Захист металів від корозії

Залежно від способу захисту металів від корозії розрізняють такі методи захисту: підвищення хімічної стійкості металу (легування металів); ізоляція поверхні металу від агресивного середовища (нанесення металічних або неметалічних покриттів); зміна властивостей агресивного середовища; електрохімічний захист, хімічний захист.

Легування металів. Для поліпшення властивостей металів і забезпечення їхньої корозійної стійкості до складу сплавів вводять різні речовини (легуючі добавки). Корозійну стійкість сталі можна підвищити введенням хрому, нікелю, молібдену, вольфраму. Поверхневе легування – насичення поверхні сплаву металом чи неметалом, що утворює міцний оксидний шар (алітування, хромування, силіціювання тощо).

Металічні захисні покриття за характером поведінки їх під час корозії поділяють на катодні й анодні:

• якщо потенціал металу покриття більший, ніж потенціал основного (матричного) металу, то покриття називають катодним (наприклад, мідь, нікель, срібло відносно заліза);

• якщо потенціал металу покриття менший потенціалу основного (матричного) металу, то покриття називають анодним (наприклад, цинк, алюміній відносно заліза).

Неорганічні захисні покриття:

1. Оксидування металів – створення на поверхні металу щільного і міцного шару оксиду хімічним або електрохімічним способами.

2. Фосфатування металевої поверхні – процес осадження нерозчинних фосфатів цього металу на його поверхню.

Електрохімічні методи захисту. Суть методів полягає в тому, що металеву конструкцію, яку захищають від корозії, використовують, як катод. Розрізняють катодний і протекторний методи захисту. Катодний захист полягає в приєднанні об’єкта, який захищають (катода), до джерела постійного струму. Анодом можуть бути графіт або кусок заліза, які поступово кородують, захищаючи від корозії споруду. Протекторний захист: метал, що захищають, приводять у контакт з іншим металом, який має більш електронегативне значення електродного потенціалу. В утвореній гальванопарі приєднаний метал є анодом, який руйнується, а металева конструкція (катод) не кородує. Приєднаний анод є протектором.

Зміна корозійного середовища. Зменшення швидкості корозії досягають усуненням або зниженням концентрації агресивних реагентів у навколишньому середовищі, а також введенням речовин, які значно уповільнюють корозію – інгібіторів. Ці речовини гальмують швидкість корозії не змінюючи при цьому агресивних властивостей середовища. Дія інгібіторів полягає в тому, що на поверхні металу вони утворюють захисну плівку, яка ізолює метал від середовища або так змінює електродний потенціал металу, що активність його зменшується. Деякі інгібітори сприяють видаленню кисню (окисника) з робочого середовища, що також гальмує швидкість корозійного процесу. До неорганічних інгібіторів належать хромати, нітрати, фосфати та ін.

Лекція 12 Неметали

План

1. Загальна характеристика елементів-неметалів

2. Неметали як прості речовини

3. Хімічні властивості неметалів

4. Поширеність, добування і кругообіг неметалів у природі

У періодичній системі Д. І. Менделєєва елементи-неметали містяться у її правій верхній частині. Межа проходить по умовній лінії, яка з'єднала б елементи Бор і Астат.

Елементи-неметали належать до р-елементів, за виключенням Гідрогену і Гелію, які є s-елементами (s¹ і s²).

Усі неметалічні р-елементи мають загальні властивості, бо структура зовнішнього електронного шару їхніх атомів подібна: ns2np^1-5. У елементів благородних газів, на відміну від типових неметалів, р-підрівень завершений (має шість електронів) ns²np⁸. Це зумовлює вкрай низьку їхню реакційну здатність, і тому благородні гази не відносять до типових неметалів.

Такі особливості в будові атомів неметалів, а саме наявність неспарених електронів визначає здатність елементів приєднувати електрони до завершення енергетичного рівня. Тому в елементів-неметалів переважають окиснювальні властивості і в сполуках з гідрогеном та металами вони мають негативні ступені окиснення.

У властивостях неметалів, незважаючи на подібність у будові валентних рівнів, більше різного, ніж спільного. Зазначимо, що всі елементи-неметали, які починають підгрупи, тобто елементи 2-го періоду, різко відрізняються від інших елементів підгрупи і групи. Це пояснюється тим, що атоми цих елементів мають найменший радіус і найбільше значення електронегативності.

Елементи будь-якої групи неметалів утворюють хімічні зв'язки як за рахунок s- та p-електронів, так і за рахунок d-електронів. Тому вони можуть мати ступені окиснення, більші за кількості неспарених електронів.

Для прикладу зіставимо електронні конфігурації атомів Нітрогену 1s²2s²2p³ й Фосфору 1s²2s²2p⁶3s²3p³.

Із малюнка видно, що атоми Нітрогену і Фосфору у нормальному (незбудженому) стані мають по три неспарених електрони й тому можуть утворювати по три ковалентних зв'язки. Крім того, за рахунок відповідно 2s- та 3s-орбіталей інколи утворюється четвертий зв'язок за донорно-акцептор-ним механізмом. Тому Нітрогену і Фосфору відповідають сполуки: аміак NH₃ та іон амонію NH₄⁺, фосфін РН₃ й іон фосфонію РН₄⁺_. Крім того, атом Фосфору у збудженому стані має п'ять неспарених електронів, що відповідає валентності п'ять. Ось чому атоми Фосфору в молекулі ортофосфорної кислоти (в іоні РO₄^3-) мають валентність 5 і ступінь окиснення + 5. В той же час атом Нітрогену в молекулі азотної кислоти (в іоні NO₃^- ) має валентність 4, а ступінь окиснення + 5.

Різниця у будові зовнішніх електронних шарів неметалічних елементів відбивається на їхніх властивостях, а саме на здатності приєднувати електрони. У підгрупах вона поступово зменшується відповідно до зменшення електронегативності, але зростає здатність елементів віддавати електрони, набуваючи при цьому позитивні ступені окиснення (табл. 1). Значення позитивного ступеня окиснення елементів змінне, що великою мірою залежить від атомів-партнерів, з якими реагуватиме неметал.

Електронегативність елементів визначає тип хімічного зв'язку. Ті елементи-неметали, які розміщені ближче до центру періодичної системи, утворюють тільки ковалентні сполуки, наприклад: ВС1₃, SiH₄, NO₂. Більш електронегативні неметалічні елементи, розміщені справа в періодичній системі, утворюють як ковалентні сполуки: ОF₂, Н₂О, SО₂, так і іонні сполуки: LіF, NаСІ. Характерними для неметалів є ковалентні сполуки.

Нарешті відзначимо, що атоми неметалів входять до складу комплексних сполук, наприклад: [Сu(NН₃)₄]SО₄, Nа₂[Сu(ОН)₄].

Із наведеного вище можна зробити висновки:

1. Неметалічні елементи у періодичній системі містяться головних підгрупах IV—VII груп, лише Бор — у III групі. Вони займають верхню праву частину періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва (від умовної лінії «Бор — Астат»).

2. Елементи-неметали відносять до р-елементів, крім Гі,рогену і Гелію. На р-орбіталях міститься від 1 до 5 електронів. Структури зовнішніх електронних рівнів подібні, тому властивості їх аналогічні.

3. Загальні властивості неметалів: -переважають окиснювальні властивості;

-характерний ковалентний зв'язок, а отже, й ковалентні сполуки.

4. Неметалічні властивості елементів закономірно змінюються в періодах та головних підгрупах періодичної системи.

5. Кожний перший елемент підгруп неметалів значно від рівняється від інших елементів своїми властивостями. Це взагалі особлива властивість елементів 2-го періоду. Вона пояснюється малими радіусами атомів і відповідно великими значеннями електронегативності.

6. Неметалічні елементи за властивостями більше різняться між собою, ніж подібні.

Будова неметалів. Прості речовини неметали існують у вигляді двохатомних або багатоатомних молекул. Атоми елементів 2-го періоду, а також Гідроген, утворюють між собою хімічні зв'язки лише за рахунок неспарених s-електронів (Гідроген) і p-електронів й тому вони двохатомні, наприклад: водень Н₂, кисень О₂, азот N₂ та молекули галогенів — На1₂. Виняток становлять бор і вуглець як тверді речовини. Елементи-неметали 3-го періоду утворюють додаткові зв'язки за рахунок вакантних d-орбіталей, тому їхні прості речовини багатоатомні за звичайних умов, наприклад: білий фосфор Р₄, сірка S₈. Карбон утворює багато зв'язків тому, що в його атомі кількість валентних електронів та орбіталей однакова. Зв'язок між атомами в молекулах — ковалентний неполярний.

Більшість неметалів мають молекулярну структуру (молекулярні кристалічні ґратки), а бор, вуглець (алмаз), силіцій, арсен, селен, телур — атомну структуру (атомні кристалічні ґратки). Деякі неметали мають різні структури, бо існують у вигляді алотропних модифікацій.

Будова речовин впливає на їхні властивості, і насамперед на фізичні.

Фізичні властивості неметалів. Залежність фізичних властивостей неметалів від їхньої будови відображає схема 2.

Треба пам'ятати, що одна й та ж речовина може залежно від умов проявляти властивості неметалів або металів. Так, фосфор — неметал за звичайних умов, а під тиском вище 410³ МПа набуває металічних властивостей.

У той же час алотропні модифікації неметалів мають різну будову, що впливає на їхні властивості. Конкретні приклади наведені в таблиці 2.

Зверніть увагу, що лише графіт є електричним провідником. Нині вважають, що електрична провідність — це один із головних критеріїв поділу речовин атомної будови на метали та неметали.

Отже, фізичні властивості неметалів залежать від їхньої будови.