Номер 6, страница 280 - гдз по химии 9 класс учебник Усманова, Сакарьянова

6. Чугун и сталь – сплавы железа. Чугун непрочный, сталь гибкая. Назовите причину. Почему железные сплавы боятся влажного воздуха?

Решение

Причина, по которой чугун непрочный, а сталь гибкая

Чугун и сталь являются сплавами железа с углеродом, и их фундаментальное различие, определяющее свойства, заключается в процентном содержании углерода и его состоянии в сплаве.

В чугуне содержание углерода высокое — от 2,14% до 4,3% и более. При таком количестве углерод не может полностью раствориться в железе и присутствует в виде отдельных включений — чаще всего в форме пластинчатого графита или в виде карбида железа (цементита, $Fe_3C$). Эти включения нарушают целостность металлической кристаллической решетки, действуя как внутренние концентраторы напряжений. Из-за этого чугун обладает высокой твердостью, но является хрупким и плохо сопротивляется растягивающим и изгибающим нагрузкам. При приложении нагрузки он ломается без заметной пластической деформации, то есть является непрочным на изгиб.

В стали содержание углерода значительно ниже — менее 2,14% (в большинстве марок — до 1%). Углерод в основном растворен в железе или образует очень мелкие, равномерно распределенные частицы карбида железа. Такая структура является более однородной и пластичной. Слои атомов в кристаллической решетке могут смещаться друг относительно друга под действием нагрузки, что позволяет материалу деформироваться без разрушения. Поэтому сталь является гибкой, пластичной и прочной.

Ответ: Основная причина — это разное процентное содержание углерода и, как следствие, разная микроструктура. В чугуне углерода много (более 2,14%), он образует хрупкие включения (графит, цементит), делая сплав непрочным. В стали углерода мало (менее 2,14%), что обеспечивает ей однородную и пластичную структуру, а значит — гибкость.

Почему железные сплавы боятся влажного воздуха

Железные сплавы, такие как чугун и сталь, "боятся" влажного воздуха из-за процесса, называемого электрохимической коррозией, или ржавлением. Для этого процесса необходимо одновременное присутствие двух компонентов: кислорода ($O_2$), содержащегося в воздухе, и воды ($H_2O$), которая во влажном воздухе присутствует в виде влаги.

Процесс ржавления можно описать следующими этапами:

1. На поверхности металла во влажном воздухе образуется тонкая пленка воды, которая выступает в роли электролита.

2. Атомы железа ($Fe$) на поверхности металла окисляются, теряя электроны и превращаясь в ионы $Fe^{2+}$ (это анодный процесс):

$Fe - 2e^{-} \rightarrow Fe^{2+}$

3. Кислород из воздуха, растворенный в пленке воды, принимает эти электроны и восстанавливается, образуя гидроксид-ионы $OH^{-}$ (это катодный процесс):

$O_2 + 2H_2O + 4e^{-} \rightarrow 4OH^{-}$

4. Ионы железа ($Fe^{2+}$) и гидроксид-ионы ($OH^{-}$) реагируют между собой, образуя нерастворимый гидроксид железа(II) $Fe(OH)_2$.

5. Гидроксид железа(II) быстро окисляется дальше кислородом воздуха до гидратированного оксида железа(III) $Fe_2O_3 \cdot nH_2O$, который и представляет собой ржавчину — рыхлое пористое вещество бурого цвета.

Суммарное уравнение реакции можно упрощенно записать так:

$4Fe + 3O_2 + 2nH_2O \rightarrow 2(Fe_2O_3 \cdot nH_2O)$

В сухом воздухе, где нет воды, которая служит электролитом, этот процесс протекает крайне медленно. Именно поэтому влажность воздуха является ключевым фактором, который многократно ускоряет разрушение (коррозию) железных сплавов.

Ответ: Железные сплавы во влажном воздухе подвергаются электрохимической коррозии (ржавлению), так как вода является электролитом, который необходим для быстрой реакции железа с кислородом воздуха. В результате образуется ржавчина, разрушающая металл.