Общие свойства металлов и сплавов. Электрохимический ряд напряжений, коррозия металлов

Металлы составляют более 80% всех известных химических элементов. В атомах металлов мало валентных электронов (1–3), а атомные радиусы велики, поэтому металлы легко отдают электроны и являются сильными восстановителями.

Металлическая связь — это связь между положительно заряженными ионами металлов в узлах кристаллической решетки и свободно перемещающимися между ними обобществленными электронами («электронным газом»).

Наличием свободного электронного газа объясняются фундаментальные общие физические свойства всех металлов:

1. Высокая электропроводность и теплопроводность (наивысшая у Ag, Cu, Au, Al);

2. Металлический блеск и непрозрачность (свободные электроны отражают световые волны);

3. Пластичность и ковкость (слои ионов скользят друг относительно друга без разрушения связи благодаря электронному клею; самый пластичный — золото: из 1 г золота можно вытянуть проволоку длиной 3 км);

4. Твердость (самый мягкий — цезий Cs и калий K, режутся ножом; самый твердый — хром Cr, царапает стекло);

5. Температура плавления (самый легкоплавкий — ртуть Hg, -38.8 °C; самый тугоплавкий — вольфрам W, +3422 °C).

В химических реакциях металлы ВСЕГДА отдают электроны и выступают исключительно в роли восстановителей: Ме⁰ - ne⁻ → Меⁿ⁺.

Химическая активность металлов в водных растворах определяется их положением в электрохимическом ряду напряжений Бекетова:

Li > K > Ba > Ca > Na > Mg > Al > Mn > Zn > Cr > Fe > Ni > Sn > Pb > (H₂) > Cu > Hg > Ag > Pt > Au.

Химические реакции металлов:

1. С неметаллами: 2Na + Cl₂ → 2NaCl; 2Mg + O₂ → 2MgO; Fe + S → FeS.

2. С водой:

• Щелочные и щелочноземельные металлы (от Li до Na) бурно реагируют с холодной водой с образованием щелочи и H₂: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑;

• Металлы средней активности (от Mg до Fe) реагируют с водой только при сильном нагревании с парами воды, давая оксиды: 3Fe + 4H₂O(пар) → Fe₃O₄ + 4H₂↑;

• Металлы после водорода с водой не реагируют.

3. С кислотами: металлы до водорода вытесняют H₂ из неокисляющих кислот (HCl, H₂SO₄ разб.): Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑.

4. С растворами солей: более активный металл вытесняет менее активный металл из раствора его соли: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu↓.

Коррозия металлов — это самопроизвольное разрушение металлов и сплавов под химическим или электрохимическим воздействием окружающей среды.

Виды коррозии:

1. Химическая коррозия — разрушение металла в сухих газах при высоких температурах или в жидких неэлектролитах (образование окалины в печах: 2Fe + O₂ → 2FeO).

2. Электрохимическая коррозия — разрушение металла в растворе электролита (во влажном воздухе, в морской воде, под действием дорожных солей) с возникновением микрогальванических элементов.

При контакте двух металлов (например, железа Fe и меди Cu) более активный металл (Fe) становится анодом и растворяется (корродирует ускоренно):

Анод (-): Fe⁰ - 2e⁻ → Fe²⁺;

Катод (+): 2H₂O + O₂ + 4e⁻ → 4OH⁻.

Суммарно образуется ржавчина: 4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O → 4Fe(OH)₃↓ (Fe₂O₃·nH₂O).

Способы защиты от коррозии:

• Нанесение защитных покрытий: неметаллические (краски, лаки, эмали) и металлические (цинкование — анодное защитное покрытие кровельного железа; лужение оловом консервных банок);

• Протекторная защита: к корпусу стального корабля или трубопровода крепят пластины более активного металла — цинка Zn или магния Mg, который разрушается, спасая сталь;

• Катодная защита от внешнего источника постоянного тока;

• Добавление ингибиторов коррозии и легирование (создание нержавеющих сталей добавлением Cr и Ni).

Методика оценки коррозионной устойчивости:

Излюбленный вопрос ЕНТ по коррозии:

«Что произойдет при повреждении покрытия оцинкованного ведра (Fe + Zn) и луженой консервной банки (Fe + Sn)?»

Разбор:

1. Оцинкованное ведро (Zn левее Fe в ряду активности):

Цинк активнее железа (E°(Zn²⁺/Zn) = -0.76 В, E°(Fe²⁺/Fe) = -0.44 В). При возникновении царапины цинк отдает электроны железу и корродирует САМ: Zn - 2e⁻ → Zn²⁺. Железо полностью защищено до тех пор, пока не растворится весь цинк!

2. Луженая банка (Sn правее Fe в ряду активности):

Железо активнее олова! При появлении царапины образуется гальваническая пара, в которой анодом становится ЖЕЛЕЗО: Fe - 2e⁻ → Fe²⁺. Железо разрушается намного быстрее, чем чистое железо без олова!