Химические свойства металлов и сплавов. Основным химическим свойством металлов является способность их атомов легко отдавать свои валентные электроны и переходить в положительно заряженные ионы. Типичные металлы никогда не присоединяют электронов; их ионы всегда заряжены положительно. Легко отдавая при химических реакциях свои валентные электроны, типичные металлы являются энергичными восстановителями. Способность к отдаче электронов проявляется у отдельных металлов далеко не в одинаковой степени.
Чем легче металл отдает свои электроны, тем он активнее, тем энергичнее вступает во взаимодействие с другими веществами. Опустим кусочек цинка в раствор какой-нибудь свинцовой соли. Цинк начинает растворяться, а из раствора выделяется свинец. Реакция выражается уравнением: Zn + Pb(NO3)2 = Pb + Zn(NO3)2 Из уравнения следует, что эта реакция является типичной реакцией окисления-восстановления.
Сущность ее сводится к тому, что атомы цинка отдают свои валентные электроны ионам двухвалентного свинца, тем самым превращаясь в ионы цинка, а ионы свинца восстанавливаются и выделяются в виде металлического свинца. Если поступить наоборот, то есть погрузить кусочек свинца в раствор цинковой соли, то никакой реакции не произойдет.
Это показывает, что цинк более активен, чем свинец, что его атомы легче отдают, а ионы труднее присоединяют электроны, чем атомы и ионы свинца. Вытеснение одних металлов из их соединений другими металлами впервые было подробно изучено русским ученым Бекетовым, расположившим металлы по их убывающей химической активности в так называемый “вытеснительный ряд”. В настоящее время вытеснительный ряд Бекетова носит название ряда напряжений. В таблице №2 представлены значения стандартных электродных потенциалов некоторых металлов.
Символом Me+/Me обозначен металл Me, погруженный в раствор его соли. Стандартные потенциалы электродов, выступающих как восстановители по отношению к водороду, имеют знак “-”, а знаком “+” отмечены стандартные потенциалы электродов, являющихся окислителями. Таблица №1 Стандартные электродные потенциалы металлов. Электрод Е0,В Электрод Е0,В Li+/Li -3,02 Co2+/Co -0,28 Rb+/Rb -2,99 Ni2+/Ni -0,25 K+/K -2,92 Sn2+/Sn -0,14 Ba2+/Ba -2,90 Pb2+/Pb -0,13 Sr2+ /Sr -2,89 H+/1/2H2 0,00 Ca2+/Ca -2,87 Sb3+/Sb +0,20 Na+/Na -2,71 Bi3+/Bi +0,23 La3+/La -2,37 Cu2+/Cu +0,34 Mg2+/Mg -2,34 Cu+/Cu +0,52 Al3+/Al -1,67 Ag+/Ag +0,80 Mn2+/Mn -1,05 Pd2+/Pd +0,83 Zn2+/Zn -0,76 Hg2+/Hg +0,86 Cr3+/Cr -0,71 Pt2+/Pt +1,20 Fe2+/Fe -0,44 Au3+/Au +1,42 Cd2+/Cd -0,40 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. 4. Сплавы.
Требования к сплавам и виды сплавов. Бронза 90% Cu 10% Zn Твердый, коррозионно-устойчивый, хороршо отливается в формы монеты Дуралюмин 94,3% Al 4% Cu + Mn + Mg Легкий, обладает высокой прочностью и электропроводностью Провода, детали самолетов Константин 60% Cu 40% Ni Электрическое сопротивление не зависит от температуры Реостаты Латунь 70% Cu 30% Zn Ковкий, коррозионно-устойчивый, имеет высокую электропроводность Нержавеющие изделия, электрические контакты и прочее Манганин 84% Cu 12% Mn 4% Ni Большое электрическое сопротивление, слабо расширяется при нагревании Реостаты Монель-металл 67% Ni 29% Cu 1,7% Fe 1% Mn + C + Mg Обладает высокой прочностью, коррозионно-устойчивый Насосы, винты самолетов, химическое оборудование Нейзильбер (мельхиор) 62% Cu 15% Ni 22% Zn Твердый, коррозионно-устойчивый Ножевые изделия, хирургические инструменты Нержавеющая сталь 85,1% Fe 13,7% Cr 0,3% C + Ni + Mn + Si Высокопрочный, коррозионно-устойчивый Ножевые изделия, химическое оборудование, шарикоподшипники Нимоник 80% Ni 19,5% Cr + Ti + Al Высокая температура плавления Лопасти газовых турбин Нихром 77,3% Ni 21% Cr + Mn + Fe Большое электрическое сопротивление, слабо расширяется при нагревании Нагревательные элементы Пушечный металл 88% Cu 10% Sn 2% Zn Прочный, износо- и коррозионно-устойчивый Подшипники, шестерни и прочее Углеродистая сталь 98,4% Fe 0,8% C + Mn + Si + P Твердый, высокая прочность на растяжение Стальные конструкции, проволока, бритвенные лезвия Фосфористые бронзы 90% Cu 9,7% SnO 0,3% P Прочный, твердый, коррозионно-устойчивый Подшипники, корабельные винты 5.