Вплив навколишнього середовища на метали
I. Будова атомів металів. Положення металів у
періодичній системі. Групи металів.
В
даний час відомо 105 хімічних елементів, більшість з них --
метали. Останні досить поширені в природі і зустрічаються у вигляді
різних з'єднань в надрах землі, водах річок, озер, морів, океанів, складі
тіл тварин, рослин і навіть в атмосфері.
За
своїх властивостях метали різко відрізняються від неметалів. Вперше це розходження
металів і неметалів визначив М. В. Ломоносов. "Метали, - писав він, - тіла
тверді, ковкі блискучі ".
Зараховуючи
той чи інший елемент до розряду металів, ми маємо на увазі наявність у нього
певного комплексу властивостей:
Щільна
кристалічна структура.
Характерний
металевий блиск.
Висока
теплопровідність і електрична провідність.
Зменшення
електричної провідності із зростанням температури.
Низькі
значення потенціалу іонізації, тобто здатність легко віддавати електрони.
Ковкість
і тягучість.
Здатність
до утворення сплавів.
Всі
метали та сплави, застосовувані в даний час в техніці, можна розділити на
дві основні групи. До першої з них відносять чорні метали - залізо і всі його
сплави, в яких воно складає основну частину. Цими сплавами є чавуни
і сталі. У техніці часто використовують так звані леговані сталі. До них
відносяться сталі, що містять хром, нікель, вольфрам, молібден, ванадій, кобальт,
титан і інші метали. Іноді в леговані сталі входять 5-6 різних
металів. Методом легування одержують різні коштовні сталі, що володіють у
одних випадках підвищеною міцністю, в інших - високу опірність до
стирання, в третій - корозійною стійкістю, тобто здатністю не
руйнуватися під дією зовнішнього середовища.
Ко
другої групи відносять кольорові метали та їх сплави. Вони отримали таку назву
тому, що мають різне забарвлення. Наприклад, мідь світло-червона, нікель,
олово, срібло - білі, свинець - блакитно-білий, золото-жовте. Із сплавів в
практиці знайшли велике застосування: бронза - сплав міді з оловом і іншими
металами, латунь - сплав міді з цинком, бабіт - сплав олова з сурмою і міддю
та ін
Це
розподіл на чорні і кольорові метали умовно.
Поряд
з чорними та кольоровими металами виділяють ще групу благородних металів:
срібло, золото, платину, рутеній і деякі інші. Вони названі так тому,
що практично не окисляються на повітрі навіть при підвищеній температурі і не
руйнуються при дії на них розчинів кислот і лугів.
Фізичні
властивості металів.
З
зовнішнього боку метали, як відомо, характеризуються насамперед особливим
"Металевим" блиском, який обумовлюється їх здатністю сильно
відбивати промені світла. Однак цей блиск спостерігається звичайно тільки в тому
випадку, коли метал утворює суцільну компактну масу. Правда, магній і
алюміній зберігають свій блиск, навіть будучи перетвореними, в порошок, але
більшість металів у мелкораздробленном вигляді має чорний або темно-сірий
колір. Потім типові метали володіють високою тепло-і електропровідність,
причому по здатності проводити тепло і струм розташовуються в одному і тому ж
порядку: кращі провідники - срібло і мідь, гірші - свинець і ртуть. З
підвищенням температури електропровідність падає, при зниженні температури,
навпаки, збільшується.
Дуже
важливою властивістю металів є їх порівняно легка механічна
деформуємість. Метали пластичні, вони добре куються, витягуються в
дріт, прокочуються в листи і т.п.
Характерні
фізичні властивості металів знаходяться у зв'язку з особливостями їх внутрішньої
структури. Відповідно до сучасних поглядів, кристали металів складаються з
позитивно заряджених іонів і вільних електронів, відщеплять від
відповідних атомів. Весь кристал можна собі представити у вигляді
просторової решітки, вузли якої зайняті іонами, а в проміжках між
іонами знаходяться легкорухливою електрони. Ці електрони постійно переходять від
одних атомів до інших і обертаються навколо ядра то одного, то іншого атома. Так
як електрони не пов'язані з певними іонами, то вже під впливом невеликої
різниці потенціалів вони починають переміщатися в певному напрямку, тобто
виникає електричний струм.
Наявністю
вільних електронів обумовлюється і висока теплопровідність металів.
Знаходячись в безперервному русі, електрони постійно зіштовхуються з іонами і
обмінюються з ними енергією. Тому коливання іонів, що посилилися в даній
частини металу внаслідок нагрівання, зараз же передаються сусіднім іонів, від
них - наступним і т.д., і тепловий стан металу швидко вирівнюється; вся
маса металу приймає однакову температуру.
За
щільності метали умовно поділяються на дві великі групи: легкі метали,
щільність яких не більше 5 г/см3, і важкі метали - всі інші.
Щільність, а також температури плавлення деяких металів приведені в таблиці
№ 1.
Таблиця
№ 1
Щільність
і температура плавлення деяких металів.
Назва
Атомний вага
Щільність,
г/см3
Температура плавлення, C
Легкі метали.
Літій
6,939
0,534
179
Калій
39,102
0,86
63,6
Натрій
22,9898
0,97
97,8
Кальцій
40,08
1,55
850
Магній
24,305
1,74
651
Цезій
132,905
1,90
28,5
Алюміній
26,9815
2,702
660,1
Барій
137,34
3,5
710
Важкі метали
Цинк
65,37
7,14
419
Хром
51,996
7,16
1875
Марганець
54,9380
7,44
1244
Олово
118,69
7,28
231,9
Залізо
55,847
7,86
1539
Кадмій
112,40
8,65
321
Нікель
58,71
8,90
1453
Мідь
63,546
8,92
1083
Вісмут
208,980
9,80
271,3
Срібло
107,868
10,5
960,8
Свинець
207,19
11,344
327,3
Ртуть
200,59
13,546
-38,87
Вольфрам
183,85
19,3
3380
Золото
196,967
19,3
1063
Платина
195,09
21,45
1769
Осмій
190,2
22,5
2700
Частинки
металів, що знаходяться в твердому і рідкому стані, зв'язані особливим типом
хімічного зв'язку - так званої металевої зв'язком. Вона визначається одночасним
наявністю звичайних ковалентних зв'язків між нейтральними атомами і кулонівською
тяжінням між іонами і вільними електронами. Таким чином, металева
зв'язок є властивістю не окремих частинок, а їх агрегатів.
Хімічні властивості металів.
Основним
хімічною властивістю металів є здатність їхніх атомів легко віддавати
свої валентні електрони і переходити в позитивно заряджені іони. Типові
метали ніколи не приєднують електронів; їх іони завжди заряджені
позитивно.
Легко
віддаючи під час хімічних реакціях свої валентні електрони, типові метали
є енергійними відновлювачами.
Здатність
до віддачі електронів виявляється в окремих металів далеко не в однаковій
ступеня. Чим легше метал віддає свої електрони, тим він активніше, тим
енергійніше вступає у взаємодію з іншими речовинами.
Опустимо
шматочок цинку в розчин якої-небудь свинцевою солі. Цинк починає
розчинятися, а з розчину виділяється свинець. Реакція виражається рівнянням:
Zn
+ Pb (NO3) 2 = Pb + Zn (NO3) 2
З
рівняння випливає, що ця реакція є типовою реакцією
окислення-відновлення. Суть її зводиться до того, що атоми цинку віддають
свої валентні електрони іонів двовалентного свинцю, тим самим перетворюючись на
іони цинку, а іони свинцю відновлюються і виділяються у вигляді металевого
свинцю. Якщо зробити навпаки, тобто занурити шматочок свинцю в розчин
цинкової солі, то ніякої реакції не відбудеться. Це показує, що цинк більш
активний, ніж свинець, що його атоми легше віддають, а іони сутужніше приєднують
електрони, ніж атоми й іони свинцю.
Витіснення
одних металів з їхніх сполук іншими металами вперше було докладно вивчено
російським ученим Бекетовим, що розташувався метали по їх спадної хімічної
активності в так званий "витеснітельний ряд". В даний час
витеснітельний ряд Бекетова носить назву ряду напруг.
В
таблиці № 2 представлені значення стандартних електродних потенціалів деяких
металів. Символом Me +/Me позначений метал Me, занурений в розчин його солі.
Стандартні потенціали електродів, що виступають як відновлювачі по відношенню
до водню, мають знак "-", а знаком "+" відзначені стандартні потенціали
електродів, які є окислювачами.
Таблиця
№ 2
Стандартні
електродні потенціали металів.
Електрод
Е0, В
Електрод
Е0, В
Li +/Li
-3,02
Co2 +/Co
-0,28
Rb +/Rb
-2,99
Ni2 +/Ni
-0,25
K +/K
-2,92
Sn2 +/Sn
-0,14
Ba2 +/Ba
-2,90
Pb2 +/Pb
-0,13
Sr2 +/Sr
-2,89
H +/1/2H2
0,00
Ca2 +/Ca
-2,87
Sb3 +/Sb
0,20
Na +/Na
-2,71
Bi3 +/Bi
0,23
La3 +/La
-2,37
Cu2 +/Cu
0,34
Mg2 +/Mg
-2,34
Cu +/Cu
0,52
Al3 +/Al
-1,67
Ag +/Ag
0,80
Mn2 +/Mn
-1,05
Pd2 +/Pd
0,83
Zn2 +/Zn
-0,76
Hg2 +/Hg
0,86
Cr3 +/Cr
-0,71
Pt2 +/Pt
1,20
Fe2 +/Fe
-0,44
Au3 +/Au
1,42
Cd2 +/Cd
-0,40
Метали,
розташовані в порядку зростання їх стандартних електродних потенціалів, і
утворюють електрохімічний ряд напруг металів: Li, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Na,
Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb, H, Sb, Bi, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au.
Ряд
напруг характеризує хімічні властивості металів:
Чим
менше електродний потенціал металу, тим більше його відновна
здатність.
Кожен
метал здатний витісняти (відновлювати) з розчинів солей ті метали,
які стоять у ряді напруг після нього.
Всі
метали, що мають негативний стандартний електродний потенціал, тобто
що знаходяться в ряді напруг лівіше водню, здатні витісняти його з
розчинів кислот.
Необхідно
відзначити, що представлений ряд характеризує поводження металів і їх солей
тільки у водних розчинах і при кімнатній температурі. Крім того, потрібно мати
на увазі, що висока електрохімічна активність металів не завжди означає його
високу хімічну активність. Наприклад, ряд напруг починається літієм,
тоді як більш активні в хімічному відношенні рубідій і калій знаходяться
правіше літію. Це пов'язано з винятково високою енергією процесу гідратації
іонів літію в порівнянні з іонами інших лужних металів.
Корозія металів.
Майже
всі метали, приходячи в зіткнення з навколишнім їх газоподібному або рідкому
середовищем, більш-менш швидко піддаються з поверхні руйнуванню. Причиною
його є хімічна взаємодія металів з перебувають у повітрі
газами, а також водою і розчиненими в ній речовинами.
Всякий
процес хімічного руйнування металів під дією навколишнього середовища називають
корозією.
Простіше
всього протікає корозія при зіткненні металів з газами. На поверхні
металу утворяться відповідні сполуки: оксиди, сірчані з'єднання,
основні солі вугільної кислоти, які нерідко покривають поверхню щільним
шаром, що захищає метал від подальшого впливу тих же газів.
Інакше
йде справа при зіткненні металу з рідким середовищем - водою і
розчиненими в ній речовинами. Утворені при цьому з'єднання можуть
розчинятися, завдяки чому корозія поширюється далі всередину металу.
Крім того, вода, що містить розчинені речовини, є провідником
електричного струму, унаслідок чого постійно виникають електрохімічні
процеси, які є одним з головних факторів, що обумовлюють і
прискорюють корозію.
Чисті
метали в більшості випадків майже не піддаються корозії. Навіть такий
метал, як залізо, в абсолютно чистому вигляді майже не іржавіє. Але звичайні
технічні метали завжди містять різні домішки, що створює
сприятливі умови для корозії.
Збитки,
заподіювані корозією металів, величезні. Обчислено, наприклад, що внаслідок
корозії щорічно гине така кількість стали, що дорівнює приблизно
чверті всього світового видобутку його за рік. Тому вивчення процесів корозії та
відшукання найкращих засобів її запобігання приділяється дуже багато уваги.
Способи
боротьби з корозією надзвичайно різноманітні. Найбільш простий з них
полягає в захисті поверхні металу від безпосереднього зіткнення з
навколишнім середовищем шляхом покриття олійною фарбою, лаком, емаллю або, нарешті,
тонким шаром іншого металу. Особливий інтерес з теоретичної точки зору
представляє покриття одного металу іншим.
До
них відносяться: катодного покриття, коли захищає метал стоїть у ряду
напруг правіше захищає (типовим прикладом може служити луджена, тобто
покрита оловом, сталь); анодна покриття, наприклад, покриття стали цинком.
Для
захисту від корозії доцільно покривати поверхня металу шаром більш активного
металу, ніж шаром менш активного. Однак інші міркування нерідко
змушують застосовувати також покриття з менш активних металів.
На
практиці найчастіше доводиться вживати заходів до захисту стали як металу,
особливо схильного до корозії. Крім цинку, з більш активних металів для
цієї мети іноді застосовують кадмій, що діє подібно цинку. З менш активних
металів для покриття стали найчастіше використовують олово, мідь, нікель.
Покриті
нікелем сталеві вироби мають красивий вигляд, чим пояснюється широке
поширення нікелювання. При ушкодженні шаруючи нікелю корозія проходить
менш інтенсивно, ніж при пошкодженні шару міді (або олова), так як різниця
потенціалів для пари нікель-залізо набагато менше, ніж для пари мідь-залізо.
З
інших способів боротьби з корозією існує ще спосіб протекторів,
що полягає в тому, що захищається металевий об'єкт приводиться в контакт з
великою поверхнею більш активного металу. Так, у парові казани вводять аркуші
цинку, що перебувають у контакті із стінками котла і утворюють із ними
гальванічну пару.
Поняття про сплавах.
Характерною
особливістю металів є їхня здатність утворювати один з одним або з
неметалами сплави. Щоб одержати сплав, суміш металів зазвичай піддають
плавлення, а потім охолоджують з різною швидкістю, яка визначається
природою компонентів і зміною характеру їх взаємодії в залежності від
температури. Іноді сплави одержують спіканням тонких порошків металів, не
прибігаючи до плавлення (порошкова металургія). Отже сплави - це продукти
хімічної взаємодії металів.
Кристалічна
структура сплавів багато в чому подібна чистим металів, які, взаємодіючи
один з одним при плавленні і наступної кристалізації, утворять: а)
хімічні сполуки, які називаються інтерметаліди; б) тверді розчини; в)
механічну суміш кр?? сталлю компонентів.
Той
чи інший тип взаємодії визначається співвідношенням енергії взаємодії
різнорідних і однорідних частинок системи, тобто співвідношенням енергій
взаємодії атомів у чистих металах і сплавах.
Сучасна
техніка використовує величезне число сплавів, причому в переважній більшості
випадків вони складаються не з двох, а з трьох, чотирьох і більше число металів.
Цікаво, що властивості сплавів часто різко відрізняються від властивостей
індивідуальних металів, якими вони утворені. Так, сплав, який містить 50%
вісмуту, 25% свинцю, 12,5% олова і 12,5% кадмію, плавиться усього при 60,5
градусах Цельсія, у той час як компоненти сплаву мають відповідно
температури плавлення 271, 327, 232 і 321 градус за Цельсієм. Твердість олов'яної
бронзи (90% міді і 10% олова) утроє більше, ніж у чистої міді, а коефіцієнт
лінійного розширення сплавів заліза і нікелю в 10 разів менше, ніж у чистих
компонентів.
Однак
деякі домішки погіршують якість металів і сплавів. Відомо, наприклад, що
чавун (сплав заліза й вуглецю) не має ту міцність і твердістю,
які характерні для сталі. Крім вуглецю, на властивості сталі впливають добавки
сірки і фосфору, що збільшують її крихкість.
Серед
властивостей сплавів найбільш важливими для практичного застосування є
жароміцних, корозійна стійкість, механічна міцність і ін Для авіації
велике значення мають легкі сплави на основі магнію, титану або алюмінію, для
металообробної промисловості - спеціальні сплави, що містять вольфрам,
кобальт, нікель. В електронній техніці застосовують сплави, основним компонентом
яких є мідь. Надпотужні магніти вдалося отримати, використовуючи продукти
взаємодії кобальту, самарію та інших рідкоземельних елементів, а
надпровідні при низьких температурах сплави - на основі інтерметалідів,
утворених ніобієм з оловом і ін
VI. Способи отримання металів.
Величезне
більшість металів знаходиться в природі у вигляді сполук з іншими елементами.
Тільки
деякі метали зустрічаються у вільному стані, і тоді вони називаються
самородними. Золото і платина зустрічаються майже виключно в самородному
вигляді, срібло і мідь - почасти в самородному вигляді, іноді трапляються також
самородні ртуть, олово і деякі інші метали.
Добування
золота та платини здійснюється або за допомогою механічного відділення їх від тієї
породи, в якій вони укладені, наприклад промиванням води, чи шляхом витягу
їх з породи різними реагентами з наступним виділенням металу з
розчину. Всі інші метали добуваються хімічною переробкою їхніх природних
з'єднань.
Мінерали
і гірські породи, що містять сполуки металів і придатні для одержання цих
металів заводським шляхом, звуться руд. Головними рудами є оксиди,
сульфіди і карбонати металів.
Найважливіший
спосіб одержання металів з руд заснований на відновленні їхніх оксидів вугіллям.
Якщо,
наприклад, змішати червону мідну руду (КУПР) Cu2O з вугіллям і піддати
сильному розжарювання, то вугілля, відновлюючи мідь, перетвориться в оксид
вуглецю (II), а мідь виділиться в розплавленому стані:
Cu2O
+ C = 2Cu + CO
Подібним
же чином виробляється виплавка чавуну їх залізних руд, одержання олова з
олов'яного каменю SnO2 і відновлення інших металів з оксидів.
При
переробки сірчистих руд спочатку переводять сірчані з'єднання в кисневі
шляхом випалювання в особливих печах, а потім уже відновлюють отримані оксиди
вугіллям. Наприклад:
2ZnS
+ 3O2 = 2ZnO + 2SO2
ZnO
+ C = Zn + CO
В
тих випадках, коли руда являє собою сіль вугільної кислоти, її можна
безпосередньо відновлювати вугіллям, як і оксиди, тому що при нагріванні
карбонати розпадаються на оксид металу і двоокис вуглецю. Наприклад:
ZnCO3
= ZnO + CO2
Зазвичай
руди, крім хімічної сполуки даного металу, містять ще багато домішок
у вигляді піску, глини, вапняку, які дуже важко плавляться. Щоб полегшити
виплавлення металу, до руди домішують різні речовини, що утворять з домішками
легкоплавкі сполуки - шлаки. Такі речовини називаються флюсами. Якщо
домішка складається з вапняку, то як флюс уживають пісок,
утворить з вапняком силікат кальцію. Навпаки, у випадку великої
кількості піску флюсом служить вапняк.
Під
багатьох рудах кількість домішок (порожньої породи) так велико, що
безпосередня виплавка металів з цих руд є економічно
невигідною. Такі руди попередньо "збагачують", тобто видаляють з них частина
домішок. Особливо широким поширенням користується флотаційні спосіб
збагачення руд (Флотація), заснований на різній смачіваемості чистої руди і
порожньої породи.
Техніка
флотаційного способу дуже проста і в основному зводиться до наступного. Руду,
що складається, наприклад, із сірчистого металу і силікатної порожньої породи, тонко
подрібнюють і заливають у великих чанах водою. До води додають яке-небудь
малополярное органічна речовина, що сприяє утворенню стійкої піни
при збовтуванні води, і невелика кількість спеціального реагенту, так
званого "колектора", який добре абсорбується поверхнею
флотіруемого мінералу і робить її нездатною змочуватися водою. Після цього
через суміш знизу пропускають сильний струмінь повітря, перемішують руду з водою
і доданими речовинами, причому бульбашки повітря оточуються тонкими олійними
плівками і утворюють піну. У процесі перемішування частки флотіруемого
мінералу покриваються шаром адсорбованих молекул колектора, прилипають до
бульбашок продувається повітря, піднімаються разом з ними догори і залишаються в
пені; частинки ж пустої породи, змочується водою, осідають на дно. Піну
збирають і віджимають, отримуючи руду з значно більшим вмістом металу.
Для
відновлення деяких металів з їх оксидів застосовують замість вугілля водень,
кремній, алюміній, магній та інші елементи.
Процес
відновлення металу з його оксиду за допомогою іншого металу називається
Металотермія. Якщо, зокрема, як відновлювача застосовується
алюміній, то процес має назву Алюмінотермія.
Дуже
важливим способом одержання металів є також електроліз. Деякі
найбільш активні метали виходять винятково шляхом електролізу, так як
всі інші засоби виявляються недостатньо енергійними для відновлення їх
іонів.
Список літератури
"Основи
загальної хімії ". Ю. Д. Третьяков, Ю. Г. Метлін. Москва "Просвещение" 1980 г.
"Загальна
хімія ". Н. Л. Глинка. Видавництво "Хімія", Ленінградське відділення 1972
"Чому
і як руйнуються метали ". С. А. Балезін. Москва "Просвещение" 1976 г.
"Посібник
з хімії для вступників до вузів ". Г. П. Хомченко. 1976
"Книга
для читання з неорганічної хімії ".
Частина
2. Укладач В. А. Кріцман. Москва "Просвещение" 1984 г.
"Хімія
і науково-технічний прогрес ". І. М. Семенов, О. С. Максимов, А. А. макарену. Москва
"Освіта", 1988р.
Для
підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://ref.com.ua
