Страница 150 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

• Какие способы борьбы с коррозией металлов вам известны?

Коррозия — это самопроизвольное разрушение металлов в результате их химического, электрохимического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой. Существует несколько основных групп методов борьбы с этим явлением, основанных на разных принципах.

Нанесение защитных покрытий

Это метод изоляции металла от контакта с агрессивной средой путем нанесения на его поверхность специального слоя. Покрытия бывают металлическими и неметаллическими. Неметаллические покрытия — это лаки, краски, эмали, пластмассы, резина, которые создают механический барьер. Сюда же относятся оксидные и фосфатные пленки, образующие на поверхности химически пассивный слой (пассивация). Металлические покрытия делятся на анодные и катодные. Анодное покрытие (например, цинк на стали) состоит из более активного металла и защищает основной металл электрохимически, разрушаясь вместо него. Катодное покрытие (например, олово на стали) состоит из менее активного металла и эффективно только при полной герметичности.

Ответ: Один из способов защиты — это изоляция металла от окружающей среды с помощью защитных покрытий, которые могут быть как неметаллическими (краски, лаки), так и металлическими (цинкование, лужение).

Электрохимическая защита

Данный метод основан на том, что при возникновении гальванической пары корродирует анод. Если сделать защищаемую конструкцию катодом, ее разрушение прекратится. Существует два основных способа реализации этого принципа. Протекторная защита заключается в присоединении к конструкции протектора — куска более активного металла (например, цинка или магния для стали), который становится анодом и корродирует, "жертвуя" собой. Катодная защита подразумевает подключение защищаемой конструкции к отрицательному полюсу внешнего источника постоянного тока, что принудительно делает ее катодом.

Ответ: Электрохимические методы, такие как протекторная и катодная защита, предотвращают коррозию, превращая защищаемый объект в катод электрохимической системы.

Создание коррозионно-стойких сплавов (легирование)

Этот способ заключается в создании материалов, которые по своей природе устойчивы к коррозии в конкретных условиях. Основной метод — легирование, то есть введение в состав основного металла специальных добавок. Самым известным примером является нержавеющая сталь — сплав железа с хромом (и часто никелем). Хром образует на поверхности очень тонкую, но прочную и самовосстанавливающуюся пассивную пленку оксида хрома ($Cr_2O_3$), которая препятствует контакту железа с агрессивной средой.

Ответ: Создание коррозионно-стойких материалов, в первую очередь сплавов путем легирования (например, нержавеющей стали), является эффективным способом борьбы с коррозией.

Изменение свойств коррозионной среды

Если металл эксплуатируется в замкнутом объеме (например, в системе охлаждения или в котле), можно воздействовать на саму среду, чтобы снизить ее агрессивность. Для этого применяют ингибиторы коррозии — вещества, которые при добавлении в среду в небольших количествах резко замедляют процесс коррозии. Другой подход — удаление из среды агрессивных компонентов, например, растворенного кислорода из воды путем ее деаэрации.

Ответ: Снизить скорость коррозии можно путем изменения состава окружающей среды, например, добавляя в нее ингибиторы или удаляя агрессивные компоненты, такие как кислород.

Рациональное конструирование

Правильное проектирование изделий и конструкций также является важным методом защиты. Это включает в себя избегание конструктивных элементов, где может застаиваться влага (щели, карманы), обеспечение хорошего дренажа, предотвращение контакта разнородных металлов для исключения гальванической коррозии, а также обеспечение легкого доступа к элементам конструкции для их осмотра и обслуживания.

Ответ: Грамотное проектирование конструкций, исключающее условия для развития коррозии (например, застойные зоны или контакт разнородных металлов), является важной превентивной мерой.

• Почему алюминий не подвергается коррозии в атмосфере кислорода?

Алюминий — это химически очень активный металл. В электрохимическом ряду напряжений металлов он стоит гораздо левее водорода, что свидетельствует о его высокой склонности к окислению. Теоретически, он должен был бы быстро разрушаться под действием кислорода.

Однако высокая коррозионная стойкость алюминия объясняется явлением пассивации. При контакте с кислородом, содержащимся в воздухе, на поверхности алюминия практически мгновенно образуется очень тонкая (несколько нанометров), но при этом очень плотная и прочная пленка оксида алюминия ($Al_2O_3$).

Эта химическая реакция выглядит следующим образом: $4Al + 3O_2 \rightarrow 2Al_2O_3$

Образовавшаяся оксидная пленка обладает рядом уникальных защитных свойств:

• Химическая инертность: она не реагирует с водой и большинством веществ, присутствующих в атмосфере.
• Непроницаемость: пленка не имеет пор и надежно блокирует доступ кислорода и других агрессивных агентов к чистому металлу, находящемуся под ней.
• Прочность и адгезия: она очень прочно сцеплена с поверхностью алюминия и устойчива к механическим воздействиям.
• Способность к самовосстановлению: если защитный слой повредить (например, поцарапать), обнажившийся участок алюминия немедленно вступает в реакцию с кислородом, и пленка мгновенно восстанавливается.

Именно эта невидимая защитная пленка и является причиной того, почему алюминий, будучи активным металлом, не ржавеет в привычном понимании этого слова.

Ответ: Алюминий не подвергается коррозии в атмосфере кислорода, так как на его поверхности мгновенно формируется тонкая, прочная и химически инертная защитная пленка оксида алюминия ($Al_2O_3$), которая изолирует металл от дальнейшего контакта с кислородом и другими окислителями.

• Какие сплавы металлов вам известны?

Сплавы — это материалы, состоящие из двух или более металлов, или из металла и неметалла. Сплавы создаются для получения материалов с определенными свойствами (например, большей прочностью, коррозионной стойкостью или определенной температурой плавления), которых нет у чистых металлов. Существует огромное количество сплавов, используемых в различных сферах. Ниже приведены некоторые из наиболее известных.

Сталь

Это самый известный и широко используемый сплав на основе железа. Основными компонентами являются железо ($Fe$) и углерод ($C$), причём содержание углерода составляет от 0.02% до 2.14%. Свойства стали сильно зависят от процентного содержания углерода и наличия других легирующих добавок (хром, никель, марганец, вольфрам и др.). Легирующие элементы добавляют для придания стали специальных свойств: повышенной прочности, жаростойкости, коррозионной стойкости (нержавеющая сталь) и т.д. Сталь используется повсеместно: в строительстве, машиностроении, производстве инструментов, бытовых приборов.

Ответ: Сталь — это сплав железа с углеродом (до 2.14%) и другими элементами, обладающий высокой прочностью и пластичностью.

Чугун

Это еще один сплав железа ($Fe$) с углеродом ($C$), но с более высоким содержанием углерода — от 2.14% до 6.67%. Из-за высокого содержания углерода чугун обладает высокой твёрдостью, но при этом хрупкостью. Он хорошо поддается литью, поэтому из него изготавливают массивные детали сложной формы, которые не подвергаются ударным нагрузкам: станины станков, блоки цилиндров двигателей, радиаторы отопления, сантехнические изделия, посуду.

Ответ: Чугун — это хрупкий, но твёрдый сплав железа с высоким содержанием углерода (более 2.14%), обладающий отличными литейными свойствами.

Бронза

Это сплав на основе меди ($Cu$), где основным легирующим компонентом чаще всего является олово ($Sn$). Также существуют безоловянные бронзы, где в качестве добавок используются алюминий, свинец, кремний, бериллий и другие элементы. Бронза известна с древности (Бронзовый век). Она обладает высокой прочностью, хорошими антифрикционными свойствами (низкий коэффициент трения) и высокой коррозионной стойкостью. Используется для изготовления памятников, колоколов, подшипников, арматуры, музыкальных инструментов.

Ответ: Бронза — это сплав на основе меди, как правило, с оловом, отличающийся прочностью, износостойкостью и устойчивостью к коррозии.

Латунь

Это сплав меди ($Cu$) с цинком ($Zn$) в качестве основного легирующего элемента. Иногда добавляют и другие металлы, например, олово, свинец, алюминий. Латунь имеет желтый цвет, похожий на золото. Она более твёрдая, чем чистая медь, и обладает хорошей коррозионной стойкостью. Латунь легко обрабатывается давлением (прокатка, вытяжка) и хорошо полируется. Применяется для изготовления сантехнической арматуры, деталей часов, музыкальных духовых инструментов, гильз патронов, декоративных изделий.

Ответ: Латунь — это сплав меди с цинком, характеризующийся желтым цветом, хорошей обрабатываемостью и коррозионной стойкостью.

Дюралюминий (Дюраль)

Это группа сплавов на основе алюминия ($Al$) с добавками меди ($Cu$), магния ($Mg$) и марганца ($Mn$). Главное преимущество дюралюминия — это сочетание низкой плотности (лёгкости) и высокой прочности после термической обработки (закалки и старения). Это делает его незаменимым материалом в авиа- и ракетостроении для изготовления обшивки, силовых элементов конструкций самолётов и вертолётов. Также используется в скоростных поездах и других областях, где важна малая масса при высокой прочности.

Ответ: Дюралюминий — это лёгкий и прочный сплав на основе алюминия с медью и магнием, широко применяемый в авиации.

Нихром

Это сплав на основе никеля ($Ni$) (около 80%) и хрома ($Cr$) (около 20%), иногда с добавками железа, марганца и кремния. Основное свойство нихрома — высокое электрическое сопротивление и высокая жаростойкость (устойчивость к окислению при высоких температурах). Благодаря этим свойствам, нихром является основным материалом для изготовления нагревательных элементов в различных электроприборах: электроплитах, фенах, тостерах, промышленных печах, реостатах.

Ответ: Нихром — жаростойкий сплав никеля и хрома с высоким электрическим сопротивлением, используемый для нагревательных элементов.

• Почему чистое железо практически не используют?

Решение

Чистое железо, несмотря на его широкую распространенность в земной коре, практически не находит применения в качестве конструкционного материала. Это связано с тем, что его сплавы — в первую очередь сталь и чугун — обладают значительно лучшими эксплуатационными свойствами. Существует несколько ключевых причин, по которым чистое железо не используют.

Низкая прочность и твердость

В чистом виде железо является относительно мягким и пластичным металлом. Оно легко деформируется и не обладает достаточной прочностью и твердостью для создания надежных конструкций, деталей машин, механизмов или инструментов, которые должны выдерживать значительные механические нагрузки.

Высокая подверженность коррозии

Чистое железо очень быстро ржавеет при контакте с кислородом в присутствии влаги. Процесс коррозии приводит к образованию рыхлого слоя ржавчины, который не защищает нижележащие слои металла. В результате изделие из чистого железа может быть полностью разрушено коррозией за короткое время.

Экономическая нецелесообразность

Процесс получения химически чистого железа весьма сложен и дорог. В то же время производство его сплавов, таких как сталь, является массовым, хорошо отработанным и значительно более дешевым процессом. Добавление небольшого количества углерода и других легирующих элементов (хрома, никеля, марганца) позволяет в широких пределах изменять свойства металла, делая его прочным, твердым и устойчивым к коррозии.

Тем не менее, у чистого железа есть свои узкие сферы применения, где его уникальные свойства востребованы. Например, благодаря высокой магнитной проницаемости его используют для изготовления сердечников трансформаторов и электромагнитов.

Ответ: Чистое железо практически не используют, потому что оно слишком мягкое, непрочное и очень быстро ржавеет. Его сплавы (сталь и чугун) намного прочнее, тверже, устойчивее к коррозии и дешевле в производстве, что делает их основными конструкционными материалами. Единственная важная область применения чистого железа — это сердечники электромагнитов, где ценятся его особые магнитные свойства.

• Какие металлы человек научился использовать раньше других?

Человек научился использовать раньше других те металлы, которые было проще всего добыть и обработать. В первую очередь это были металлы, встречающиеся в природе в чистом, самородном виде, а также те, которые можно было выплавить из руды при относительно низкой температуре, доступной в обычном костре. Историческая последовательность освоения металлов определила целые эпохи в развитии цивилизации.

Основными металлами, освоенными человеком в древности, в порядке их появления были:

• Золото ($Au$) и Медь ($Cu$)

  Это самые первые металлы, с которыми познакомился человек. Их находили в самородном виде и обрабатывали методом холодной ковки, подобно камню. Золото, из-за своей мягкости и химической инертности, использовалось преимущественно для создания украшений и ритуальных предметов. Медь оказалась тверже золота, поэтому из нее начали изготавливать первые металлические инструменты, что положило начало медному веку (энеолиту) примерно в V-IV тысячелетии до н.э.

• Серебро ($Ag$) и Свинец ($Pb$)

  Вслед за золотом и медью человек освоил серебро, которое также встречается в самородках, и свинец. Свинец стал одним из первых металлов, полученных путем плавки, так как его руда (галенит, $PbS$) легко восстанавливается, а сам металл имеет очень низкую температуру плавления ($327,5°C$).

• Бронза (сплав меди с оловом)

  Следующим важнейшим шагом стало открытие сплавов. Древние металлурги заметили, что при добавлении к меди олова ($Sn$) получается новый материал — бронза, который был значительно тверже, прочнее и легче плавился, чем чистая медь. Это открытие привело к технологической революции и началу Бронзового века (около 3500 г. до н.э.). Из бронзы изготавливали более совершенные орудия труда, оружие и доспехи.

• Железо ($Fe$)

  Железо было освоено человеком значительно позже. Несмотря на то, что железо — один из самых распространенных металлов в земной коре, его получение требует очень высоких температур (температура плавления железа — $1538°C$) и более сложных печей (сыродутных горнов), чем для выплавки меди. Долгое время единственным источником железа были редкие метеориты. Массовое производство железа, ознаменовавшее начало Железного века (с XII в. до н.э.), позволило вытеснить бронзу и дало мощный толчок развитию сельского хозяйства и военного дела.

Ответ: Раньше других человек научился использовать металлы, встречающиеся в природе в самородном виде — в первую очередь золото и медь. Позднее были освоены легкоплавкие металлы (например, свинец), затем сплавы (бронза) и только после этого — тугоплавкое железо.