О коррозии на примере ржавления железа. Значение металлов в народном хозяйстве.

В настоящее время известно 109 элементов, большинство из которых как по

физическим, так и по химическим свойствам являются металлами. В природе металлы

встречаются как в свободном виде, так и в виде соединений. В свободном виде

существуют химически менее активные, трудно окисляющиеся кислородом металлы:

платина, золото, серебро, ртуть, медь и др. все металлы, за исключением ртути,

при обычных условиях твердые вещества с характерным блеском, хорошо проводят

электрический ток и тепло. Большинство металлов может коваться, тянуться и

прокатываться. По цвету, все металлы условно подразделяются на две группы:

черные и цветные. По плотности различают металлы легкие (ρ<5) и тяжелые

(ρ>5). Примером легких металлов служат калий, натрий, кальций, алюминий

и др. К тяжелым металлам относятся осмий, олово, свинец, никель, ртуть,

золото, платина и т.д. Температура плавления металлов также различна: от 38.9°

(ртуть) до 3380° (вольфрам). Металлы могут отличаться и по твердости: самыми

мягкими металлами являются натрий и калий (режутся ножом), а самыми твердыми –

никель, вольфрам, хром (последний режет стекло). Тепло и электричество

различные металлы проводят неодинаково: лучшим проводником электричества

является серебро, худшим – ртуть.

В расплавленном состоянии металлы могут распределяться друг в друге, образуя

сплавы. Большинство расплавленных металлов могут смешиваться друг с другом в

неограниченных количествах. При смешивании расплавленных металлов происходит

либо простое растворение расплавов одного металла в другом, либо металлы

вступают в химическое соединение. Чаше всего сплавы представляют собой смеси

свободных металлов с их химическими соединениями. В состав сплавов могут

входить также и неметаллы (чугун – сплав железа с углеродом). Свойства

металлов существенно отличаются от свойств составляющих их элементов.

Известно, что у металлов на ВЭУ имеется 1-3 валентных электрона. Поэтому они

сравнительно легко отдают свои электроны неметаллам, у которых на ВЭУ 5-7

электронов. Так, металлы непосредственно реагируют с галогенами. Большинство Ме

хорошо реагируют с кислородом (исключая золото, платину, серебро), образуя

оксиды и пероксиды; взаимодействуют с серой с образованием сульфидов. Щелочные

и щелочноземельные металлы легко реагируют с водой с образованием растворимых в

ней щелочей. Ме средней активности реагируют с водой только при нагревании.

Малоактивные Ме с водой вообще не реагируют. Большинство металлов растворяется

в кислотах. Однако химическая активность различных металлов различна. Она

определяется легкостью атомов металла отдавать валентные электроны. По своей

активности все металлы расположены в определенной последовательности, образуя

ряд активности или ряд стандартных электродных потенциалов:

Li, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb, H

, Bi, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au.

В этом ряду каждый предыдущий металл вытесняет из соединений все последующие

металлы.

Электролиз – ОВ процесс, протекающий при прохождении постоянного

электрического тока через расплав или раствор электролита. Анодом

называется положительный электрод, на нем происходит окисление; катодом

называется отрицательный электрод, на нем происходит восстановление. При

электролизе расплава происходит распределение ионов соли в анодном и катодном

пространстве. Ион металла восстанавливается до металла, а кислотный остаток

бескислородной кислоты окисляется до соответствующего газа или элемента.

Электролиз растворов солей более сложен из-за возможности участия в электродных

процессах молекул воды. На катоде: 1) ионы металлов от лития до

алюминия не восстанавливаются, но идет процесс восстановления водорода из

воды, 2) ионы металлов от алюминия до водорода восстанавливаются до металлов

вместе с восстановлением водорода из воды, 3) ионы металлов от висмута до

золота восстанавливаются до металлов. На аноде: 1) анионы

бескислородных кислот окисляются до соответствующих элементов, 2) при

электролизе солей кислородсодержащих кислот происходит окисление не кислотных

остатков, а воды с выделением кислорода, 3) в щелочных растворах происходит

окисление гидроксид-ионов до кислорода и воды, 4) при использовании растворимых

анодов, на них образуются катионы металла, из которого сделан анод.

Основные промышленные способы получения металлов:

1. Пирометаллургический:

1) коксотермия Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2

Fe(CO)3 → Fe + 5CO

2) алюмотермия Fe2O3 + 2Al → 2Fe + Al2O3

3) магнийтермия TiO2 + 2Mg → Ti + 2MgO

4) водородотермия CuO + H2 → Cu + H2O

2. Электрохимический:

1) электролиз расплавов: NiCl2 → Ni + Cl2

2) электролиз растворов: MgSO4 + 2H2O → Mg + O2 + H2 + H2SO4

3. Гидрометаллургический:

Cu + 2H2SO4 → CuSO4 + SO2 + 2H2O

CuSO4 + Fe → Cu + FeSO4.