Свойства металлов и сплавов, технология их производства

 

      Металлы, расположенные в порядке возрастания их стандартных электродных потенциалов, и образуют электрохимический ряд напряжений металлов: Li, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb, H, Sb, Bi, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au.

      Ряд напряжений характеризует химические свойства металлов:

1. Чем меньше электродный потенциал металла, тем больше его восстановительная способность.
2. Каждый металл способен вытеснять(восстанавливать) из растворов солей те металлы, которые стоят в ряду напряжений после него.
3. Все металлы, имеющие отрицательный стандартный электродный потенциал, то есть находящиеся в ряду напряжений левее водорода, способны вытеснять его из растворов кислот.

      Необходимо  отметить, что представленный ряд  характеризует поведение металлов и их солей только в водных растворах и при комнатной температуре. Кроме того, нужно иметь ввиду, что высокая электрохимическая активность металлов не всегда означает его высокую химическую активность. Например, ряд напряжений начинается литием, тогда как более активные в химическом отношении рубидий и калий находятся правее лития. Это связано с исключительно высокой энергией процесса гидратации ионов лития по сравнению с ионами других щелочных металлов.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4. Коррозия  металлов.

 

      Почти все металлы, приходя в соприкосновение с окружающей их газообразной или жидкой средой, более или менее быстро подвергаются с поверхности разрушению. Причиной его является химическое взаимодействие металлов с находящимися в воздухе газами, а также водой и растворенными в ней веществами.

      Всякий  процесс химического разрушения металлов под действием окружающей среды называют коррозией.

      Проще всего протекает коррозия при  соприкосновении металлов с газами. На поверхности металла образуются соответствующие соединения: оксиды, сернистые соединения, основные соли угольной кислоты, которые нередко покрывают поверхность плотным слоем, защищающим металл от дальнейшего воздействия тех же газов.

      Иначе обстоит дело при соприкосновении  металла с жидкой средой - водой  и растворенными в ней веществами. Образующиеся при этом соединения могут растворяться, благодаря чему коррозия распространяется дальше вглубь металла. Кроме того, вода, содержащая растворенные вещества, является проводником электрического тока, вследствие чего постоянно возникают электрохимические процессы, которые являются одним из главных факторов, обуславливающих и ускоряющих коррозию.

      Чистые  металлы в большинстве случаев  почти не подвергаются коррозии. Даже такой металл, как железо, в совершенно чистом виде почти не ржавеет. Но обыкновенные технические металлы всегда содержат различные примеси, что создает благоприятные условия для коррозии.

      Убытки, причиняемые коррозией металлов, огромны. Вычислено, например, что вследствие коррозии ежегодно гибнет такое количество стали, которое равно приблизительно четверти всей мировой добычи его за год. Поэтому изучению процессов коррозии и отысканию наилучших средств ее предотвращения уделяется очень много внимания.

      Способы борьбы с коррозией чрезвычайно  разнообразны. Наиболее простой из них заключается в защите поверхности металла от непосредственного соприкосновения с окружающей средой путем покрытия масляной краской, лаком, эмалью или, наконец, тонким слоем другого металла. Особый интерес с теоретической точки зрения представляет покрытие одного металла другим.

      К ним относятся: катодное покрытие, когда  защищающий металл стоит в ряду напряжений правее защищающего (типичным примером может служить луженая, то есть покрытая оловом, сталь); анодное покрытие, например, покрытие стали цинком.

      Для защиты от коррозии целесообразно покрывать  поверхность металла слоем более  активного металла, чем слоем  менее активного. Однако другие соображения  нередко заставляют применять также  покрытия из менее активных металлов.

      На  практике чаще всего приходится принимать меры к защите стали как металла, особенно подверженного коррозии. Кроме цинка, из более активных металлов для этой цели иногда применяют кадмий, действующий подобно цинку. Из менее активных металлов для покрытия стали чаще всего используют олово, медь, никель.

      Покрытые  никелем стальные изделия имеют  красивый вид, чем объясняется широкое  распространение никелирования. При  повреждении слоя никеля коррозия проходит менее интенсивно, чем при повреждении  слоя меди (или олова), так как разность потенциалов для пары никель-железо гораздо меньше, чем для пары медь-железо.

      Из  других способов борьбы с коррозией  существует еще способ протекторов, заключающийся в том, что защищаемый металлический объект приводится в  контакт с большой поверхностью более активного металла. Так, в паровые котлы вводят листы цинка, находящиеся в контакте со стенками котла и образующие с ними гальваническую пару. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5. Понятие о сплавах.

 

            Характерной  особенностью металлов является  их способность образовывать друг с другом или с неметаллами сплавы. Чтобы получить сплав, смесь металлов обычно подвергают плавлению, а затем охлаждают с различной скоростью, которая определяется природой компонентов и изменением характера их взаимодействия в зависимости от температуры. Иногда сплавы получают спеканием тонких порошков металлов, не прибегая к плавлению (порошковая металлургия). Итак сплавы - это продукты химического взаимодействия металлов.

     Кристаллическая структура сплавов во многом подобна  чистым металлам, которые, взаимодействуя друг с другом при плавлении и последующей кристаллизации, образуют: а) химические соединения, называемые интерметаллидами; б) твердые растворы; в) механическую смесь кристаллов компонентов.

     Тот или иной тип взаимодействия определяется соотношением энергии взаимодействия разнородных и однородных частиц системы, то есть соотношением энергий взаимодействия атомов в чистых металлах и сплавах.

      Современная техника использует огромное число  сплавов, причем в подавляющем большинстве случаев они состоят не из двух, а из трех, четырех и большего числа металлов. Интересно, что свойства сплавов часто резко отличаются от свойств индивидуальных металлов, которыми они образованы. Так, сплав, содержащий 50% висмута, 25% свинца, 12,5% олова и 12,5% кадмия, плавится всего при 60,5 градусах Цельсия, в то время как компоненты сплава имеют соответственно температуры плавления 271, 327, 232 и 321 градус Цельсия. Твердость оловянной бронзы (90% меди и 10% олова) втрое больше, чем у чистой меди, а коэффициент линейного расширения сплавов железа и никеля в 10 раз меньше, чем у чистых компонентов.

      Однако  некоторые примеси ухудшают качество металлов и сплавов. Известно, например, что чугун (сплав железа и углерода) не обладает той прочностью и твердостью, которые характерны для стали. Помимо углерода, на свойства стали влияют добавки серы и фосфора, увеличивающие ее хрупкость.

      Среди свойств сплавов наиболее важными  для практического применения являются жаропрочность, коррозионная стойкость, механическая прочность и др. Для авиации большое значение имеют легкие сплавы на основе магния, титана или алюминия, для металлообрабатывающей промышленности - специальные сплавы, содержащие вольфрам, кобальт, никель. В электронной технике применяют сплавы, основным компонентом которых является медь. Сверхмощные магниты удалось получить, используя продукты взаимодействия кобальта, самария и других редкоземельных элементов, а сверхпроводящие при низких температурах сплавы - на основе интерметаллидов, образуемых ниобием с оловом и др. 
 
 
 
 
 

VI. Способы получения металлов.     

      Огромное  большинство металлов находится  в природе в виде соединений с  другими элементами.

      Только  немногие металлы встречаются в  свободном состоянии, и тогда  они называются самородными. Золото и платина встречаются почти исключительно в самородном виде, серебро и медь - отчасти в самородном виде; иногда попадаются также самородные ртуть, олово и некоторые другие металлы.

      Добывание золота и платины производится или  посредством механического отделения их от той породы, в которой они заключены, например промывкой воды, или путем извлечения их из породы различными реагентами с последующим выделением металла из раствора. Все остальные металлы добываются химической переработкой их природных соединений.

      Минералы  и горные породы, содержащие соединения металлов и пригодные для получения  этих металлов заводским путем, носят  название руд. Главными рудами являются оксиды, сульфиды и карбонаты металлов.

      Важнейший способ получения металлов из руд  основан на восстановлении их оксидов углем.

      Если, например, смешать красную медную руду (куприт) Cu₂O с углем и подвергнуть сильному накаливанию, то уголь, восстанавливая медь, превратится в оксид углерода(II), а медь выделится в расплавленном состоянии:

Cu₂O + C = 2Cu + CO

      Подобным  же образом производится выплавка чугуна их железных руд, получение олова  из оловянного камня SnO₂ и восстановление других металлов из оксидов.

      При переработке сернистых руд сначала  переводят сернистые соединения в кислородные путем обжигания в особых печах, а затем уже восстанавливают полученные оксиды углем. Например:

2ZnS + 3O₂ = 2ZnO + 2SO₂

ZnO + C = Zn + CO

      В тех случаях, когда руда представляет собой соль угольной кислоты, ее можно  непосредственно восстанавливать  углем, как и оксиды, так как при нагревании карбонаты распадаются на оксид металла и двуокись углерода. Например:

ZnCO₃ = ZnO + CO₂

      Обычно  руды, кроме химического соединения данного металла, содержат еще много  примесей в виде песка, глины, известняка, которые очень трудно плавятся. Чтобы облегчить выплавку металла, к руде примешивают различные вещества, образующие с примесями легкоплавкие соединения - шлаки. Такие вещества называются флюсами. Если примесь состоит из известняка, то в качестве флюса употребляют песок, образующий с известняком силикат кальция. Наоборот, в случае большого количества песка флюсом служит известняк.

      Во  многих рудах количество примесей (пустой породы) так велико, что непосредственная выплавка металлов из этих руд является экономически невыгодной. Такие руды предварительно «обогащают», то есть удаляют из них часть примесей. Особенно широким распространением пользуется флотационный способ обогащения руд (флотация), основанный на различной смачиваемости чистой руды и пустой породы.

      Техника флотационного способа очень проста и в основном сводится к следующему. Руду, состоящую, например, из сернистого металла и силикатной пустой породы, тонко измельчают и заливают в больших чанах водой. К воде прибавляют какое-нибудь малополярное органическое вещество, способствующее образованию устойчивой пены при взбалтывании воды, и небольшое количество специального реагента, так называемого «коллектора», который хорошо адсорбируется поверхностью флотируемого минерала и делает ее неспособной смачиваться водой. После этого через смесь снизу пропускают сильную струю воздуха, перемешивающую руду с водой и прибавленными веществами, причем пузырьки воздуха окружаются тонкими масляными пленками и образуют пену. В процессе перемешивания частицы флотируемого минерала покрываются слоем адсорбированных молекул коллектора, прилипают к пузырькам продуваемого воздуха, поднимаются вместе с ними кверху и остаются в пене; частицы же пустой породы, смачивающиеся водой, оседают на дно. Пену собирают и отжимают, получая руду с значительно большим содержанием металла.

      Для восстановления некоторых металлов из их оксидов применяют вместо угля водород, кремний, алюминий, магний и  другие элементы.

      Процесс восстановления металла из его оксида с помощью другого металла  называется металлотермией. Если, в частности, в качестве восстановителя применяется алюминий, то процесс носит название алюминотермии.

      Очень важным способом получения металлов является также электролиз. Некоторые  наиболее активные металлы получаются исключительно путем электролиза, так как все другие средства оказываются недостаточно энергичными для восстановления их ионов.       
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  использованной литературы. 

1. «Основы общей химии». Ю.Д.Третьяков, Ю.Г.Метлин. Москва «Просвещение» 1980 г.
2. «Общая химия». Н.Л.Глинка. Издательство «Химия», Ленинградское отделение 1972 г.
3. «Отчего и как разрушаются металлы». С.А.Балезин. Москва «Просвещение» 1976 г.
4. «Пособие по химии для поступающих в вузы». Г.П.Хомченко. 1976 г.
5. «Книга для чтения по неорганической химии».