Взаимодействие со сложными веществами

1. С водой. Щелочные и щелочноземельные металлы при обычных условиях вытесняют водород из воды и образуют растворимые основания-щелочи, например:

2. Другие металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода, тоже могут при определенных условиях вытеснять водород из воды. Но алюминий бурно взаимодействует с водой, только если удалить с его поверхности оксидную пленку:

3. Магний взаимодействует с водой только при кипячении, при этом также выделяется водород:

 

          4.Железо взаимодействует с водой только в раскаленном виде:

5. С кислотами в растворе (HCl, H₂SO_4разб, СН₃СООН и др., кроме HNO₃)   взаимодействуют металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода. При этом образуются соль и водород.

Например:

 

6 .С солями менее активных металлов в растворе. В результате такой   реакции образуется соль более активного металла и выделяется менее активный металл в свободном виде.

Например:

Нужно помнить, что реакция идет в тех случаях, когда образующаяся соль растворима. Вытеснение металлов из их соединений другими металлами впервые подробно изучал Н. Н. Бекетов – крупный русский физикохимик. Он расположил металлы по химической активности в «вытеснительный ряд», ставший прототипом ряда напряжений металлов.

7 .С органическими веществами. Взаимодействие с органическими кислотами аналогично реакциям с минеральными кислотами. Спирты же могут проявлять слабые кислотные свойства при взаимодействии со щелочными металлами:

Коррозия металлов

При взаимодействии металлов с веществами окружающей среды на их поверхности образуются соединения, обладающие совершенно иными свойствами, чем сами металлы. В обычной жизни мы часто употребляем слова «ржавчина», «ржавление», видя коричнево-рыжий налет на изделиях из железа и его сплавов. Ржавление – это частый случай коррозии.

Коррозия – это процесс самопроизвольного разрушения металлов и сплавов под влиянием внешней среды (от лат. corrosio – разъедание).

Однако разрушению подвергаются практически все металлы, в результате чего многие их свойства ухудшаются (или совсем теряются): уменьшаются прочность, пластичность, блеск, снижается электропроводность, а также возрастает трение между движущимися деталями машин, изменяются размеры деталей и т. д.

 

Коррозия металлов бывает сплошной и местной.

Первая не так опасна, как вторая, ее проявления могут быть учтены при проектировании конструкций и аппаратов. Значительно опаснее местная коррозия, хотя потери металла здесь могут быть и небольшими. Один из наиболее опасных ее видов – точечная. Она заключается в образовании сквозных поражений, то есть точечных полостей – питтингов, при этом снижается прочность отдельных участков, уменьшается надежность конструкций, аппаратов, сооружений.

Коррозия металлов наносит большой экономический вред. Человечество несет огромные материальные потери в результате разрушения трубопроводов, деталей машин, судов, мостов, различного оборудования.

Коррозия приводит к уменьшению надежности работы металлоконструкций. Учитывая возможное разрушение, приходится завышать прочность некоторых изделий (например, деталей самолетов, лопастей турбин), а значит, увеличивать расход металла, а это требует дополнительных экономических затрат.

По химической природе коррозия – это окислительно-восстановительный процесс. В зависимости от среды, в которой он протекает, различают несколько видов коррозии.

Наиболее часто встречающиеся виды коррозии: химическая и электрохимическая.

I. Химическая коррозия происходит в не проводящей электрический ток среде. Такой вид коррозии проявляется в случае взаимодействия металлов с сухими газами или жидкостями – неэлектролитами (бензином, керосином и др.). Такому разрушению подвергаются детали и узлы двигателей, газовых турбин, ракетных установок. Химическая коррозия часто

наблюдается в процессе обработки металлов при высоких температурах.

Например:

Большинство металлов окисляется кислородом воздуха, образуя на поверхности оксидные пленки. Если эта пленка прочная, плотная, хорошо связана с металлом, то она защищает металл от дальнейшего разрушения. Такие защитные пленки появляются у Zn, Al, Cr, Ni, Sn, Pb, Nb, Ta и др. У железа она рыхлая, пористая, легко отделяется от поверхности и потому не способна защитить металл от дальнейшего разрушения.

Электрохимическая коррозия происходит в токопроводящей среде (в электролите) с возникновением внутри системы электрического тока. Как

 

II. правило, металлы и сплавы неоднородны, содержат включения различных примесей. При контакте их с электролитами одни участки поверхности начинают выполнять роль анода (отдают электроны), а другие – роль катода (принимают электроны).

Рассмотрим разрушение железного образца в присутствии примеси меди.

На железе, как более активном металле, при соприкосновении с электролитом происходят процессы окисления (растворения) металла и перехода его катионов в электролит:

Fe⁰ – 2e = Fe²⁺ (анод)

Таким образом, железо (его основная часть) служит анодом. Поток электронов перемещается к меди – металлу с меньшей активностью, на ней накапливается избыточное количество электронов. Таким образом, медные участки могут «поделиться» электронами, поэтому на них возможны процессы восстановления. Примесь меди выполняет роль катода.

В зависимости от среды электролита на катоде могут идти разные процессы (рис.).

 

 

 

Рисунок Процессы, протекающие на катоде

 

 

В одном случае будет наблюдаться выделение газа (Н₂). В другом – образование ржавчины, состоящей в основном из Fe₂O₃ ∙ n H₂O. Итак, электрохимическая коррозия –окислительно-восстановительная реакция, происходящая в средах, проводящих ток (в отличие от химической коррозии). Процесс происходит при соприкосновении двух металлов или на поверхности металла, содержащего включения, которые являются менее активными проводниками (это может быть и неметалл).                 

На аноде (более активном металле) идет окисление атомов металла с образованием катионов (растворение).

На катоде (менее активном проводнике) идет восстановление ионов водорода или молекул кислорода с образованием соответственно Н₂ ↑ или гидроксид-ионов ОН^–.

Катионы водорода и растворенный кислород – важнейшие окислители, вызывающие электрохимическую коррозию.

Скорость коррозии тем больше, чем сильнее отличаются металлы (металл и примеси) по своей активности (для металлов – чем дальше друг от друга они расположены в ряду напряжений). Значительно усиливается коррозия при увеличении температуры. Электролитом может служить морская вода, речная вода, конденсированная влага и конечно же хорошо известные всем электролиты – растворы солей кислот, щелочей. 

Способы защиты от коррозии

Уже при проектировании металлических конструкций и их изготовлении предусматривают меры защиты от коррозии.

1. Шлифование поверхностей изделия, чтобы на них не задерживалась влага.

2. Применение легированных сплавов, содержащих специальные добавки: хром, никель, которые при высокой температуре на поверхности металла образуют устойчивый оксидный слой (например, Сr₂O₃). Общеизвестны легированные стали – «нержавейки», из которых изготавливают предметы домашнего обихода (ножи, вилки, ложки), детали машин, инструменты.

Нанесение защитных покрытий. Рассмотрим их виды.

Неметаллические – неокисляющиеся масла, специальные лаки, краски, эмали.Правда, они недолговечны, но зато дешевы.

Химические – искусственно создаваемые поверхностные пленки: оксидные, нитридные, силицидные, полимерные и др. Например, все стрелковое оружие и детали многих точных приборов подвергают воронению – это процесс получения тончайшей пленки оксидов железа на поверхности стального изделия. Получаемая искусственная оксидная пленка очень прочная (в основном из вещества состава () и придает изделию красивый черный цвет и синий отлив. Полимерные покрытия изготавливают из полиэтилена, полихлорвинила, полиамидных смол.

 

 Наносят их двумя способами: нагретое изделие помещают в порошок полимера, который плавится и приваривается к металлу, или поверхность металла обрабатывают раствором полимера в низкокипящем растворителе, который быстро испаряется, а полимерная пленка остается на изделии.

Металлические – это покрытия другими металлами, на поверхности которых под действием окислителей образуются устойчивые защитные пленки. Нанесение хрома на поверхность – хромирование, никеля – никелирование, цинка – цинкование, олова – лужение и т. д. Покрытием может служить и пассивный в химическом отношении металл – золото, серебро, медь.