11 класс. Химия. Общие способы получения металлов. Коррозия

Комментарии преподавателя

1. Нахождение металлов в природе

Металлы присутствуют в природе как в самородном состоянии (самородные металлы), так и в виде различных соединений. В свободном состоянии присутствуют в природе металлы, которые либо плохо окисляются кислородом, либо совсем не окисляются. Например, платина, золото, серебро. Реже – медь, ртуть и некоторые другие. Самородные металлы встречаются в природе в небольших количествах  в виде зерен или вкраплений в различных минералах. Лишь изредка они образуют большие куски – самородки. Самый большой самородок золота весил 112 кг. Иногда металлы практически в чистом виде содержатся в метеоритах. Так, некоторые предметы из высокочистого железа, найденные археологами, объясняются именно тем, что они были изготовлены из метеоритного железа. Но чаще всего металлы существуют в природе в связанном состоянии в составе минералов.

Минерал – это химически и физически индивидуализированный продукт природной физико-химической реакции, находящийся в кристаллическом состоянии.

Очень часто это оксиды. Например, оксид железа (III) Fe2O3 – гематит, или красный железняк. Рис. 1.

Fe3O4 – магнетит, или магнитный железняк. Нередко минералами являются сульфидные соединения: галенит ZnS, киноварь HgS.

Активные металлы часто присутствуют в природе в виде солей (сульфаты, нитраты, хлориды, карбонаты).

Минералы входят в состав горных пород и руд. Рудами называются природные образования, содержащие минералы в таком количестве, чтоб из этих руд было выгодно получать металлы. Обычно перед получением металла из руды руду обогащают, удаляя пустую породу и различные примеси. При этом образуется концентрат, который и является исходным сырьем для металлургической промышленности.

2. Способы получения металлов

Существуют различные способы обогащения руды. Один из них – флотация.

Для получения металлов из руд необходимо перевести металлы из руд в какую-нибудь единую форму, чаще всего в форму оксидов.

2CuS +3 O2 2CuO + 2SO2

4FeS2 +11O2 2Fe2O3 + 8SO2

Полученные оксиды можно восстанавливать несколькими способами.

1. Один из основных – это металлотермия.

- Алюмотермия ( алюминотермия)

Cr2O3 +2 Al  2Al2O3 + 2Cr

- Магниетермия.

Fe2O3 +3Mg  3MgO + 2Fe

Можно проводить восстановление и другими веществами.

CuO + C → Cu + CO↑

NiO + H2 → Ni + H2O

2. Термическое разложение соединений металлов.

2AlH3 2Al + 3H2↑

Fe(CO)5 Fe + 5 CO ↑

TiI4 Ti + 2I2

Этот метод применяется для получения высокочистых металлов.

3. Электролитическое получение металлов.

Металлы, особенно активные, можно получить при электролизе расплавов электролитов. Для щелочных металлов – это единственный способ их получения. Возможно получение металлов при электролизе водных растворов солей. Катионы металлов, расположенных в электрохимическом ряду напряжений до водорода, разряжаются на катоде в той или иной степени одновременно с молекулами воды. А в случае солей металлов, расположенных правее водорода, на катоде получается только соответствующий металл.

4. Более активный металл вытесняет менее активный из раствора его соли.

CuSO4 + Fe → FeSO4 + Cu

В таких реакциях нельзя использовать щелочные и щелочноземельные металлы, потому что они реагируют с водой.

3. Коррозия металлов и сплавов

Коррозия – самопроизвольное разрушение металлов и сплавов под воздействием окружающей среды. Коррозию металлов и сплавов вызывают такие компоненты окружающей среды, как вода, кислород, оксиды углерода и серы, содержащиеся в воздухе, морская вода и грунтовые воды.

По типу агрессивных сред, в которых протекает коррозия, она может быть следующих видов:

- Газовая коррозия

- Атмосферная коррозия

- Коррозия в неэлектролитах

- Коррозия в электролитах

- Подземная коррозия

- Биокоррозия

   Рис. 2

Чаще всего коррозии подвергаются изделия из железа. Рис. 2.

Особенно сильно корродируют металлы во влажном воздухе и в воде. В повседневной жизни для сплавов железа чаще всего использую термин «ржавление». Химически чистое железо ржавеет медленно, техническое железо, содержащее различные примеси, ржавеет быстро. Коррозия зависит не только от химического состава объекта, но и от того, какие примеси и в каком количестве этот объект содержит.

1. Коррозия (от латинского «corrodere» разъедать) – самопроизвольный окислительно-восстановительный процесс разрушения металлов и сплавов вследствие взаимодействия с окружающей средой.

2. Виды коррозии: химическая и электрохимическая

I. Химическая – коррозия, обусловленная взаимодействием металлов с веществами, содержащимися в окружающей среде (газами или электролитами), при этом происходит окислительно-восстановительное разрушение металла без возникновения электрического тока в системе.

Газовая  - химическая коррозия, обусловленная взаимодействием металлов с газами.

Основной окислитель – кислород воздуха.

Процессы химической коррозии железа:

2Fe + O2 = 2FeO

4Fe + 3O2 = 2Fe2O3

3Fe + 3O2 = FeO·Fe2O3 (смешанный оксид железа (II, III) )

4Fe + 3O2 + 6H2O = 4Fe(OH)3 (на воздухе в присутствии влаги)

Fe(OH)3 t °C→    H2O + FeOOH (ржавчина)

3Fe + 4H2O(пар) = Fe3O4 + 4H2

2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3

II. Электрохимическая – окислительно-восстановительное разрушение сплавов и металлов, содержащих примеси, с возникновением электрического тока в системе.

 

АНОД (более активный металл) – разрушается	КАТОД (менее активный металл или примесь неметалла, способного + ē) – восстанавливается среда
Ме0 – nē → Men+ (процесс окисления)	кислая среда: 2H+ + 2ē → H2 (процесс восстановления) влажный воздух: O2 + 2H2O + 4ē → 4OH- (процесс восстановления)

 Пример:

Электрохимическая коррозия железной детали с примесями меди во влажном воздухе.

А:  Fe0 - 2ē → Fe2+ (Окисление)

К:  O2 + 2H2O + 4ē → 4OH- (процесс восстановления)

Итог: 2Fe + O2 + 2H2O  = 2Fe(OH)2 (белая ржавчина)

4Fe(OH)2 + 2H2O + O2  = 4Fe(OH)3  (бурая ржавчина)

Fe(OH)3 = FeOOH + H2O

Защита от коррозии:

1). Металлические покрытия – анодное (покрытие более активным металлом Zn, Cr) – оцинкованное железо; катодное (покрытие менее активным металлом Ni, Sn, Ag, Au) – белая жесть (лужёное железо) – не защищает от разрушения в случае нарушения покрытия.

2). Неметаллические покрытия – органические (лаки, краски, пластмассы, резина - гумирование, битум);

неорганические (эмали).

3). Протекторная защита – присоединение пластины из более активного металла (Al, Zn, Mg) – защита морских судов.                     

4). Электрохимическая (катодная) защита – соединение защищаемого изделия с катодом внешнего источника тока, вследствие чего изделие становится катодом. Ток идёт в противоположном направлении.

5). Добавление ингибиторов ( в зависимости от природы металла –NaNO2, Na3PO4, хромат и бихромат калия, ВМС органические соединения), адсорбируются на поверхности металла и переводят его в пассивное состояние.

Способы борьбы с коррозией

1. Нанесение различных покрытий на поверхность металла (краски, эмали, другой металл). Рис. 3.

   Рис. 3

2. Использование нержавеющих сплавов, добавки к железу Cr. Ni. Ti. Рис. 4.

   Рис. 4

3. Введение ингибиторов коррозии.

4.Контакт с более активным металлом, протектором. Сначала будет корродировать протектор, потом защищаемый металл.

4. Йодистое рафинирование и галогеновые лампы

Для многих целей необходим высокочистый титан. Он широко используется в судостроении, авиации и космической технике, так как он прочный, пластичный и коррозионностойкий. Для получения высокочистого титана и некоторых других металлов используется метод йодистого рафинирования. Рис. 5. Этот метод заключается в следующем. Титан с примесями и твердый йод загружают в нижнюю часть аппарата и начинают нагревание. Образуется летучий тетрайодид титана.

    Рис. 5

TiI4 Ti + 2I2

Который перемещается к верхней части камеры, где разлагается на металл и йод на раскаленной вольфрамовой проволоке. Примеси не проявляют таких химических свойств и поэтому в верхнюю часть камеры не переходят.

Принцип йодистого рафинирования реализуется в галогеновых лампах. Ведь вольфрам, из которых состоит лампа накаливания, с нее постепенно испаряется, из-за чего нить утончается и, в конце концов, рвется. Но при добавлении небольшого количества йода, убежавшие атомы вольфрама могут образовывать с ним летучие йодиды, которые разлагаются на раскаленные вольфрамовые нити, возвращая металл на место. Чем тоньше участок спирали, тем выше на нем температура, соответственно, тем легче и быстрее на нем разлагается иодид вольфрама. Поэтому более тонкие участки спирали залечиваются быстрее. Из-за этого срок службы галогеновых ламп в 10 и более раз превышает срок службы обычных ламп накаливания.

Источники

https://www.youtube.com/watch?v=IWXJxBVisiI

https://www.youtube.com/watch?v=AfSpkmoaVow

https://sites.google.com/site/himulacom/zvonok-na-urok/11-klass---cetveertyj-god-obucenia/urok-no36-ponatie-o-korrozii-metallov-sposoby-zasity-ot-korrozii - конспект

источник презентации - http://prezentacii.com/po_himii/8634-sposoby-polucheniya-metallov.html

источник презентации - http://pwpt.ru/download/advert/aa29dd7d69c7cbdea55658afd81be452/

источник презентации - http://ppt4web.ru/khimija/metally-v-prirode-obshhie-sposoby-ikh-poluchenija.html

Файлы