Всё для Учёбы — студенческий файлообменник
1 монета
doc

Контрольная «Физико-химические основы полиграфических процессов» по Технологии печатных процессов (Артюшина И. Л.)

Химические свойства металлов.

Если в периодической системе элементов Д.И. Менделеева провести диагональ от бериллия к астату, то справа вверх от диагонали будут находиться элементы-неметаллы (исключая элементы побочных подгрупп), а слева внизу - элементы-металлы (к ним же относятся элементы побочных подгрупп). Элементы, расположенные вблизи диагонали (например, Ве, А1, Ti, Ос, Nb, Sb и др.), обладают двойственным характером. Как видно, наиболее типичные элементы-металлы расположены в начале периодов (начиная со второго). Таким образом, из 107 элементов 85 являются металлами.

Главное и наиболее общее химическое свойство металлов в том, что они являются восстановителями. Это связано с тем, что атомы металлов сравнительно легко отдают валентные электроны и переходят в положительно заряженные ионы. В следствии этого металлы в своих соединениях проявляют только положительную окисленность. Многие металлы, например железо, хром, марганец имеют в различных соединениях разную степень окисленности, но она всегда положительна

Восстановительная способность разных металлов не одинакова. Для реакций в водных растворах она определяется положением металла в ряду напряжений и концентраций (активностью) его ионов в растворе. Рядом напряжений назвали вытеснительный ряд Бекетова, который расположил по убыванию их химической активности. Металлы, расположенные в порядке возрастания их стандартных электродных потенциалов, и образуют электрохимический ряд напряжений металлов: Li, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb, H, Sb, Bi, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au.

Ряд напряжений характеризует химические свойства металлов:

1. Чем меньше электродный потенциал металла, тем больше его восстановительная способность.

2. Каждый металл способен вытеснять (восстанавливать) из растворов солей те металлы, которые стоят в ряду напряжений после него.

3. Все металлы, имеющие отрицательный стандартный электродный потенциал, то есть находящиеся в ряду напряжений левее водорода, способны вытеснять его из растворов кислот.

Необходимо отметить, что представленный ряд характеризует поведение металлов и их солей только в водных растворах и при комнатной температуре. Кроме того, нужно иметь ввиду, что высокая электрохимическая активность металлов не всегда означает его высокую химическую активность. Например, ряд напряжений начинается литием, тогда как более активные в химическом отношении рубидий и калий находятся правее лития. Это связано с исключительно высокой энергией процесса гидратации ионов лития по сравнению с ионами других щелочных металлов.

Очевидно, металлы как восстановители будyт вступать в реакции с различными окислителями, среди которых могут быть простые вещества, кислоты, соли менее активных металлов и некоторые другие соединения. Соединения металлов с галогенами называются галогенидами, с серой - сульфидами, С азотом - нитридами, с фосфором - фосфидами, с углеродом - карбидами, с кремнием — силицидами, с бором - боридами, с водородом - гидридами и т.д. Многие из этих соединений нашли важное применение в новой технике. Например, бориды металлов используются в радиоэлектронике, а также в ядерной технике в качестве материалов для регулирования нейтронного излучения и защиты от него.

Взаимодействие металлов с кислотами есть окислительно-восстановительный процесс. Окислителем является ион водорода, который принимает электрон от металла:

Са – 2е- = Са2+ 1

2Н+ + 2е- = H2 1

Са + 2Н+ = Са2+ + Н2

Взаимодействие металлов с водными растворами солей менее активных металлов можно иллюстрировать примером:

Ni + CuSO4 = NiSO4 + Сu

Ni – 2е- = Ni2+ 1

Сu2+ + 2е- = Сu 2

В этом случае происходит отрыв электронов от атомов более активного металла (Ni) и присоединение их ионами менее активного (Сu2+).

Активные металлы взаимодействуют с водой, которая выступает в роли окислителя. Например:

Na – е- = Na+ 2

2Н2O + 2е- = Н2 + 2OН- 1

2Na + 2Н2O= 2Na+ + 2OН- + Н2↑

Металлы, гидроксиды которых амфотерны, как правило, взаимодействуют с растворами и кислот, и щелочей. Например:

Bе + 2HCl = BeCl2 + H2

Вe + 2NaOH + 2Н2O = Na2[Be(OH)4] + Н2↑

Таким образом, отношение металлов к неметаллам, кислотам, растворам солей менее активных металлов, к воде и щелочам подтверждает их главное химическое свойство - восстановительную способность.

Металлы могут образовывать химические соединения между собой. Они имеют общее название - интерметаллические соединения или интерметаллиды. Примером могут служить соединения некоторых металлов с сурьмой: Na2Sb, Са3Sb2, NiSb, Ni4Sb, FeSbx, (х= 0,72 - 0,92). В них чаще всего не соблюдаются степени окисления, характерные в соединениях с неметаллами. Обычно это бертоллиды.

Химическая связь в интерметаллидах преимущественно металлическая. По внешнему виду они похожи на металлы. Твердость интерметаллидов, как правило, выше, а пластичность намного ниже, чем у образующих их металлов. Многие интерметаллиды нашли практическое применение. Например, сурьма-алюминий A1Sb, сурьма-индий InSb и другие широко используются как полупроводники.

В связи с тем, что металлы вступают в окислительно-восстановительные реакции с веществами и окисляются, металлические материалы подвергаются с той или иной скоростью разрушению. Самопроизвольное разрушение металлических материалов, происходящее под химическим воздействием окружающей среды, называется коррозией.

Коррозионное разрушение может затрагивать всю поверхность металла — сплошная (общая) коррозия, или отдельные участки — местная (локальная) коррозия. В зависимости от механизма процесса различают химическую и электрохимическую коррозию.

Химическая коррозия — это разрушение металла из-за окисления его окислителями, находящимися в коррозионной среде.

Химическая коррозия протекает без возникновения электрического тока в системе. Такой вид коррозии возникает при контакте металлов с неэлектролитами или в газовой среде при высоких температурах (газовая коррозия)

Электрохимической коррозией называется разрушение металла при контакте с электролитами с возникновением в системе электрического тока.

В этом случае наряду с химическими процессами (отдача электронов) протекает и электрические( перенос электронов от одного участка к другому). При этом в результате взаимодействия металла с молекулами воды из коррозионный среды на нем протекают два процесса: окисление металла Ме (анодный процесс)

Ме — 2е- = Ме2+

и восстановление окислителей — компонентов среды (катодный процесс). Как правило в качестве окислителей вступают ионы водорода Н+ (коррозия с водородной деполяризацией) или растворенный в воде кислород О2 (коррозия с кислородной деполяризацией).

Смачивание, краевой угол смачивания, гидрофобные и гидрофильные поверхности.

Если молекулы жидкости взаимодействуют с молекулами твердого тела сильнее, чем между собою. то жидкость растекается по поверхности или, как говорят, смачивает ее.

Смачивание - физико-химическое явление, происходящее при контакте жидкостей с поверхностью твердых тел. Основную роль в смачивании играют поверхностные свойства жидкости и твердого тела. В зависимости от сочетания этих свойств степень смачивания может различаться очень сильно. Например, вода хорошо смачивает очищенную от жировых загрязнений поверхность стекла: капля воды быстро растекается на достаточно большой площади и образует тонкую плоскую пленку. Растекание происходит до тех пор, пока жидкость не покроет всю поверхность твердого тела или пока слой жидкости не станет мономолекулярным. Такой случай называется полным смачиванием. Напротив, ртуть не смачивает стекло: небольшая капля ртути на стеклянной пластине имеет сферическую форму. Если молекулы жидкости взаимодействуют друг с другом значительно сильнее, чем с молекулами твердого тела, растекания не произойдет. Жидкость соберется на поверхности в каплю, которая, если бы не действовала сила тяжести, имела бы почти сферическую форму.

Важнейшая особенность смачивания заключается в том, что в процессе участвуют три разных фазы. Первая фаза - это твердое тело, вторая фаза - смачивающая жидкость. Кроме того, присутствует третья фаза, с которой граничила твердая фаза до подвода к ее поверхности смачивающей жидкости. Третьей фазой часто является газ (воздух). В технике и природе достаточно распространен случай, когда третьи фаза - это другая жидкость, которая не смешивается со смачивающей жидкостью. Этот случай называют избирательным смачиванием. Типичным примером избирательного смачивания является контакт с поверхностью твердого тела полярной (вода, водные растворы) и неполярной (предельные углеводороды, ароматические вещества и т.д.) жидкости.

В зависимости от соотношения интенсивности молекулярных сил, действующих, с одной стороны, между молекулами жидкости и, с другой - между

Рис. 1. Различные случаи неполного смачивания:

а — Θ90°.

молекулами жидкости и твердого тела, возможны переходные случаи неполного смачивания, когда капля образует с поверхностью твердого тела определенный равновесный угол, называемый краевым углом, или углом смачивания.

На рис. 2.1 изображены капли, образующие на твердой поверхности острый краевой угол (Θ90°). Следует иметь в виду, что краевой угол, образуемый каплей на поверхности твердого тела, всегда измеряют со стороны жидкости. Полного несмачивания, т.е. случая, когда краевой угол равен 180°, практически никогда не наблюдается, так как между жидкостью и твердым телом всегда действуют силы притяжения, хотя бы и очень малые.

Рис. 2.2. Краевой угол Θ капли жидкости на твердой поверхности; окружность АС — линия смачивания (линия трехфазного контакта)

Краевой угол Θ (рис. 2.2) измеряют по наклону касательной АВ к поверхности капли, находящейся на твердой поверхности. Вершина краевого угла (точка А) находится на линии контакта всех трех фаз, участвующих в смачивании. В данном случае это окружность АС в основании капли. По ней соприкасаются друг с другом твердое тело, жидкость и окружающая их третья фаза — газ. Эту общую границу называют линией смачивания, или линией трехфазного контакта.

Краевой угол Θ отсчитывают в сторону смоченной поверхности. При избирательном смачивании краевой угол отсчитывают в сторону более полярной жидкости.

Краевой угол Θ определяется законом Юнга. Для трехфазных систем твердое тело - жидкость - газ закон Юнга имеет вид

Данное уравнение следует из условия термодинамического равновесия на линии смачивания. В правую часть уравнения входят три параметра: удельные поверхностные энергии твердого тела на границе с газом (σтг) и жидкостью (σтж) и поверхностное натяжение жидкости на границе с газом (σжг). Все три параметра являются термодинамическими. Поэтому каждой трехфазной системе соответствует (при определенной температуре Т) единственное значение равновесного краевого угла.

При избирательном смачивании закон Юнга имеет вид

где σтж1 - удельная поверхностная энергия на границе твердого тела с жидкостью 1; σтж2 - удельная поверхностная энергия на границе твердого тела со смачивающей жидкостью 2; σж1ж2 - поверхностное натяжение на границе жидкости 1 – жидкость 2.

Рассчитаем изменения (вариации) поверхностной энергии, которые произойдут при перемещении линии смачивания на расстояние dr при постоянном объеме V небольшой капли, нанесенной на плоскую поверхность (r - радиус линии смачивания; рис.2). Площадь смоченной поверхности Ωтж увеличится при этом на кольцевую площадку 2πrdr, а изменение поверхностной энергии твердого тела составит 2πr(σтг-σтж)dr. Перемещение линии смачивания также увеличивает площадь поверхности капли Ωжг на границе с газом. Небольшая капля на плоской подложке имеет форму сферического сегмента, так как при условии r90°). В этом случае удельная поверхностная энергия σтж на границе твердого тела с жидкостью больше, чем на границе твердого тела с газом (σтж> σтг). Физический смысл этого неравенства заключается в том, что самопроизвольное растекание жидкости по данной твердой поверхности термодинамически невозможно. Из закона Юнга следует, что в случае σтж> σтг имеем соsΘ90°. Поверхности, несмачиваемые водой, называют гидрофобными. Гидрофобную поверхность имеет, например, парафин. Капля воды на парафине имеет краевой угол Θ = 105° - 108°. На тефлоне краевой угол воды еще больше (120° - 130°).

Смачивание (Θ

Показать полностью…
Похожие документы в приложении