Презентация на тему «Общие свойства металлов»

Общие свойства металлов

Коррозия металлов

Металлы - вещества, обладающие в обычных условиях характерными

металлическими свойствами: высокими электро- и теплопроводностью, блеском, пластичностью, отрицательным температурным коэффициентом электропроводности [Химическая энциклопедия, т.3].

К металлам относят как собственно металлы (простые вещества: железо,

медь и т.п.), так и их сплавы (бронза, сталь), металлические соединения (чугун, низшие карбиды, сульфиды и т.д.), интерметаллиды (соединения металлов друг с другом), органические металлы.

Металлы - основа конструкций в разных областях промышленности, науки и техники. Рациональное извлечение металлов из руд, их очистка, получение сплавов и оптимальное использование материалов из них определяется в большей степени знанием закономерностей их строения, физических и химических свойств. Этим определяется необходимость изучения металлов специалистами в области добычи, переработки и использования металлов.

Классификация металлов

Из 110 элементов в периодической системе - 86 металлы. По положению в периодической системе. s-металлы (все s-элементы, кроме Н и Не); р-металлы (элементы IIIA группы кроме В, а также Sn, Pb, Sb, Bi, Po); d- и f-металлы (переходные элементы).

Классификация металлов

Выделяют: - щелочные металлы (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr); - щелочно-земельные (Ca, Sr, Ba, Ra); - платиновые металлы; - лантаноиды и актиноиды (6?-AO и 7?-AO). - непереходные (валентные электроны на ns- и np- подуровнях); - переходные (валентные электроны на nd-подуровнях)

Классификация металлов

Техническая классификация Черные металлы (Fe, Mn и их сплавы); Тяжелые цветные металлы (Cu, Pb, Zn, Ni, Sn). К этой группе примыкают малые или младшие металлы (Co, Sb, Bi, Hg, Cd). Легкие металлы (? < 5 г/см3) (Al, Mg, Ca и т.д.);

Классификация металлов

Техническая классификация Драгоценные металлы (Au, Ag, платиновые металлы); Легирующие металлы (Mn, Cr, W, Mo, Nb, V и другие); Редкие металлы (подгруппа Sc и лантаноиды); Радиоактивные металлы (U, Th, Pu и другие); Легкоплавкие (Тпл < 8000 C) и тугоплавкие металлы (Тпл > 8000 C).

Строение металлов

Кристаллическая структура Большинство металлов кристаллизуется в одном из трех структурных типов: - с кубической объемоцентрированной кристаллической решеткой (пример – ?-Fe); - с кубической гранецентрированной кристаллической решеткой (пример – Cu); - с гексагональной кристаллической решеткой (пример – Mg).

Переход из одной структуры в другую (полиморфные превращения) требуют

Е ? 1 кДж/моль. При изменении температуры или давления многие металлы претерпевают полиморфные превращения (примеры – ?- и ?-Fe, «белое» и «серое» Sn).

Металлическая связь

Зонная теория электронного строения.

Металлическая связь – химическая связь, обусловленная взаимодействием "электронного газа" (валентные электроны) в металлах с остовом положительно заряженных ионов кристаллической решетки.

Металлическая связь

Схема образования энергетических уровней при увеличении числа взаимодействующих атомов [Глинка, с. 532]

Металлическая связь

Схема образования энергетических уровней при увеличении числа взаимодействующих атомов [Ахметов, с. 115]

Металлическая связь

Возникновение энергетических зон кристалла из энергетических уровней атомов по мере их сближения [Ахметов, с. 115]

Металлическая связь

Схема расположения энергетических зон в металле, изоляторе и полупроводнике [Глинка, с.534]

Особенности физико-химических свойств металлов

1) высокие электро- и теплопроводность; 2) пластичность; 3) металлический блеск и непрозрачность; 4) низкие величины потенциала ионизации (Iион) и сродства к электрону (А); 5) твердые кристаллы (кроме ртути Hg); 6) восстановители в химических реакциях; положительная степень окисления в химических соединениях.

Особенности физико-химических свойств металлов

Физические свойства металлов меняются в очень широких пределах. Например, Тпл от –390С (Hg) до 33800С (W); плотность от 0,5 г/см3 (Li) до 22,5 г/см3 (Os).

Металлы – восстановители в химических реакциях

Окисление Большинство металлов окисляется кислородом воздуха. Скорость и механизм окисления зависят от природы металла. 2Mg + O2 = 2MgO 4Li + O2 = 2Li2O 2Na + O2 = Na2O2 2K + O2 = KO2

Химические свойства металлов

Окисление Защитная пленка (Al, Ti, Cr): Vоксида/ Vметалла>1 Металлы

неустойчивы на воздухе: Vоксида/ Vметалла<1.

Химические свойства металлов

Реакции с неметаллами 2Al + 3I2 = 2AlI3 2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3 Sn + Cl2 =

SnCl2

Химические свойства металлов

Реакции с водой Все металлы с Е0<-0,413 В окисляются водой с

выделением водорода (щелочные и щелочно-земельные металлы при обычных условиях, Fe и Zn – водяным паром при высокой температуре). 2Na + 2HOH = 2NaOH + H2 ? 2K + 2HOH ? 2KOH + H2? Ca + 2HOH ? Ca(OH)2 + H2?

Химические свойства металлов

Реакции со щелочами С растворами щелочей реагируют металлы, образующие

растворимые анионные гидроксокомплексы (Be, Al, Zn, Cr, Sn …). 2Al + 2NaOH + 10H2O = 2 Na[Al(OH)4(H2O)2] + 3H2 2Al + 6NaOH = 2 Na3AlO3 + 3H2 Zn + 2NaOH Na2ZnO2 + H2

Химические свойства металлов

Реакции с кислотами Большинство металлов реагируют (окисляются) теми

или иными кислотами. а) неокисляющие кислоты (окислитель - Н+) 2HCl + Zn = ZnCl2 + H2? HCl + Cu ?

Химические свойства металлов

Реакции с кислотами окисляющие кислоты (окислитель - элемент

кислотного остатка) HNO3, H2SO4(конц) и др.

Cu + 2h2so4(конц) ? cuso4 + SO2? + H2O

Химические свойства металлов

HNO3 концентрированная разбавленная не действует тяжелые щелочные и

тяжелые щелочные и fe, cr, al me щелочноземельные NO щелочноземельные au, pt, ir, ta NO2 N2O NH3 (NH4NO3)

Примеры

Cu + 4hno3(конц) = cu(no3)2 + 2NO2? + 2H2O

3cu + 8hno3(разб) = 3cu(no3)2 + 2NO? + 4H2O

Реакции с солями металлов Металлы могут восстанавливать ионы других

металлов Fe + CuSO4 ? FeSO4 + Cu Zn + Pb(CH3COO)2 ? Zn(CH3COO)2 + Pb

Химические свойства металлов

Металлы в природе

Получение металлов из руд

Металлы в природе

Самородные металлы (Au (112 кг), Pt, Ag (13,5 т), Cu (420 т), Hg, Sn). Руды - минералы и горные породы, содержащие металлы или их соединения и пригодные для промышленного получения металлов (оксиды Fe3O4, CuO; сульфиды ZnS, FeS; карбонаты; сульфаты и др.)

Способы получения металлов из руд

Пирометаллургия (с помощью ОВР при высоких температурах) 2Fe2O3 + 3C 4Fe + 3CO2 Cu2O + CO 2Cu + CO2 Восстановители: С, СО, СН4.

Схема доменной печи

Способы получения металлов из руд

Металлотермия (восстановители - активные металлы: Al, Ca, Mg…) Fe2O3 + 2Al = 2Fe + Al2O3 + Q

Способы получения металлов из руд

Гидрометаллургия (получение металлов из растворов их солей) CuO + H2SO4 ? CuSO4 + H2O CuSO4 ? электролиз CuSO4 + Fe ? FeSO4 + Cu Гидрометаллургическими методами получают Au, Ag и другие металлы.

Способы получения металлов из руд

Электрометаллургия (получение металлов с помощью электролиза). Электролизом получают щелочные металлы, Al.

Способы получения металлов из руд

Электрометаллургия

Способы получения металлов из руд

Металлы высокой чистоты (содержание примесей менее 10-8 % ) получают с использованием электролиза, метода зонной плавки, разложения на нагретой поверхности летучих солей, переплавки в вакууме. Ti(гряз) + 2I2 TiI4(пар) Ti(чистый) + 2I2

Коррозия металлов

Коррозия - самопроизвольное разрушение металлических материалов из-за

физико-химического взаимодействия с окружающей средой

Мировые потери из-за коррозии ?20 млн.т/год. В сумме косвенные и прямые убытки от коррозии металлов и затраты на их защиту в промышленно развитых странах достигают ? 4% национального дохода (Химическая энциклопедия, т.II, с. 953).

Классификация коррозии металлов

Классификация коррозии металлов определяется конкретными особенностями среды и условиями протекания процесса (подводом окислителя, агрегатным состоянием и отводом продуктов коррозии, возможности пассивации металла и др.).

Классификация коррозии металлов

- Атмосферная коррозия; - морская коррозия; - подземная коррозия; - биокоррозия ; - коррозия металлов в технологических средах; - коррозия металлов в кислотах, щелочах, органических средах, оборотных и сточных водах и т.П. - Электрохимическая коррозия металлов.

Газовая коррозия

Алюминий – Al(Al2O3) Если снять пленку Al2O3 (Al2O3 + 2NaOH ? 2NaAlO2 + H2O) и обработать солью ртути (Hg(NO3)2) поверхность для предотвращения образования Al2O3 (образуется амальгама Al, то есть сплав Al и Hg), то коррозия (разрушение конструкции) происходит быстро. 4Al + 3O2 ? 2Al2O3

Теоретические основы коррозии металлов

В основе коррозии металлов - реакция между материалом и средой или между их компонентами, протекающая на границе раздела фаз. Чаще всего - это окисление металла. Механизм сложный. Например: 3Fe + 2O2 ? Fe3O4; Fe + H2SO4 ? FeSO4 + H2? Коррозия металлов - самопроизвольный процесс, сопровождающийся понижением ?G0 системы [конструкционный материал ? среда].

Механизм коррозии металлов определяется типом агрессивной среды

газовая коррозия: лимитирующая стадия - диффузия.

Теоретические основы коррозии металлов

М

Теоретические основы коррозии металлов

Электрохимическая коррозия Электрохимическая коррозия - разрушение металла в среде электролита с возникновением электрического тока. М + Ох ? Мz+ + Red - суммарный процесс

М

Теоретические основы коррозии металлов

Электрохимическая коррозия связана с возникновением гальванического элемента. Активный металл является анодом, отдает электроны и разрушается (образует или нерастворимые продукты - ржавчину, или переходит в виде ионов в раствор), а менее активный металл или примеси являются катодом и принимают электроны. Под действием окислителей, находящихся в электролите (Н+, растворенный кислород и др.) происходит катодная деполяризация, то есть катод передает электроны, полученные от анода указанным окислителям.

М

Теоретические основы коррозии металлов

В воде имеются окислители (Ох): 1) растворенный О2: О2 + 2Н2О + 4? ? 4ОН- (Е0 = 0,40 В) (рН ? 7); О2 + 4Н+ + 4? ? 2Н2О (Е0 = 1,228 - 0,06 рН) (рН?7). О2 может окислять металлы, стоящие до Ag+ в ряду напряжений металлов. 2) ионы Н+: 2Н+ + 2? ? 2Н = Н2 (Е0 ? -0,41 В). H+ может окислять металлы, стоящие до Cd в ряду напряжений металлов. 3) могут быть другие окислители.

Пример

Коррозия железа в контакте с медью в присутствии электролита. Процессы идут при рН = 7. Продукты анодного и катодного процессов фиксируются с помощью аналитических реакций: на аноде: Fe2+ + K3[Fe(CN)6] ? KFe[Fe(CN)6]? + 2K+ синий на катоде: О2 + 2Н2О + 4? ? 4ОН- ; образующиеся ионы ОН- окрашивают фенолфталеин в малиновый цвет.

Защита от коррозии

Применение химически стойких сплавов, повышение коррозионной стойкости материала; Стойкие покрытия поверхности металла, предотвращение контакта металла со средой; Обработка коррозионной среды, снижение агрессивности среды; электрохимические методы, регулирование Е0 защищаемого изделия в данной среде.