§ 22. Получение и применение металлов. Коррозия металлов

Определения и обозначения

Металлургия — совокупность процессов получения металлов из руд и их последующей обработки. Она решает две связанные задачи: позволяет выделить металл из природного сырья, а затем придать ему нужные свойства и форму. Благодаря металлургии получают материалы для машин, зданий, проводов и бытовых предметов.

Руда — природное минеральное сырьё, содержащее соединения металлов в количествах, позволяющих их извлекать. В отличие от чистого металла, руда обычно состоит из нескольких минералов и примесей, а металл в ней чаще связан с другими элементами. Поэтому перед получением металла сырьё приходится перерабатывать.

Коррозия металлов — самопроизвольное разрушение металлов и сплавов при взаимодействии с окружающей средой. В ходе процесса металл обычно превращается в соединения, например оксиды или соли. Понимание коррозии помогает выяснить, почему изделие теряет прочность и как продлить срок его службы.

Электрохимическая коррозия — разрушение металла в присутствии электролита из-за окислительно-восстановительных процессов на участках его поверхности. Электролит — среда, способная проводить электрический ток благодаря подвижным ионам; им может быть влажная плёнка с растворёнными солями. Это понятие объясняет, почему вода и загрязнения часто ускоряют разрушение металлических изделий.

Как это устроено

Получение металла начинается с подготовки руды: её измельчают и, если это необходимо, отделяют часть пустой породы. Затем из сырья выделяют соединение металла и переводят его в свободный металл восстановлением или электролизом. Конкретная схема зависит от того, какие соединения входят в руду и насколько прочно металл удерживается в них. Чем активнее металл и устойчивее его соединение, тем труднее выделить его обычным химическим восстановителем.

Металлы средней активности часто получают восстановлением их соединений углём, угарным газом или водородом. Восстановитель передаёт электроны соединению металла; если исходным веществом служит оксид, восстановитель может связывать его кислород. Например, в реакции Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ угарный газ забирает кислород у оксида железа и превращается в углекислый газ. Железо при этом переходит из соединения в свободное состояние.

Активные металлы, например алюминий, получают электролизом расплавов их соединений. Их соединения настолько устойчивы, что уголь или другие обычные восстановители не могут достаточно эффективно вытеснить металл. При электролизе электрический ток вызывает направленное движение частиц и превращения на электродах. В отличие от восстановления углём, здесь металл выделяется благодаря электрической энергии, а не химическому связыванию кислорода восстановителем.

Материал изделия выбирают не по одному признаку, а по сочетанию свойств и условий службы. Для конструкции может быть важна прочность, для переносного изделия — малая плотность, а для проводов — высокая электропроводность. Если предмет нагревается или находится во влажной среде, учитывают устойчивость к нагреванию и коррозии. Сплавы позволяют сочетать свойства металлов, но их выбор тоже зависит от того, какую нагрузку и среду предстоит выдерживать.

Коррозия начинается, когда поверхность металла взаимодействует с компонентами среды. Вода помогает растворять вещества и переносить ионы, кислород участвует в окислительно-восстановительных процессах, а растворённые соли делают влагу более проводящей. При контакте двух разных металлов во влажной среде может возникнуть электрохимическая пара: менее благородный металл окисляется и разрушается быстрее. Поэтому опасны не только сырость и соли, но и неудачно соединённые материалы.

Основные способы получения металлов

Сначала определите, в каком виде находится металл в исходном сырье: это поможет понять, можно ли использовать нагрев, растворение или электрический ток. Затем сопоставьте свойства металла со способом выделения: активные металлы обычно требуют электролиза расплава, а менее активные можно получать восстановлением. В промышленности отдельные этапы иногда сочетают, поэтому названия способов указывают на основной принцип процесса.

Разбор задач

Получение железа из оксида угарным газом

Условие. Записать уравнение получения железа из оксида железа(III) угарным газом и определить восстановитель. Для решения нужно учесть, что угарный газ связывает кислород, а железо образуется в свободном состоянии. Проверить уравнение можно по числу атомов и изменению степеней окисления.

1. Записываем схему: Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂. В продуктах оксид железа превращается в металл, а угарный газ — в углекислый газ.
2. Балансируем железо: в Fe₂O₃ два атома Fe, значит, справа ставим 2Fe. Затем уравниваем кислород и углерод, получая Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂.
3. Определяем изменения степеней окисления: Fe в оксиде меняет +3 на 0, а C в CO — +2 на +4 в CO₂. Угарный газ окисляется и восстанавливает железо, следовательно, он является восстановителем.

Ответ. Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂; восстановитель — CO. Восстановителем называют частицу, которая отдаёт электроны и сама окисляется, поэтому изменение степени окисления углерода подтверждает выбор.

Можно ли получить алюминий восстановлением оксида углём?

Условие. Нужно определить, подходит ли уголь для восстановления оксида алюминия, и предложить способ получения металла. Здесь нельзя судить только по тому, что уголь используют для получения некоторых металлов: необходимо учитывать активность алюминия и устойчивость его оксида. Чем устойчивее соединение, тем труднее отнять у него кислород обычным восстановителем.

1. Сопоставляем алюминий и углерод по химической активности: алюминий очень активен, а оксид Al₂O₃ устойчив. Поэтому уголь не является подходящим обычным способом выделения алюминия из этого оксида.
2. Выбираем метод, который позволяет разлагать устойчивое соединение за счёт электрической энергии. Для алюминия применяют электролиз расплава соединения, а не водного раствора.
3. Поясняем выбор: в расплаве частицы могут перемещаться к электродам, где происходят превращения и выделяется металл. В воде вместо этого разряжались бы частицы воды, поэтому расплав необходим.

Ответ. Алюминий из оксида углём обычно не получают; его получают электролизом расплава. Решение основано на высокой активности алюминия и устойчивости его соединений.

Железная пластина соприкасается с медной

Условие. Железо и медь соприкасаются во влажном воздухе. Нужно выяснить, какой металл будет разрушаться быстрее, объяснить причину и предложить два способа защиты. Влага с растворёнными веществами образует электролит, а контакт металлов создаёт условия для электрохимической коррозии.

1. Сравниваем металлы: железо активнее меди и легче окисляется. В электрохимической паре железо становится менее благородным металлом и разрушается быстрее.
2. Убираем условия для протекания коррозии: можно покрыть поверхность краской или другим сплошным изолирующим слоем, чтобы ограничить контакт металла с влагой и кислородом.
3. Устраняем неблагоприятный контакт: можно разделить железо и медь изолирующей прокладкой или подобрать соединение из совместимых материалов. Это мешает образованию электрохимической пары.

Ответ. Быстрее разрушается железо. Его защищают изоляционным покрытием и разобщением железа с медью, например диэлектрической прокладкой.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что любой металл можно получить восстановлением углём. Такой способ подходит не для всех металлов: активные металлы образуют устойчивые соединения, из которых уголь не может эффективно их вытеснить. Ошибку допускают, перенося способ получения железа на все элементы. Проверьте себя: сопоставьте активность металла и устойчивость его соединения; для активного металла рассмотрите электролиз расплава.

Ошибка: путать руду с чистым металлом. Руда содержит минералы и примеси, а металл в ней обычно находится в составе соединения. Путаница возникает из-за того, что руду называют источником металла, будто она уже состоит из него. Проверьте себя вопросом: нужно ли сначала подготовить сырьё и выделить соединение металла? Если да, перед вами руда, а не готовый металл.

Ошибка: сводить коррозию только к появлению ржавчины. Ржавчина связана с коррозией железа, но корродируют также другие металлы и сплавы, а продукты разрушения могут иметь иной состав и вид. Ошибку провоцирует знакомый пример с железными предметами. Проверьте себя: речь идёт о любом самопроизвольном разрушении металла под действием среды, а не только об образовании ржавчины.

Ошибка: считать, что покрытие другим металлом всегда защищает изделие. Защита зависит от свойств покрытия и его целостности: повреждение слоя может открыть основному металлу путь к влаге. Если покрытие благороднее основного металла, в присутствии электролита контакт способен ускорить разрушение открытого участка. Проверьте себя: выясните, какой металл активнее, есть ли повреждение и может ли влага соединить их поверхности.

Связь с другими темами

Для выбора способа получения металла пригодятся ряд активности металлов и понятия окисления и восстановления. Нужно уметь различать окислитель и восстановитель: первый принимает электроны, второй отдаёт их. Свойства металлов и сплавов помогают объяснить выбор материалов для техники, строительства и быта. Окислительно-восстановительные процессы связывают эту тему с электролизом, гальваническими элементами и электрохимической защитой металлов.

Что запомнить

• Способ получения металла выбирают с учётом его химической активности.
• Металлы средней активности часто получают восстановлением соединений.
• Активные металлы получают электролизом расплавов соединений.
• Коррозия — самопроизвольное разрушение металла под действием окружающей среды.
• Влага и электролиты могут ускорять электрохимическую коррозию.
• Металлы защищают покрытиями, подбором материалов и изменением условий эксплуатации.