Химические свойства металлов

1 Металлы взаимодействуют с простыми веществами:

Ca + Cl₂ = CaCl₂.

2 Активные металлы реагируют с водой:

2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂↑.

3 Активные металлы взаимодействуют с водородом:

                                                        Т

Са + Н₂ = СаН₂.

                                                                         гидрид

                                                                        кальция

4 Металлы, стоящие до водорода, взаимодействуют с разбавленными растворами кислот:

Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂↑.

5 Металлы реагируют с водными растворами солей менее активных металлов:

Ni + CuSO₄ = NiSO₄ + Cu.

6 Металлы реагируют с кислотами-окислителями:

Cu + 2H₂SO_{4 (конц)} = CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O,

                                                      Т

Zn + 2H₂SO_{4 (конц)} = ZnSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O,

Zn + HNO_{3 (разб.)} = Zn(NO₃)₂ + NH₄OH.

7 Щелочные металлы взаимодействуют со спиртами и фенолами:

2R─ОН + 2Nа = 2R─ONa + H₂.

                                        спирт                алкоголят

                натрия

2С₆Н₅ОН + 2К = 2С₆Н₅ОК + Н₂.

                                          фенол            фенолят калия

8 Металлы взаимодействуют с кислородом с образованием основных или амфотерных оксидов, пероксидов,  надпероксидов, двойных оксидов:

2Mg + O₂ = 2MgO,

4Al + 3O₂ = 2Al₂O₃,

2Na + O₂ = Na₂O₂,

                                             K + O₂ = KO₂,

3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄.

9 Некоторые металлы, которые соответствуют амфотерным гидроксидам, взаимодействуют с растворами щелочей:

Be + 2NaOH + 2H₂O = Na₂[Be(OH)₄] + H₂,

2Al + 2KOH + 10H₂O = 2K[Al(OH)₄∙(H₂O₂)] + 3H₂.

 

Получение металлов

В промышленности металлы получают пиро-, гидро- и электрометаллургией.

Пирометаллургия – получение металлов из руд с помощью реакций восстановления, проводимых при высоких температурах. В качестве восстановителей применяют уголь, оксид углерода (II), водород, метан.  

                                                      Т

Cu₂O + C = 2Cu + CO,

 Т

WO₃ + 3H₂ = W + 3H₂O.

Гидрометаллургия – получение металлов из растворов их солей. Например, при обработке раствором серной кислоты медной руды, содержащей оксид меди (II), медь переходит в раствор в виде сульфата:

CuO + H₂SO₄ = CuSO₄ + H₂O.

Затем медь извлекают из раствора электролизом или с помощью порошка железа:

CuSO₄ + Fe = FeSO₄ + Cu.

Электрометаллургия – получение металлов с помощью электролиза растворов или расплавов солей:

                                                   электролиз

2NaCl → 2Na + Cl₂.

 

Коррозия (от лат. «corrosio»- разъедание) - это самопроизвольное разрушение металлов в результате химического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой. В общем случае - это разрушение любого материала, будь то металл или керамика, дерево или полимер. Причиной коррозии служит термодинамическая неустойчивость конструкционных материалов к воздействию веществ, находящихся в контактирующей с ними среде. Пример - кислородная коррозия железа в воде:

4Fe + 6Н₂О + ЗО₂ = 4Fe(OH)₃.

Гидратированный оксид железа Fe(OН)₃ и является тем, что называют ржавчиной.

В повседневной жизни для сплавов железа (сталей) чаще используют термин «ржавление». Менее известны случаи коррозии полимеров. Применительно к ним существует понятие «старение», аналогичное термину «коррозия» для металлов. Например, старение резины из-за взаимодействия с кислородом воздуха или разрушение некоторых пластиков под воздействием атмосферных осадков, а также биологическая коррозия. Скорость коррозии, как и всякой химической реакции, очень сильно зависит от температуры. Повышение температуры на 100⁰С может увеличить скорость коррозии на несколько порядков.

По типу агрессивных сред, в которых протекает процесс разрушения, коррозия может быть следующих видов: газовая коррозия; атмосферная коррозия; коррозия в неэлектролитах; коррозия в электролитах; подземная коррозия; биокоррозия; коррозия под воздействием блуждающих токов.

По условиям протекания коррозионного процесса различаются следующие виды: контактная коррозия; щелевая коррозия; коррозия при неполном погружении; коррозия при полном погружении; коррозия при переменном погружении; коррозия при трении; межкристаллитная коррозия; коррозия под напряжением.

По характеру разрушения: сплошная коррозия, охватывающая всю поверхность: равномерная; неравномерная; избирательная; локальная (местная) коррозия, охватывающая отдельные участки пятнами; язвенная; точечная (или питтинг); сквозная; межкристаллитная (расслаивающая, в деформированных заготовках, и ножевая, в сварных соединениях).

Главная классификация производится по механизму протекания процесса. Различают два вида: химическую коррозию и электрохимическую коррозию.

Химическая коррозия - взаимодействие поверхности металла с (коррозионно-активной) средой, не сопровождающееся возникновением электрохимических процессов на границе фаз. При таком взаимодействии 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).

Разрушение металла под воздействием возникающих в коррозионной среде гальванических элементов называют электрохимической коррозией (рисунок 2). Не следует путать с электрохимической коррозией коррозию однородного материала, например, ржавление железа или т.п. При электрохимической коррозии (наиболее частая форма коррозии) всегда требуется наличие электролита (конденсат, дождевая вода и т. д.), с которым соприкасаются электроды - либо различные элементы структуры материала, либо два различных соприкасающихся материала с различающимися окислительно-восстановительными потенциалами. Если в воде растворены ионы солей, кислот или т.п., электропроводность ее повышается и скорость процесса увеличивается.

Рисунок 2 - Коррозионный элемент

 

При соприкосновении двух металлов с различными окислительно-восстановительными потенциалами и погружении их в раствор электролита, например, дождевой воды с растворенным углекислым газом CO₂, образуется гальванический элемент, так называемый коррозионный элемент. Он представляет собой не что иное, как замкнутую гальваническую ячейку. В ней происходит медленное растворение металлического материала с более низким окислительно-восстановительным потенциалом; второй электрод в паре, как правило, не корродирует. Этот вид коррозии особо присущ металлам с высокими отрицательными потенциалами. Так, совсем небольшого количества примеси на поверхности металла с большим редокс-потенциалом уже достаточно для возникновения коррозионного элемента. Особо подвержены риску места соприкосновения металлов с различными потенциалами, например, сварочные швы или заклёпки.

Если растворяющийся электрод коррозионностоек, процесс коррозии замедляется. На этом основана, например, защита железных изделий от коррозии путём лужения или оцинковки - олово или цинк имеют более отрицательный потенциал, чем железо, поэтому в такой паре железо восстанавливается, а олово или цинк должны корродировать. Однако в связи с образованием на поверхности олова или цинка оксидной плёнки процесс коррозии сильно замедляется.