Презентация по технологии "ОБЩИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ. КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ ."

ОБЩИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ. КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ

Подготовил материал Акхузин Андрей Ахметович, преподаватель ФКП образовательное учреждение № 228, г. Курган.

МЕТАЛЛЫ - ВЕЩЕСТВА, ОБЛАДАЮЩИЕ В ОБЫЧНЫХ УСЛОВИЯХ ХАРАКТЕРНЫМИ МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ: ВЫСОКИМИ ЭЛЕКТРО- И ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬЮ, БЛЕСКОМ, ПЛАСТИЧНОСТЬЮ, ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ ТЕМПЕРАТУРНЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ [ХИМИЧЕСКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ, Т.3].

К МЕТАЛЛАМ ОТНОСЯТ КАК СОБСТВЕННО МЕТАЛЛЫ (ПРОСТЫЕ ВЕЩЕСТВА: ЖЕЛЕЗО, МЕДЬ И Т.П.), ТАК И ИХ СПЛАВЫ (БРОНЗА, СТАЛЬ), МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ (ЧУГУН, НИЗШИЕ КАРБИДЫ, СУЛЬФИДЫ И Т.Д.), ИНТЕРМЕТАЛЛИДЫ (СОЕДИНЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ДРУГ С ДРУГОМ), ОРГАНИЧЕСКИЕ МЕТАЛЛЫ .

Металлы - основа конструкций в разных областях промышленности, науки и техники. Рациональное извлечение металлов из руд, их очистка, получение сплавов и оптимальное использование материалов из них определяется в большей степени знанием закономерностей их строения, физических и химических свойств. Этим определяется необходимость изучения металлов специалистами в области добычи, переработки и использования металлов.

КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТАЛЛОВ

Из 110 элементов в периодической системе - 86 металлы. 

По положению в периодической системе.  

• s-металлы (все s-элементы, кроме Н и Не);
• р-металлы (элементы IIIA группы кроме В, а также Sn, Pb, Sb, Bi, Po);
• d- и f-металлы (переходные элементы).

КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТАЛЛОВ

Выделяют:

-        щелочные металлы (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr);

-        щелочно-земельные (Ca, Sr, Ba, Ra);

-        платиновые металлы;

-        лантаноиды и актиноиды (6  -AO и 7  -AO).

-        непереходные (валентные электроны на ns- и np- подуровнях);

-        переходные (валентные электроны на nd-подуровнях)

КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТАЛЛОВ

Техническая классификация  

Черные металлы (Fe, Mn и их сплавы); 

Тяжелые цветные металлы (Cu, Pb, Zn, Ni, Sn). К этой группе примыкают малые или младшие металлы (Co, Sb, Bi, Hg, Cd). 

Легкие металлы (ρ

КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТАЛЛОВ

Техническая классификация  

Драгоценные металлы (Au, Ag, платиновые металлы); 

Легирующие металлы (Mn, Cr, W, Mo, Nb, V и другие); 

Редкие металлы (подгруппа Sc и лантаноиды) ; 

Радиоактивные металлы (U, Th, Pu и другие); 

Легкоплавкие (Т пл 800 0 C).

СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

Кристаллическая структура

Большинство металлов кристаллизуется в одном из трех структурных типов:

-        с кубической объемоцентрированной кристаллической решеткой (пример – α-Fe);

-        с кубической гранецентрированной кристаллической решеткой (пример – Cu);

-        с гексагональной кристаллической решеткой (пример – Mg).

Переход из одной структуры в другую (полиморфные превращения) требуют Е  1 кДж/моль. При изменении температуры или давления многие металлы претерпевают полиморфные превращения

(примеры – α- и γ-Fe,

«белое» и «серое» Sn).

МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ . ЗОННАЯ ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОННОГО СТРОЕНИЯ.

Металлическая связь – химическая связь, обусловленная взаимодействием "электронного газа" (валентные электроны) в металлах с остовом положительно заряженных ионов кристаллической решетки.

МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

Схема образования энергетических уровней при увеличении числа взаимодействующих атомов

[Глинка, с. 532]

МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

Схема образования энергетических уровней при увеличении числа взаимодействующих атомов

[Ахметов, с. 115]

МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

Возникновение энергетических зон кристалла из энергетических уровней атомов по мере их сближения

[Ахметов, с. 115]

МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

Схема расположения энергетических зон в металле, изоляторе и полупроводнике [Глинка, с.534]

ОСОБЕННОСТИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ

1)  высокие электро- и теплопроводность;

2)  пластичность;

3)  металлический блеск и непрозрачность;

4)  низкие величины потенциала ионизации (I ион ) и сродства к электрону (А);

5)  твердые кристаллы (кроме ртути Hg);

6)  восстановители в химических реакциях;

положительная степень окисления в химических соединениях.

ОСОБЕННОСТИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ

Физические свойства металлов меняются в очень широких пределах. Например, Т пл от –39 0 С (Hg) до 3380 0 С (W); плотность от 0,5 г/см 3 (Li) до 22,5

г/см 3 (Os).

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Металлы – восстановители в химических реакциях.

Окисление

Большинство металлов окисляется кислородом воздуха. Скорость и механизм окисления зависят от природы металла.  

2Mg + O 2 = 2MgO

4Li + O 2 = 2Li 2 O

2Na + O 2 = Na 2 O 2

2K + O 2 = KO 2  

1 Металлы неустойчивы на воздухе: V оксида / V металла " width="640"

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Окисление

Защитная пленка (Al, Ti, Cr):

V оксида / V металла 1

Металлы неустойчивы на воздухе:

V оксида / V металла

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Реакции с неметаллами

2Al + 3I 2 = 2AlI 3

2Fe + 3Cl 2 = 2FeCl 3

Sn + Cl 2 = SnCl 2

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Реакции с водой  

Все металлы с Е 0

2Na + 2HOH = 2NaOH + H 2 

2K + 2HOH  2KOH + H 2 

Ca + 2HOH  Ca(OH) 2 + H 2 

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Реакции со щелочами  

С растворами щелочей реагируют металлы, образующие растворимые анионные гидроксокомплексы (Be, Al, Zn, Cr, Sn …).  

2Al + 2NaOH + 10H 2 O = 2 Na[Al(OH) 4 (H 2 O) 2 ] + 3H 2

2Al + 6NaOH = 2 Na 3 AlO 3 + 3H 2

Zn + 2NaOH Na 2 ZnO 2 + H 2

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Реакции с кислотами  

Большинство металлов реагируют (окисляются) теми или иными кислотами. 

а) неокисляющие кислоты (окислитель - Н + ) 

HCl + Cu  2HCl + Zn = ZnCl 2 + H 2 

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Реакции с кислотами  

окисляющие кислоты (окислитель - элемент кислотного остатка) HNO 3 , H 2 SO 4(конц) и др.

Cu + 2H 2 SO 4(конц)  CuSO 4 + SO 2  + H 2 O

HNO 3

концентрированная разбавленная

не действует тяжелые щелочные и тяжелые щелочные и

Fe, Cr, Al Me щелочноземельные NO щелочноземельные

Au, Pt, Ir, Ta NO 2 N 2 O NH 3 (NH 4 NO 3 )

ПРИМЕРЫ

Cu + 4HNO 3 (конц) = Cu(NO 3 ) 2 + 2NO 2  + 2H 2 O

3Cu + 8HNO 3 (разб) = 3Cu(NO 3 ) 2 + 2NO  + 4H 2 O

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Реакции с солями металлов  

Металлы могут восстанавливать ионы других металлов 

Fe + CuSO 4  FeSO 4 + Cu

Zn + Pb(CH 3 COO) 2  Zn(CH 3 COO) 2 + Pb

МЕТАЛЛЫ В ПРИРОДЕ. ПОЛУЧЕНИЕ МЕТАЛЛОВ ИЗ РУД

МЕТАЛЛЫ В ПРИРОДЕ

Самородные металлы (Au (112 кг), Pt, Ag (13,5 т), Cu (420 т), Hg, Sn).

Руды - минералы и горные породы, содержащие металлы или их соединения и пригодные для промышленного получения металлов (оксиды Fe 3 O 4 , CuO; сульфиды ZnS, FeS; карбонаты; сульфаты и др.)

СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ИЗ РУД

  Пирометаллургия

(с помощью ОВР при высоких температурах)

2Fe 2 O 3 + 3C 4Fe + 3CO 2

Cu 2 O + CO 2Cu + CO 2

Восстановители: С, СО, СН 4 .

СХЕМА ДОМЕННОЙ ПЕЧИ

СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ИЗ РУД

Металлотермия

(восстановители - активные металлы: Al, Ca, Mg…)

Fe 2 O 3 + 2Al = 2Fe + Al 2 O 3 + Q

СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ИЗ РУД

Гидрометаллургия

(получение металлов из растворов их солей) 

CuO + H 2 SO 4  CuSO 4 + H 2 O

CuSO 4  электролиз

CuSO 4 + Fe  FeSO 4 + Cu 

Гидрометаллургическими методами получают Au, Ag и другие металлы.

СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ИЗ РУД

Электрометаллургия

(получение металлов с помощью электролиза).

Электролизом получают щелочные металлы, Al.

СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ИЗ РУД

Электрометаллургия

СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ИЗ РУД

Металлы высокой чистоты (содержание примесей менее 10 -8 % ) получают с использованием электролиза, метода зонной плавки, разложения на нагретой поверхности летучих солей, переплавки в вакууме. 

Ti (гряз) + 2I 2 TiI 4(пар)

Ti (чистый) + 2I 2

КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ

КОРРОЗИЯ - САМОПРОИЗВОЛЬНОЕ РАЗРУШЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ-ЗА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ

Мировые потери из-за коррозии  20 млн.т/год.

В сумме косвенные и прямые убытки от коррозии металлов и затраты на их защиту в промышленно развитых странах достигают  4% национального дохода (Химическая энциклопедия, т.II, с. 953).

КЛАССИФИКАЦИЯ КОРРОЗИИ МЕТАЛЛОВ

Классификация коррозии металлов определяется конкретными особенностями среды и условиями протекания процесса (подводом окислителя, агрегатным состоянием и отводом продуктов коррозии, возможности пассивации металла и др.).

КЛАССИФИКАЦИЯ КОРРОЗИИ МЕТАЛЛОВ

- атмосферная коррозия;

- морская коррозия;

- подземная коррозия;

- биокоррозия ;

- коррозия металлов в технологических средах;

- коррозия металлов в кислотах, щелочах, органических средах, оборотных и сточных водах и т.п.

- электрохимическая коррозия металлов.

ГАЗОВАЯ КОРРОЗИЯ

Алюминий – Al(Al 2 O 3 )

Если снять пленку Al 2 O 3 (Al 2 O 3 + 2NaOH  2NaAlO 2 + H 2 O) и обработать солью ртути (Hg(NO 3 ) 2 ) поверхность для предотвращения образования Al 2 O 3 (образуется амальгама Al, то есть сплав Al и Hg), то коррозия (разрушение конструкции) происходит быстро. 

4Al + 3O 2  2Al 2 O 3

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОРРОЗИИ МЕТАЛЛОВ

В основе коррозии металлов - реакция между материалом и средой или между их компонентами, протекающая на границе раздела фаз.  

Чаще всего - это окисление металла. Механизм сложный. Например:

3Fe + 2O 2  Fe 3 O 4 ;

Fe + H 2 SO 4  FeSO 4 + H 2   

Коррозия металлов - самопроизвольный процесс, сопровождающийся понижением  G 0 системы [конструкционный материал  среда].

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОРРОЗИИ МЕТАЛЛОВ

М еханизм коррозии металлов определяется типом агрессивной среды.

газовая коррозия : лимитирующая стадия - диффузия.

М

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОРРОЗИИ МЕТАЛЛОВ

Электрохимическая коррозия

Электрохимическая коррозия - разрушение металла в среде электролита с возникновением электрического тока.

М + Ох  М z+ + Red - суммарный процесс

М

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОРРОЗИИ МЕТАЛЛОВ

Электрохимическая коррозия связана с возникновением гальванического элемента .

Активный металл является анодом , отдает электроны и разрушается (образует или нерастворимые продукты - ржавчину, или переходит в виде ионов в раствор), а менее активный металл или примеси являются катодом и принимают электроны.

Под действием окислителей, находящихся в электролите (Н + , растворенный кислород и др.) происходит катодная деполяризация , то есть катод передает электроны, полученные от анода указанным окислителям.

М

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОРРОЗИИ МЕТАЛЛОВ

В воде имеются окислители (Ох):  

1)  растворенный О 2 :

О 2 + 2Н 2 О + 4ē  4ОН - (Е 0 = 0,40 В) (рН  7);

О 2 + 4Н + + 4ē  2Н 2 О (Е 0 = 1,228 - 0,06 рН) (рН  7).

О 2 может окислять металлы, стоящие до Ag + в ряду напряжений металлов. 

2)  ионы Н + :

2Н + + 2ē  2Н = Н 2 (Е 0  -0,41 В).

H + может окислять металлы, стоящие до Cd в ряду напряжений металлов. 

3)  могут быть другие окислители .

Пример.

Коррозия железа в контакте с медью в присутствии электролита. Процессы идут при рН = 7.

Продукты анодного и катодного процессов фиксируются с помощью аналитических реакций:

на аноде : Fe 2+ + K 3 [Fe(CN) 6 ]  KFe[Fe(CN) 6 ]  + 2K +

синий

на катоде : О 2 + 2Н 2 О + 4ē  4ОН - ;

образующиеся ионы ОН - окрашивают фенолфталеин в малиновый цвет.

ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ

Применение химически стойких сплавов, повышение коррозионной стойкости материала;  

Стойкие покрытия поверхности металла, предотвращение контакта металла со средой;  

Обработка коррозионной среды, снижение агрессивности среды;  

электрохимические методы, регулирование Е 0 защищаемого изделия в данной среде.