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.