Мои Конспекты
Главная | Обратная связь


Автомобили
Астрономия
Биология
География
Дом и сад
Другие языки
Другое
Информатика
История
Культура
Литература
Логика
Математика
Медицина
Металлургия
Механика
Образование
Охрана труда
Педагогика
Политика
Право
Психология
Религия
Риторика
Социология
Спорт
Строительство
Технология
Туризм
Физика
Философия
Финансы
Химия
Черчение
Экология
Экономика
Электроника

Номенклатура солей



За сучасною номенклатурою назва солі утворюється із назви катіону (металу чи основного залишку) з зазначенням ступеня окиснення металу, якщо він може бути непостійним і назви аніона (кислотного залишку). Наприклад, СаСO3 – кальцій карбонат, МgСl2 – магній хлорид, Сr2(SO4)3 – хром (IIІ) сульфат.

Назви кислих солей утворюються додаванням до назви катіона назви гідроген-аніона, яка вказує на наявність атомів гідрогену в кислотному залишку, при необхідності – з використанням відповідних числівників, які відповідають кількості атомів гідрогену. Наприклад, NаНSO3 – натрій гідрогенсульфат, Са(Н2РO4)2 – кальцій дигідроген фосфат.

Як уже відмічалось, солі взаємодіють з кислотами і з лугами.

При взаємодії двох розчинних у воді солей утворюються дві нові солі, одна з яких повинна випадати в осад:

Ва(NO3)2 + К2SO4 = 2KNO3 + ВаSO4

Реакція металу з сіллю менш активного металу приводить до утворення іншої солі і витіснення менш активного металу. Вихідна сіль повинна бути розчинною у воді, а метал – знаходитись в ряду стандартних електронних потенціалів ліворуч металу, що витісняється із солі:

Fе + СuSO4 = FеSO4 + Сu

Середні солі можна отримати багатьма способами. Наприклад:

СаО + Н2SO4 = СаSO4 + Н2O

СаО + СO2 = CаСO3

Р2O5 + 6NаОН = 2Nа3РO4 + 3Н2O

Zn(ОН)2 + 2HNO3 = Zn(NO3)2 + 3Н2O

Ва(ОН)2 + К2СO3 = ВаСO3 + 2КОН

Мg + 2НСl = МgСl2 + Н2

Н2SO4 + ВаСl2 = ВаSO4 + 2НСl

Рb(NО3)2 + Na2SO4 = РbSO4 + 2NaNO3

Сu + 2АgNO3 = 2Аg + Сu(NO3)2

2Na + Cl2 = 2NaCl

Кислі солі можна отримати таким чином:

При взаємодії основ з надлишком кислоти:

NaОН + Н3РO4 = NаН24 + Н2O

При взаємодії середньої солі з кислотою:

Na3РO4 + 2Н3РO4 = 3NaН2РO4

Основні солі можна отримати таким чином:

При взаємодії з надлишком основи:

Н2SO4 + 2Сu(ОН)2 = (СuОН)2SO4 + 2Н2O

При взаємодії середньої солі з недостачею лугу:

2СuSO4 + 2NаОН = (СuОН)2SO4 + Nа2SO4

Перетворення кислих і основних солей в середні відбувається:

при дії лугу на кислу сіль: NаНSO3 + NaОН = Na2SO32O

Са(Н2РO4)2 + 2Са(ОН)2 = Са3(РO4)2 + 4H2O

при дії кислоти на основну сіль:

(СuОН)2SO4 + Н2SO4 = 2СuSO4 + 2H2O

До небезпечних вантажів відносяться речовини, матеріали, вироби, відходи виробництва і іншої діяльності, які через властиві їм властивості і особливості за наявності певних чинників в процесі перевезення, при виробництві навантажувально-розвантажувальних робіт і зберіганні можуть завдати шкоди природному довкіллю, послужити причиною вибуху, пожежі або ушкодження транспортних засобів, пристроїв, будівель і споруд, а також загибелі, травмування, отруєння, опіків або захворювання людей, тварин і птахів.

Правила, що регламентують вимоги до перевезення усіх категорій небезпечних вантажів, називаються МОПОГ. Складені на підставі Міжнародного кодексу морського перевезення небезпечних вантажів (МКМПОГ), розробленого ІМО.

Є 9 класів небезпечних вантажів. Багато речовин з класів неорганічних сполук відносяться до небезпечних вантажів.

Так Клас 5 – окиснюючі речовини, які здатні легко виділяти кисень, підтримувати горіння, а також можуть, у відповідних умовах або в суміші з іншими речовинами, викликати самозаймання і вибух. Це такі солі, як нітрати, перманганати, пер хлориди, хлорати.

Клас 8 - їдкі і корозійні речовини, які викликають ушкодження шкіри, поразку слизових оболонок очей і дихальних шляхів, корозію металів і ушкодження транспортних засобів, споруд або вантажів, а також можуть викликати пожежу при взаємодії з органічними матеріалами або деякими хімічними речовинами;

- підклас 8.1 -кислоти,

- підклас 8.2 - луги;

- підклас 8.3 - різні їдкі і корозійні речовини.

Правила регламентують вимоги до упаковки і маркування небезпечних вантажів. Для усіх класів небезпечних вантажів, встановлений ярлик небезпеки міжнародного зразка, який наносять на кожне вантажне місце, вказуючи умовним символом вид небезпеки. У алфавітному покажчику Правил пойменовані усі вантажі, що допускаються до перевезення. Вони також містять таблицю сумісності вантажів. Крім того, в МОПОГ обумовлені додаткові питання: технічні умови навантаження, вивантаження, зберігання і укладання небезпечних вантажів, заходи техніки безпеки і першої допомоги при нещасних випадках, міри попередження небезпечних наслідків із-за псування тари і упаковки небезпечних вантажів.

 

Рекомендована література

5. Михайличенко Я.И. Курс общей и неорганической химии. – М., 1965 г..

6. Потапов В.М., Хомченко П.Г. Хімія. – М.: Вища школа, 1987 р.

7. Глінка М.Л. Загальна хімія, Київ, 2001 р.

8. Пилипенко А.Т., Починок В.Я. «Справочник по химии», «Наукова думка», Киев , 1991 р.

 

Лекція 6

Тема: Загальні властивості металів

Мета лекції: Дати поняття про будову металів, знаходження в природі, властивості металів.

Матеріал лекції сприяє формуванню наступних компетенцій: загально-наукові компетентності КЗН-4 (Базові знання фундаментальних наук в обсязі, необхідному для освоєння загально-професійних дисциплін); Інструментальні компетентності КІ-5 (Усне і письмове спілкування рідною мовою); Системні компетентності (застосувати свої знання на практиці) КС-1

В процесі вивчення теми: «Загальні властивості металів» курсант повинен отримати:

Знання, про:

- положення металів в періодичній система;

- фізичні властивості металів;

- хімічні властивості металів;

- електрохімічний ряд напруг металів;

План лекції:

1. Положення металів в періодичній системі елементів.

2. Фізичні властивості металів.

3. Хімічні властивості металів.

4. Стандартні електродні потенціали металів.

5. Характеристика відновних властивостей металів.

В даний час відомо 110 хімічних елементів, більшість з них - метали. Останні вельми поширені в природі і зустрічаються у вигляді різних з'єднань

в надрах землі, водах річок, озер, морів, океанів, складі тіл тваринних, рослин і навіть в атмосфері.

Метали складають 85 % всіх елементів періодичної системи. Всі s. d. f елементи метали. Із р елементів тільки підгрупа германію ( Ge , Sn , Pb ) алюмінію (Al, Ga, In, Tl) метали, останні елементи неметали.

По своїх властивостях метали різко відрізняються від неметалів. Вперше цю відмінність металів і неметалів визначив М. В. Ломоносов. «Метали, - писав він, - тіла тверді, ковкі блискучі».

Зарахувавши той або 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 та пластичність.

7. Здібність до утворення сплавів.

Всі метали і сплави, вживані 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 стали. В 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 цінні сталі, володіючі 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 і їх сплави. Вони отримали таку назву тому що мають різне забарвлення. Наприклад, мідь світло-червона, нікель, олово, срібло - білі, свинець - голубувато-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 і ін.

Цей розподіл на чорні і кольорові метали умовно.

Разом з чорними і кольоровими металами виділяють ще групу благородних металів: срібло, золото, платину, рутеній і деякі інші. Вони названі так тому що практично не окислюються на повітрі навіть при підвищеній температурі і не руйнуються при дії на них розчинів кислот і лугів.

Фізичні властивості металів

Із зовнішньої сторони метали, як відомо, характеризуються перш за все особливим «металевим блиском», який обумовлюється їх здатністю сильно відображати проміння світла. Проте цей блиск спостерігається звичайно тільки у тому випадку, коли метал утворює суцільну компактну масу. Правда, магній і алюміній зберігають свій блиск, навіть будучи перетвореними на порошок, але більшість металів в мілкоподрібненому вигляді має чорний або темно-сірий колір. Потім типові метали володіють високими тепло- і електропровідністю, причому по здатності проводити тепло і струм розташовуються в одному і тому ж порядку: кращі провідники - срібло і мідь, гірша - свинець і ртуть. З підвищенням температури електропровідність падає, при пониженні температури, навпаки, збільшується.

Дуже важливою властивістю металів є їх порівняно легка механічна деформується. 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. Згідно сучасним переконанням, кристали металів складаються з позитивно заряджених іонів і вільних електронів, що відщепилися від відповідних атомів. Весь кристал можна собі представити у вигляді просторових грат, вузли яких зайняті іонами, а в проміжках між іонами знаходяться легкорухомі електрони. Ці електрони постійно переходять від одних атомів до інших і обертаються навкруги ядра то одного, то іншого атома. Оскільки електрони не пов'язані з певними іонами, то вже під впливом невеликої різниці потенціалів вони починають переміщатися в певному напрямі, тобто виникає електричний струм.

Наявністю вільних електронів обумовлюється і висока теплопровідність металів. Знаходячись в безперервному русі, електрони постійно стикаються з іонами і обмінюються з ними енергією. Тому коливання іонів, що посилилися в даній частині металу унаслідок нагрівання, зараз же передаються сусіднім іонам, від них - наступним і т.д., і тепловий стан металу швидко вирівнюється; вся маса металу приймає однакову температуру.

По густині метали умовно підрозділяються на дві великі групи: легкі метали, густина яких не більше 5 г/см3, і важкі метали - всі інші. Густина, а також температури плавлення деяких металів приведені в таблиці №1.

Таблиця №1

Густина і температура плавлення деяких металів

 

Назва Атомна Густина Температура

вага г/см3 плавлення, оС

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 званим металевим зв'язком. Вона визначається одночасною наявністю звичайних ковалентних зв'язків між нейтральними атомами і кулонівським тяжінням між іонами і вільними електронами. Таким чином, металевий зв'язок є властивістю не окремих частинок, а їх агрегатів.

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; їх іони завжди заряджені позитивно.

Легко віддаючи при хімічних реакціях свої валентні електрони, типові метали є енергійними відновниками.

Здібність до віддачі електронів виявляється у окремих металів далеко не однаковою мірою. Чим легше метал віддає свої електрони, тим він активніше, тим енергійно 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(NO3)2 = Pb + Zn(NO3)2

З рівняння виходить, що ця реакція є типовою реакцією окислення-відновлення. Єство її зводиться до того, що атоми цинку віддають свої валентні електрони іонам двовалентного свинцю, тим самим перетворюючись на 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, ніж атоми і іони свинцю.

Витіснення одних металів з їх з'єднань іншими металами вперше було детально вивчено російським вченим Бекетовим, що розташував метали за зменшенням хімічної активності в так званий «витискаючий ряд». В даний час витискаючий 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, виступаючих як відновники по відношенню до водню, мають знак «-», а знаком «+» відзначені стандартні потенціали електродів, що є окислювачами.

Метали, розташовані в порядку зростання їх стандартних електродних потенціалів, і утворюють електрохімічний ряд напруг металів:

Li, Rb, До, Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb, H, Sb, Bi, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au.

1. Чим менше електродний потенціал металу, тим більше його відновна здатність.

2. Кожний метал здатний витісняти(відновлювати) з розчинів солей ті метали, які стоять у ряді напруг після нього.

3. Всі метали, що мають негативний стандартний електродний потенціал, тобто що знаходяться у ряді напруг лівіше водню, здатні витісняти його з розчинів кислот.

Необхідно відзначити, що представлений ряд характеризує поведінку металів і їх солей тільки у водних розчинах і при кімнатній температурі. Крім того, потрібно мати зважаючи на, 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 за літій. Це пов'язано з виключно високою енергією процесу гідратації іонів літію в порівнянні з іонами інших лужних металів.

Властивості металів

Властивості Метали
K Na Ca Мg Al Mn Zn Fe Cr Ni Sn Pb H Cu Hg Ag Pt Au
Активність як відновників зменшується ®
Здатність йонів відновлюватися збільшується ®
Взаємодія з киснем швидко окиснюються окиснюються при звичайній температурі окиснюються при нагріванні не окиснюються
Взаємодія з водою витісняють Н2 при звичайній температурі витісняють Н2 тільки при нагріванні здатність зменшується ® Н2 не витісняють
Взаємодія з кислотами витісняють Н2 з кислот, утворюючи сіль (Н2SO4 тільки розведена) Окиснюються HNO3 i Н2SO4 конц. Не окиснюються HNO3 i Н2SO4 конц.
Знаходження в природі У виді сполук У вигляді сполук і простої речовини У вигляді простої речовини
Промислові способи одержання Електроліз розплавів сполук 1) відновлення оксидів Карбоном, 2) алюмінотермія, 3) електроліз водних розчинів Термічний розклад сполук  
                                         

Література

1. Р. Рипан, И. Четяну., Химия металлов, Мир – Москва, 1971.

2. Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. Учебник для вузов. Высшая школа, 1981 – 680с.

3. Глинка Н. Л. Общая химия. Учебное пособие для вузов. – Л., Химия, 198

4. Хомченко И. Г. Общая химия. – 1987

 

Лекція 7

Тема: Знаходження металів в природі. Способи отримання металів і застосування металів в суднобудуванні.

Мета лекції: Дати поняття про знаходження металів в природі, способи отримання металів і застосування металів в суднобудуванні.

Матеріал лекції сприяє формуванню наступних компетенцій: загально-наукові компетентності КЗН-4 (Базові знання фундаментальних наук в обсязі, необхідному для освоєння загально-професійних дисциплін); Інструментальні компетентності КІ-5 (Усне і письмове спілкування рідною мовою); Системні компетентності (застосувати свої знання на практиці) КС-1

В процесі вивчення теми: «Знаходження металів в природі. Способи отримання металів і застосування металів в суднобудуванні» курсант повинен отримати:

Знання про:

- знаходження металів в природі;

- способи отримання металів;

- застосування металів в суднобудуванні.

План лекції:

1. Знаходження металів в природі.

2. Промисловий спосіб отримання металів.

3. Застосування металів і сплавів в суднобудуванні.

В вільному стані в природі метали практично не зустрічаються. Це тільки золото, ртуть. В основному метали зустрічаються в вигляді руд і солей.

Так: залізо зустрічається в вигляді руд.

FeO nH2O – бурий залізняк;

Fe2O3 – червоний залізняк;

Fe3O4 – магнітний залізняк.

В вигляді солей:

СаСО3 – кальцій карбонат;

MgCO3 – магнезіт;

MgCO3. СаСО3 – доломіт

Са3(РО4)2 – фосфорит;

Са3(РО4)2 СаF2 – апотіт;

СаSO42О – гіпс;

Na2SO4 10Н2О – глауберова соль.

NaCl – натрій хлорид;

КCl – калій хлорид;

NaCl КCl – сильвініт;

KNO3 – індійська селітра;

NaNO3 – чилійська селітра;

СuS – мідна обманка;

ZnS – цинкова обманка;

 

Способи отримання металів

Величезна більшість металів знаходиться в природі у вигляді з'єднань з іншими елементами.

Тільки небагато металів зустрічаються у вільному стані, і тоді вони називаються саморідними. Золото і платина зустрічаються майже виключно в саморідному вигляді, срібло і мідь - частково в саморідному вигляді; іноді попадаються також саморідні 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 промивкою води, або шляхом витягання їх з породи різними реагентами з подальшим виділенням металу з розчину. Вся решта металів здобувається хімічною переробкою їх природних з'єднань.

Мінерали і гірські породи, з'єднання металів, що містять, 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) Cu2O з вугіллям і піддати сильному розжарюванню, то вугілля, відновлюючи мідь, перетвориться на оксид вуглецю(II), а мідь виділиться в розплавленому стані:

Cu2O + С = 2Cu + CO

Подібним же чином проводиться виплавка чавуну їх залізняку, отримання олова з олов'яного каменя SnO2 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 + 3O2 = 2ZnO + 2SO2

ZnO + С = Zn + CO

В тих випадках, коли руда є сіллю вугільної кислоти, її можна безпосередньо відновлювати вугіллям, як і оксиди, оскільки при нагріванні карбонати розпадаються на оксид металу і двоокис вуглецю. Наприклад:

ZnCO3 = ZnO + CO2

Звичайно руді, окрім хімічного з'єднання 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 з'єднання - шлаки. Такі речовини називаються флюсами. Якщо домішка складається з вапняку, то як флюс вживають пісок, створюючий з вапняком силікат кальцію. Навпаки, у разі великої кількості піску флюсом служить вапняк.

В багатьох рудах кількість домішок (порожньої породи) така велика, що безпосередня виплавка металів з цих руд є економічно невигідною. Такі руди заздалегідь «збагатять», 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 полягає, наприклад, з сірчистого металу і силікатної порожньої породи, тонко подрібнюють і заливають у великих чанах водою. До води додають яку-небудь малополярну органічну речовину, сприяючу 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 пухирці повітря оточуються тонкими масляними плівками і утворюють піну. В процесі перемішування частинки мінералу, що флотує, покриваються шаром адсорбованих молекул колектора, прилипають до пухирців повітря, що продувається, підіймаються разом з ними догори і залишаються в піні; частинки 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 металотермією. Якщо, зокрема, як відновник застосовується алюміній, то процес носить назву алюмінотермії.

Дуже важливим способом отримання металів є також електроліз. Деякі найактивніші метали виходять виключно шляхом електролізу, оскільки всі інші засоби виявляються недостатньо енергійними для відновлення їх іонів.

Під час електролізу розплавів електролітів на катоді завжди відновлюються катіони металу, а на аноді окислюються аніони.

Електроліз розплаву NaCl.

NaCl → Na++Cl-

K(-) Na++1e → Na0

A(+)2Cl- - 2 e → Cl20

2NaCl → 2Na + Cl2

Електроліз розчину СuSO4.

СuSO4 → Cu2+ + SO42-; H2O= Н+ + OH-

K(-) Cu2++2e → Cu0

A(+)2Н2О - 4е → О20↑ + 4Н+

2CuSO4 + 2H2O → 2Cu + О2↑ + 4Н2SO4

Метали в суднобудуванні.

В судостроении применяются черные металлы, в первую очередь углеродистые стали, обладающие пластичностью, хорошо свариваемые и противостоящие коррозии от воздействия соленой воды.

Стали. Применяют углеродистые судостроительные стали марок ВМСт. Зсп и С. Индексы означают: В — группа стали, которая характеризуется различными механическими свойствами и химическим составом; М — сталь изготовляется в мартеновских печах; сп — спокойная плавка; С — судостроительная сталь. Предел текучести этих сталей бT = 240 кГ/мм2. Углеродистые стали отличаются малым содержанием углерода (0,14—0,22%), а также вредных примесей серы и фосфора (не более 0,05%). Известно, что сера придает металлу красноломкость, а фосфор — хладоломкость.

Применяются низколегированные судостроительные стали марок 09Г2, 09Г2С, 10Г2С1Д и 10ХСНД с более высокими пределами текучести бT = 300—400 кГ/мм2 с низким содержанием углерода (не более 0,12%) и добавками марганца, кремния, хрома, меди и никеля.

Стали поставляются металлургической промышленностью в виде листового проката толщиной от 4 до 32 мм и профильного проката. Длина поставляемых листов до 8000 мм, ширина—до 2500 мм.

В судостроении ковкой преимущественно изготовляют мелкие детали (штыри, леерные стойки, коуши и т. п.). Судовые поковки изготовляют из-углеродистой или легированной стали. К сталям с особыми физическими или физико-механическими свойствами относятся:

1) нержавеющая сталь, обладающая высокой сопротивляемостью коррозии. В ее составе характерно содержание не менее 12% хрома, способствующего образованию на поверхности стойкой окисной пленки, предохраняющей сталь от окисления. Эта сталь хорошо сваривается и позволяет получать прочные, устойчивые к коррозии детали. Нержавеющая сталь в морском судостроении используется как заменитель цветных металлов и сплавов для изготовления облицовки гребных валов, лопаток турбин и т. п.;

2) немагнитная сталь обладает слабой магнитной проницаемостью. Это достигается высоким ее легированием, при котором в состав стали вводятся никель и марганец. При добавлении в эту сталь свыше 13% хрома она приобретает дополнительные свойства стойкости против коррозии и кислотостойкости. Немагнитная сталь в судостроении применяется для изготовления корпусов и элементов навигационных приборов, оборудования и т. п.;

3) плакированная сталь— конструкционная углеродистая или низколегированная сталь, покрытая тонким слоем нержавеющей стали. Такая сталь, обладая высокой прочностью основного материала, является коррозионностойкой и вместе с тем позволяет экономить дорогой и дефицитный никель;

4) жароупорная сталь, легированная хромом, кремнием и алюминием, не окисляется и, благодаря введению молибдена, вольфрама, ванадия и прочих примесей, обладает высоким сопротивлением механическим нагрузкам во время работы при высоких температурах;

5) износоустойчивая сталь содержит 1,0—1,3% углерода и 11,0—14,0% марганца, применяется для изготовления способом фасонного литья деталей, работающих на износ под давлением, таких, например, как детали землечерпательных ковшей, драг и т. п.

Чугуны. В судостроении широко используется серый чугун благодаря его хорошим литейным качествам и относительной легкости механической обработки. Чугунные отливки дешевле стальных и применяются для изготовления гребных винтов, кнехтов, деталей судовых устройств, дельных вещей и т. д.

Широкое применение в судостроении получили и модифицированные чугуны, в состав которых вводятся примеси-модификаторы (силикокальций, ферросилиций, силикоалюминий и т. д.), повышающие механические свойства отливок. Из этого чугуна изготовляют рамки иллюминаторов, гребные винты, цилиндрические втулки и прочее.

Ковкий чугун, являющийся разновидностью серого чугуна, получается путем длительной термической обработки (отжига), отливок из хрупкого белого чугуна. Благодаря такой обработке чугун получает некоторую пластичность — ударостойкость и меньшую хрупкость при механическом воздействии. Детали из ковкого чугуна широко применяют в судовых системах.

В судостроении применяются следующие цветные металлы.
Алюминий и его сплавы получили широкое применение благодаря малому удельному весу (26—28 г/см³), относительной прочности (бв до 470 кг/мм²), а также немагнитности и легкости обработки и т. п.

Введение в алюминиевые сплавы магния, марганца, кремния, меди, железа и других компонентов (от 1,5 до 20%) изменяет их механические и технологические свойства.

Дюралюминий — алюминиево-медный сплав, термически обработанный, превосходит по прочности даже некоторые стали, но из-за низкой коррозионной стойкости он находит ограниченное применение в судостроении.

Присадки кремния, магния, меди и цинка улучшают некоторые качества алюминия, например литейные, прочность, твердость, но одновременно и ухудшают его пластичность, коррозионную стойкость и т. д.
Медь и ее сплавы. Медь в судостроении применяется почти исключительно для изготовления трубопроводов в специальных системах, в электротехнике или как декоративный поделочный материал.

Бронза представляет собой сплав меди и олова, марганца, железа и других элементов. Кроме оловянистых бронз, применяют и безоловянистые, представляющие собой сплавы меди с алюминием и другими металлами без добавления олова, которое является дефицитным и дорогим металлом. Бронзы отличаются высокой антикоррозионной стойкостью и применяются преимущественно для изготовления ответственных отливок, работающих на трение в морской воде. Из бронзы изготовляют арматуру, детали судовых устройств, втулки, муфты и т. д.

Латунь — сплав меди с цинком. Цинк повышает прочность и пластичность сплава. Содержание в латуни около 30% цинка делает ее максимально пластичной, а около 45%—максимально прочной.

Латунь хорошо прокатывается и куется. Из нее изготовляют поделочные листы и прутки, трубы, прессованные детали сложной конфигурации и прочие детали, получаемые литьем, прокатом, ковкой, штамповкой и прессованием и предназначенные для работы в воде, влажном воздухе и других агрессивных средах.

Антифрикционные сплавы изготовляют на основе олова, свинца и алюминия. Эти сплавы применяют в судостроении для заливки подшипников скольжения, которые характеризуются малым коэффициентом трения, высокой пластичностью, минимальным износом и нагревом.

Титан и его сплавы являются новейшими прогрессивными конструкционными материалами. Они характеризуются высокой прочностью, пластичностью, малым удельным весом (45 г/см³), высокой температурой плавления и большой антикоррозионной стойкостью.
Легирующие добавки к титану — алюминий, хром, марганец, ванадий, железо, молибден и олово — значительно повышают прочность сплава.

Титановые сплавы хорошо свариваются электросваркой в атмосфере аргона или гелия. Титановые сплавы куются, штампуются и прокатываются, что позволяет изготовлять из них и профильные материалы.

Титан и его сплавы пока относительно дорогие материалы, но по мере совершенствования технологии их производства стоимость их быстро снижается, и эти материалы все шире применяют в судостроении для изготовления особенно ответственных деталей корпуса и его элементов.

 

Література

1. Р. Рипан, И. Четяну., Химия металлов, Мир – Москва, 1971.

1. Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. Учебник для вузов. Высшая школа, 1981 – 680с.

2. Глинка Н. Л. Общая химия. Учебное пособие для вузов. – Л., Химия, 198

3. Хомченко И. Г. Общая химия. – 1987

 

 

Лекція 8-9-10

Тема. Корозія металів.

Мета лекції: Дати поняття про корозію металів, методи захисту від корозії.

Матеріал лекції сприяє формуванню наступних компетенцій: загально-наукові компетентності КЗН-4 (Базові знання фундаментальних наук в обсязі, необхідному для освоєння загально-професійних дисциплін); Інструментальні компетентності КІ-5 (Усне і письмове спілкування рідною мовою); Системні компетентності (застосувати свої знання на практиці) КС-1

В процесі вивчення теми: «Корозія металів» курсант повинен отримати:

знання, про:

- класифікацію видів корозії металів;

- фактори, які впливають на корозійний процес;

- теорію електрохімічної корозії;

- методи захисту від корозії;

План лекції

1. Класифікація видів корозії металів.

2. Класифікація методів захисту від корозії.

3. Протикорозійні засоби.

4. Захист корпусу судна від корозії.

Втрати від корозії щорічно складають у світі сотні мільярдів доларів. Тому розв'язання цієї проблеми є актуальним завданням. До того ж, основні збитки від корозії зумовлені не стільки втратою самого металу, а виходом з ладу металоконструкцій, ціна яких значно перевищує ціну металу, який використали на їх виготовлення.

Корозія – процес самовільної фізико-хімічної взаємодії між металом і середовищем, який призводить до зміни властивостей металу (від лат. cоrrodere – роз' їдати).

Характерні ознаки корозії:

– процес самовільний, завжди негативного забарвлення, пов’язаний з погіршенням властивостей металів і виробів з них;

– відбувається на межі розділу фаз: метал – рідина; метал – газ.

Середовище, що зумовлює корозію, називають корозійним або агресивним.

Внаслідок взаємодії металу і корозійного середовища утворюються хімічні сполуки, які називають продуктами корозії, зумовлені цією взаємодією змінистану або властивостей окремих складових цієї системи – корозійним ефектом.

Чинники, що впливають на швидкість, вид та розподіл корозії, називають чинниками корозії (факторами корозії). Чинники, пов'язані з природою металлу (хімічний склад, структура, стан поверхні), називають внутрішніми, а зумовлені впливом корозійного середовища (склад, гідро– або аеродинамічні умови, тиск, температура, механічні навантаження) – зовнішніми чинниками.

Класифікація корозійних процесів

Для класифікації численних корозійних явищ використовують різні ознаки, найбільш значущими серед яких є:

–механізм реакцій взаємодії металу з середовищем;

–характер ушкоджень поверхні металу;

–умови експлуатації та вид корозійного середовища;

За характером ушкоджень поверхні металуабо порушень його фізико- хімічних властивостей корозійні руйнування поділяють на рівномірні і нерівномірні.

Нерівномірна корозія (точкова (пітінг) або міжкристалічна

За умовами експлуатації розрізняють:

корозійно-механічне руйнування;

корозію при терті; корозію під дією блукаючих струмів.

За видом корозійного середовища:атмосферну корозію, підземну корозію, морську корозію, корозію в розплавах електролітів, корозію під дією блукаючих струмів.

Електрохімічна і хімічна корозія металів

За механізмом протікання розрізняють хімічну та електрохімічну корозії.

Хімічна корозія це самовільне руйнування металу в неелектропровідних середовищах переважно в атмосфері сухого газу. У процесі хімічної корозії процес окиснення металу та відновлення окисника відбувається в одну стадію (хімічний процес).

До хімічної корозії відносять:

– корозію в неелектролітах (бензин, бензол, бром);

– газову корозію – корозію при контакті метала з сухими газами за високих температур (наприклад, корозія матеріалів двигуна внутрішнього згоряння, лопаток газових турбін та інше).

Типовим процесом хімічної корозії є окиснення металів в атмосфері кисню.

Me + 1/2O2 → MeO

Так, на повітрі поверхня активного металу вкривається оксидною плівкою, яка за звичайної температури захищає метал від подальшої корозії.

Приклади протікання хімічної корозії– корозія заліза в сухому повітрі:

2Fe + O2→ 2FeO

Fe – 2e → Fe2+ 2

O2 + 4e → 2O 2– 1

4FeO+ 3O2→ 2Fe2O3

Fe2+ – e –→ Fe+3 4

O2 + 4e –→ 2O2– 1

Корозія посилюється за наявності розчинника, зокрема води. Корозія в розчинах електролітів – це електрохімічна корозія. Електрохімічна корозія – це процес самодовільного розчинення металів у розчинах електролітів, під час якого окислення металів і відновлення окисника середовища відбувається на різних стадіях і ділянках металу.

Електрохімічний вид корозії є найпоширенішим. Теорію електрохімічної корозії розробили російські вчені В. О. Кістяківський, В. Г. Акимов та інші. Згідно з цією теорією, найлегше руйнуються метали за наявності електролітів та інертних домішок (карбіди, метали з вищими значеннями стандартних потенціалів). У цих випадках створюються умови для виникнення гальванічного елемента. Поверхня кожного метала гетерогенна (неоднорідна) і складається із багаточисленних короткозамкнутих мікроелектродних елементів. При контакті з розчином електроліту мікрогальванічні корозійні елементи починають функціонувати, що призводить до руйнування поверхні металу.

Таким чином при протіканні електрохімічної корозії одночасно протікають два електродні процеси.

1. Анодний процес– перехід іонів металу в розчин і утворення на анодній ділянці металу еквівалентної кількості електронів, які переміщуються до катодної ділянки металу.

Прикладом таких процесів є реакції окиснення:

Zn – 2e → Zn2+

Fe – 2e → Fe2+

2. Катодний процес– зв'язування електронів атомами електроліту (деполяризаторами) на поверхні металу, які при цьому відновлюються:

Ok + e → Red,

де Ok – окисник, який знаходиться в розчині електроліту;

Red – його відновна форма.

Прикладом катодних процесів можуть бути такі реакції відновлення:

2H+ + 2e → H2 (кисле середовище)

O2 + 2H2O + 4e → 4OH , або O2 + 4H+ + 4e → 2H2О (лужне та нейтральне середовище)

Найважливішими окисниками, що спричинюють електрохімічну корозію, є розчинений кисень та іони Гідрогену.

Тобто, іони Гідрогену, що містяться у воді або в нейтральному водному середовищі, можуть окиснюватитільки ті метали, значення потенціалів яких менші за -0,41 В, тобто метали від початку ряду електрохімічних потенціалів до кадмію. Проте кількість металів, які здатні окиснюватися іонами Гідрогену в нейтральному середовищі, практично менша, оскільки на поверхні кадмію і подібних до нього металів є захисна оксидна плівка.

Розчинений у воді кисень здатний окиснювати ті метали, потенціал яких менший за 0,8 В.

Отже, кисень,що міститься у воді або в нейтральному водному середовищі, може окиснювати метали, розміщені від початку ряду електрохімічних потенціалів до срібла (значення потенціалів цих металів менше за 0,8В).

Приклади протікання електрохімічної корозії

1. Корозія заліза у вологому повітрі:

–A: Fe – 2e → Fe2+ 2

+K: O2 + 2H2O + 4e → 4OH 1

2Fe + O2 +2H2O → 2Fe(OH)2

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3

2. Електрохімічна корозія металів, які контактують у кислому та нейтральному середовищі:

Fe Zn

При контакті двох металів анодом буде метал з меншим стандартним електродним потенціалом – цинк, катодом – метал з більшим значенням потенціалу – залізо. На аноді протікає процесс окиснення металу (цинку), а на катоді (залізо) відбувається процес відновлення іонів гідрогену (кисле середовище) або молекул кисню (нейтральне середовище).

кисле середовище нейтральне середовище

–A: Zn – 2e→ Zn2+ –A: Zn – 2e–→ Zn2+

+K: 2H+ + 2e→ H2 +K: O2 + 2H2O + 4e → 4OH

Zn + 2H+→ Zn2+ + H2 2Zn + O2 + 2H2O → 2Zn(OH)2

Анодний і катодний процеси, які розглянуто, умовно називають первинними процесами, а продукти їх взаємодії первинними продуктами корозії.

У процесі протікання електрохімічної корозії можуть відбуватися вторинні процеси: взаємодія первинних продуктів корозії між собою і електролітом, а також з газами, які розчинені в електроліті. При цьому можуть утворюватися вторинні продукти корозії (гідроксиди, фосфати, силікати металів), які є малорозчинними у водних середовищах. У загальному вигляді вторинні продукти гальмують швидкість протікання електрохімічної корозії.

Утворення вторинних продуктів притаманне електрохімічній корозії, яка протікає в нейтральних або лужних середовищах.

Наприклад, розглянемо корозію алюмінію, що перебуває в контакті з міддю у вологому повітрі. Анодом є алюміній, катодом – мідь, на катоді відбувається розрядження іонів Гідрогену:

Al Cu

–A: Al – 3e → Al3+ 2

+K: 2H+ + 2e– = H2 3

2Al + 6H+→ 2 Al3+ + 3H2

Якщо кисень не надходить до катода, то він швидко поляризується, тобто його потенціал стає негативним за рахунок наявності адсорбованого водню.

Поляризація може привести до зниження ЕРС гальванічного елемента до нуля і як наслідок – до припинення корозії.

Чисті метали стійкіші проти зовнішніх впливів, ніж сплави. Якщо метал містить домішки, то корозія його в розчинах електролітів виникає як результат дії невеликих місцевих (локальних) гальванічних елементів (гальванопар). У цьому випадку, як і в звичайному гальванічному елементі, водень накопичується на поверхні пасивних домішок, які ведуть себе як катод гальванічного елемента.

Анодом гальванічного елемента стає активніший метал, який руйнується.

Наприклад, корозія оцинкованого і лудженого (покритого оловом) заліза в місцях тріщин, дефектів відбувається по-різному у вологому повітрі. При корозії оцинкованого заліза анодом буде цинк як більш активний метал. Він буде руйнуватися. На поверхні заліза (катоді) відновлюється кисень:

–A: Zn – 2e→ Zn2+ 2

+K: O2 + 2H2O + 4e → 4OH 1

2Zn + O2 + 2H2O → 2Zn(OH)2

У лудженому залізі більш активним металом є залізо. Залізо стає анодом і починає руйнуватися. Тобто достатньо маленької подряпини на поверхні лудженого заліза, щоб залізо почало кородувати, на відміну від оцинкованного заліза.

–A: Fe – 2e → Fe2+ 2

+K: O2 + 2H2O + 4e → 4OH 1

2Fe + O2 +2H2O → 2Fe(OH)2

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3

Можна зазначити, що покриття з цинку виявляє як механічний, так й електрохімічний захист від корозії, а покриття з олова – тільки механічний.

Класифікація методів захисту від корозії

Для захисту від корозії використовуються різноманітні методи:

– використання корозійностійких сплавів – легування металів;

– зміна властивостей середовища (використання інгібіторів корозії);

– нанесення захисних покриттів (фарби, лаки, інші метали);

– створення штучних захисних плівок (анодування).

Найбільш надійним методом боротьби з корозією є виготовлення обладнання, машин та будівельних конструкцій з корозійностійких матеріалів.

Деякі метали є або стійкими до корозії (золото, платина), або на їхній поверхні утворюються стійкі плівки як в сухому, так і вологому повітрі (хром, нікель, титан, алюміній). Метали останньої групи в концентрованих розчинах окисників руйнуються значно менше, ніж у розведених розчинах. У такому випадку говорять про пасивацію металів. Зниження швидкості корозії відбувається в результаті утворення на поверхні металу плівок, які гальмують анодний процес. Такі метали пасивуються значно легше, ніж залізо, тому при їх введенні (легуванні) до залізо-карбонових сплавів утворюються сплави, стійкість яких до корозії є близькою до стійкості легуючого елемента. Загальна назва таких сплавів – нержавіючі сталі.

Метал або сплав, що знаходиться в пасивованому стані, може знов стати активним. Процес переходу металу з пасивного стану до активного називається активацією. Активацію можуть викликати відновники (Na2SO3, Na2S2O3), або деякі іони (Н+, Cl-, Br-, I-, SO42-).

З іншого боку, існують такі речовини, які гальмують процес корозії. Вони звуться інгібіторами корозії. Інгібітори адсорбуються на поверхні металу і гальмують протікання катодного або анодного процесів. До анодних інгібіторів відносяться хромати, нітрити, фосфати і силікати лужних металів. Наприклад, в системах опалення будинків до гарячої води додають силікат натрію. До найбільш поширених інгібіторів органічного походження відносять уротропін (сухий спирт). Його додають до розчину для зняття накипу з поверхні залізних сплавів (парових котлів, труб, чайників).

Досить ефективними методами захисту від корозії є протекторний захист.

Протекторний захист – це захист основного металу від корозії шляхом його контакту з більш активним металом. При цьому утворюється гальванопара, у якій протектор виступає в якості анода (руйнується), а основний метал – у якості катода. Основний метал почне кородувати тільки після того, як протектор повністю окисниться. За допомогою протекторів захищають корпуси морських судів, труби, що знаходяться під землею. В якості протекторів використовують сплави магнію, цинку або алюмінію. Метали більш активні, ніж магній інтенсивно реагують з киснем та вологою, тому їх використовувати в якості протекторів не можна.

Останнім часом найбільше застосовується електрохімічний захист.

Розрізняють два види електрохімічного захисту: катодний та анодний захист.

Катодний захист найбільш поширений вид електрохімічного захисту. Його використовують для боротьби з корозією сталі, міді, латуні та алюмінію в умовах слабко-агресивних середовищ. Катодну поляризацію металу здійснюють шляхом його приєднання до негативного полюсу джерела електричного струму (катоду).

Позитивний полюс джерела електричного струму приєднують до допоміжного електроду, який буде виступати в якості аноду.

Метали, які здатні добре пасивуватися, можна захищати за допомогою анодного захисту: метал, який треба захистити приєднують до позитивного полюсу джерела струму. У деякому інтервалі потенціалів метал пасивується і корозійний процес гальмується.

Захисні покриття

Найбільш поширеним засобом захисту металів від корозії є покриття поверхні металів лаками, фарбами, емалями. Більшість лаків та фарб мають у своєму складі леткий органічний розчинник, який робить процес виробництва фарб та фарбування пожежонебезпечним.

Існують і металеві покриття, які наносять на поверхню метала різними методами: електрохімічними осадженням, напилюванням, термомеханічним методом. За характером захисної дії металеві покриття ділять на катодні та анодні.

Катодне – це покриття металом, який має більш позитивний електродний потенціал, ніж потенціал того металу, який захищають від корозії. Наприклад, залізо, покрите оловом (луджене залізо) чи міддю.

Анодним називають покриття металом, який має більш негативний електродний потенціал у порівнянні з потенціалом металу, який захищають від корозії. Наприклад, покриття заліза цинком (оцинковане залізо).