Ю.И.ПАХОМОВ

Cборник
практических работ
по химии

9 КЛАСС

Продолжение. См. № 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41/2003

Практическая работа 20.
Сплавы

Цели. Рассмотреть образцы коллекции сплавов, повторить и закрепить понятия о сплавообразовании, обсудить причины огромного значения сплавов в современной технике.
Сплавы – системы, состоящие из двух или нескольких металлов или металлов и неметаллов, обладающие характерными для металлического состояния свойствами.
Сплавы являются основой технического могущества страны, т. к. по некоторым свойствам значительно превосходят чистые металлы – обладают большей прочностью, коррозионной стойкостью и твердостью, лучшими литейными свойствами, магнетизмом, электросопротивлением, сверхпроводимостью и т. д. Основа сплавообразования – металлическая связь и способность металлов перестраивать свои кристаллические решетки. Распределение электронов и изменение их энергии – факторы, определяющие кристаллическое строение и все свойства металлов и сплавов.

Если атомы двух металлов не взаимодействуют, то они распределяются статистически равномерно и напоминают раствор двух жидкостей, инертных к химическому взаимодействию (а).
Если атомы разных металлов притягиваются сильнее однородных, то образуется упорядоченный твердый раствор (б), возникает сверхструктура. При значительном электронно-химическом различии компонентов сплавов (радиус атома, электроотрицательность, тип кристаллической решетки и др.) могут возникнуть интерметаллические соединения. (Отметим, что с С, S, О, Cl металлы образуют чисто химические соединения.)
При более слабом притягивании разнородных компонентов сплава по сравнению с однородными образуются равновесные структуры-смеси (в). В каком-то зерне такого сплава больше одного компонента, а в каком-то – другого. Части сплава отличаются составом, структурой, свойствами, это – гетерогенные сплавы.
Разница в размерах атомов до 8% роли не играет, но более 12% делает образование сплава невозможным. Сплавы могут быть растворами замещения (близкие радиусы атомов) или внедрения (когда радиус внедряющегося атома мал и соответствует размеру пор).

Если между узлами кристаллической решетки поры малы, то образуется более сложная кристаллическая структура. Например, при образовании цементита (Fe₃С) объемно-центрированная решетка железа превращается в объемно-центрированную тетрагональную.

Сплавы железа – чугун

Виды чугунов	Состав	Свойства	Применение
Cерый (с высокой (Si))	1,7–4,3% С, 1,25–4% Si, до 1,5% Mn. Углерод С выделяется из расплава в виде зерен графита	Сравнительно мягкий, легко поддается механической обработке	Используется при изготовлении литьем различных деталей
Белый (с небольшим содержанием Si)	1,7–4,3% C, мало Si, более 4% Mn. Углерод С содержится в виде цементита Fe3С (карбида железа)	Твердый, но хрупкий (из-за Fe3C)	Перерабатывается в сталь

Разновидности стали

Cплавы цветных металлов

Название	Состав, %	tпл, °C	Применение
Алюминиево- марганцевая бронза	Cu – 90, Al – 8,5–9,5, Mn – 1,5–2	1060	Изготовление деталей машин
Бериллиевая бронза	Cu – 97,4–98, Be – 2–2,6	1000	Изготовление пружин и инструментов, не искрящих при ударе
Латунь	Cu – 57–60, Zn – 40–43	900	Детали некоторых механизмов и предметов быта
Нейзильбер	Cu – 65, Zn – 20, Ni – 15	1040	В изготовлении монет
Kонстантан	Cu – 60, Ni – 39–41, Mn – 0,4–0,6	1270	Детали электроизмерительных приборов
Мельхиор	Cu – 80, Fe – 0,1–1, Ni – 18,5–20,5	1170	Изготовление монет и деталей машин, инструментов
Никелин	Cu – 65–67, Ni – 33–35, Mn – 0,4–0,6	1250	В изготовлении деталей электронагревателей
Сплав Вуда	Bi – 50, Pb – 25, Sn – 12,5, Cd – 12,5	69	В противопожарных устройствах и сигнальных аппаратах
Электрон	Mg – 86,5–96,6, Al – 3–10, Zn – 0,2–3, Mn – 0,15–0,5	625	В ракетной технике, авиа- и автостроении
Дюралюминий	Al – 95, Cu – 3–5, Mn – 0,3–1, Mg – 0,4–2,4	–	В самолетостроении, изготовлении строительных конструкций, бытовых приборов

Практическая работа 21.
Коррозия металлов
и методы защиты

Цели. Повторить и закрепить сущность процессов химической и электрохимической коррозии металлов, понятие о гальваническом элементе, основные методы антикоррозионной защиты (конкретные примеры, эксперимент в лабораторных условиях).
Оборудование и реактивы. Наждачная бумага (для зачистки), щипцы тигельные, тигель для расплавления гранул цинка, муфельная печь, спиртовка, спички, держатель для пробирок, штатив с пробирками, стеклянная воронка, U-образная трубка, очищенный железный гвоздь – электрод с пробкой, угольный электрод с пробкой, медный соединительный проводник, санитарная склянка;
Zn (2 гранулы), Сu (тонкая проволока без изоляции), Н₂SO₄ ( = 10%), HCl (разб.), растворы CuSO₄, NaCl, K₃[Fe(CN)₆] (красная кровяная соль), Fe (мелкие стружки или очищенная мелкая проволока в кусочках), стальные пластинки (2 шт.), уротропин (1/2 таблетки), фенолфталеин (спиртовой р-р).

Коррозия (от лат. «corrosio») – разрушение металлов и их сплавов в результате воздействия на них окружающей среды.

Виды коррозии
Химическая (газовая) коррозия

Взаимодействие металлов и сплавов с кислородом и другими агрессивными газами (галогенами, SO₂, H₂S, СО₂, водяными парами, окcидами азота и др.), разрушающее действие жидких неэлектролитов и металлических расплавов, т. е. окислительно-восстановительный процесс взаимодействия металлов и сплавов с веществами окружающей среды. Например, на железе уже при t > 200 °С образуется видимая пленка окалины (FеО, Fe₂О₃, Fe₃О₄), содержащая трещины, поры и не защищающая металл от дальнейшего разрушения.

Задание 1. С целью оценки экологической опасности для окружающей среды и разрушающего действия на аппаратуру, состоящую большей частью из сплавов железа, был проведен анализ состава воздуха на химическом предприятии. При повышенной температуре в воздухе обнаружены водяные пары, сера, хлор, пары соляной и серной кислот. Уравнениями реакций показать сущность химической коррозии.

Задание 2. На воздухе соли Fe²⁺ приобретают бурую окраску. Закончить уравнения реакций на основе электронного баланса:

3FeСl₂ + O₂ + H₂O = 2FeCl₃ + Fe(OH)₃,

... ;

3FeSO₄ + O₂ + H₂O = 2Fe₂(SO₄)₃ + Fe(OH)₃,

... .

Электрохимическая коррозия

Коррозия возникает при взаимодействии металлов и сплавов с растворами электролитов, электропроводными органическими соединениями и расплавами солей. Коррозия – окислительно-восстановительный процесс, возникающий при контакте двух проводников с различной восстановительной активностью в среде электролита (взаимодействие гальванических пар).
Например, что будет происходить, если во влажной нейтральной среде на алюминиевую пластину поставлены медные заклепки?

Рассмотрим образование ржавчины на поверхности белого чугуна в нейтральной среде. Будучи более активным восстановителем, железо отдает из своей кристаллической структуры электроны, накапливающиеся в зернах цементита Fe₃C.

Fe₂O₃•nH₂O – бурая ржавчина.

Если рН среды меньше 7, то происходит и водородная деполяризация катода (с выделением H₂).

Задание 3. Какие из перечисленных ниже условий будут:
1) способствовать электрохимической коррозии;
2) препятствовать электрохимической коррозии?
а) неоднородность сплава;
б) чистые поверхности металла;
в) влажность окружающего воздуха;
г) погружение в раствор NaCl;
д) наличие на поверхности металла плотной оксидной пленки;
е) присутствие в воздухе SO₂;
ж) покрытие поверхности металла жировым слоем.

(Ответ дать в следующей форме: 1–а и т. д.)

Основные методы защиты
металлов от коррозии