Получение и химические свойства металлов. Коррозия

Некоторые металлы в природе могут встречаться в самород­ном состоянии. Это в основном благородные металлы, например золото. Его извлекают путем механического отмывания от окру­жающих пород. Однако подавляющее большинство металлов (те, которые находятся в левой части ряда напряжений) находятся в природе в виде соединений.

Природные минералы, содержащие в своем составе металлы и пригодные для промышленного получения металлов, называют рудами. При получении любого металла необходимо:

1) отделить руду от пустой породы;

2) восстановить металл из соединения.

В зависимости от способа получения металл различают пи­рометаллургию, гидрометаллургию и электрометаллургию.

Пирометаллургия охватывает способы получения металлов из их оксидов. В тех случаях, когда руда представляет собой соль, например сульфид цинка, ее предварительно переводят в оксид:

2ZnS+3O₂=2ZnO+2SO₂­

В качестве восстановителей металлов из их оксидов использу­ют углерод, оксид углерода (II), водород, метан:

Cu₂O+С=2Cu+СО

Восстановление углем (коксом) проводят обычно тогда, когда получаемые металлы совсем не образуют карбидов или образуют непрочные карбиды; таковы железо и многие цветные металлы.

Восстановление металлов из их соединений другими металла­ми называют металлотермией. Эти процессы протекают также при высоких температурах. В качестве восстановителей исполь­зуют алюминий, магний, кальций, натрий, а также кремний.

Если восстановителем является алюминий, то процесс назы­вается алюмотермией, если магний — магнийтермией:

Cr₂О₃+2Аl=2Cr+Аl₂O₃ ТiCl₄+2Mg=Ti+2MgCl₂

Металлотермией обычно получают те металлы (и их сплавы), которые при восстановлении их оксидов углем образуют карби­ды. Это — марганец, хром, титан, молибден, вольфрам и др.

Иногда металлы восстанавливают из оксидов водородом (водородотермия):

МоO₃+3Н₂=Мо+3Н₂О

Гидрометаллургия охватывает способы получения металлов из их солей. В этом случае элемент металла, входящего в состав руды, сначала переводят в растворимую соль с помощью соответ­ствующего реагента и только после этого из раствора непосредст­венно извлекают металл.

В настоящее время гидрометаллургическим способом добыва­ют такие металлы, как медь, серебро, цинк, уран и др. Многие медные руды содержат оксид меди. Такую руду обрабатывают

разбавленной серной кислотой и переводят в сульфат меди, рас­творимый в воде:

CuO+H₂SO₄=CuSO₄+Н₂О

После этого из сульфата меди медь извлекают либо электро­лизом, либо вытесняют с помощью железа: CuSO₄+Fe=Cu+FeSO₄

Электрометаллургия охватывает способы получения метал­лов с помощью электролиза. Этим способом получают главным образом легкие металлы — алюминий, натрий и другие — из их расплавленных оксидов или хлоридов.

Химические и физические свойства металлов определяются атомной структурой и особенностями металлической связи. Все металлы отличаются способностью легко отдавать валентные электроны. В связи с этим металлы проявляют ярко выраженные восстановительные свойства. Степень восстановительной актив­ности металлов отражает ряд напряжений.

Зная положение металла в этом ряду, можно сделать вывод о сравнительной величине энергии, затрачиваемой на отрыв от атома валентных электронов. Чем ближе к началу ряда, тем легче окисляется металл. Наиболее активные металлы вытесняют водо­род из воды при обычных условиях с образованием щелочи:

2Na+2Н₂O=2NaOH+H₂­

Менее активные металлы вытесняют водород из воды в виде перегретого пара и образуют оксиды:

2Fe+4H₂O=Fe₃O₄ +4H₂­

Реагируют с разбавленными и бескислородными кислотами, вытесняя из них водород:

Zn+2HCl=ZnCl₂+H₂­

Металлы, стоящие в ряду напряжений после водорода, не могут вытеснять его из воды и из кислот, а вступают с кислотами-окислителями в окислительно-восстановительные реакции без вытеснения водорода:

Cu+2H₂SO_{4 (конц)}=CuSO₄+SO₂­+Н₂O

Все предшествующие металлы вытесняют последующие за ними в ряду напряжений из их солей: Fe+CuSO₄=FeSO₄+Cu

Во всех случаях вступающие в реакции металлы окисляются. Окисление металлов наблюдается и при непосредственном взаи­модействии металлов с неметаллами:

2Na+S=Na₂S 2Fe+3Cl₂=2FeCl₃

Большинство металлов активно реагируют с кислородом, об­разуя оксиды разного состава.

Окисление металлов часто приводит к их разрушению. Разру­шение металлов под действием окружающей среды называется коррозией. Различают два основных типа коррозии: химическую и электрохимическую.

Химической коррозией называется разрушение металла окис­лением его в окружающей среде без возникновения электрического тока в системе. При этом происходит взаимодействие металла с со­ставными частями среды — с газами и неэлектролитами.

Так, железо на воздухе ржавеет — покрывается тонкой пленкой оксидов (FeO, Fe₂O₃ или Fe₃O₄ в зависимости от условий). Еще более энергично происходит окисление железа в присутствии воды:

4Fe+3O₂+6Н₂O = 4Fe(OH)₃

С повышением температуры химическая коррозия увеличи­вается.

Большой вред различным сооружениям приносит коррозия под действием веществ при высоких температурах в технике (в металлургии, сопла ракетных двигателей, в газовых турбинах). Некоторые металлы, например алюминий, при действии на них кислорода или других окислителей (концентрированной HNO₃) образуют защитную пленку, которая препятствует дальнейшему контакту металла с окислителем и предохраняет таким образом металл от дальнейшей коррозии.

Электрохимической коррозией называется разрушение ме­талла в результате возникновения гальванической пары и появ­ления внутри системы электрического тока. Электрохимическая коррозия возникает при контакте двух металлов посредством электролита, электродами при этом являются сами металлы.

При возникновении гальванической пары появляется элект­рический ток тем большей силы, чем дальше стоят друг от друга металлы в ряду напряжений. При этом поток электронов идет от более активного металла к менее активному; более активный ме­талл в этом случае разрушается (корродирует).

Например, при возникновении гальванической пары цинк — медь корродирует цинк.

Возьмем цинковую и медную пластинки и опустим их в рас­твор серной кислоты, которая содержится в растворе в виде ионов:

Атомы цинка, отдавая электроны в виде ионов, переходят в раствор:

Zn°-2e^-®Zn⁺²

Электроны через проводник пере­ходят на медь, а с меди — на ионы водорода:

Н⁺+e^-®Н°

Водород в виде нейтральных ато­мов выделяется на медной пластинке, а цинк постепенно растворяется. Таким образом, медь, как бы оттяги­вая электроны с цинка, заставляет последний быстрее растворяться, т.е.

способствует окислению (см. рис. 25).

Электрохимическая коррозия про­текает в присутствии как сильных, так и слабых электролитов, однако в при­сутствии сильных электролитов скорость коррозии выше.

С точки зрения электрохимической коррозии становится по­нятным, почему коррозия увеличивается в том случае, если в металле присутствуют примеси. Металл и примесь образуют галь­ваническую пару, в результате чего разрушается металл. Именно в тех случаях, когда требуется очень высокая химическая устой­чивость металлов, добиваются их высокой чистоты.

Вследствие того, что коррозия наносит народному хозяйству огромный ущерб, разрабатываются различные методы защиты от коррозии. В настоящее время применяются следующие основные методы защиты от коррозии.

1. Поверхностное покрытие металлов, которое изолирует ме­талл от внешней среды.

Покрытия могут быть металлические (цинк, медь, никель, хром) и неметаллические (лаки, краски, эмали).

Воронение — это процесс, при котором железо подвергается действию сильных окислителей, в результате чего металл покры­вается непроницаемой для газов оксидной пленкой, предохра­няющей его от воздействия внешней среды.

2. Создание сплавов, стойких к коррозии, введение в состав стали хрома, марганца, никеля дает возможность получить не­ржавеющую сталь, находящую широкое применение в промыш­ленности.

Вещества, замедляющие коррозию, а иногда и практически полностью останавливающие ее, называются ингибиторами — замедлителями. Характер действия ингибиторов различен. Они либо создают на поверхности металлов защитную пленку, либо уменьшают агрессивность среды.

Сплавы

Сплавами называют системы, состоящие из двух или более металлов, а также металлов и неметаллов. Свойства сплавов самые разнообразные и отличаются от исходных компонентов. Химическая связь в сплавах металлическая. Поэтому они облада­ют металлическим блеском, электрической проводимостью и дру­гими свойствами металлов.

Сплавы получают смешением металлов в расплавленном со­стоянии, они затвердевают при последующем охлаждении. При этом возможны следующие типичные случаи.

1. Металлы смешивают и расплавляют с последующим затверде­ванием. При этом составляющие сплав компоненты ограничен­но или неограниченно растворяются друг в друге. Сюда отно­сятся металлы, кристаллизующиеся в однотипных решетках и имеющие близкие по размерам атомы, например Ag-Cu, Cu-Ni, Ag-Au и другие. При охлаждении таких расплавов получа­ются твердые растворы. Кристаллы последних содержат атомы обоих металлов, чем обуславливается их полная однородность. По сравнению с истинными металлами твердые растворы ха­рактеризуются более высокой прочностью, твердостью и хими­ческой стойкостью; они пластичны и хорошо проводят элект­рический ток.

2. Расплавленные металлы смешиваются между собой в любых отношениях, однако при охлаждении твердый раствор не обра­зуется. При затвердевании таких сплавов получается масса, состоящая из мельчайших кристалликов каждого из металлов. Это характерно для сплавов Pb-Sn, Bi-Cd, Ag-Pb и др.

3. Расплавленные металлы при смешении взаимодействуют друг с другом, образуя интерметаллиды. Примером могут служить соединения некоторых металлов с сурьмой: Na₃Sb, Ca₃Sb₂, NiSb и т.д.

В настоящее время некоторые сплавы готовят методом по­рошковой металлургии. Берется смесь металлов в виде порошков, прессуется под большим давлением и спекается при высокой тем-

пературе в восстановительной среде. Таким путем получают сверхтвердые сплавы.