Вплив навколишнього середовища на метали

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.


Нажми чтобы узнать.
скачати

Зміст.
1. Будова атомів металів. Положення металів у періодичній системі. Групи металів ... 1
2. Фізичні властивості металів ... 2
3. Хімічні властивості металів ... 3
4. Корозія металів ... 5
5. Поняття про сплави ... 6
6. Способи одержання металів ... 7
7. Список використаної літератури ... 9

I. Будова атомів металів. Положення металів у періодичній системі. Групи металів.
В даний час відомо 105 хімічних елементів, більшість з них - метали. Останні дуже поширені в природі і зустрічаються у вигляді різних сполук у надрах землі, водах річок, озер, морів, океанів, сполуках тіл тварин, рослин і навіть в атмосфері.
За своїми властивостями метали різко відрізняються від неметалів. Уперше 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:
1. Щільна кристалічна структура.
2. Характерний металевий блиск.
3. Висока теплопровідність і електрична провідність.
4. Зменшення електричної провідності із зростанням температури.
5. Низькі значення потенціалу іонізації, тобто здатність легко віддавати електрони.
6. Ковкість і тягучість.
7. Здатність до утворення сплавів.
Усі метали і сплави, застосовувані в даний час у техніку, можна розділити на дві основні групи. До першої з них відносять чорні метали - залізо і весь 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 в одних випадках підвищеною міцністю, в інших - високою опірністю до стирання, в третіх - корозійною стійкістю, тобто здатністю не руйнуватися під дією зовнішнього середовища.
До другої групи відносять кольорові метали та їх сплави. Вони одержали таку назву тому, що мають різне забарвлення. Наприклад, мідь світло-червона, нікель, олово, срібло - білі, свинець - блакитно-білий, золото-жовте. Зі сплавів у практиці знайшли велике застосування: бронза - сплав міді з оловом і іншими металами, латунь - сплав міді з цинком, бабіт - сплав олова з сурмою і міддю й ін
Цей розподіл на чорні і кольорові метали умовно.
Поряд з чорними і 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.
II. Фізичні властивості металів.
З зовнішньої сторони метали, як відомо, характеризуються насамперед особливим "металевим" блиском, що 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 електропровідністю, 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 рисою металів є їх порівняно легка механічна деформованість. Метали пластичні, вони добре куються, витягаються в дріт, прокочуються в листи і т.п.
Характерні фізичні властивості металів знаходяться в зв'язку з особливостями їхньої внутрішньої структури. Відповідно до сучасних поглядів, кристали металів складаються з позитивно заряджених іонів і вільних електронів, відщепилися від відповідних атомів. Весь кристал можна собі уявити у вигляді просторової решітки, вузли якої зайняті іонами, а в проміжках між іонами знаходяться легкорухливі електрони. Ці електрони постійно переходять від одних атомів до іншим і обертаються навколо ядра то одного, то іншого атома. Тому що електрони не зв'язані з визначеними іонами, те вже під впливом невеликої різниці потенціалів вони починають переміщатися в певному напрямі, тобто виникає електричний струм.
Наявністю вільних електронів обумовлюється і висока теплопровідність металів. Перебуваючи в безперервному русі, електрони постійно зіштовхуються з іонами й обмінюються з ними енергією. Тому коливання іонів, що посилилися в даній частині металу внаслідок нагрівання, зараз же передаються сусіднім іонам, від них - наступним і т.д., і тепловий стан металу швидко вирівнюється; вся маса металу приймає однакову температуру.
За щільністю метали умовно поділяються на дві великі групи: легкі метали, щільність яких не більше 5 г / см 3, 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 / см 3
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 металевим зв'язком. Вона визначається одночасною наявністю звичайних ковалентних зв'язків між нейтральними атомами і кулонівським притяганням між іонами і вільними електронами. Таким чином, металевий зв'язок є властивістю не окремих частинок, а їх агрегатів.
III. Хімічні властивості металів.
Основною хімічною властивістю металів є здатність їх атомів легко віддавати свої валентні електрони і переходити в позитивно заряджені іони. Типові метали ніколи не приєднують електронів; їхні іони завжди заряджені позитивно.
Легко віддаючи при хімічних реакціях свої валентні електрони, типові метали є енергійними відновниками.
Здатність до віддачі електронів виявляється в окремих металів далеко не однаковою мірою. Чим легше метал віддає свої електрони, тим він активніше, тим енергійніше вступає у взаємодію з іншими речовинами.
Опустимо шматочок цинку в розчин якої-небудь свинцевої солі. Цинк починає розчинятися, а з розчину виділяється свинець. Реакція виражається рівнянням:
Zn + Pb (NO 3) 2 = Pb + Zn (NO 3) 2
З рівняння випливає, що ця реакція є типовою реакцією окислювання-відновлення. Суть її зводиться до того, що атоми цинку віддають свої валентні електрони іонам двовалентного свинцю, тим самим перетворюючи в іони цинку, а іони свинцю відновлюються і виділяються у вигляді металевого свинцю. Якщо поступити 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 важче приєднують електрони, чим атоми й іони свинцю.
Витіснення одних металів з їхніх сполук іншими металами вперше було докладно вивчене росіянином ученим Бекетовим, що розташував метали по їх спадної хімічній активності в так званий "витіснювальний ряд". В даний час витіснювальний ряд Бекетова носить назву ряду напруг.
У таблиці № 2 представлені значення стандартних електродних потенціалів деяких металів. Символом Me + / Me позначений метал Me, занурений у розчин його солі. Стандартні потенціали електродів, виступаючих як відновники по відношенню до водню, мають знак "-", а знаком "+" відзначені стандартні потенціали електродів, що є окислювачами.
Таблиця № 2
Стандартні електродні потенціали металів.
Електрод
Е 0, В
Електрод
Е 0, В
Li + / Li
-3,02
Co 2 + / Co
-0,28
Rb + / Rb
-2,99
Ni 2 + / Ni
-0,25
K + / K
-2,92
Sn 2 + / Sn
-0,14
Ba 2 + / Ba
-2,90
Pb 2 + / Pb
-0,13
Sr 2 + / Sr
-2,89
H + / 1 / 2 H 2
0,00
Ca 2 + / Ca
-2,87
Sb 3 + / Sb
+0,20
Na + / Na
-2,71
Bi 3 + / Bi
+0,23
La 3 + / La
-2,37
Cu 2 + / Cu
+0,34
Mg 2 + / Mg
-2,34
Cu + / Cu
+0,52
Al 3 + / Al
-1,67
Ag + / Ag
+0,80
Mn 2 + / Mn
-1,05
Pd 2 + / Pd
+0,83
Zn 2 + / Zn
-0,76
Hg 2 + / Hg
+0,86
Cr 3 + / Cr
-0,71
Pt 2 + / Pt
+1,20
Fe 2 + / Fe
-0,44
Au 3 + / Au
+1,42
Cd 2 + / 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:
1. Чим менше електродний потенціал металу, тим більше його відбудовна здатність.
2. Кожен метал здатний витісняти (відновлювати) з розчинів солей ті метали, що коштують у ряді напруг після нього.
3. Усі 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 зв'язано з винятково високою енергією процесу гідратації іонів літію в порівнянні з іонами інших лужних металів.
IV. Корозія металів.
Майже всі метали, приходячи в зіткнення з навколишньою їх газоподібним чи рідким середовищем, більш-менш швидко піддаються з поверхні руйнуванню. Причиною його є хімічна взаємодія металів з що знаходяться в повітрі газами, а також водою і розчиненими в ній речовинами.
Усякий процес хімічного руйнування металів під дією навколишнього середовища називають корозією.
Простіше всього протікає корозія при зіткненні металів з газами. На поверхні металу утворюються відповідні з'єднання: оксиди, сірчисті сполуки, основні солі вугільної кислоти, які нерідко покривають поверхню щільним шаром, що захищає метал від подальшого впливу тих же газів.
Інша справа при зіткненні металу з рідким середовищем - водою і розчиненими в ній речовинами. Утворюються при цьому, можуть розчинятися, завдяки чому корозія поширюється далі всередину металу. Крім того, вода, що містить розчинені речовини, є провідником електричного струму, внаслідок 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, заподіяні корозією металів, величезні. Обчислено, наприклад, що внаслідок корозії щорічно гине така кількість стали, що дорівнює приблизно чверті усього світового видобутку його за рік. Тому вивченню процесів корозії і відшуканню 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 являє покриття одного металу іншим.
До них відносяться: катодне покриття, коли захищаючий метал коштує в ряді напруг правіше захищає (типовим прикладом може служити луджена, тобто покрита оловом, сталь); анодне покриття, наприклад, покриття стали цинком.
Для захисту від корозії доцільно покривати поверхню металу шаром більш активного металу, ніж шаром менш активного. Проте інші міркування нерідко примушують застосовувати також покриття з менш активних металів.
На практиці найчастіше приходиться вживати заходів до захисту стали як металу, особливо схильного до корозії. Крім цинку, з більш активних металів для цієї мети іноді застосовують кадмій, діючий подібно цинку. З менш активних металів для покриття стали найчастіше використовують олово, мідь, нікель.
Покриті нікелем сталеві вироби мають гарний вигляд, чим пояснюється широке розповсюдження нікелювання. При пошкодженні шару нікелю корозія проходить менш інтенсивно, ніж при пошкодженні шару міді (чи олова), тому що 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, в парові казани вводять листи цинку, що знаходяться у контакті зі стінками казана і створюючі з ними гальванічну пару.
V. Поняття про сплави.
Характерною особливістю металів є їх здатність утворювати один з одним або з неметалами сплави. Щоб отримати сплав, суміш металів звичайно піддають плавлення, а потім охолоджують з різною швидкістю, яка визначається природою компонентів і зміною характеру їх взаємодії залежно від температури. Іноді сплави одержують спіканням тонких порошків металів, не вдаючись до плавлення (порошкова металургія). Отже сплави - це продукти хімічної взаємодії металів.
Кристалічна структура сплавів багато в чому подібна чистим металам, які, взаємодіючи один з одним при плавленні і подальшій кристалізації, утворюють: а) хімічні з'єднання, звані інтерметалідами; б) тверді розчини; в) механічну суміш кристалів компонентів.
Той чи інший тип взаємодії визначається співвідношенням енергії взаємодії різнорідних і однорідних частинок системи, тобто співвідношенням енергій взаємодії атомів в 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 більшого числа металів. Цікаво, що властивості сплавів часто різко відрізняються від властивостей індивідуальних металів, якими вони утворені. Так, сплав, що 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 Цельсія. 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.
Проте деякі домішки погіршують якість металів і сплавів. Відомо, наприклад, що чавун (сплав заліза і вуглецю) не володіє тією міцністю 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 жароміцність, корозійна стійкість, механічна міцність і ін Для авіації велике значення мають легкі сплави на основі магнію, титана 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 й інших рідкоземельних елементів, а надпровідні при низьких температурах сплави - на основі інтерметалідів, утворюваних ніобієм з оловом і ін
VI. Способи одержання металів.
Величезна більшість металів знаходиться у природі у вигляді з'єднань 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 попадаються також самородні ртуть, олово і деякі інші метали.
Добування золота і платини проводиться або за допомогою механічного відділення їх від тієї породи, в якій вони укладені, наприклад промиванням води, або шляхом витягання їх з породи різними реагентами з подальшим виділенням металу з розчину. Всі інші метали добуваються хімічною переробкою їх природних з'єднань.
Мінерали і гірські породи, що містять сполуки металів і придатні для отримання цих металів заводським шляхом, носять назву руд. Головними рудами є оксиди, сульфіди і карбонати металів.
Найважливіший спосіб отримання металів з руд заснований на відновленні їх оксидів вугіллям.
Якщо, наприклад, змішати червону мідну руду (куприт) Cu 2 O з вугіллям і піддати сильному розжарювання, то вугілля, відновлюючи мідь, перетвориться на оксид вуглецю (II), а мідь виділиться в розплавленому стані:
Cu 2 O + C = 2Cu + CO
Подібним же чином проводиться виплавка чавуну їх залізняку, отримання олова з олов'яного каменя SnO 2 і відновлення інших металів з ​​оксидів.
При переробці сірчистих руд спочатку переводять сірчисті з'єднання в кисневі шляхом обпалення в особливих печах, а потім вже відновлюють отримані оксиди вугіллям. Наприклад:
2ZnS + 3O 2 = 2ZnO + 2SO 2
ZnO + C = Zn + CO
У тих випадках, коли руда є сіллю вугільної кислоти, її можна безпосередньо відновлювати вугіллям, як і оксиди, тому що при нагріванні карбонати розпадаються на оксид металу і двоокис вуглецю. Наприклад:
ZnCO 3 = ZnO + CO 2
            Зазвичай руди, крім хімічної сполуки даного металу, містять ще багато домішок у вигляді піску, глини, вапняку, які дуже важко плавляться. Щоб полегшити виплавку металу, до руди домішують різні речовини, створюючі з домішками легкоплавкі сполуки - шлаки. Такі речовини називаються флюсами. Якщо домішка складається з вапняку, то як флюс вживають пісок, створюючий з вапняком силікат кальцію. Навпаки, у випадку великої кількості піску флюсом служить вапняк.
У багатьох рудах кількість домішок (порожньої породи) така велика, що безпосередня виплавка металів з цих руд є економічно невигідною. Такі руди попередньо "збагачують", тобто видаляють з них частину домішок. Особливо широким розповсюдженням користується флотаційний спосіб збагачення руд (флотація), заснований на різній змочуваності чистої руди і порожньої породи.
Техніка флотаційного способу дуже проста і в основному зводиться до наступного. Руду, що складається, наприклад, з 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 адсорбується поверхнею мінералу, що флотує і робить її нездатною змочуватися водою. Після цього через суміш знизу пропускають сильний струмінь повітря, перемішуючу руду з водою і доданими речовинами, причому бульбашки повітря оточуються тонкими масляними плівками і утворюють піну. У процесі перемішування частинки мінералу, що флотує покриваються шаром адсорбованих молекул колектора, прилипають до бульбашок повітря, що продувається, підіймаються разом з ними догори і залишаються в піні; частки ж порожньої породи, що змочуються водою, осідають на дно. Піну збирають і віджимають, одержуючи руду із значно великим змістом металу.
Для відновлення деяких металів з їх оксидів застосовують замість вугілля водень, кремній, алюміній, магній і інші елементи.
Процес відновлення металу з його оксиду за допомогою іншого металу називається Металотермія. Якщо, зокрема, в якості відновника застосовується алюміній, то процес носить назву алюмінотермії.
Дуже важливим способом отримання металів є також електроліз. Деякі найбільш активні метали виходять виключно шляхом електролізу, тому що всі інші засоби виявляються недостатньо енергійними для відновлення їх іонів.
Список використаної літератури.
1. "Основи загальної хімії". Ю. Д. Третьяков, Ю. Г. Метлін. Москва "Просвіта" 1980
2. "Загальна хімія". Н. Л. Глинка. Видавництво "Хімія", Ленінградське відділення 1972
3. "Чому і як руйнуються метали". С. А. Балезін. Москва "Просвіта" 1976
4. "Посібник з хімії для вступників до вузів". Г. П. Хомченко. 1976
5. "Книга для читання з неорганічної хімії".
Частина 2. Упорядник В. А. Кріцман. Москва "Просвіта" 1984 р.
6. "Хімія і науково-технічний прогрес". І. М. Семенов, А. С. Максимов, А. А. макарену. Москва "Просвіта" 1988р.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Хімія | Реферат
91кб. | скачати


Схожі роботи:
Вплив факторів навколишнього середовища на популяції гідробіонтів
Вплив забруднень навколишнього середовища на рентабельність підприємства
Вплив змін навколишнього середовища на здоров`я людини
Вплив ВАТ Волгоградський алюміній на стан навколишнього середовища
Вплив генотипу та факторів навколишнього середовища на розвиток організму
Вплив ВАТ Волгоградський алюміній на стан навколишнього середовища і здоров`я населення у Волгограді
Вплив навколишнього середовища і способу життя на стан здоров`я організму і його спортивну підготовку
Забруднення навколишнього середовища 5
Забруднення навколишнього середовища 3
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru