Вопрос, страница 149 - гдз по химии 11 класс учебник Кузнецова, Левкин

Задания в параграфе. Параграф 22. Получение и применение металлов. Коррозия металлов. Глава 5. Металлы и неметаллы - страница 149.

Условие.

Какие химические реакции можно использовать для получения металлов?

Что такое сплав? Какие металлические сплавы вы знаете?

Какой процесс называют коррозией? Какие виды коррозии различают?

Какой ущерб наносит коррозия?

Решение.

Решение 2.

Какие химические реакции можно использовать для получения металлов?

Для получения металлов из их природных соединений (руд) используют реакции восстановления, в которых ионы металлов принимают электроны и превращаются в атомы простого вещества. Этот раздел химии и технологии называется металлургией. Основные методы получения металлов основаны на следующих типах химических реакций:

• Пирометаллургия – восстановление металлов из руд при высоких температурах. В качестве восстановителей используют:
  • Уголь (кокс), угарный газ ($CO$): основной способ получения чугуна и стали.
    $Fe_2O_3 + 3CO \xrightarrow{t} 2Fe + 3CO_2$
  • Более активные металлы (металлотермия). Частным случаем является алюминотермия – восстановление алюминием. Так получают хром, марганец, ванадий.
    $Cr_2O_3 + 2Al \xrightarrow{t} 2Cr + Al_2O_3$
  • Водород: используется для получения некоторых чистых металлов, например, вольфрама.
    $WO_3 + 3H_2 \xrightarrow{t} W + 3H_2O$
• Гидрометаллургия – получение металлов из растворов их солей. Метод включает две стадии:
  1. Выщелачивание – перевод металла из руды в раствор с помощью подходящего реагента (например, кислоты).
     $CuO + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + H_2O$
  2. Восстановление металла из раствора. Это можно сделать либо вытеснением более активным металлом (цементация), либо с помощью электролиза.
     $CuSO_4 + Fe \rightarrow Cu \downarrow + FeSO_4$
• Электрометаллургия – получение металлов с помощью электрического тока.
  • Электролиз расплавов солей или оксидов. Этим методом получают самые активные металлы (щелочные, щелочноземельные, алюминий).
    $2Al_2O_3 \xrightarrow[в\ криолите]{электролиз} 4Al + 3O_2 \uparrow$
  • Электролиз водных растворов солей. Применяется для получения и рафинирования (очистки) менее активных металлов (медь, цинк, никель).
    $2CuSO_4 + 2H_2O \xrightarrow{электролиз} 2Cu \downarrow + O_2 \uparrow + 2H_2SO_4$

Ответ: Для получения металлов используют реакции восстановления, которые осуществляются методами пирометаллургии (восстановление при высоких температурах углем, активными металлами), гидрометаллургии (восстановление из растворов солей) и электрометаллургии (электролиз расплавов или растворов соединений металлов).

Что такое сплав? Какие металлические сплавы вы знаете?

Сплав – это материал, состоящий из двух или более химических элементов, из которых хотя бы один является металлом, и обладающий характерными металлическими свойствами. Сплавы получают, как правило, путем сплавления компонентов в жидком состоянии с последующим охлаждением. Свойства сплавов (например, твердость, прочность, коррозионная стойкость) обычно отличаются от свойств их составляющих и могут быть целенаправленно изменены для различных применений.

Существует огромное количество металлических сплавов. Наиболее известные из них:

• Сталь – сплав железа (основа) с углеродом (до 2,14%). Самый массовый конструкционный материал в мире.
• Чугун – сплав железа с углеродом (более 2,14%). Отличается хрупкостью, но хорошими литейными свойствами.
• Бронза – сплав на основе меди, где основным легирующим компонентом обычно является олово. Используется для изготовления памятников, подшипников, арматуры.
• Латунь – сплав меди с цинком. Обладает хорошей коррозионной стойкостью и легко обрабатывается.
• Дюралюминий (дюраль) – сплав на основе алюминия с добавками меди, магния и марганца. Легкий и прочный, широко применяется в авиастроении.
• Нихром – сплав никеля и хрома. Имеет высокое электрическое сопротивление и жаростойкость, используется в нагревательных элементах.
• Мельхиор – сплав меди с никелем. Похож на серебро, устойчив к коррозии, используется для изготовления посуды и монет.

Ответ: Сплав – это материал на металлической основе, состоящий из нескольких компонентов. Известные сплавы: сталь, чугун (сплавы железа с углеродом), бронза (медь с оловом), латунь (медь с цинком), дюралюминий (алюминий с медью и магнием).

Какой процесс называют коррозией? Какие виды коррозии различают?

Коррозией называют самопроизвольное разрушение металлов и сплавов в результате их химического, электрохимического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой. По сути, это процесс, обратный получению металла из руды, при котором металл окисляется, переходя в более устойчивое ионное состояние (оксиды, гидроксиды, соли).

Различают следующие основные виды коррозии по механизму протекания:

• Химическая коррозия. Протекает в средах, не проводящих электрический ток (сухие газы, нефтепродукты). Металл напрямую взаимодействует с агрессивным веществом. Пример – образование окалины на стали при высоких температурах (газовая коррозия):
  $4Fe + 3O_2 \rightarrow 2Fe_2O_3$
• Электрохимическая коррозия. Наиболее распространенный вид. Происходит в средах, проводящих электрический ток (электролитах), например, в воде, влажном воздухе, почве. При этом на поверхности металла возникают микроскопические гальванические элементы. В них более активный участок металла (анод) разрушается (окисляется), а на менее активном участке (катоде) происходит восстановление окислителя из среды. Например, ржавление железа во влажном воздухе:
  Анодный процесс: $Fe^0 - 2e^- \rightarrow Fe^{2+}$
  Катодный процесс: $O_2 + 2H_2O + 4e^- \rightarrow 4OH^-$
  Далее ионы образуют гидроксид железа(II), который окисляется до гидроксида железа(III) – ржавчины.

Также коррозию классифицируют по характеру разрушения на сплошную (равномерную по всей поверхности) и местную (сосредоточенную на отдельных участках, например, питтинговая, щелевая).

Ответ: Коррозия – это самопроизвольное разрушение металлов под действием окружающей среды. Различают химическую коррозию (в средах-неэлектролитах) и электрохимическую коррозию (в средах-электролитах), которая является наиболее распространенной.

Какой ущерб наносит коррозия?

Коррозия наносит колоссальный ущерб, который можно разделить на несколько категорий:

• Экономический ущерб. Это наиболее очевидный вид потерь.
  • Прямые потери: стоимость замены прокорродировавшего оборудования, конструкций (мостов, трубопроводов, кузовов автомобилей), деталей. Это включает в себя стоимость нового металла, его переработки и монтажа.
  • Косвенные потери: часто они значительно превышают прямые. К ним относятся простои производства из-за отказа оборудования, потери продукции (утечки нефти, газа, химикатов из-за сквозной коррозии), снижение эффективности (например, ухудшение теплопередачи в забитых ржавчиной теплообменниках), а также огромные затраты на превентивные меры (нанесение защитных покрытий, использование более дорогих коррозионностойких материалов, электрохимическая защита).
• Ущерб безопасности и здоровью. Разрушение несущих конструкций (мостов, зданий), транспортных средств (самолетов, кораблей), сосудов под давлением и трубопроводов может привести к техногенным катастрофам с человеческими жертвами. Утечки токсичных веществ из-за коррозии представляют прямую угрозу здоровью людей и экологии.
• Истощение природных ресурсов. Коррозия безвозвратно уничтожает металл, на производство которого были затрачены руда, энергия и человеческий труд. Ежегодно теряются миллионы тонн металлов, что требует добычи новых порций руды, истощая невозобновляемые природные ресурсы и увеличивая нагрузку на окружающую среду.

Ответ: Коррозия наносит огромный экономический ущерб (затраты на замену оборудования и защиту от коррозии), создает угрозу безопасности и здоровью людей (аварии, утечки токсичных веществ), а также ведет к нерациональному расходованию природных ресурсов и энергии.