Химия · 9 класс4 четвертьТема 10Лабораторная работаГОСО РК 2026Базовый

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

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

Время изучения~75 минтеория + практика
Разделы темы5 разд.пошаговый разбор
Тест темы2 вопр.с мгновенным ответом
СОР / СОЧ4 четвертьдескрипторы ГОСО

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).

Схема: Электрохимический ряд напряжений металлов и электрохимическая коррозия

Анимированная модель
V1.10 ВТок e⁻ →ZnZnSO₄ (1 M)АНОД (-) ОкислениеСолевой мостик (KCl)CuCuSO₄ (1 M)КАТОД (+) Восстановление
Возникновение микрогальванических пар при контакте разнородных металлов; анодная и катодная защита.
Кристаллическое строение

Металлическая решетка

Упорядоченный каркас катионов металлов, погруженный в подвижный электронный газ.
Механическое свойство

Пластичность

Способность деформироваться под давлением без образования трещин за счет подвижности электронов.

Сплавы

Сплавы обладают свойствами, превосходящими чистые металлы: бронза (Cu+Sn), латунь (Cu+Zn), дюралюминий (Al+Cu+Mg), сталь и чугун (сплавы железа с углеродом).

Шаг 1
Определение положения элемента
Найти элемент слева от диагонали B — At (типичный металл).
Шаг 2
Анализ решетки
Учесть металлическую связь со свободными электронами.
Шаг 3
Связь структуры со свойствами
Объяснить электропроводность, блеск и ковкость наличием подвижных электронов.
Схема металлической связи
Ме0⇌Меn++ne−(электронный газ)\text{Ме}^0 \rightleftharpoons \text{Ме}^{n+} + n e^- \quad (\text{электронный газ})
Динамическое равновесие между нейтральными атомами и ионами в узлах кристаллической решетки.

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↓.

Восстановительная сила

Ряд напряжений Бекетова

Последовательность стандартных электродных потенциалов металлов в водных растворах.
Гидротермальная реакция

Реакция металлов с водой

Активные металлы образуют растворимые щелочи, металлы средней активности — оксиды.

Алюминий на воздухе

Алюминий — очень активный металл, но на воздухе покрыт прочнейшей прозрачной оксидной пленкой Al₂O₃ толщиной всего несколько нанометров, защищающей его от коррозии.

Шаг 1
Поиск в ряду напряжений
Определить положение обоих металлов относительно H₂ и друг друга.
Шаг 2
Проверка воды и кислоты
Для реакции с H₂O металл должен быть левее Mg; для кислот — левее H₂.
Шаг 3
Проверка соли
Металл-вытеснитель должен стоять левее вытесняемого металла соли.
Окисление железа водяным паром
3Fe+4H2O(пар)→800∘CFe3O4+4H2↑3\text{Fe} + 4\text{H}_2\text{O(пар)} \xrightarrow{800^{\circ}\text{C}} \text{Fe}_3\text{O}_4 + 4\text{H}_2\uparrow
Один из старейших промышленных способов получения чистого водорода (железо-паровой метод).

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).

Электрохимическое разрушение

Электрохимическая коррозия

Коррозия во влажной среде с разделением на анодные зоны окисления металла и катодные зоны восстановления кислорода.
Жертвенный металл

Протекторная защита

Присоединение цинкового или магниевого протектора, принимающего на себя коррозионный удар.

Экономический ущерб от коррозии

Ежегодно от коррозии безвозвратно теряется около 10–15% всего выплавляемого в мире металла.

Шаг 1
Определение гальванической пары
Сравнить потенциалы контактирующих металлов по ряду активности.
Шаг 2
Назначение анода и катода
Более активный металл (левее) — анод, он корродирует; менее активный — катод.
Шаг 3
Выбор защиты
Покрыть защитным слоем лака или подсоединить протектор (Zn).
Анодное растворение цинкового протектора
Zn0−2e−⟶Zn2+(E∘=−0.76 В<EFe∘=−0.44 В)\text{Zn}^0 - 2e^- \longrightarrow \text{Zn}^{2+} \quad (E^{\circ} = -0.76\text{ В} < E^{\circ}_{\text{Fe}} = -0.44\text{ В})
Цинк имеет более отрицательный потенциал, чем железо, поэтому цинк окисляется первым даже при повреждении покрытия.

Методика оценки коррозионной устойчивости:

Шаг 1
Определение металлов в контакте
Найти два металла по ряду Бекетова. Более активный металл (стоящий левее) становится АНОДОМ и разрушается (корродирует); менее активный металл становится катодом и не разрушается.
Шаг 2
Протекторная защита (жертвенный анод)
Для защиты стальных корпусов судов или подземных трубопроводов к ним прикрепляют блоки из более активного металла — цинка Zn или магния Mg, которые корродируют вместо железа.
Шаг 3
Анодные и катодные покрытия
Оцинкованное железо (анодное покрытие): даже при царапине цинк защищает железо. Луженое железо (покрытое оловом Sn, консервные банки): при нарушении слоя олова железо ржавеет в десятки раз БЫСТРЕЕ, так как Fe активнее Sn!

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!

Анодное покрытие надежнее

При повреждении оцинкованного железа корродирует цинк (анод), а железо цело. При повреждении луженого железа корродирует само железо с ускоренной силой!

Ваш прогресс по теме25%
Шпаргалка формул9 класс
Степень электролитической диссоциации:
α=Nдис/Nобщ=Cдис/Cобщ\alpha = N_{дис} / N_{общ} = C_{дис} / C_{общ}[б/р или %]
Закон разбавления Оствальда:
Kd=(α2⋅C)/(1−α)≈α2⋅CK_d = (\alpha^2 \cdot C) / (1 - \alpha) \approx \alpha^2 \cdot C[моль/л]
Ионное произведение воды:
K_w = [H^+] \cdot [OH^-] = 1.0 \cdot 10^{-14} \text{ (при 25°C)}[моль²/л²]
Водородный показатель pH:
pH=−lg⁡[H+],pOH=−lg⁡[OH−],pH+pOH=14pH = -\lg [H^+], \quad pOH = -\lg [OH^-], \quad pH + pOH = 14[ед. pH]
Следующая тема

Строение электронных оболочек атомов: квантовые числа, принцип Паули, правило Хунда

Перейти к теме →