ХИМИЯ 10

ливается. Например, железо в контакте с оловом подвергается коррозии значительно быстрее, чем чистое железо (рис. 95).

Коррозия других металлов

Разрушению под действием окружающей среды подвергаются не только железо и сплавы на его основе. Коррозии подвержены и гораздо менее активные металлы, например медь и серебро.

Хорошо известно, что серебряные изделия со временем темнеют. Для того чтобы им придать привлекательный вид, такие изделия приходится чистить. Причина подобного явления заключается в образовании на поверхности серебра плёнки продуктов коррозии. В атмосфере, содержащей даже следы сероводорода, могут протекать процессы образования чёрного сульфида серебра, из-за которого серебряные изделия теряют блеск:

2Ag + H2S = Ag2S + H2↑;

4Ag + 2H2S + O2 = 2Ag2S + 2H2O.

Если в атмосфере присутствует озон даже в небольшом количестве, то происходит образование чёрного оксида серебра Ag2O. Из-за этого серебряные изделия теряют металлический блеск.

Понятно, что чем ниже химическая активность металла, тем в меньшей степени он подвержен коррозии. Вот почему такие металлы, как золото, платина, называют благородными — из-за своей химической инертности они практически не подвергаются атмосферной коррозии и сохраняют свой исходный блеск даже в агрессивной атмосфере, содержащей различные химические реагенты.

Из неблагородных металлов очень высокой коррозионной устойчивостью обладает титан и сплавы на его основе. В специальных экспериментах титановые изделия сохраняли свои свойства на протяжении десяти лет пребывания в морской воде, являющейся для широко применяемых металлов (железо, алюминий) очень агрессивной средой.

Защита от коррозии

Радикальный способ борьбы с коррозией — это использование материалов (например, пластмасс), которые гораздо более устойчивы к ней. Однако такой путь часто органичен низкими механическими свойствами таких материалов по сравнению с железом и их относительно высокой стоимостью. В настоящий момент железо и сплавы на его основе — самые доступные конструкционные материалы по сочетанию цены и механических свойств. Любое усложнение состава сплавов или их замена приводят к повышению стоимости конечных изделий или снижению их эксплуатационных качеств, что в большинстве случаев неприемлемо.

Методы защиты от коррозии принято делить на пассивные и активные. Суть первых сводится к прекращению или замедлению доступа активных

компонентов окружающей среды к металлу (в случае атмосферной коррозии это O2 и H2O). Для этой цели можно использовать различные покрытия: лаки, краски, плёнки из масел или различных нефтепродуктов, плёнки из металлов. Защитное действие покрытия связано с его проницаемостью для кислорода и паров воды — чем меньше проницаемость покрытия, тем более сильным защитным действием оно обладает. Например, при хранении железных деталей на складе их часто покрывают слоем вазелина или солидола, которые при последующей эксплуатации удаляют.

Защитные лакокрасочные покрытия должны обладать хорошей сцепляемостью (адгезией) с поверхностью изделия. Не всякий лак или краска могут служить эффективной защитой от коррозии. Из металлических покрытий широко используются плёнки из никеля и хрома, которые наносят с помощью электро-

лиза на железные изделия путём катодного осаждения этих металлов. Широкое применение получило лужение — покрытие железных поверхностей оловом.

Активные методы защиты от коррозии основаны на использовании металлов более активных, чем железо. На практике широко используется оцинковывание железных изделий. При этом слой цинка резко замедляет процесс коррозии железного изделия, но только до тех пор, пока не окислится весь цинк. Принципиальное отличие коррозии деталей, покрытых цинком и, например, оловом, в том, что при повреждении цинкового покрытия его защитное действие сохраняется, а при повреждении оловянного покрытия — коррозия усиливается. Это происходит потому, что цинк более, а олово — менее активный металл, чем железо.

Процесс взаимодействия металлов и сплавов с компонентами окружающей среды, в результате которого происходит разрушение металлов, называется коррозией.

Существуют пассивные и активные методы защиты от коррозии. Пассивные методы основаны на использовании различных покрытий. Активные методы защиты от коррозии основаны на использовании металлов более активных, чем железо.

Вопросы и задания

1.Какой процесс называется коррозией?

2.Как изменяется степень окисления атомов железа в процессе коррозии?

3.Приведите два примера химической коррозии железа. Запишите уравнения химических реакций, которые протекают при этом.

4.Каков состав ржавчины? Приведите формулу, которая отражает ее состав, и объясните, почему ржавчина имеет разный цвет.

5.Составьте уравнение химической коррозии серебра в атмосфере, содержащей озон.

6.Массовая доля железа в образце ржавчины составляет 53,7 %. Какое число молекул воды приходится на 100 формульных единиц оксида железа(III) в исследованном образце? Запишите формулу исследованного образца ржавчины.

§ 52. Общие способы получения металлов. Применение металлов и их сплавов

С металлами в свободном состоянии человек знаком с глубокой древности. Первоначально человечеству было известно только 7 металлов («металлы древности» — Cu, Ag, Au, Hg, Pb, Sn, Fe). Затем было открыто и получено в свободном виде более 85 новых металлов.

Общие способы получения металлов

Использовать металлы в свободном состоянии человек научился в древние века. Первыми среди них были золото, серебро, медь. Однако только освоение процесса выплавки железа в больших масштабах привело к перевороту в промышленности.

В окружающей природе химические элементы металлы встречаются как в виде простых веществ (или в свободном виде), так и в виде соединений. Форма нахождения элементов металлов в естественных условиях зависит от их химической активности.

Химически малоактивные металлы (например, медь, золото, серебро, платина, палладий и др.), расположенные в ряду активности металлов правее водорода, в природе могут находиться как в виде простых веществ, так и в виде соединений. Металлы с высокой химической активностью (например, натрий, калий, кальций, алюминий, магний и др.) в природных условиях могут существовать только в виде соединений. В таблице 24 приведены названия и состав некоторых соединений, содержащих металлы, которые встречаются в природе.

Таблица 24. Соединения металлов, встречающихся в природе

В том случае, если в природных условиях металл находится в свободном состоянии, то его получение сводится лишь к разделению соответствующих смесей (например, с пустой породой, с другими металлами и т. д.). При этом преимущественно используются известные физические методы разделения смесей. Это не означает, что химические методы для этого не могут быть использованы — важную роль в выборе методов разделения играет экономическая целесообразность.

Большинство металлов, которые широко используются человеком в хозяйственной деятельности, получают в результате химических реакций из руд. Чтобы получить металлы из руды в свободном состоянии необходимо провести про-

цесс восстановления:

Men+ + ne– = Me.

Для этого используют разные восстановители. Для получения металлов в качестве восстановителей применяют водород, различные активные метал-

лы, углерод (в виде кокса), оксид углерода(II). Также для получения метал-

лов применяется постоянный электрический ток.

Технологические процессы, лежащие в основе промышленных способов получения металлов из руд, можно разделить на пирометаллургические, гидро-

металлургические и электрометаллургические.

Пирометаллургические методы получения металлов основаны на использовании различных восстановителей для получения металлов путём их восстановления из руд (в твёрдом агрегатном состоянии) при высокой температуре. В гидрометаллургических методах процесс восстановления протекает в водном растворе, а в электрометаллургических процессах восстановителем является постоянный электрический ток.

Восстановление с помощью водорода. Водород как восстановитель мо-

жет использоваться для получения металлов со средней и малой активностью, например вольфрама, молибдена из их соединений (чаще всего оксидов). Восстановление протекает при нагревании соответствующего оксида в токе газообразного водорода:

WO3 + 3H2 =t W + 3H2O↑.

Активные металлы (Na, Ca, Al, Mg) восстановить водородом из их оксидов невозможно.

Восстановление металлами (металлотермия). Металлы используют-

ся в качестве восстановителей для получения других металлов из самых различных соединений. Метод получения металлов из их соединений с помощью алюминия называется алюмотермией. Например, алюминий используется в

промышленности для получения кальция из его оксида, а кальций используют для получения цезия:

4CaO + 2Al =t Ca(AlO2)2 + 3Ca;

Ca + 2CsCl =t CaCl2 + 2Cs.

При высокой температуре свободный углерод и оксид углерода(II) явля-

ются сильными восстановителями. Так, при прокаливании смеси карбоната натрия с избытком углерода можно получить натрий, а пропуская СО над нагретыми оксидами свинца или меди — свинец и медь:

Свободный углерод (в виде кокса) и оксид углерода(II) служат восстановителями при промышленном производстве железа в доменном процессе.

С помощью электролиза в промышленных условиях получают многие активные металлы, например калий, натрий, кальций и др. Процесс в этом случае проводят не в растворе (с водой образующийся металл активно реагирует),

Весь производимый в мире в промышленных масштабах алюминий получают путём электролиза раствора оксида алюминия в расплавленном криолите Na3AlF6. Протекающий при этом процесс можно выразить суммарным уравнением:

2Al2O3 = 4Al + 3O2↑.

Ежегодно в промышленных масштабах производятся миллионы тонн металлов. Представление о том, каков примерный объём промышленного производства некоторых важнейших металлов, даёт таблица 25.

Таблица 25. Мировое промышленное производство некоторых металлов

и других элементов. Добавление в сталь вольфрама, ванадия, хрома, никеля и других металлов придаёт стали очень ценные свойства (жаростойкость, устойчивость к коррозии, высокую твёрдость и др.).

Бронза — сплав меди с другими металлами (оловом, алюминием, свинцом, кремнием и др.). Обладает гораздо большей твёрдостью, чем чистая медь.

Латунь — сплав меди с цинком (массовая доля цинка до 35 %). Обладает высокой пластичностью.

Применение металлов и их соединений

Нихром (сплав никеля и хрома) обладает высокой жаростойкостью. Поэтому из него изготавливают электрические нагревательные элементы. Благодаря высокой твёрдости некоторые виды бронзы используют в приборостроении (бериллиевая бронза). Из бронзы также делают художественные отливки (памятники, барельефы и др.).

Некоторые области применения металлов, сплавов и соединений металлов представлены на рисунке 98.

Форма нахождения элементов металлов в природе зависит от их химической активности. Химически малоактивные металлы в природе могут встречаться как в виде простых веществ, так и в виде соединений. Металлы с высокой химической активностью могут находиться в природных условиях только в виде соединений.

Для получения металлов в качестве восстановителей применяют водород, различные активные металлы, углерод (в виде кокса), оксид углерода(II). Постоянный электрический ток также используется для получения металлов из их соединений.

Рис. 98. Некоторые области применения металлов

Вопросы и задания

1.Из перечня металлов выберите те, которые в природных условиях могут находиться в виде простых веществ: натрий, алюминий, золото, медь, кальций, платина, серебро, магний, цинк. Кратко поясните свой выбор.

2.Приведите формулы трёх восстановителей, которые используются для получения металлов из руд.

3.Необходимо приготовить сплав меди с цинком массой 1,80 т. Медь какой массы необходима для этого, если массовая доля цинка в сплаве равна 45,0 %?

4.Кокс какой массы потребуется для полного восстановления оксида свинца(II) массой 20,0 т, если массовая доля углерода в коксе составляет 92,0 %?

5.Водород какого объёма (н. у.) потребуется для восстановления смеси оксидов железа(II) и железа(III) массой 12,0 кг с массовой долей оксида железа(III), равной 80,0 %?

§ 53. Металлы групп IA и IIA

Особая роль, которую играют соединения некоторых элементов групп IA и IIA как в живой природе, так и в хозяйственной деятельности человека, заслуживает подробного рассмотрения химии этих элементов.

Группа IA

Металлы группы IA называются щелочными металлами. К ним относятся —

литий Li, натрий Na, калий K, рубидий Rb, цезий Cs и франций Fr. В этой же группе расположен и водород (см. § 36).

У последнего из щелочных металлов — франция — стабильных нуклидов нет, а у самого долгоживущего из них (223Fr) период полураспада очень мал (не превышает 22 минут).

На внешнем энергетическом уровне атомов щелочных металлов имеется единственный электрон ns1. Для всех элементов группы IA характерна только степень окисления +1. Следствием столь простого строения внешнего энергетического уровня является близость свойств всех представителей этой группы.

Щелочные металлы из-за своей высокой химической активности в природных условиях встречаются только в виде соединений. По распространённости в земной коре особо выделяются натрий и калий (примерно 2,40–2,50 % по массе), массовая доля остальных щелочных металлов не превышает 0,01 %.

Простые вещества, образованные элементами группы IA, — это серебристобелые мягкие металлы. Наиболее твёрдый из них литий, но и он режется ножом. В таблице 26 приведены физические свойства простых веществ, образованных металлами группы IA.

Таблица 26. Физические свойства щелочных металлов