Неорганическая химия. Учебное пособие

Иногда Na2CO3 (кальцинированную соду) заменяют сульфатом натрия (Na2SO4) и

углем:

2SiO2 + C + 2 Na2SO4 = 2 Na2 SiO3 + CO2 ↑ + 2 SO2 ↑

4) для получения тугоплавкого стекла соду заменяют поташом K2CO3 – такое стекло идет на изготовление химической посуды. Заменив Ca2CO3 на оксид свинца PbO, а соду

Na2CO3 на поташ K2CO3 получают хрустальное стекло.

Добавки оксидов металлов придают стеклу окраску:

Cr2O3 – зеленая окраска;

CoO – синяя окраска;

MnO2 – красновато-лиловая окраска

Хрусталь обладает лучепреломляющей способностью и при шлифовании дает блеск.

Используется для изготовления оптического стекла и художественной посуды. Для получения стекла более высокой стойкости к химическим воздействиям и резким изменениям температуры заменяют часть SiO2 борным ангидридом B2O3.

Кварцевое стекло получают в электропечи из расплавленного кварца и подвергают воздействию более высоких температур. Оно пропускает ультрафиолетовые лучи. Кварцевое стекло очень хрупкое – трудно поддается обработке. Из кварцевого стекла изготовляют лабораторную посуду, электрические ртутные лампы, содержащие ультрафиолетовые лучи.

Вытягиванием расплавленного стекла через мелкие отверстия – фильеры – получают нити диаметром 2-10 мкм – стеклянное волокно, обладающее высокой прочностью. Ткани из такого волокна не горят, имеют тепло-, электро- и звукоизолирующие свойства, а также химически устойчивы. В сочетании с различными синтетическими смолами образуют

стеклопластики. Они в 3-4 раза легче стали, но прочнее ее. Из стеклопластиков изготовляют трубы, используют в автомобильной, авиационной и судостроительной промышленности.

45. Получение цемента и керамики

Цемент является важнейшим материалом в строительстве. Цемент получают обжигом смеси глины с известняком. При обжиге смеси CaCO3 (кальцированная сода) разлагается на CaO4 и углекислый газ CO2 ↑. CaO вступает во взаимодействие с глиной и получаются силикаты и алюминаты кальция. Химический состав цемента выражают в виде содержащихся в нем оксидов, главным из них является: aO, Al2O3, SiO2, Fe2O3.

61

Прокаливание производится в специальных цилиндрических вращающихся печах при температуре 1400-1600º С. Получаемая спекшаяся масса называется клинкером. Клинкер с

добавками размалывают в порошок в шаровых мельницах и получают окончательный продукт – цемент - порошкообразное вещество при смешивании с водой на воздухе затвердевает в каменнообразную массу (применяется для скрепления кирпича, камня в качестве связующего материала).

Смесь цемента с песком и водой – цементный раствор. Смесь такого раствора с гравием или щебнем – бетон. Залитый бетоном железный каркас – железобетон. Из него строят своды, мосты, арки, бассейны, кладут перекрытия зданий, электростанций. В природе встречаются известняково-глинистые породы по составу соответствующие цементной массе

– мергели.

Виды цемента:

1)быстротвердеющий;

2)морозостойкий;

3)коррозийностойкий;

4)кислотоупорный.

Керамика – изделия или материалы, изготовленные из огнеупорных веществ: глины,

карбидов, оксидов некоторых металлов.

Виды керамики:

1)строительная керамика (облицовочные плиты, кирпич, черепица, трубы

канализации)4

2)огнеупорная керамика (огнеупорный кирпич, материалы для внутренней облицовки доменных, сталелитейных, стеклоплавильных печей);

3)химически стойкая керамика (используется в химической промышленности);

4)бытовая керамика (фаянсовые и фарфоровые изделия);

5)техническая керамика.

Процесс изготовления керамических изделий включает:

1)изготовление керамической смеси;

2)формование4

3)сушка;

4)обжиг.

В зависимости от природы исходных материалов и дальнейшего использования продукции операция проводится по разному, строго определенному режиму.

62

При изготовлении кирпича сырье – глина с добавками других минералов – измельчается, перемешивается и увлажняется. Получившуюся массу формуют, сушат, а

затем при температуре при температуре 900º С подвергают обжигу. При обжиге происходит

спекание массы, обусловленное химическим процессом.

Основная реакция при обжиге глины: 3 [Al2O3• 2 SiO2• 2H2O] = 3 Al2O3• 2SiO2 + 4SiO2

+ 6H2O

46. Физические свойства металлов

Все металлы имеют ряд общих, характерных для них свойств. Общими свойствами считаются: высокая электропроводность и теплопроводность, пластичность.

Физические свойства металлов очень подвижны, например температура плавления может варьировать от 38,87 °С (Hg – ртуть) до 3380 °С (W – вольфрам), плотность - от

0,531 г/см3 (Li – литий) до 22,5 г/см3 (Os – осмий).

Коэффициент электропроводности металлов характеризует их способность к проведению электричества. Коэффициент зависит от строения и свойств металла, у каждого металла он свой индивидуальный. Теория электропроводности состоит в том, что фактором электрического сопротивления металлов являются потери на излучение. Пользуясь теорией можно вычислить коэффициент для любого металла.

Металлы способны испускать электроны при высокой температуре, это явление называется термоэлектронная эмиссия, возникающая также под воздействием других факторов (электромагнитое поле, воздействие УФ и др.). Перепад температуры провоцирует в металлах появление электрического тока. Движения электронов в металлах обуславливают их теплопроводность.

Отношение теплопроводности металлов и их электрической проводимости является постоянной величиной для всех металлов.

По магнитной восприимчивости металлы делятся на диамагнетики и

парамагнетики.

Металлы непрозрачны, обладают металлическим блеском, сочетают в себе такие качества как: пластичность, вязкость, прочность, твердость и упругость. Все эти свойства зависят целостности кристаллической решетки и состава.

Пластичность металлов находит большое практическое применение, благодаря ему металлы можно подвергать различным воздействиям – ковке, вытягиванию, прокатке,

63

штамповке. Это свойство можно объяснить специфическими свойствами металлической связи, которая связывает атомы металлов в кристаллической решетке.

Механические свойства реальных металлов характеризуются присутствием дефектов,

в первую очередь дислокаций, потому что перемещение дислокаций по плоскостям кристаллической решетки с наиболее плотной упаковкой считается основным механизмом пластической деформации металлов. При взаимодействии дислокаций с другими дефектами вызывает увеличение сопротивлению пластической деформации. Во время деформации количество дислокация растет, одновременно с ними растет сопротивление деформации

(деформационное упрочнение или наклеп). Подобные дефекты металла можно устранить при отжиге. В локализациях «сгущения» рост напряжений способен привести к образованию трещин, являющихся очагами разрушения металла.

47. Химические свойства металлов

Металлы обладают низким потенциалом ионизации и сродством к электрону,

поэтому в химических реакциях выступают в качестве восстановителей, в растворах образуют катионы. Электроотрицательность металлов ниже, чем у неметаллов. Могут,

входить в состав сложных анионов или комплексов, но при этом являются центрами положительного заряда. Лишь у амфотерных металлов (проявляющих как окислительные,

так и восстановительные свойства) Sn олово, Po полоний, Sb сурьма и др. существуют соединения с отрицательной степенью окисления. Во всех химических соединениях металлов химическая ковалентная полярная связь.

Сильно варьируется способность металлов к окислению. Основная часть металлов взаимодействует с кислородом воздуха при комнатной температуре, но скорость и механизм протекания реакции зависят от состава и чистоты металла (чаще образуются оксиды, у

щелочных металлов - пероксиды). Некоторые металлы на воздухе образуют оксидную пленку, которая предохраняет металл от дальнейшего окисления (Al алюминий, Ti титан,

Сr хром).

Металлы, имеющие стандартный электродный потенциал отрицательнее —0,413 В,

окисляются водой, выделяя при этом Н2. Щелочные и щелочноземельные металлы вступают во взаимодействие с водой при комнатной температуре, другие (Zn цинк, Fe железо и др.) -

при высоких температурах. Растворимые анионные комплексы бериллия, цинка, алюминия,

галлия, олова вступают в реакцию с растворами щелочей.

64

Основная часть металлов окисляется определенными кислотами. Металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода окисляются ионом водорода, входящего в состав кислот и образуют, раствор соли, если не происходит образования нерастворимых продуктов реакции.

С азотной кислотой в зависимости от ее концентрации металлы взаимодействуют по-

разному. Концентрированная азотная кислота пассивирует некоторые металлы, например

железо, а разбавленная вступает во взаимодействие с ними, образуя катионные комплексы.

Чтобы получить раствор малоактивных металлов, например золота или платины,

используют смеси, содержащие окислитель и поставщика лигандов, такие как царская водка или смесь HNO3 и HF.

Важным характерным свойством металлов является способность образовывать основные оксиды и гидроксиды. В главных подгруппах периодической системы основность оксидов и гидроксидов идет на возрастание сверху вниз, а в побочных подгруппах

(исключение составляют I - III) - наоборот снизу вверх. С ростом порядкового номера в периодах и рядах основность металла убывает. Металлы, имеющие несколько степеней окисления, имеют кислотные оксиды.

48. Металлы и сплавы в технике

В периодической системе из 110 известных элементов – 88 металлы. В XX веке при помощи ядерных реакций были получены – радиоактивные металлы, которых не существует в природе. В современной металлургии получают более 60 металлов, а на основе которых -

5000 сплавов. Основой структуры металлов является металлическая связь (кристаллическая решетка из положительных ионов, погруженная в плотный газ подвижных электронов). Она обуславливает физические свойства металлов: пластичность, электропроводность,

теплопроводность, металлический блеск.

Пластичность — способность металлов изменять форму, уменьшается в ряду Au, Ag,

Cu, Sn, Pb, Zn. Fe.

Высокая электропроводность металлов связана с наличием свободных электронов,

которые под влиянием даже небольшой разности потенциалов перемещаются от отрицательного полюса к положительному. Лучший проводник электричества - серебро, за ним идут медь, золото, алюминий, железо.

Самый легкий металл - литий (плотность 0,53 г/см3), самый тяжелый - осмий (22,6

г/см3). Легкие металлы - металлы с плотностью меньше 5 г/см 3

65

Тяжелые металлы – металлы с плотностью больше 5 г/см 3.

Сильно разнятся температуры плавления металлов. Металлы различаются по твердости. Прочность металлической связи влияет на прочность, температура плавления и твердость металлов.

Сплавы – системы, в состав которых входят два или более металлов, реже могут входить – неметаллы (углерод, кремний, бор).Все сплавы на основе железа (чугун, сталь), в

том числе и само железо называют черными металлами. Все остальные – цветные металлы

(дуралюмин, латунь).

Компоненты, входящие в состав сплава:

1)механическая смесь (между простыми веществами без взаимодействия);

2)химические соединения (вещества в сплаве, вступающие во взаимодействие);

3)твердые растворы (вещества взаиморастворяющиеся);

4)промежуточные соединения.

В расплавленном состоянии большая часть металлов при растворении друг в друге образуют однородный жидкий сплав. Но, кристаллизуясь, ведут себя по-разному. При твердом состоянии металлы не растворяются и не взаимодействуют друг с другом. Сплав представлен механической смесью из кристаллитов компонентов. Металлы сплавляемые вступают в реакцию друг с другом, образуя новое химическое соединение. Твердый раствор – образование однородных кристаллов, в результате сохранения растворимости металлов друг в друге. Сталь – сплав железа и углерода, имеющий примеси марганца,

кремния, серы и фосфора.

49. Основные способы получения металлов

Большое количество металлов находится в природе в виде соединений.

Самородными металлами называются те, которые встречаются в свободном состоянии

(золото, платина, ртуть, олово). Золото добывают либо, отделяя механически от примесей,

либо извлекая из породы при помощи реагентов. Остальные металлы получают с помощью химической обработки их соединений. Руды - горные породы и минералы, имеющие в составе соединения металлов, пригодные для получения их промышленным способом

(оксиды, сульфиды и карбонаты металлов).

Способы получения металлов:

66

1)одним из главных способов получения металлов из руд основан на восстановлении их оксидов углем: Cu2O + C = 2Cu + CO↑;

2)также производят выплавку чугуна их железных руд, получение олова из оловянного камня SnO2 и восстановление других металлов из оксидов;

3)для получения металлов из сернистых руд, последние вначале переводят в сернистые соединения с помощью обжигания в специальных печах:

2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2SO2

ZnO + C = Zn + CO

Руду представляющую собой соль угольной кислоты можно сразу восстанавливать при помощи угля: ZnCO3 = ZnO + CO2↑

Руды содержат в себе немало примесей (песок, известняк, глина). Для облегчения выплавки металла смеси устраняют, добавляя разнообразные вещества (флюсы),

образующие с ними легкоплавкие соединения – шлаки. В тех случаях, когда примесей в руде много, ее обогащают, путем удаления части примесей. Самый распространенный способ обогащения – флотация. Пример: руду, состоящую из сернистого металла и пустой породы измельчают, заливают водой, прибавляя малополярное органическое вещество (для образования пены) и небольшое количество реагента «коллектора», который адсорбируется поверхностью минерала, в результате чего она не смачиваться водой. Через смесь снизу пропускают струю воздуха, перемешивающую руду с водой и прибавленными веществами.

В результате частицы минерала со слоем молекул «коллектора» прилипают к пузырькам воздуха, а частицы пустой породы, смоченные водой – опускаются на дно. Затем пену собирают, отжимают и получают руду с большим содержанием металла. Реже для восстановления металлов используют вместо угля используют другие элементы (водород,

кремний, алюминий, магний и др.). Существует также гравитационное обогащение,

основанное на различии плотности и разнице падения частиц металлов и воды.

Магнитный способ – разделение металлов по магнитным свойствам.

4)металл можно получить путем электролиза. С его помощью получают одни из наиболее активных металлов;

5)промышленные способы получения металлов:

а) пирометаллургический;

б) электрохимический;

в) гидрометаллургический.

67

50. Коррозия металлов

Коррозия металлов (corrosio - разъедание) – физико-химическая реакция металлов и сплавов с окружающей средой, в результате чего они теряют свои свойства. В основе коррозии лежит реакция на границе раздела фаз между материалом и средой: 3Fe+2О2=Fe3O4

По условиям протекания коррозия подразделяется на:

1)контактную;

2)щелевую;

3)по ватерлинии;

4)в зонах обрызгивания;

5)в зонах переменного смачивания;

6)протекающую по конденсации кислых паров;

7)радиационную;

8)происходящую при теплоотдаче;

9)образованную блуждающими токами.

Типы коррозии:

1)Химическая или газовая коррозия (металлы и сплавы разрушаются взаимодействуя с кислородом, водородом и другими газами при отсутствии влаги).

2)Электрохимическая коррозия (возникновение контакта металла или сплава в растворе электролита).

Химическая коррозия. Представлена процессами окисления металла и восстановления агента коррозии (чаще всего – кислород): 2Ме + О2 = 2МеО

Важную роль играет газовая коррозия – коррозия металлов при высоких температурах в сухих газах (продукты сгорания топлива и др.).

Факторы, воздействующие на скорость газовой коррозии:

1)природа металла (сплава);

2)состав газовой среды;

3)механические свойства образующихся продуктов коррозии (оксидных пленок);

4)температура.

Электрохимическая коррозия. Более распространена, включает в себя процессы окисления металла и восстановления коррозийного агента, протекающие раздельно в электролитной среде(растворы солей, кислот, почва и др.)

Ход электрохимической коррозии является совокупностью двух сопряжено протекающих реакций: анодной реакции (окисления) Ме = Ме z + + ze - и катодной реакции

68

(восстановления) D + ze - + ( Dze - ), где D – деполяризатор (окислитель), присоединяющий к себе электроны металла (кислород, ионы водорода и некоторых металлов).

Процесс ржавления железа: 2Fe + 2H2O + O2 = 2Fe2+ + 4OH-

В углеродистых сталях нередко возникают гальванические элементы «катод - анод».

Это происходит в связи с дифференциацией поверхностей сталей на участки, имеющие различные электронные потенциалы.

Электрохимическая коррозия в зависимости от коррозийной среды делится на:

1)атмосферную;

2)почвенную;

3)микробиологическую;

4)жидкостную.

Интенсивность коррозии зависит от химического состава металла (его сплавов),

содержания примесей и самого окислителя, его концентрации, влажности воздуха.

51. Защита металлов от коррозии

Защита металлов и сплавов от коррозии в агрессивных средах основывается

1)повышение коррозионной стойкости самого материала;

2)снижение агрессивности среды;

3)предотвращение контакта материала со средой с помощью изолирующего

покрытия;

4)регулирование электродного потенциала защищаемого изделия в данной среде.

Существуют методы, используемые для защиты от электрохимической

коррозии:

1)использование химически стойких сплавов;

2)защита покрытием поверхности металла или сплава;

3)снижение активности коррозийной среды;

4)электрохимические методы.

Самыми химически устойчивыми сплавами считаются нержавеющие (13% хрома) и

кислотоупорные (18% хрома 8-10% никеля) стали.

Для покрытия металлов используются различные виды покрытий – металлические,

неметаллические, покрытия, образующиеся при электрохимической и химической обработке

69

поверхности металлов. Металлические покрытия – хром, никель, цинк, кадмий, алюминий,

олово и др. Их наносят, используя методы гальванотехники.

Неметаллические покрытия – лаки, краски, эмали, фенолформальдегидные смолы и

др.

Покрытия, получающиеся в результате обработки металла – оксидные или солевые пленки (оксидирование алюминия).

Метод снижения агрессивности среды наиболее эффективен для изделий используемых в малом количестве жидкости. Самыми распространенными агрессивными средами являются вода, водные растворы щелочей и кислот, почва и атмосфера. От концентрации растворенных кислорода и углекислого газа зависит агрессивность водных сред. Физически кислород и углекислый газ можно удалить, нагревая воду при пониженном давлении, химически – пропуская через слой стальных или железных стружек или обрабатывая восстановителем. Еще агрессивность водных сред снимают, используя ингибиторы коррозии. Анодные ингибиторы - гидроксид, карбонат, фосфаты, нитрит и бензоат натрия. Катодные ингибиторы - сульфаты цинка, бикарбонат натрия.

Лучший эффект достигается в сочетании с катодными ингибиторами. В кислых средах применяют органические ингибиторы. Существуют ингибиторы-пассиваторы – переводят металл в пассивное состояние (окислители пероксидного типа, соединения благородных металлов).

Агрессивность атмосферы зависит от ее влажности и района (промышленный,

сельский и др.). Влияние атмосферы зависит от гигроскопичности продуктов коррозии металла и пылевых частиц на поверхности. Гигроскопичность продуктов коррозии стали уменьшают легированием медью в небольших количествах. Коррозионная агрессивность почвы обусловливается содержанием в ней О2, влажностью, электрической проводимостью,

рН.

52. Общая характеристика подгруппы лития

Подгруппа лития – 1 группа, главная подгруппа – включает щелочные металлы: Li -

литий, Na - натрий, K - калий, Cs - калий, Rb - рубидий, Fr - франций. Общая электронная конфигурация – ns1. Физические свойства: невысокие температуры плавления и кипения,

малая плотность, все металлы мягкие, легко режутся, кристаллизуются в объемно кристаллической решетке. Металлы серебристо-белые, только цезий золотисто-желтого

70