Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Тема 9
У вільному стані в природі зустрічаються тільки неактивні метали. Так у вигляді самородків зустрічаються золото й платина, іноді – срібло й мідь. Добування цих металів пов’язане лише з механічним відокремленням їх від домішок. Більшість металічних елементів легко окиснюються й існують в природі тільки у сполуках: оксидах (Fe3O4, Cr2O3), сульфідах (FeS2, ZnS), солях (NaCl, CaCO3). Саме з таких природних сполук і добувають метали шляхом їх хімічної переробки.
Природні мінеральні сполуки, з яких економічно доцільно видобувати метал у виробничих умовах називають рудами. Найважливішими рудами є оксиди, сульфіди і карбонати металічних елементів. Першим етапом переробки руд є видалення пустої породи — збагачення руди. Добування металів із руд ґрунтується на їх відновленні різними способами.
Найважливіший спосіб одержання металів із руд — відновлення оксидів відповідних металічних елементів вугіллям (коксом) при нагріванні:
SnO2 + C = Sn + CO2.
Досить часто оксидні руди відновлюють карбон(ІІ) оксидом, а інколи — воднем:
Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2
WO3 + 3H2 = W + 3H2O.
Сульфідні руди спочатку випалюють, а потім відновлюють одержаний оксид:
2PbS + 3O2 = 2PbO + 2SO2
PbO + C = Pb + CO.
Важливим методом добування металів є відновлення менш активних металів активнішими металами і деякими неметалами при нагріванні. Відновлення алюмінієм називають алюмінотермією, відновлення магнієм — магнієтермією, силіцієм — силікотермією:
Fe2O3 + 2Al = 2Fe + Al2O3.
В більшості випадків руди містять різні домішки у вигляді піску, глини, вапняку тощо. Ці домішки називають пустою породою. Коли в руді багато пустої породи, тобто коли руда є бідною на корисну речовину, таку руду піддають збагаченню, тобто видаляють з неї частину пустої породи. Різні руди збагачують різними способами.
Для збагачення сульфідних руд звичайно застосовують спосіб флотації (спливання). При цьому способі руду розмелюють у тонкий порошок і заливають у великих чанах водою. До води додають певні органічні речовини (наприклад, соснове масло, вищі жирні кислоти тощо), молекули яких добре адсорбуються частинками сульфідів, і вкривають їх тонкою плівкою, внаслідок чого вони не змочуються водою. Крізь воду продувають повітря, пухирці якого з маслом утворюють піну, а також прилипають до частинок сульфідів, і вони спливають та збираються зверху разом з піною, а змочені водою частинки пустої породи осідають на дно (див. мал. Схема флотаційного апарату). Піну з сульфідами металів зливають з чану і віджимають сульфіди. Так одержують збагачену на корисну речовину руду.
Вільні метали добувають з руд різними способами. З оксидних руд метали одержують відновленням їх при високих температурах. При цьому як відновник частіше всього використовують вугілля (кокс) і монооксид вуглецю СО.
Доменне виробництво чавуну
Добування чавуну базується на відновленні заліза із оксидів Феруму та переводі пустої породи в шлак. Головною технологією виробництва чавуну є виплавка в доменних печах.
Чавун виплавляють у величезних доменних печах висотою до 30 м, а діаметром — до 12 м. Внутрішня частина домни викладена вогнетривкою цеглою, а зовнішня облицьована стальними листами. Сировиною для виробництва чавуну в доменних печах є залізні руди, паливо та флюси. Таку суміш сировинних матеріалів називають шихтою. Найважливіші залізні руди: магнетит Fе3О4, гематит Fe2О3, пірит FеS2 , сидерит FеСО3. У якості палива використовують кокс, який є продуктом переробки кам’яного вугілля. Іноді замість коксу використовують природний газ або мазут. За допомогою флюсів тугоплавкі домішки та пусту породу перетворюють на легкоплавкі сполуки, шлак. У якості флюсів використовують вапняк СaCO3 і доломіт MgCO3.
Залізо поступово опускається у більш гарячу частину печі (розпар) і розчиняє в собі до 4 % вуглецю й інші домішки. Утворюється чавун — сплав заліза з вуглецем, карбідом заліза, S, P, Si. Домішки погіршують якість чавуну.
Чавун плавиться та стікає в нижню частину горна, а рідкі шлаки збираються на поверхні. Вони запобігають окисненню чавуну. Чавун і шлаки випускають із печі кілька разів на добу через особливі отвори, забиті глиною. Чавун виливається вогненним потоком при температурі 1500 ºС.
З доменної печі виходять гази, які містять до 25 % карбон(ІІ) оксиду. Їх спалюють в особливих апаратах — кауперах. Каупери призначені для попереднього нагрівання повітря, яке вдувають у піч.
Доменна піч працює безупинно. Висока температура в печі підтримується завдяки екзотермічним реакціям. Періодично у піч додають нові порції шихти. В одній доменній печі за добу можна зварити понад 2000 т чавуну. Робота печі триває протягом кількох років, аж до капітального ремонту.
По застосуванню чавун ділиться на три групи: ливарний, спеціальний, передільний. Із ливарного чавуну виливають найрізноманітніші вироби: деталі складної конфігурації, скульптури, предмети декору. Додавання магнію та інших металів значно поліпшує механічні властивості чавуну, зменшує його крихкість. Із передільного чавуну виплавляють сталь.
Доменний шлак використовують для виготовлення шлакобетону, гравію, щебеню тощо.
Останнім часом посилилася негативна дія чинників, які стримують розвиток металургії. Це призводить до виникнення цілої низки проблем. Одна з них полягає в тому, що з розпалом СРСР Україні вже не потрібна така кількість металу, яка вироблялася раніше. Крім того, десятками років комплекс технічно майже не переоснащувався. Тому близько 90 % обладнання фізично і морально спрацьовано. На світовому ринку продукції металургійного комплексу йде гостра боротьба за ринки збуту, в якій Україні ще потрібно завоювати своє місце. Технологія виробництва металів у нашій країні відстала, внаслідок нього витрачається невиправдано багато палива, електроенергії і води. Металургійний комплекс породжує екологічні проблеми.
Металургійний комплекс України має значні перспективи розвитку і вдосконалення, які базуються на найкращих у світі умовах для того.
Особливо це стосується чорної металургії. В останні роки добрі перспективи з'явилися і в кольорової металургії. Вони пов'язані з відкриттям великих запасів різноманітної сировини. Деякі з них мають світове значення.
Після того, як Україна стала незалежною державою, українські геологи спрямували свої зусилля на пошук корисних копалин на території держави. Це майже одразу дало результати і відкрило великі перспективи для розвитку кольорової металургії. Золото було знайдено в Карпатах, на Українському шиті, в Донбасі. Потім його виявили у вигляді річкових відкладів і на мілководдях Чорного моря. Відкрили великі запаси поліметалічних руд, алюмінієвої сировини тощо. Але особливо вражають своєю якістю і обсягом запаси самородної міді на Волині.
Під час експлуатації виробів з металів та їх сплавів доводиться стикатися з явищем руйнування їх під дією навколишнього середовища. Руйнування металів і сплавів внаслідок взаємодії їх з навколишнім середовищем називається корозією.
Корозія металів завдає великої економічної шкоди, Внаслідок корозії виходять з ладу обладнання, машини, : механізми, руйнуються металеві конструкції. Особливо сильно піддається корозії обладнання, що контактує з агресивним середовищем, наприклад розчинами кислот, солей.
Корозійне руйнування може охоплювати всю поверхню металу — суцільна (загальна) " корозія або окремі ділянки — місцева (локальна) корозія. Залежно від механізму процесу розрізняють хімічну й електрохімічну корозію.
Хімічна корозія — це руйнування металу внаслідок окиснення його окисниками, що містяться в корозійному середовищі.
Хімічна корозія відбувається без виникнення електричного струму в системі. Такий вид корозії виникає під час контакту металів з неелектролітами або в газовому середовищі за високих температур (газова корозія).
Газова корозія трапляється досить часто. З нею ми стикаємося при корозії металів у печах, вихлопних трубах тощо. Найбезпечнішими для метал«» компонентами газового середовища є кисень О2, пара води H2O, оксид карбону(ІV) СО2, оксид сульфуру(ІV) S02. Корозійне руйнування заліза і його сплавів на повітрі зумовлено окисненням його киснем:
4Fe+3O2 = 2Fe2O3
З підвищенням температури швидкість газової корозії зростає. Найбільшої шкоди завдає електрохімічна корозія.
Електрохімічною корозією називається руйнування металу під час контакту з електролітами з виникненням у системі електричного струму.
У цьому випадку поряд з хімічними процесами (відщеплення електронів) відбуваються й електричні (перенесення електронів від однієї ділянки до іншої). При цьому в результаті взаємодії металу з молекулами води з корозійного середовища на ньому відбуваються два процеси: окиснення металу Me (анодний процес):
Me – 2е– = Ме2+
і відновлення окисників — компонентів середовища (катодний процес). Як правило, окисниками виступають іони гідрогену Н+ (корозія з водневою деполяризацією) або розчинений у воді кисень О2 (корозія з кисневою деполяризацією). У першому випадку під час катодного процесу виділяється водень:
а у другому — утворюються гідроксид-іони:
Ділянки поверхні металу, на яких відбуваються процеси окиснення і відновлення, називають відповідно анодними й катодними,
Розглянемо як приклад електрохімічної корозії реакції під час електрохімічної корозії заліза. Якщо корозія відбувається в розчині кислоти, то йдуть такі реакції:
Корозія заліза в нейтральному або лужному середовищі характеризується такими реакціями:
Гідроксид феруму(ІІ), що утворився, легко окиснюється киснем повітря:
Продукт корозії заліза — бура іржа — це суміш гідроксидів феруму(ІІ) і феруму(ІІІ), продуктів їх розкладу і взаємодії з вуглекислим газом та іншими речовинами з навколишнього середовища.
Електрохімічна корозія може бути посилена, якщо метал містить домішки інших речовин або неметалічні включення. Наприклад, залізо забруднене домішками міді. При цьому виникають гальванічні мікроелементи (пари).
Метал з більш негативним потенціалом руйнується — його іони переходять у розчин, а електрони переходять до менш активного металу, на якому відбувається відновлення іонів гідрогену (воднева деполяризація) або відновлення розчиненого у воді кисню (киснева деполяризація).
Отже, при електрохімічній корозії (як у випадку контакту різнорідних металів, так і в разі утворення мікрогальванічних елементів на поверхні одного металу) потік електронів направлений від більш активного металу до менш активного (провідника), і більш активний метал кородує. Швидкість корозії тим більша, чим далі розташовані один від одного в ряду стандартних електродних потенціалів ті, метали, з яких утворився гальванічний елемент(гальванічна пара).
На швидкість корозії впливає і характер розчину електроліту. Чим вища його кислотність (тобто менший pH), а також чим більший вміст в ньому окисників, тим швидше відбувається корозія. Значно зростає корозія при підвищенні температури.
Деякі метали при контакті з киснем повітря в агресивному середовищі переходять у пасивний стан, при якому різко уповільнюється корозія. Наприклад, концентрована нітратна кислота легко робить пасивним залізо, і воно практично не реагує з концентрованою нітратною кислотою. У таких випадках на поверхні металу утворюється щільна захисна оксидна плівка, яка перешкоджає контакту металу із середовищем.
Захисна плівка завжди є на поверхні алюмінію. Подібні плівки в сухому повітрі утворюються також на Be, Cr, Zn, Ta, Ni, Си та інших металах . Кисень є найпоширенішим пасиватором.
Пасивуванням пояснюється корозійна стійкість нержавіючих сталей та сплавів.
Захист від корозії
Корозія металів відбувається безперервно і завдає величезних збитків. Підраховано, що прямі втрати заліза від корозії становлять близько 10 % його щорічної виплавки. Внаслідок корозії металеві вироби втрачають свої цінні технічні властивості. Тому важливе значення мають методи захисту металів та сплавів від корозії. Вони досить різноманітні. Назвемо деякі з них.
Захисні поверхневі покриття металів. Вони бувають металічними (покриття цинком, оловом, свинцем, нікелем, хромом та іншими металами) і неметалічними (покриття лаком, фарбою, емаллю та іншими речовинами). Ці покриття ізолюють метал від зовнішнього середовища. Так, покрівельне залізо покривають цинком; з оцинкованого заліза виготовляють численні вироби побутового та промислового призначення. Шар цинку запобігає корозії заліза, бо цинк, хоча й більш активний метал, ніж залізо (див. ряд стандартних електродних потенціалів металів, вкритий оксидною плівкою. В разі пошкодження захисного шару (подряпини, пробої дахів тощо) за наявності вологи виникає гальванічна пара Zn | Ре. Катодом (позитивним полюсом) є залізо, анодом (негативним полюсом) — цинк (рис. 12.6). Електрони переходять від цинку до заліза, де зв'язуються молекулами кисню (киснева деполяризація), цинк розчиняється, а залізо залишається захищеним доти, доки не зруйнується весь шар цинку, що потребує досить багато часу. Покриття залізних виробів нікелем, хромом,
крім захисту від корозії, надає їм красивого зовнішнього вигляду.
Створення сплавів з антикорозійними властивостями.
Протекторний захист і електрозахист. Протекторний захист застосовують у тому разі, коли захищається конструкція (підземний трубопровід, корпус судна), яка перебуває в середовищі електроліту (морська вода, підземні ґрунтові води та ін.). Суть такого захисту полягає в тому, що конструкцію сполучають з протектором — більш активним металом, ніж метал конструкції, яку захищають. Як протектор для захисту стальних виробів звичайно використовують магній, алюміній, цинк та їх сплави. У процесі корозії протектор є анодом і руйнується, запобігаючи тим самим руйнуванню конструкції . У міру руйнування протекторів їх замінюють новими.
На цьому принципі ґрунтується й електрозахист. Конструкцію, яка перебуває в середовищі електроліту, також сполучають з іншим металом (звичайно шматком заліза, рейкою тощо), але через зовнішнє джерело струму. При цьому конструкцію, яку захищають, під’єднують до катода, а метал— до анода джерела струму. Електрони відщеплюються від анода джерелом струму, анод (захисний метал) руйнується, а на катоді відбувається відновлення окисника.
Електрозахист має перевагу над протекторним захистом: радіус дії першого близько 2 000 м, другого — близько 50 м.
Зміна складу середовища. Для уповільнення корозії металевих виробів до електроліту вводять речовини (найчастіше органічні), які називають уповільнювачами корозії, або інгібіторами, їх застосовують у тих випадках, коли метал необхідно захищати від роз'їдання кислотами. Вчені створили ряд інгібіторів (препарати марок 4M, ПБ та інші), які при доданні до кислоти в сотні разів сповільнюють розчинення (корозію) металів.
Останнім часом розроблено леткі (або атмосферні) інгібітори. Ними просочують папір, яким обгортають металеві вироби. Пара інгібіторів адсорбується на поверхні металу і утворює на ній захисну плівку.
Інгібітори широко застосовують при хімічному очищенні від накипу парових котлів, зніманні окалини з оброблених деталей, а також при зберіганні та перевезенні хлоридної кислоти у стальній тарі. До неорганічних інгібіторів належать нітрити, хромати, фосфати, силікати. Механізм дії інгібіторів є предметом дослідження багатьох науковців.
Метали розрізняються за твердістю. Самий твердий з них - хром - ріже скло, а найм'якші - калій, рубідій і цезій - легко ріжуться ножем. Міцність, температура плавлення і твердість залежать від міцності металевої зв'язку. Вона особливо велика в важких металів.
У техніці сплави на основі заліза, тобто чавун, сталь, а також саме залізо, називають чорними металами, всі інші метали називаються кольоровими.
Метали і їх сплави — одні з головних конструкційних матеріалів сучасної цивілізації. Це визначається насамперед їх високими міцністю, жорсткістю та іншими механічними властивостями, технологічністю у переробці, відносною доступністю, однорідністю і непроникністю для рідин і газів, стійкістю до температурних впливів та впливів навколишнього середовища. Крім того, змінюючи рецептуру сплавів, можна впливати їх властивості у потрібному напрямку і в дуже широких межах.
Сплави (стопи) металів
Більшість металів при їх сумісному топленні змішуються один з одним і, кристалізуючись, утворюють стопи та/чи інтерметалічні сполуки. Всі стопи, як і метали, в твердому стані є кристалічні. Стопи поділяють на однорідні й неоднорідні. Більшість стопів належить до неоднорідних.
Однорідні сплави (стопи) утворюються в тих випадках, коли атоми одного металу можуть заміщатися на атоми другого металу в вузлі кристалічних ґраток. За такого заміщення творяться кристали зі структурою, що схожа на структуру вихідних металів, проте з атомами різного ґатунку, чим і зумовлено однорідність стопу (сплаву). Такі стопи звуть тверді розчини. Тверді розчини утворюють золото зі сріблом, нікель з міддю тощо.
Неоднорідні сплави являють собою механічну суміш кристалітів обох металів. До того ж кожний з металів зберігає свою кристалічну ґратку. Наприклад, структура стопів Стануму з Плюмбумом, які використовують як м'які припої, складається з кристалітів чистого олова та кристалітів чистого свинцю.
Сплави можуть творитися не тільки двома, а й кількома металами. Стопи з двох металів звуть подвійними, з трьох — потрійними тощо. Крім того, до складу стопів можуть уходити й неметали, як-то вуглець, фосфор, сірка тощо. Деякі метали, стоплюючись, творять хімічні сполуки. До того ж одні хімічні сполуки підлягають правилам звичайної валентності, як Mn2Sn, Mg2Pb і ін., а деякі не підлягають, наприклад CuZn3, Cu3Sn, Fe3C тощо. Хімічні сполуки металів характеризуються власними кристалічними ґратками, що є відмінні від кристалічних ґраток металів, які входять до її складу. При надлишку одного з металів хімічні сполуки можуть творити як тверді розчини, так і механічні суміші.
Своїми властивостями стопи різко відрізняються від чистих металів, з яких вони складаються. Температура плавлення стопів зазвичай є нижча від температури топлення металів, що входять до їхнього складу. Так, натрій та калій при певному складі творять стоп, що за звичайної температури є рідиною, хоча натрій топиться за 97,5°С, а калій — за 62,3°С.
Твердість стопів у більшості випадків вища від твердості окремих металів, що їх утворюють. Наприклад, додаток 1% берилію до міді збільшує її твердість у 7 разів. Ковкість і пластичність металів у стопах зазвичай нижчає. Тепло- й електропровідність металів у стопах теж меншає. Механічна міцність стопів, навпаки, у більшості випадків росте. Навіть незначні домішки іншого металу часто різко підвищують міцність стопу. Хімічні властивості металів у стопах теж міняться. Наприклад, додаючи до звичайної сталі 15—20% силіцію, одержують кислототривку сталь.
Металічні стопи мають надзвичайно велике значення, бо в техніці застосовують зазвичай не чисті метали, а стопи. Сучасна техніка вимагає сплави з найрізноманітнішими властивостями: надтверді та м'які, тугоплавкі та легкоплавкі, стійкі до дії різних газів, кислот, лугів, антифрикційні сплави тощо. Тепер відомо вже кілька тисяч різних сплавів з різноманітними властивостями. Серед них найпоширеніші є сплави на основі заліза й алюмінію.
Гальванічний елемент Якобі-Даніеля складається з Zn i Cu- електродів, занурених відповідно у розчини сульфатів ZnSO4 i CuSO4, які розділені пористою перегородкою.
Електрод, на якому відбувається окиснення, називається анодом (Zn), а електрод, на якому відбувається відновлення, - катодом (Cu). Анод (Zn) позначають знаком “-“ (на його поверхні концентрація електронів більша, ніж на катоді), а катод (Cu) – знаком «+».
Електронейтральність розчинів біля обох електродів досягається завдяки тому, що аніони SO42- крізь пористу перегородку рухаються у напрямку, протилежному рухові іонів цинку і міді.
ЕРС гальванічного елемента визначають як різницю електродних потенціалів. При цьому від величини потенціалу катода віднімати величину потенціалу анода. Чим далі один від одного стоять метали в ряді напруг, тим більше значення ЕРС гальванічного елемента:
ЕРС = Ек - Еа
Електроліз – це окисно-відновний процес, що відбувається під час проходження крізь розчин електроліту або розплав електроліту постійного електричного струму. Він супроводжується перетворенням електричної енергії в хімічну.
Якщо занурені у розчин електроліту електроди під’єднати до джерела постійного електричного струму, то рух іонів стає напрямленим. При цьому катіони рухаються до катода, а аніони до анода. На катоді відновлюються катіони, а на аноді – окиснюються аніони.