Метали. Властивості металів

 

4. Корозія металів

 

Майже всі метали, приходячи  в зіткнення з навколишньою їх газоподібним чи рідким середовищем, більш-менш швидко піддаються з поверхні руйнуванню. Причиною його є хімічна взаємодія  металів з газами, що знаходяться  у повітрі, а також водою і  розчиненими в ній речовинами.

Усякий процес хімічного  руйнування металів під дією навколишнього  середовища називають корозією.

Простіше всього протікає корозія при зіткненні металів  з газами. На поверхні металу утворяться відповідні сполуки: оксиди, сірчисті сполуки, основні солі вугільної кислоти, що нерідко покривають поверхню щільним шаром, що захищає метал від подальшого впливу тих же газів.

Інакше обстоїть справа при зіткненні металу з рідким середовищем - водою і розчиненими  в ній речовинами. Сполуки, що утворяться при цьому, можуть розчинятися, завдяки чому корозія поширюється далі всередину металу. Крім того, вода, що містить розчинені речовини, є провідником електричного струму, унаслідок чого постійно виникають електрохімічні процеси, що є одним з головних факторів, що обумовлюють і прискорюють корозію.

Чисті метали в більшості  випадків майже не піддаються корозії. Навіть такий метал, як залізо, у  зовсім чистому виді майже не іржавіє. Але звичайні технічні метали завжди містять різні домішки, що створює  сприятливі умови для корозії.

Збитки, заподіювані корозією металів, величезні. Обчислено, наприклад, що внаслідок корозії щорічно  гине така кількість стали, що дорівнює приблизно чверті усього світового  видобутку його за рік. Тому вивченню процесів корозії і відшуканню найкращих засобів її запобігання приділяється дуже багато уваги.

Способи боротьби з корозією надзвичайно різноманітні. Найбільш простий з них полягає в  захисті поверхні металу від безпосереднього  зіткнення з навколишнім середовищем  шляхом покриття олійною фарбою, лаком, чи емаллю, нарешті, тонким шаром іншого металу. Особливий інтерес з теоретичної точки зору представляє покриття одного металу іншим.

До них відносяться: катодне покриття, коли захищаючий метал коштує в ряді напруг правіше  захищаючого (типовим прикладом може служити луджена, тобто покрита оловом, сталь); анодне покриття, наприклад, покриття стали цинком.

Для захисту від корозії  доцільно покривати поверхня металу шаром більш активного металу, чим шаром менш активного. Однак  інші розуміння нерідко змушують застосовувати також покриття з менш активних металів.

На практиці найчастіше приходиться вживати заходів  до захисту стали як металу, особливо підданого корозії. Крім цинку, з  більш активних металів для цієї мети іноді застосовують кадмій, що діє подібно цинку. З менш активних металів для покриття стали найчастіше використовують олово, мідь, нікель.

Покриті нікелем сталеві  вироби мають красивий вигляд, чим  пояснюється поширення нікелювання. При ушкодженні шаруючи нікелю корозія  проходить менш інтенсивно, чим при ушкодженні шаруючи міді (чи олова), тому що різниця потенціалів для пари нікель-залізо набагато менше, ніж для пари мідь-залізо.

З інших способів боротьби з корозією існує ще спосіб протекторів, що полягає в тому, що металевий об'єкт, який захищається, приводиться в контакт із великою поверхнею більш активного металу. Так, у парові казани вводять аркуші цинку, що знаходяться в контакті зі стінками казана й утворюють з ними гальванічну пару.

 

5. Поняття про сплави

 

 Характерною рисою металів є їхня здатність утворювати один з одним чи з неметалами сплави. Щоб одержати сплав, суміш металів звичайно піддають плавленню, а потім прохолоджують з різною швидкістю, що визначається природою компонентів і зміною характеру їхньої взаємодії в залежності від температури. Іноді сплави одержують спіканням тонких порошків металів, не прибігаючи до плавлення (порошкова металургія). Отже сплави - це продукти хімічної взаємодії металів.

Кристалічна структура  сплавів багато в чому подібна  чистим металам, що, взаємодіючи один з одним при плавленні і наступній кристалізації, утворять: а) хімічні сполуки, називані інтерметалідами; б) тверді розчини; в) механічну суміш кристалів компонентів.

Той чи інший тип взаємодії  визначається співвідношенням енергії взаємодії різнорідних і однорідних часток системи, тобто співвідношенням енергій взаємодії атомів у чистих металах і сплавах.

Сучасна техніка використовує величезне число сплавів, причому  в переважній більшості випадків вони складаються не з двох, а  з трьох, чотири і більшого числа металів. Цікаво, що властивості сплавів часто різко відрізняються від властивостей індивідуальних металів, який вони утворені. Так, сплав, що містить 50% вісмуту, 25% свинцю, 12,5% олова і 12,5% кадмію, плавиться усього при 60,5 градусах Цельсія, у той час як компоненти сплаву мають відповідно температури плавлення 271, 327, 232 і 321 градус Цельсія. Твердість олов'яної бронзи (90% міді і 10% олова) утроє більше, ніж у чистої міді, а коефіцієнт лінійного розширення сплавів заліза і нікелю в 10 разів менше, ніж у чистих компонентів.

Однак деякої домішки  погіршують якість металів і сплавів. Відомо, наприклад, що чавун (сплав заліза і вуглецю) не має ту міцність і  твердістю, що характерні для сталі. Крім вуглецю, на властивості стали впливають добавки сірки і фосфору, що збільшують її крихкість.

Серед властивостей сплавів  найбільш важливими для практичного  застосування є жароміцність, корозійна  стійкість, механічна міцність і  ін. Для авіації велике значення мають легкі сплави на основі магнію, чи титана алюмінію, для металообробної промисловості - спеціальні сплави, що містять вольфрам, кобальт, нікель. В електронній техніці застосовують сплави, основним компонентом яких є мідь. Надпотужні магніти удалося одержати, використовуючи продукти взаємодії кобальту, самарію й інших рідкоземельних елементів, а зверхпровідні при низьких температурах сплави - на основі інтерметалідів, утворених ніобієм з оловом і ін.

 

 

VI. Способи  одержання металів

 

Величезна більшість  металів знаходиться в природі у виді сполук з іншими елементами.

Тільки деякі метали зустрічаються у вільному стані, і тоді вони називаються самородними. Золото і платина зустрічаються  майже винятково в самородному  виді, срібло і мідь - почасти в  самородному виді; іноді потрапляються також самородні ртуть, олово і деякі інші метали.

Добування золота і платини  чи виробляється за допомогою механічного  відділення їх від тієї породи, у  якій вони укладені, наприклад промиванням  води, чи шляхом витягу їх з породи різними  реагентами з наступним виділенням металу з розчину. Всі інші метали добуваються хімічною переробкою їхніх природних сполук.

Мінерали і гірські  породи, що містять сполуки металів  і придатні для одержання цих  металів заводським шляхом, звуться  руд. Головними рудами є оксиди, сульфіди і карбонати металів.

Найважливіший спосіб одержання  металів з руд заснований на відновленні  їхніх оксидів вугіллям.

Якщо, наприклад, змішати  червону мідну руду (куприт) Cu₂O з вугіллям і піддати сильному накалюванню, то вугілля, відновлюючи мідь, перетвориться в оксид вуглецю(II), а мідь виділиться в розплавленому стані:

Cu₂O + C = 2Cu + CO

Подібним же чином  виробляється виплавка чавуна їхніх  залізних руд, одержання олова з  олов'яного каменю Sn₂ і відновлення інших металів з оксидів.

При переробці сірчистих руд спочатку переводять сірчисті сполуки в кисневі шляхом випалювання в особливих печах, а потім уже відновлюють отримані оксиди вугіллям. Наприклад:

2Zn + 3O₂ = 2Zn + 2SO₂

Zn + C = Zn + CO

У тих випадках, коли руда являє собою сіль вугільної кислоти, її можна безпосередньо відновлювати вугіллям, як і оксиди, тому що при нагріванні карбонати розпадаються на оксид металу і двоокис вуглецю. Наприклад:

ZnCO₃ = Zn + CO₂

Звичайно руди, крім хімічної сполуки  даного металу, містять ще багато домішок у виді піску, глини, вапняку, що дуже важко плавляться. Щоб полегшити виплавку металу, до руди домішують різні речовини, що утворять з домішками легкоплавкі сполуки - шлаки. Такі речовини називаються флюсами. Якщо домішка складається з вапняку, то як флюс уживають пісок, що утворить з вапняком силікат кальцію. Навпаки, у випадку великої кількості піску флюсом служить вапняк.

У багатьох рудах кількість  домішок (порожньої породи) так велико, що безпосередня виплавка металів з  цих руд є економічно невигідної. Такі руди попередньо “збагачують”, тобто видаляють з них частина домішок. Особливо широким поширенням користається флотационний спосіб збагачення руд (флотація), заснований на різнії змочуваності чистої руди і порожньої породи.

Дуже важливим способом одержання металів є також електроліз. Деякі найбільш активні метали виходять винятково шляхом електролізу, тому що всі інші засоби виявляються недостатньо енергійними для відновлення їхніх іонів.     

 

 

 

Список використаної літератури

 

1. “Основи загальної хімії”. Ю.Д.Третьяков, Ю.Г.Метлін. – Москва: “Освіта”, 1990.
2. “Загальна хімія”. Н.Л.Глинка. Видавництво “Хімія”, Ленінградське відділення 1992 р.
3. “Від чого і як руйнуються метали”. С.А.Балезін. - Москва “Освіта”, 1996.
4. “Посібник по хімії для поступаючих у вузи”. Г.П.Хомченко. 1996.
5. “Книга для читання по неорганічній хімії”. Частина 2. Укладач В.А.Крицман. Москва “Освіта” 1984 р.
6. “Хімія і науково-технічний прогрес”. І.Н.Семенов, А.С.Максимов, А.А.Макареня. Москва “Освіта” 1988р.