида меди(II), добавили 1,4 г железных опилок. Какая масса меди выделилась в результате этой реакции? Ответ: 12,8 г.
13. 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.
14. При обработке 8 г смеси магния и оксида магния соляной кислотой выделилось 5.6 л водорода (н, у.). Какова массовая доля (в %) магния в исходной смеси? Ответ: 75%.
15. 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%.
16. Образец натрии массой 0.5 г поместили в воду. На нейтрализацию полученного раствора израсходовали 29,2 г 1,5%-ной соляной кислоты. Какова массовая доля (в процентах) натрия в образце? Ответ: 55.2%.










Тестовое задание.

Кристаллическая решетка у металлов называется:
а) ионная
в) металлическая

б) молекулярная
г) атомная


При взаимодействии металлов с неметаллами металл является:
а) восстановителем
в) основанием

б) окислителем
г) кислотой


Самым электропроводным металлом является:
а) хром
б) серебро
в) золото
г) вольфрам


Электрохимическая коррозия представляет собой:
а) разрушение металла при соединении его с кислородом и водой
б) соединение металла с другими металлами
в) разрушение металла в среде электролита при соприкосновении его с другими металлами
Самым пластичным металлом является:
а) литий
б) серебро
в) платина
г) золото


Пирометаллургический способ получения металлов это:
а) восстановление металлов из оксидов при высоких температурах
б) восстановление металлов из растворов их солей
в) восстановление металлов из расплавов солей путем электролиза
Соединение серы с металлами называют:
а) сульфатами
б) сульфидами
в) карбидами
г) силицидами


Самым сильным металлом является:
а) Li
б) K
в) Fr
г) Na


Электронная формула 1s22s22p63s23p1 принадлежит атому элемента:
а) железа
б) алюминия
в) кремния
г) скандия


Назовите металлы, которые реагируют с кислотами с выделением водорода:
а) платина
б) медь
в) серебро
г) железо




В уравнении ZnO + X – Zn + CO восстановителем (X) является:
а) CO
б) CH4
в) C
г) CO2


Допишите уравнения реакций, расставьте коэффициенты:
а) WO3 + H2 –-
б) Cr2O3 + Al –-

Сопоставьте формулы соединений с их названиями:
Ca C2
Al2 O3
K Br
а) бромид
б) карбид
в) оксид
г) сульфид


Напишите уравнение химических реакций по схеме, расставьте коэффициенты:
Ca – CaO – Ca(OH)2 – CaCO3




























15

Приложенные файлы


Добавить комментарий