9. Химия конструкционных материалов

Химия металлов и сплавов.

Металлы и сплавы являются основным конструкционным материалом для машиностроения и приборостроения.

Металлы обладают рядом общих свойств. Для них характерны металлическая связь, металлический блеск, непрозрачность, твердость (за исключением Hg), пластичность, высокие тепло- и электропроводность, способность кристаллизоваться с образованием кристаллических решеток высокой симметрии: объемноцентрированный куб (W, Nb, Ta, Pb, Cr и др.), гранецентрированный куб (Cu, Ni, Fe, Al, Ag, Au и др.), гексагональная плотная упаковка (Mg, Be, Cd, Zn, Ti, Zr и др.). Для некоторых металлов имеет место явление полиморфизма (способность существовать в различных кристаллических модификациях, например α-Fe и γ-Fe). При охлаждении смесей металлов, находящихся в расплавленном состоянии, образуются сплавы, которые в зависимости от характера взаимодействия могут представлять собой механическую смесь кристаллов отдельных металлов, твердые растворы или химические соединения (интерметаллиды).

В зависимости от положения в периодической таблице (то есть степени заполнения электронами внешнего и предвнешнего слоев) все металлы делятся на s-, p-, d- и f-металлы.

Химические свойства металлов весьма разнообразны, однако общим для них является то, что они, всегда, бывают восстановителями — участие их в реакциях сопровождается окислением и образованием положительных ионов.

Me −ne = Men+ .

В то же время каждый из металлов, в зависимости от особенностей строения его атома, проявляет свои индивидуальные химические свойства, которые обусловлены различной величиной энергии ионизации, прочностью кристаллической решетки, характером среды и особенностями взаимодействия со средой. Для оценки химической активности в водных растворах при стандартных условиях можно использовать значения электродных потенциалов (φ0 , В), т.е. ряд активности (см. раздел 5 и прил., табл. 2).

Металлические конструкции постоянно контактируют с воздухом, в котором активными компонентами являются О2, Cl2, Н2О и т.д.

С кислородом воздуха взаимодействуют почти все металлы, за исключением благородных, причем щелочные и щелочноземельные — очень активно. Другие металлы хотя и взаимодействуют менее активно, однако окисление их всегда термодинамически выгодно, так как сопровождается уменьшением свободной

68

энергии Гиббса (∆G<0). Образующиеся при этом оксиды во многих случаях (например, как на алюминии, титане, хроме) повышают химическую устойчивость изделий из металла. Так, эластичные и плотные пленки Al2O3 и TiO2 предохраняют металлы от контакта с воздухом и обеспечивают им высокую химическую пассивность. Однако пленка Al2O3 не защищает металл от действия разбавленных кислот и щелочей:

Al2O3+6HCl = 2AlCl3+3H2O;

Al2O3+2NaOH+3H2O = 2Na[Al(OH)4].

Большинство металлов непосредственно взаимодействует с хлором, образуя растворимые хлориды. С водородом активно взаимодействуют только s-металлы I и II групп, образуя солеподобные гидриды с ионным характером связи.

При взаимодействии d-металлов IV – VIII групп с N2, B, C, Si образуются нитриды, бориды, карбиды, силициды, обладающие высокой твердостью, тугоплавкостью, жаростойкостью.

В реальных условиях водная среда из-за природных физико-химических процессов отличается от нейтральной среды и становится либо щелочной, либо кислотной. Поэтому при оценке химической устойчивости металлических конструкций необходимо учитывать взаимодействие металлов с Н2О, растворами кислот и щелочей (сложные окислители).

С водой взаимодействуют те металлы, электродный потенциал которых ( φ0Men+ Me ) меньше минус 0,41 В (в ряду активности расположены до кадмия

включительно):

Ме+Н2О→МеОН+1/2Н2.

Менее активные металлы вступают в реакцию с водой при нагревании, образуя гидроксиды или оксиды:

Ме+Н2О→МеО+Н2.

Металлы Nb, Ta, V, Mn, Ti взаимодействуют с Н2О только в присутствии сильных окислителей (Н2О2).

С разбавленными кислотами (типа HCl, H2SO4) взаимодействуют все металлы, стоящие в ряду активностей до Н2. Окислителем выступают ионы Н+.

Однако образование в ряде случаев на поверхности металла трудно растворимых соединений (например, PbSO4, PbCl2) приводит практически к полному прекращению реакции.

69