Страница 137 - гдз по химии 9 класс рабочая тетрадь Габриелян, Сладков

4. Способы защиты металлов от коррозии:

1)

2)

3)

4)

5)

1) Нанесение защитных покрытий. Этот метод заключается в изоляции поверхности металла от агрессивной внешней среды путем создания на ней защитного слоя. Покрытия бывают неметаллическими (лаки, краски, эмали, пластмассы, резина), которые создают механический барьер, и металлическими (цинкование, хромирование, лужение). Металлические покрытия, в свою очередь, могут быть анодными (защищают электрохимически, разрушаясь сами, например, цинк на стали) или катодными (защищают только механически, при нарушении целостности ускоряют коррозию основного металла, например, олово на стали).

Ответ: Нанесение защитных покрытий.

2) Легирование. Это введение в состав сплава специальных добавок (легирующих элементов), которые изменяют его структуру и свойства, повышая коррозионную стойкость. Классическим примером является нержавеющая сталь, которую получают, добавляя в железо хром (более 13%) и часто никель. Легирующие элементы способствуют образованию на поверхности металла тонкой, плотной и химически пассивной оксидной пленки (пассивация), которая надежно защищает его от дальнейшего окисления.

Ответ: Легирование.

3) Электрохимическая защита. Этот метод основан на том, что коррозия является электрохимическим процессом. Защищаемую конструкцию делают катодом в искусственно созданной гальванической паре. Существует два основных вида:
а) Протекторная защита: к защищаемому объекту (например, корпусу судна или подземному трубопроводу) присоединяют протектор — электрод из более активного металла (например, цинка, алюминия или магния). Протектор становится анодом и разрушается, защищая основную конструкцию.
б) Катодная защита внешним током: защищаемый объект подключают к отрицательному полюсу внешнего источника постоянного тока, а к положительному — вспомогательный электрод. Это принудительно делает объект катодом и предотвращает его разрушение.

Ответ: Электрохимическая защита.

4) Изменение свойств коррозионной среды. Агрессивность среды можно снизить, тем самым замедлив или остановив коррозию. Основные способы — это удаление из среды компонентов, вызывающих коррозию (например, удаление растворенного кислорода из воды путем деаэрации), или введение в среду специальных веществ — ингибиторов коррозии. Ингибиторы в малых количествах адсорбируются на поверхности металла, образуя защитную пленку и замедляя анодный или катодный процесс.

Ответ: Изменение свойств коррозионной среды.

5) Рациональное конструирование. При проектировании металлических изделий и сооружений учитывают факторы, способствующие коррозии, и стараются их избегать. Это включает в себя: обеспечение гладких поверхностей без щелей, зазоров и карманов, где могут скапливаться влага и агрессивные вещества; обеспечение хорошего дренажа для стока воды; изоляция мест контакта разнородных металлов для предотвращения контактной (гальванической) коррозии; обеспечение равнодоступности всех частей конструкции для кислорода.

Ответ: Рациональное конструирование.

Часть II

1. Запишите уравнения реакций, происходящих с литием на воздухе.

1)

2)

3)

4)

Решение

Литий — это активный щелочной металл, который на воздухе взаимодействует с несколькими его компонентами: кислородом, азотом, водяными парами и углекислым газом.

1) Взаимодействие с кислородом. В отличие от других щелочных металлов, литий при сгорании на воздухе образует преимущественно оксид, а не пероксид.
Уравнение реакции: $4Li + O_2 \rightarrow 2Li_2O$
Ответ: $4Li + O_2 \rightarrow 2Li_2O$ (оксид лития).

2) Взаимодействие с азотом. Литий — единственный щелочной металл, который реагирует с азотом воздуха при комнатной температуре (реакция значительно ускоряется при нагревании) с образованием нитрида лития.
Уравнение реакции: $6Li + N_2 \rightarrow 2Li_3N$
Ответ: $6Li + N_2 \rightarrow 2Li_3N$ (нитрид лития).

3) Взаимодействие с водяными парами. Как и все щелочные металлы, литий бурно реагирует с водой (в том числе с парами воды, содержащимися в воздухе) с образованием гидроксида и выделением водорода.
Уравнение реакции: $2Li + 2H_2O \rightarrow 2LiOH + H_2\uparrow$
Ответ: $2Li + 2H_2O \rightarrow 2LiOH + H_2\uparrow$ (гидроксид лития и водород).

4) Взаимодействие с углекислым газом. Литий может реагировать с углекислым газом, присутствующим в воздухе, образуя карбонат лития и углерод.
Уравнение реакции: $4Li + CO_2 \rightarrow Li_2CO_3 + C$
Также возможны вторичные реакции, например, взаимодействие образовавшегося гидроксида лития с углекислым газом: $2LiOH + CO_2 \rightarrow Li_2CO_3 + H_2O$
Ответ: $4Li + CO_2 \rightarrow Li_2CO_3 + C$ (карбонат лития и углерод).

2. Легирующие добавки (их роль и примеры): ____

Легирующие добавки (легирующие элементы) – это химические элементы, которые целенаправленно вводят в состав расплавленного металла для придания получаемому сплаву определенных свойств (механических, физических, химических). Процесс введения таких добавок называется легированием.

Роль легирующих добавок

Основная роль легирующих добавок заключается в изменении микроструктуры и фазового состава основного металла, что приводит к значительному улучшению его эксплуатационных характеристик. В зависимости от типа добавки и ее концентрации достигаются следующие эффекты:

1. Изменение механических свойств:
- Повышение прочности и твердости. Легирующие элементы, растворяясь в кристаллической решетке основного металла, создают искажения, которые затрудняют движение дислокаций, тем самым упрочняя материал. Также они могут образовывать твердые частицы второй фазы (например, карбиды, нитриды), которые служат дополнительными барьерами для дислокаций.
- Повышение износостойкости. За счет увеличения твердости и образования особо твердых частиц (карбидов вольфрама, ванадия, хрома) сопротивление материала истиранию многократно возрастает.
- Повышение упругости. Элементы, такие как кремний, повышают предел упругости, что важно для пружин и рессор.
- Увеличение вязкости и пластичности. Некоторые элементы, например никель, повышают ударную вязкость и способность материала сопротивляться хрупкому разрушению, в том числе при низких температурах (хладостойкость).

2. Изменение химических свойств:
- Повышение коррозионной стойкости. Хром, никель, медь, введенные в сталь, создают на ее поверхности тонкую, плотную и химически инертную оксидную пленку, которая защищает металл от воздействия агрессивных сред. Так получают нержавеющие стали.
- Повышение жаростойкости и жаропрочности. Жаростойкость (сопротивление окислению при высоких температурах) повышается за счет хрома, кремния, алюминия. Жаропрочность (способность выдерживать механические нагрузки при высоких температурах) повышается благодаря вольфраму, молибдену, ванадию.

3. Придание особых физических свойств:
- Магнитные свойства. Легирование кремнием (электротехнические стали) уменьшает потери энергии при перемагничивании. Сплавы с кобальтом и алюминием (Альнико) используются для создания постоянных магнитов.
- Тепловые свойства. Легирование никелем позволяет создавать сплавы с заданным, в том числе близким к нулю, коэффициентом теплового расширения (например, инвар).

Ответ: Роль легирующих добавок состоит в целенаправленном изменении структуры и свойств металлов для получения материалов с требуемыми характеристиками: повышенной прочностью, твердостью, износостойкостью, коррозионной стойкостью, жаропрочностью или специальными физическими свойствами.

Примеры легирующих добавок и их влияние (на примере сталей)

Хром (Cr) – один из важнейших легирующих элементов. Повышает твердость, прочность и прокаливаемость стали. При содержании более 13% придает стали высокую коррозионную стойкость (нержавеющие стали). Образует очень твердые карбиды, повышая износостойкость. Пример: сталь 40Х, 12Х18Н10Т.

Никель (Ni) – повышает одновременно прочность и пластичность (ударную вязкость) стали, особенно при низких температурах, делая ее хладостойкой. Значительно увеличивает коррозионную стойкость. Является ключевым элементом в аустенитных нержавеющих сталях. Пример: сталь 12Х18Н10Т.

Марганец (Mn) – при содержании свыше 1% считается легирующим элементом. Увеличивает прочность, твердость и износостойкость. Сталь Гадфильда (Г13) с ~13% марганца обладает уникальной способностью упрочняться под действием ударных нагрузок (наклеп).

Кремний (Si) – повышает предел упругости, что делает его незаменимым в рессорно-пружинных сталях. Также увеличивает жаростойкость и кислотостойкость. В электротехнических (трансформаторных) сталях снижает потери на вихревые токи. Пример: сталь 60С2А.

Молибден (Mo) – эффективно повышает прочность, вязкость и, главное, жаропрочность (сопротивление ползучести при высоких температурах). Устраняет отпускную хрупкость сталей. Пример: сталь 30ХМА.

Вольфрам (W) – образует чрезвычайно твердые карбиды. Придает стали красностойкость – способность сохранять высокую твердость и режущие свойства при нагреве до температур красного каления (600–700°C). Основной элемент быстрорежущих сталей. Пример: сталь Р6М5.

Ванадий (V) – сильный карбидообразующий элемент. Способствует измельчению зерна, что повышает прочность и вязкость. Резко увеличивает износостойкость и твердость инструментальных сталей. Пример: сталь ХВГ.

Ответ: Основные легирующие добавки и их примеры: хром (Cr) для нержавеющих сталей; никель (Ni) для повышения вязкости и коррозионной стойкости; вольфрам (W) и молибден (Mo) для жаропрочных и быстрорежущих сталей; кремний (Si) для пружинных сталей; ванадий (V) для повышения износостойкости.

3. Воронение — это _______

3. Воронение — это процесс получения на поверхности изделий из железа, углеродистой или низколегированной стали тонкого слоя оксидов железа, в основном магнетита ($Fe_3O_4$). Этот процесс также называют чернением или оксидированием.

Основная цель воронения — создание защитно-декоративного покрытия. Оксидная пленка толщиной от 1 до 10 микрометров выполняет две ключевые функции:

1. Защита от коррозии. Пленка оксидов создает на поверхности металла пассивный слой, который препятствует контакту с влагой и кислородом воздуха, тем самым замедляя или предотвращая процесс ржавления. Для повышения защитных свойств вороненые поверхности часто дополнительно пропитывают маслом.

2. Декоративные свойства. Воронение придает металлу глубокий черный, иссиня-черный или коричневый цвет с различной степенью блеска (от матового до глянцевого), что улучшает внешний вид изделия. Классическим примером является воронение стволов огнестрельного оружия.

Существуют различные способы воронения, основные из них:

• Щелочное воронение. Самый распространенный метод, при котором деталь обрабатывают в кипящем растворе щелочи и окислителя (например, гидроксида натрия и нитрата натрия) при температуре около 140 °C. Этот метод обеспечивает быстрое получение качественного покрытия.

• Кислотное воронение. Более старый и трудоемкий способ. Поверхность металла многократно покрывают кислотным составом и оставляют ржаветь в контролируемых условиях. Затем "красную" ржавчину ($Fe_2O_3·nH_2O$) преобразуют в "черную" (магнетит, $Fe_3O_4$) путем кипячения в воде. Процесс повторяется до получения покрытия нужной толщины и цвета.

• Термическое оксидирование. Нагрев изделия в окислительной среде (например, в атмосфере перегретого водяного пара или на воздухе) до определенной температуры, в результате чего на поверхности образуется оксидная пленка нужного цвета (цвета побежалости).

Ответ: Воронение — это химический или термический процесс создания на поверхности железа или стали тонкой оксидной пленки для защиты от коррозии и придания ей характерного черного или сине-черного цвета.

4. Лужение — это ______

4. Лужение — это технологический процесс нанесения тонкого слоя олова или его сплавов (припоя) на поверхность металлических изделий. Главная цель лужения — защита основного металла от коррозии и/или подготовка поверхности к последующей пайке.

Процесс применяется в различных областях и имеет несколько ключевых функций:
1. Защита от коррозии: Слой олова создает барьер, который предохраняет основной металл (например, сталь или медь) от воздействия влаги и кислорода, предотвращая ржавление и окисление.
2. Обеспечение паяемости: Луженая поверхность легко смачивается припоем, что является необходимым условием для создания качественного и надежного паяного соединения. Это особенно важно в электронике и электротехнике для монтажа компонентов.
3. Пищевая безопасность: В производстве консервных банок, посуды (например, самоваров) и кухонного оборудования лужение используется для создания нетоксичного и химически инертного покрытия, которое не вступает в реакцию с пищевыми продуктами.
4. Декоративная функция: Иногда лужение применяется для придания изделиям привлекательного блестящего внешнего вида, имитирующего серебро.

Технология лужения обычно включает три основных этапа: тщательную очистку и обезжиривание поверхности, нанесение специального вещества — флюса — для удаления оксидов и улучшения растекания металла, и непосредственно нанесение расплавленного олова (например, погружением в ванну с расплавом или растиранием припоя по нагретой поверхности).

Ответ: процесс нанесения тонкого слоя олова или его сплавов на поверхность металлических изделий для защиты от коррозии или для подготовки к пайке.

5. Используя дополнительные источники информации, дайте определение гальваностегии и приведите примеры её использования.

Определение гальваностегии
Гальваностегия (от гальвано- и греч. στεγάζω — покрываю) — это электрохимический метод нанесения тонкого слоя металла (покрытия) на поверхность другого изделия (металлического или неметаллического). Этот процесс является разделом прикладной электрохимии и основан на явлении электролиза.
Суть процесса заключается в следующем: изделие, которое необходимо покрыть, погружают в ванну с раствором электролита, содержащим ионы металла покрытия. Это изделие подключают к отрицательному полюсу источника тока, делая его катодом. К положительному полюсу подключают анод, который часто изготавливают из того же металла, которым производят покрытие. При прохождении постоянного электрического тока через раствор положительно заряженные ионы металла из электролита притягиваются к катоду (изделию), восстанавливаются на его поверхности и осаждаются, образуя прочное и равномерное металлическое покрытие.
Гальванические покрытия наносят для различных целей:
• Защитные покрытия: для защиты основного металла от коррозии (например, цинкование или кадмирование стали).
• Защитно-декоративные покрытия: для защиты от коррозии и одновременного придания изделию привлекательного внешнего вида (например, многослойные покрытия медь-никель-хром).
• Декоративные покрытия: исключительно для улучшения внешнего вида изделия (например, золочение, серебрение).
• Функциональные (технические) покрытия: для придания поверхности изделия особых свойств, таких как высокая твердость, износостойкость, низкий коэффициент трения, электропроводность, паяемость и другие (например, твердое хромирование, оловянирование).
Ответ: Гальваностегия — это электрохимический процесс нанесения тонкого металлического покрытия на поверхность изделия путем осаждения металла из раствора его соли под действием электрического тока. Целью процесса является защита изделия от коррозии, придание ему декоративного вида или специальных функциональных свойств (например, износостойкости или электропроводности).

Примеры использования гальваностегии
Гальваностегия нашла широчайшее применение в самых разных сферах деятельности:
• Машиностроение и автомобильная промышленность: хромирование деталей для декора и защиты (бамперы, колесные диски, решетки радиаторов); цинкование и кадмирование крепежа (болтов, гаек) для защиты от ржавчины; нанесение твердых износостойких покрытий из хрома и никеля на валы, поршни и инструменты для увеличения их ресурса.
• Электроника и радиотехника: золочение, серебрение или палладирование контактов, разъемов и дорожек печатных плат для обеспечения низкого переходного сопротивления и защиты от окисления; лужение (покрытие оловом или сплавами олово-свинец) выводов электронных компонентов для улучшения их паяемости.
• Ювелирное дело и бижутерия: золочение и серебрение изделий из недрагоценных металлов для придания им вида благородных; родирование украшений из серебра и белого золота для придания яркого блеска и защиты от потемнения.
• Строительство и бытовая техника: хромирование и никелирование сантехнических изделий (смесителей, полотенцесушителей), мебельной фурнитуры, деталей бытовых приборов для защиты от коррозии во влажной среде и красивого внешнего вида.
• Пищевая промышленность: лужение (покрытие оловом) внутренней поверхности стальных консервных банок для предотвращения коррозии и контакта пищи с железом.
• Авиакосмическая отрасль: нанесение защитных покрытий (кадмиевых, цинк-никелевых) на детали самолетов и ракет для предотвращения коррозии в экстремальных условиях эксплуатации.
Ответ: Примеры использования гальваностегии включают хромирование автомобильных деталей, золочение ювелирных украшений и электрических контактов, цинкование стального крепежа для защиты от коррозии, никелирование сантехники, а также лужение (покрытие оловом) консервных банок.