Применение коррозионно-стойких материалов.

3. Обработка коррозионной среды реагентами. В роли реагентов, замедляющих коррозию, выступают ингибиторы. В зависимости от природы металла и окружающей среды применяются различные ингибиторы.

4. Электрохимические методы защиты металлических изделий подразделяются на протекторную, катодную, электродренажную и анодную защиты. Протекторная защита заключается в присоединении к защищаемому сооружению более активного металла,который выполняет роль протектора и разрушается, а металлическая конструкция (катод) сохраняется. Протектор периодически возобновляется в связи с его растворением. При катодной защите защищаемая конструкция присоединяется к отрицательному полюсу источника электрического тока. При электродренажной защите блуждающие токи с защищаемого трубопровода отводятся с помощью электродренажной установки к рельсовой сети (источнику блуждающих токов). Смысл анодной защиты заключается в создании на поверхности защищаемой конструкции пассивирующей пленки с помощью анодной поляризации от внешнего источника постоянного тока, то есть переводом металла в устойчивое пассивное состояние.

 

Лекция 20. Металлы главной подгруппы II группы. Жесткость воды

 

 

В главную подгруппу II группы входят металлы бериллий Ве, магний Mg и щелочноземельные металлы кальций Са, стронций Sr, барий Ва. Электронное строение этих металлов:

 

 

₁₂Mg 2s²2p⁶3s² - радиус атомов увеличивается

₂₀Ca …3s²3p⁶4s² - прочность связи электрона внешнего

₃₈Sr …4s²4p⁶5s² слоя с ядром уменьшается

₅₆Ba …5s²5p⁶6s² - способность атомов к отдаче электрона

(т.е. восстановительные св-ва) усиливаются

Физические свойства. В свободном состоянии магний и щелочноземельные металлы представляют собой серебристо-белые вещества, более твердые, чем щелочные металлы.

Нахождение в природе. Как и щелочные металлы, магний и щелочноземельные металлы в природе встречаются только в виде соединений. Их природные соединения: CaCO₃∙MgCO₃ –доломит; MgCO₃ –магнезит; KCl∙MgCl₂· 6Н₂O – карналлит; MgSO₄·7Н₂O – горькая (английская) соль; CaCO₃ - кальцит (известняк, мел, мрамор); СаF₂ – флюорит; Ca₃(PO₄)₂ – фосфорит; BaSO₄ - барит.

tº

Химические свойства. По химическим свойствам щелочноземельные металлы очень похожи на щелочные металлы, а магний имеет существенные отличия. Во всех реакциях магний и щелочноземельные металлы играют роль восстановителей и окисляются с образованием различных ионных соединений, содержащих ионы этих металлов с зарядом +2. Щелочноземельные металлы уже при обычных условиях окисляются кислородом воздуха, а магний сгорает на воздухе при нагревании до 600ºС, в результате образуются оксиды:

2Са + O₂ → 2СаO; 2Mg + O₂ → 2MgO

tº

tº

Все рассматриваемые металлы при определенных условиях взаимодействуют с галогенами, серой, азотом, водородом:

Mg + Cl₂ → MgCl₂; Ca + H₂ → CaH₂; 3 Mg + N₂ → Mg ₃N₂

Щелочноземельные металлы активно взаимодействуют с холодной водой, а магний реагирует только с кипящей водой:

Са + 2Н₂O → Са(OH)₂ + Н₂ ↑

Соединения s- металлов и их применение. Оксиды s-металлов – типичные основные оксиды. За исключением оксидов бериллия и магния оксиды, пероксиды остальных элементов легко реагируют с водой, образуя сильнощелочные растворы: BaO₂ + 2H₂O → Ba(OH)₂ + H₂O₂

CaO – негашеная известь. Негашеная жженая известь применяется в строительстве: приготовление известкового раствора, исходный продукт для получения СаС₂ и NН₃, используется в качестве добавки в процессе переработки руды, компонент цемента, удобрение.

CaO + H₂O → Са(ОН)₂ + 65 кДж (гашение извести).

Сульфат кальция - CaSO₄ – применяется при производстве алебастра, состоящего из CaSO₄ · 0,5H₂O и высокодисперсного CaSO₄. Его получают частичным обезвоживанием (при 160ºС) гипса CaSO₄·2H₂О. При добавлении воды к алебастру снова образуется CaSO₄·2Н₂O, кристаллы которого переплетаются, образуя прочную массу:

CaSO₄·0,5Н₂О + 1,5Н₂O → CaSO₄ · 2H₂O

На этом свойстве основано использование алебастра в строительстве, а также в медицинской практике для накладывания гипсовых повязок.

Растворимые соли кальция и магния (CaSO₄, MgCl₂, MgSO₄, CaSO₄, Са(НСО₃)₂ и т.д.) обусловливает жесткость воды, которая выражается в мг-экв/л. Вода с жесткостью меньше 4 мг-экв/л считается мягкой, а выше 12 мг-экв/л - очень жесткой. Различают временную и постоянную жесткость воды.

Гидрокарбонат кальция Са(НСO₃)₂ и гидрокарбонат магния - Mg(НСO₃)₂ обуславливают временную (карбонатную) жесткость воды. Образование гидрокарбоната кальция в природных условиях имеет место, когда породы, содержащие СаСО₃, подвергаются воздействию воды и растворенного в ней углекислого газа СO₂:

tº

СаСО₃ + Н₂O + СO₂ → Са(НСО₃)₂

Удалить временную жесткость воды можно несколькими способами:

1) кипячение: Са(НСO₃)₂ → CaCO₃ + CO₂↑ + H₂O;

2) известковый способ: Са(ОН)₂ + Mg(НСО₃)₂ → MgCO₃ + CaCO₃;

3) содовый способ: Ca(HCO₃)₂ + Na₂CO₃ → CaCO₃ + 2NaHCO₃;

4) щелочной способ: Ca(HCO₃)₂+2NaOH → CaCO₃+Na₂CO₃+2H₂O.

Растворимые кальциевые и магниевые соли сильных кислот обусловливают некарбонатную или постоянную жесткость. Методы устранения постоянной жесткости:

CaSO₄ + Na₂CO₃ = CaCО₃↓ +Na₂ SO₄;

CaCl₂ + Na₂CO₃ = CaCО₃↓+ 2NaCl

MgCl₂ + Na₂CO₃ = MgCO₃↓ + 2NaCl;

MgSO₄ + Ca(OH)₂ = Mg(ОH)₂↓ + CaSO₄

MgCl₂ + Ca(OH)₂= Mg(OH)₂↓ + CaCl₂

MgSO₄ + 2NaOH = Mg(OH)₂↓ + 2Na₂SO₄

Лекция 21. Конструкционные металлы. Алюминий. Хром. Железо

 

Алюминий – основной представитель металлов главной подгруппы III группы периодической системы. Внешняя электронная конфигурация - 3s²3p¹, в соединениях проявляет степень окисления +3.

Нахождение в природе. По распространенности занимает третье место среди всех элементов (после О и Si) и первое среди металлов. Важнейшие минералы: бокситы – смесь гидроксидов Al(OH)₃ и AlOOH; алюмосиликаты – (Na,K)₂O∙Al₂O₃∙2SiO₂; корунд (глинозем) – Al₂O₃; криолит – 3NaF∙AlF₃.

Физические свойства. Серебристо-белый металл, плотность (при 20°С) 2698,9 кг/м³; t_пл 660,24°С; t_кип около 2500°С;

Химические свойства. Алюминий является активным металлом, сильным восстановителем. Но наличие защитной оксидной пленки на его поверхности затрудняет его взаимодействие со многими окислителями при обычных условиях. При 25ºС алюминий образует с хлором, бромом и иодом соответственно AlCl₃, AlВr₃, AlI₃. Реакции с фтором, кислородом, азотом, серой происходят при достаточно высоких температурах.

В отличие от щелочных и щелочноземельных металлов, алюминий при обычных условиях не реагирует с водой, так как защищен пленкой нерастворимого в воде оксида. Однако эта пленка легко растворяется в растворах кислот и щелочей, поэтому не защищает алюминий от взаимодействия с ними:

2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂↑

Al + 4HNO₃ → Al(NO₃)₃ + NO↑ + 2H₂O

2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂↑

Исключением являются концентрированные серная и азотная кислоты, в которых алюминий пассивируется.

Важным свойством алюминия является его способность восстанавливать некоторые металлы из их оксидов при высокой температуре. Этот способ получения металлов называется алюмотермией: 4Al + 3MnO₂ → 3Mn + 2Al₂O₃

Хром. Внешняя электронная конфигурация атома хрома 3d⁵4s¹. В соединениях обычно проявляет степени окисления +2, +3, +6, среди них наиболее устойчивы Сr³⁺.

Нахождение в природе. Хром – довольно распространенный элемент на Земле. Его кларк (среднее содержание в земной коре) составляет 8,3·10^–3%. Хром никогда не встречается в свободном состоянии. В хромовых рудах практическое значение имеет только хромит FeCr₂O₄.

Физические свойства. Хром - твердый, тяжелый, тугоплавкий металл. Плотность 7190 кг/м³; t_пл 1890 °С; t_кип 2480 °С.

Химические свойства. Хром химически малоактивен. При обычных условиях устойчив к кислороду и влаге, но соединяется с фтором, образуя CrF₃. Выше 600°С взаимодействует с парами воды, давая Сr₂О₃; с азотом - Cr₂N, CrN; с углеродом - Сr₃С₂; с серой - Cr₂S₃. Со многими металлами хром дает сплавы. Хром загорается в кислороде при 2000°С с образованием темно-зеленого оксида хрома (III) Сr₂О₃. Помимо оксида (III), известны других соединения с кислородом, например CrO, СrО₃, получаемые косвенным путем. Хром легко реагирует с разбавленными растворами соляной и серной кислот с образованием хлорида и сульфата хрома и выделением водорода; «царская водка» и азотная кислота пассивируют хром. С увеличением степени окисления возрастают кислотные и окислительные свойства хрома.

Железо. Конфигурация внешней электронной оболочки атома 3d⁶4s². Железо проявляет переменную валентность (наиболее устойчивые степени окисления +2 и +3).

Нахождение в природе. По распространенности в земной коре занимает второе место среди металлов. Для извлечения железа используются в основном такие руды, как гематит (Fe₂O₃), магнитные железняки (Fe₃О₄), бурые железняки (НFeO₂· nH₂O), а также шпатовые железняки (FeСО₃).

Физические свойства. Плотность (20°C) 7874 кг/м³, t_пл 1539°С, t_кип 3200°С.

Химические свойства. С кислородом железо образует оксид (II) FeO, оксид (III) Fe₂O₃ и оксид (II,III) Fe₃O₄ (соединение FeO c Fe₂O₃, имеющее структуру шпинели). Во влажном воздухе при обычной температуре железо покрывается рыхлой ржавчиной (Fe₂O₃·nH₂O). Вследствие своей пористости ржавчина не препятствует доступу кислорода и влаги к металлу и поэтому не предохраняет его от дальнейшего окисления. При нагревании в водяном паре железо окисляется с образованием Fe₃O₄ (ниже 570 °С) или FeO (выше 570 °С) и выделением водорода.

Железо легко реагирует с галогенами и галогеноводородами, давая соли, например хлориды FeCl₂ и FeCl₃. При нагревании железа с серой образуются сульфиды FeS и FeS₂. Карбиды железа - Fe₃C (цементит) и Fe₂C (е-карбид) - выпадают из твердых растворов углерода в железе при охлаждении. Fe₃C выделяется также из растворов углерода в жидком железе при высоких концентрациях С. При нагревании железо энергично реагирует с кремнием и фосфором, образуя силициды (например, Fe₃Si и фосфиды (например, Fe₃P).

 

Лекция 22. Полимеры

 

Высокомолекулярными соединениями (ВМС), или полимерами, называют сложные вещества сбольшими молекулярными массами (порядка сотен, тысяч и миллионов), молекулы которых построены из множества повторяющихся эле­ментарных звеньев, образующихся в результате взаимодействия и соединения друг с другом одинаковых или разных простых молекул – мономеров.

Классификация полимеров:

I. По методам получения выделяют природные – ВМС растительного и природного происхождения (крахмал, целлюлоза, белки, природные каучуки) и химические: 1) искусственные ВМС – получают путем переработки природных ВМС (эфиры целлюлозы и т.д.); 2) с интетические ВМС – получают путем синтеза из низкомолекулярных веществ (полиэтилен, полистирол, синтетические каучуки, лавсан, капрон, нитрон).

Получение полимеров из низкомолекулярных веществ может быть осуществлено двумя путями:

1. Реакция полимеризации — процесс, в результате которого молекулы низкомолекулярного соединения (мономера) соединяются друг с другом при помощи ковалентных связей, образуя новое вещество (полимер), молекулярная масса которого в целое число раз больше, чем у мономера; полимеризация характерна, главным образом, для соединений с кратными (двойными или тройными) связями, например для этилена:

Полимеризацией также получают полипропилен, бутадиеновый каучук, полистирол, тефлон, полиметилметакрилат.

2. Реакция поликонденсации — процесс образования полимера из низкомолекулярных соединений, содержащих две или несколько функциональных групп, сопровождающийся выделением за счет этих групп таких веществ, как вода, аммиак, галогеноводород и т. п.; состав элементарного звена полимера в этом случае отличается от состава исходного мономера. Поликонденсацией получают фенолоформальдегидные смолы (ФФС) из формальдегида и фенола. Процесс сопровождается выделением воды:

Частным случаем полимеризации является сополимеризация – процесс образования полимеров из двух или нескольких различных мономеров. Например, получение бутадиен-стирольного каучука:

II. По свойствам и применению выделяют следующие полимеры:

1. Пластмассы (термореактивные и термопластичные):

Термопластичные	Термореактивные
1. Линейные полимеры 2. Отсутствуют прочные связи между цепями 3. Легко плавятся, используются для переплавки Примеры: полиэтилен, плексиглас (полиметилметакрилат)	1. Сетчатые полимеры 2. Существуют прочные связи между отдельными цепями 3. С трудом плавятся, не подвергаются переплавке Примеры: ФФС, эбонит

2. Эластомеры (каучуки, резина)

Каучуки – природные или синтетические продукты полимеризации некоторых диеновых углеводородов с сопряженными связями:

1. Натуральный каучук	Сок дерева гевея («као чоу» - слезы дерева)
2. Синтетические каучуки	Бутадиеновый
Изопреновый
Хлоропреновый
Бутадиен-стирольный

Резины – эластичные материалы, получаемые вулканизацией каучука (взаимодействием каучуков с серой, при котором происходит сшивание молекул каучука в единую пространственную сетку):

В зависимости от количества серы (по масс.) выделяют мягкие резины

(5-10% S) и твердые резины (>30% S).

Лекция 23. Химическая идентификация, анализ вещества

 

Химическая идентификация – это установление вида и состояния фаз, молекул, атомов, ионов и других составных частей вещества на основе сопоставления экспериментальных и соответствующих справочных данных для известных веществ. Идентификация – цель качественного анализа вещества, при котором определяют, из каких атомов, ионов, молекул состоит вещество. Количественный анализ – определение содержания (концентрации, массы и т.п.) компонентов в анализируемом веществе.

Все методы анализа можно разделить на химические, физико-химические, физические и биологические, в которых измеряют соответственно химические, физико-химические, физические и биологические параметры анализируемого вещества, которые зависят от его состава. При химических методах открываемый элемент переводят в какое-либо новое соединение, обладающее характерным свойством (аналитический сигнал). Происходящее при этом химическое превращение называется аналитической реакцией.

Любой катион можно идентифицировать с помощью какой-либо реакции, если удалить другие катионы, мешающие этой реакции. Существуют некоторые реакции, которые позволяют обнаружить то или иное вещество (ион) в присутствии других веществ, такие реакции называют специфическими. Так, катион NH₄⁺ можно обнаружить в присутствии любых других действием щелочи на анализируемое вещество по характерному запаху аммиака.

NH₄Cl + NaOH → NH₃↑ + H₂O + NaCl

Анион CO₃^2- - при воздействии кислотой, при этом протекает реакция с образованием пузырьков диоксида углерода.

CO₃^2- + 2H⁺ → H₂CO₃ H₂O + CO₂↑

Применяя специфические реакции, открывают соответствующие ионы дробным методом, т.е. непосредственно в отдельных порциях исследуемого раствора. Если открытие ионов дробным методом невозможно, используют систематический анализ, при котором ионы выделяют из сложной смеси группами. Для этого используют групповые реагенты. Групповым реагентом для ионов Ag⁺, Pb²⁺, Hg²⁺ является HCl, для ионов Ba²⁺, Sr²⁺, Ca²⁺ - (NH₄)₂CO₃ и т.д. Если присутствует несколько катионов, используют дробный анализ, в ходе которого осаждают все труднорастворимые соединения, а затем обнаруживают оставшиеся катионы с помощью специфических реакций.

Химические методы количественного анализа делят на гравиметрический и объемный (титриметрический). Так, определить содержание Ca²⁺ в анализируемом веществе можно воздействием на него щавелевой кислоты.

Ca²⁺ + H₂C₂O₄ → CaC₂O₄ + 2H⁺

По массе образующегося осадка определяют содержание Ca²⁺ в анализируемом веществе (гравиметрический метод).

Сущность титриметрического метода заключается в измерении объема рабочего раствора с точно известной концентрацией того или иного реагента, израсходованного на реакцию с анализируемым компонентом. Методы объемного химического анализа подразделяются по типу реакции, лежащей в основе анализа: метод кислотно-основного титрования (нейтрализации), методы осаждения и комплексообразования, метод окисления – восстановления.

Метод нейтрализации основан на реакции H⁺ + OH^- → H₂O. При комплексонометрическом титровании происходит связывание исследуемого иона в комплекс. В основе окислительно-восстановительного титрования лежит реакция Ox + ne Red^n-. При осадительном титровании используются реакции, связанные с осаждением определяемого иона.

Физико-химические методы анализа основаны на изучении физических свойств веществ, меняющихся в ходе химической реакции. При потенциометрическом методе измеряется потенциал электрода в исследуемом растворе, при кондуктометрическом – электрическая проводимость и т. д. Физические методы анализа основаны на использовании зависимости между физическим свойством и составом вещества. К ним относят спектральные, люминесцентный метод и т. д. Биологические методы основаны на изучении зависимости отклика микроорганизмов на то или иное вещество.