Физические свойства металлов

Вывод закона Фарадея

(1)

(2)

(3)

(4)

, где z — валентность атома (иона) вещества, e — заряд электрона (5)

Подставляя (2)-(5) в (1), получим

где — постоянная Фарадея.

2 закон.

Электрохимические эквиваленты различных веществ относятся, как их химические эквиваленты.

Химическим эквивалентом иона называется отношение молярной массы A иона к его валентности z. Поэтому электрохимический эквивалент

где — постоянная Фарадея.

Второй закон Фарадея записывается в следующем виде:

где — молярная масса данного вещества, образовавшегося (однако не обязательно выделившегося — оно могло и вступить в какую-либо реакцию сразу после образования) в результате электролиза, г/моль; — сила тока, пропущенного через вещество или смесь веществ (раствор, расплав), А; — время, в течение которого проводился электролиз, с; — постоянная Фарадея, Кл·моль⁻¹; — число участвующих в процессе электронов, которое при достаточно больших значениях силы тока равно абсолютной величине заряда иона (и его противоиона), принявшего непосредственное участие в электролизе (окисленного или восстановленного). Однако это не всегда так; например, при электролизе раствора соли меди(II) может образовываться не только свободная медь, но и ионы меди(I) (при небольшой силе тока).

Применение. Явление электролиза широко применяется в современной промышленности. В частности, электролиз является одним из способов промышленного получения алюминия, водорода, а также гидроксида натрия, хлора, хлорорганических соединений^{[ источник не указан 1318 дней ]}, диоксида марганца^[2], пероксида водорода. Большое количество металлов извлекаются из руд и подвергаются переработке с помощью электролиза (электроэкстракция, электрорафинирование). Также, электролиз является основным процессом, благодаря которому функционирует химический источник тока.

Электролиз находит применение в очистке сточных вод (процессы электрокоагуляции, электроэкстракции, электрофлотации).

Электролиз с растворимым анодом. Электролиз с растворимым анодом.

В качестве растворимых электродов, анодов чаще всего принимаются Cu, Ni, Кобальт, олово.

Рассмотрим в качестве примера электролиз водного раствора сульфата кадмия с кадмиевыми анодом и катодом E₀= - 0.4 В.

На катоде будут восстанавливаться ионы кадмия и молекулы воды. А на аноде окисляться материал электрода кадмий:

CdSO₄ →Cd²⁺+SO₄^2-

(-)K 2H₂O+ 2ē→2OH+H₂⁴, Cd²⁺+ 2ē→Cd|1

(+)A Cd⁰-2ē→Cd²⁺ |2

2H₂O+Cd²⁺+2Cd⁰→2OH^-+H₂+2Cd²⁺+Cd^0.

Нерастворимым называется анод, материал которого не претерпевает окисления в ходе электролиза. На нерастворимом аноде при электролизе водных растворов щелочей и фторидов происходит электрохимическое окисление воды с выделением кислорода.

Вопрос 47.

Коррозия металлов — разрушение металлов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с коррозионной средой. Для процесса коррозии следует применять термин «коррозионный процесс», а для результата процесса — «коррозионное разрушение». Образование гальванических пар с пользой применяют для создания батарей и аккумуляторов. С другой стороны, образование такой пары приводит к неблагоприятному процессу, жертвой которого становится целый ряд металлов, — коррозии. Под коррозией понимают происходящее на поверхности электрохимическое или химическое разрушение металлического материала. Наиболее часто при коррозии металл окисляется с образованием ионов металла, которые при дальнейших превращениях дают различные продукты коррозии. Коррозия может быть вызвана как химическим, так и электрохимическим процессом. Соответственно, различают химическую и электрохимическую коррозию металлов.

Химическая коррозия — взаимодействие поверхности металла с коррозионно-активной средой, не сопровождающееся возникновением электрохимических процессов на границе фаз. В этом случае взаимодействия окисление металла и восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекают в одном акте. Например, образование окалины при взаимодействии материалов на основе железа при высокой температуре с кислородом:

4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃

При электрохимической коррозии ионизация атомов металла и восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекают не в одном акте и их скорости зависят от электродного потенциала металла (например, ржавление стали в морской воде).

Электрохимическая коррозия. Электрохимическая коррозия возникает при контакте металла с окружающей электролитически проводящей средой. При этом восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекает не одновременно с ионизацией атомов металла и от электродного потенциала металла зависят их скорости. Первопричиной электрохимической коррозии является термодинамическая неустойчивость металлов в окружающих их средах. Ржавление трубопровода, обивки днища морского суда, различных металлоконструкций в атмосфере - это, и многое другое, примеры электрохимической коррозии.

К электрохимической коррозии относятся такие виды местных разрушений, как питтинги, межкристаллитная коррозия, щелевая. Кроме того процессы электрохимической коррозии происходят в грунте, атмосфере, море.

В отличии химического, электрохимические процессы контролируются (зависят) не только от концентрации реагирующих веществ, но и, главным образом, зависят от потенциала поверхности металла.На границе раздела двух разнородных фаз происходит переход заряженных частиц - ионов или электронов из одной фазы в другую, следовательно, возникает разность электрических потенциалов, распределения упорядоченных электрических зарядов, т.е. образование двойного электрического слоя.

 

Коррозия оцинкованного железа. Кислая среда. В пробирку опускаем кусочек оцинкованного железа. Наблюдение: Железо, покрытое цинком, наблюдается выделение пузырьков, синее окрашивание.Вывод: В кислом растворе происходит коррозия оцинкованного железа.

Нейтральная среда: При коррозии железа на аноде протекает следующий процесс- На катодных участках поверхности в нейтральных и щелочных средах осуществляется процесс ионизации кислорода, растворенного в электролите или в тонкой пленке влаги.

Схема коррозии оцинкованного железа

К железу-катоду будут подходить ионы водорода (вода) и разряжаться, принимая электроны. Образующиеся атомы водорода объединяются в молекулу H₂. Таким образом, потоки ионов будут разделены и это облегчает протекание электрохимического процесса. Растворению (коррозии) будет подвергаться цинковое покрытие, а железо до поры до времени будет защищено. Цинк электрохимически защищает железо от коррозии. На этом принципе основан протекторный метод защиты от коррозии металлических конструкций и аппаратов. Английское слово «претект» – означает защищать, предохранять. При протекторной защите к конструкции, к аппарату через проводник электрического тока присоединяется кусок более электроотрицательного металла. Его можно поместить прямо в паровой котел.

При наличии влаги, а точнее в присутствии электролита начнет действовать гальванический элемент. В нем будет растворяться более электроотрицательный металл, а конструкция или аппарат оказываются катодно защищенными. Защита будет действовать до тех пор, пока полностью не растворится анод – более электроотрицательный металл.

Вероятно, впервые катодную защиту применил знаменитый английский ученый Дэви (1824). Для защиты медной облицовки морских судов он рекомендовал использовать «жертвенные» аноды из железа, которые присоединялись снаружи к корпусу судна. Скорость коррозии медной облицовки в морской воде при этом, действительно, значительно снизилась. Однако вместо одной неприятности появилась другая. Ионы меди Cu²⁺ являются биоцидными (ядовитыми) для микроорганизмов. Поскольку медный корпус оказался защищенным и ионы меди перестали переходить в морскую воду, то корпус оказался беззащитным от микроорганизмов. Они стали поселяться на корпусе судна, что приводило к обрастанию ракушками. В результате скоростные характеристики судна значительно снизились. Периодическая очистка днища судна от ракушек стоила больших затрат.

С протекторной защитой весьма сходна катодная защита металлов от коррозии. Можно сказать, что катодная защита является модификацией протекторной защиты. В данном случае конструкция или корпус корабля присоединяются к катоду источника постоянного тока и тем самым защищаются от растворения.

При наличии дефектов на белой жести процесс коррозии существенно иной, чем оцинкованного железа. Поскольку олово электроположительнее железа, то растворению подвергается железо, а катодом становится олово (рис. 3). В результате при коррозии слой олова сохраняется, а под ним активно корродирует железо.

 

 

Способы защиты металлов от коррозии. Одним из наиболее распространенных способов защиты металлов от коррозии является нанесение на их поверхность защитных пленок: лака, краски, эмали, других металлов. Качество покрытия зависит от тщательности подготовки поверхности и способа нанесения защитного слоя. Для защиты металлов от коррозии используют стекловидные и фарфоровые эмали – силикатные покрытия, коэффициент теплового расширения которых должен быть близок к таковому для покрываемых металлов. Эмалирование осуществляют нанесением на поверхность изделий водной суспензии или сухим напудриванием. Так же используют цементные покрытия.

Вопрос 48.

Коррозия бетона и меры борьбы с ней Виды коррозии бетона в жидкой среде.   Коррозия 1-го вида объединяет все процессы коррозии, которые возникают в бетоне при действии мягких вод, когда составные части цементного камня растворяются и уносятся протекающей водой. К коррозии 2-го вида относятся те процессы коррозии, которые развиваются в бетоне при действии вод, содержащих химические вещества, вступающие в реакцию с составляющими цементного камня. К этой группе относятся процессы, возникающие при действии кислот, магнезиальных солей. К коррозии 3-го вида относятся те процессы коррозии, при развитии которых в порах и капиллярах бетона происходит накопление малорастворимых солей, кристаллизация которых вызывает возникновение значительных напряжений в стенках пор и капилляров и приводит к разрушению структурных элементов бетона.   Для повышения стойкости бетона при коррозии 1-го вида используют:   бетоны повышенной плотности; специальные цементы, в частности пуццолановые; гидроизоляцию бетона; облицовку или пропитку бетона.   Для защиты бетона от коррозии 2-го вида используют следующие приемы:   правильный выборцемента; повышение плотности бетона; защита поверхности бетона специальными красками; облицовка и др.   Основными мероприятиями по борьбе с коррозией бетона 3-го вида являются: выбор цемента в зависимости от условий службы конструкций и степени агрессивности среды; введение воздухововлекающих, пластифицирующих добавок типа СДБ, повышение плотности бетона различными способами, в том числе применением низких ВЦ и уплотняющих добавок. Если указанные средства не могут обеспечить защиту, то необходимо прекратить доступ воды к поверхности бетона, т.е. применить поверхностную защиту.

КОРРОЗИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ. — Прямое физическое растворение без химических реакций

Физическая коррозия

Это выветривание, растворение, разрушение вследствие температурных колебаний характерных для всех видов горных пород

Физическая коррозия — разрушение из-за кристаллизации солей, наличия в грунте более 1 % вода растворимых солей или высокого уровня грунтовых вод с минерализацией не менее 3000 мг/л. Физическая коррозия может происходить и в результате водной сорбции.

Химическая коррозия — взаимодействие поверхности металла с коррозионно-активной средой, не сопровождающееся возникновением электрохимических процессов на границе фаз. В этом случае взаимодействия окисление металла и восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекают в одном акте.

Магнезиальная коррозия. Если в окружающей цементный камень среде содержатся вещества, образующие с Са(ОН)₂ малорастворимые соединения, то концентрация извести в ней будет поддерживаться на очень низком уровне.

Например, если в пластовых водах есть MgSO₄, то он вступая во взаимодействие с Са(ОН)₂ по реакции:

Са(ОН)₂ + MgSO₄ + 2Н₂О = Mg(ОН)₂ + Са SO₄₊ 2Н₂О

Mg(ОН)₂ и гипс имеют очень низкую растворимость в воде. Mg(ОН)₂ сам по себе представляет рыхлое аморфное вещество. Если подобный процесс будет продолжаться - цементный камень разрушится. Это магнезиальная коррозия. Подобное действие но более слабое, оказывает и хлористый магний.

Углекислотная коррозия. Са(ОН)2 + СО2 = СаСО3 + Н2О СаСО3 + Н2О + СО2 = Са(НСО3)2

Углекислотная коррозия.

В пластовых водах как правило присутствует то или иное количество углекислого газа. Он действует разрушающе, поскольку понижает содержание Са(ОН)₂ окисляя ее сначала до СаСО₃, которая мало растворима, что будет вызывать понижение основности гидратов цемента. При поступлении новых порций СО₂, СаСО₃ окисляется до бикарбоната Са (НСО₃)₂, который хорошо растворим. При незначительной концентрации Са₂ в водах процесс может затухнуть. Однако если кислота содержится в пластовом газе, то вследствие большой проницающей способности, диффузии и осмоса возможно быстрое разрушение камня. Если процесс ограничивается до СаСО₃, то низкоосновные, если до Са (НСО₃)₂ - т о высокоосновные.

Сульфатная коррозия бетона — коррозия бетона в результате взаимодействия цементного камня с сульфатами. Сульфатная коррозия возникает при действии на цементный камень бетона сульфатных вод. Сульфаты CaS04, MgS04, Na2S04 и др. входят в состав большинства природных грунтовых, а также сточных вод. В результате обменной реакции сульфатов с гидроксидом кальция в порах цементного камня образуется двуводный сернокислый кальций (гипс), который взаимодействует с гидроалюминатом кальция:

2(CaS04 +2Н20) + ЗСаО +А1203 + 6Н20 + 19Н20 = ЗСаОА1203 -3CaS04 + 31Н20

Образующийся при этом труднорастворимый гидросульфоалюминат кальция.

Вопрос 49.

Мета́ллы-группа элементов, в виде простых веществ обладающих характерными металлическими свойствами, такими как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и металлический блеск.

Физические свойства металлов

Все металлы (кроме ртути и, условно, франция) при нормальных условиях находятся в твёрдом состоянии, однако обладают различной твёрдостью. Ниже приводится твёрдость некоторых металлов по шкале Мооса.

Температура плавления большинства металлов (за исключением щелочных) высока, однако некоторые «нормальные» металлы, например олово и свинец, можно расплавить на обычной электрической или газовой плите. Большинство металлов пластичны, то есть металлическую проволоку можно согнуть, и она не сломается. Это происходит из-за смещения слоёв атомов металлов без разрыва связи между ними. Самыми пластичными являются золото, серебро и медь. Все металлы хорошо проводят электрический ток; это обусловлено наличием в их кристаллических решётках подвижных электронов, перемещающихся под действием электрического поля. Высокая теплопроводность металлов также зависит от подвижности свободных электронов. Гладкая поверхность металлов отражает большой процент света — это явление называется металлическим блеском. Однако в порошкообразном состоянии большинство металлов теряют свой блеск; алюминий и магний, тем не менее, сохраняют свой блеск и в порошке. Наиболее хорошо отражают свет алюминий, серебро и палладий — из этих металлов изготовляют зеркала. Для изготовления зеркал иногда применяется и родий, несмотря на его исключительно высокую цену: благодаря значительно большей, чем у серебра или даже палладия, твёрдости и химической стойкости, родиевый слой может быть значительно тоньше, чем серебряный.

Цвет у большинства металлов примерно одинаковый — светло-серый с голубоватым оттенком. Золото, медь и цезий соответственно жёлтого, красного и светло-жёлтого цвета.