Металлы и их коррозия

В природе металлы встречаются в свободном состоянии и в виде соединений. В свободном состоянии существуют химически малоактивные, трудно окисляемые кислородом металлы: платина, золото, серебро, ртуть, медь и др.

Большинство металлов в природе встречаются в виде руд, т.е. горных пород, в которых находятся соединения металлов. Главным образом руды представляют собой химические соединения в виде оксидов: красный железняк, бурый железняк, боксит и др.

Металлы имеют свои отличительные свойства как физические, так и химические. К физическим свойствам относятся – цвет, электропроводность, плотность, теплопроводность, температура плавления.

На основе различных металлов получают их сплавы - это твердые или жидкие однородные растворы металлов. Свойства сплавов могут существенно отличаться от свойств составляющих его элементов.

К химическим свойствам металлов относятся – по-разному реагируют с кислородом, некоторые металлы хорошо реагируют с водой.

Самопроизвольное разрушение металлических и других конструкционных материалов под химическим воздействием окружающей среды называется коррозией (от латинского korrosio – разъедание). Коррозия представляет собой гетерогенный окислительно-восстановительный процесс, протекающий на границе раздела фаз: металл – окружающая среда. Металл окисляется, а химические компоненты окружающей среды восстанавливаются.

По механизму коррозийного процесса различают два вида коррозии – химическую и электрохимическую. Химической коррозией называют разрушение металла в окружающей среде без возникновения электрического тока в системе. В этом случае металл взаимодействует с агрессивными газами (газовая коррозия) или жидкими неэлектролитами (нефть, нефтепродукты и др.).

Газовой коррозии подвергаются все металлические элементы машин и механизмов различного типа. К агрессивным газам относят галогены (фтор, бром, иод, хлор), двуокись углерода, двуокись серы, водород, атмосферный воздух и др.

В результате газовой коррозии возникают различные продукты. Чаще всего это оксиды металлов, представляющие собой прочную пленку, плотно сцепленную с поверхностью металла. Встречается и рыхлая структура оксидов, которая еще больше способствует разрушающим действиям коррозии.

Наиболее распространенным видом коррозии металлов является электрохимическая коррозия, которая представляет собой процесс разрушения металлов в среде электролита с возникновением в системе электрического тока. Электрохимической коррозии подвержены все конструкционные материалы, эксплуатация которых осуществляется в неблагоприятных естественных условиях: в морских или грунтовых водах, в растворах кислот или щелочей, в атмосфере.

Причиной коррозии являются химические реакции окислительно-восстановительного характера. Особенно активно они протекают в случае электрохимической коррозии металлов при наличии электрического тока. Теория коррозии рассматривает процесс разрушения металлов в растворах электролитов как совокупность двух самостоятельных процессов – анодного и катодного.

Анодный процесс – это переход металла в раствор в виде гидратированных ионов, в результате чего на поверхности металла остается эквивалентное число свободных электронов. Катодный процесс представляет собой ассимиляцию появившихся в металле электронов атомами или ионами электролита, которые выполняют роль деполяризатора. Деполяризация обуславливает непрерывное протекание анодного и катодного процессов, т.е. постоянное разрушение металла. Следовательно создается механизм коррозии, состоящий из ряда гальванических микроэлементов на поверхности металла, которая имеет определенные неоднородности.

Масштабы потерь от коррозии металлов носят значительный характер в условиях современной экономики. Согласно экспертным оценкам Россия ежегодно теряет в результате коррозии около 7 млн. тон металла. Существенный ущерб промышленности наносят процессы старения и изнашивания оборудования под влиянием коррозии. Часто экономически не выгодно осуществлять ремонты оборудования из-за превышения затрат по отношению к его стоимости. Поэтому борьба с коррозией считается одной из важнейших проблем современной экономики.

В настоящее время применяют различные способы борьбы с этим явлением. Наибольшее распространение получили химические способы, связанные с поверхностными покрытиями металлов, протекторной защитой, электрозащитой, воздействием на агрессивную среду.

Защитные покрытия изолируют материалы от агрессивных сред и могут быть как металлическими, так и неметаллическими.

В качестве металлических покрытий используют медь, олово, цинк, никель, хром, тантал и др. металлы. В отдельных случаях используют драгоценные металлы – золото, платину или серебро. В соответствии со своим местом в гальванической паре металлические защитные покрытия выполняют роль анода. Примером могут служить металлы покрытые цинком. В этом случае даже небольшие повреждения поверхности защитного слоя не приводят у усилению коррозийных процессов.

В тех случаях когда защитный слой металла является катодом (например, покрытие слали оловом) при незначительных нарушениях слоя коррозия может протекать быстро. Но луженые предметы могут использоваться в пищевой промышленности, потому что они не являются ядовитыми в отличие от оцинкованных или покрытых свинцом. Все банки для консервирования продуктов выполнены из луженых материалов.

Широкое применение находят также лакокрасочные покрытия, а также эмали, масла, воск, битум и др.

Используются и электрохимические приемы защиты – это протекторная и электрозащита. Протекторная защита основана на том, что анодом (протектором) служит более активный металл или сплав с более отрицательным потенциалом, чем потенциал защищаемой конструкции. Соединенные проводом с конструкцией протекторы в процессе эксплуатации изнашиваются, предохраняя от коррозии материал конструкции. Электрозащита отличается от протекторной тем, что защищаемую конструкцию искусственно делают катодом, присоединяя в внешнему источник у электрического тока. И в соответствии с особенностями материала конструкции подбирают оптимальное напряжение, которое необходимо в дальнейшем поддерживать постоянным.

Данные способы применяют для защиты от коррозии подземных водопроводных сетей и других гидротехнических металлоконструкций.

Для замедления коррозии металла используют различные способы воздействия на агрессивную среду. Одним из является введение в агрессивную среду ингибиторов(силикаты, хроматы, фосфаты, нитраты и др.). Существуют и органические ингибиторы – уротропин, формальдегид, эфиры и кислоты. Защитное действие ингибиторов связано с процессами окисления поверхности металлов, образованием пленок малорастворимых соединений или с адсорбционными явлениями.

Минеральные удобрения также представляют собой природные ресурсы, которые в современных условиях играют важную роль в обеспечении экономической деятельности человека.

С точки зрения современной химии около 60 химических элементов принимают участие в развитии растительного мира. При этом в наибольшем количестве востребованы углерод, кислород и водород. Отсутствие или недостаток в растениях отдельных элементов приводит к нарушению их развития и гибели.

Поступление химических веществ в растения осуществляется различными путями – часть поступает из почвенных растворов (почвы), а часть – из воздуха. Питательные элементы вместе с растениями удаляются из почвы и переходят в неусвояемую форму. Происходит не только связывание элементов, но и естественные процессы, которые обеспечивают частичное возвращение химических элементов в почвы и воздух. Учитывая медленность протекания этих процессов, необходимо отметь постепенное снижение содержания необходимых химических элементов в почвах. Для поддержания нормальных условий роста растений возникает необходимость внесения в почву химических элементов в виде удобрений, важнейшими из которых являются минеральные.

Минеральные удобрения – это соли, содержащие элементы, необходимые для развития растений и используемые в целях получения оптимальных урожаев.

В нашей стране роль минеральных удобрений особенно велика, поскольку почвы Беларуси подзолистые и обеднены питательными веществами.

В настоящее время налажено производство минеральных удобрений в Солигорске, где работает мощный калийный комбинат. В г. Гродно осуществляется производство аммиачной селитры, аммиака, карбамида, а в г. Гомеле суперфосфатный завод производит серную кислоту и другие химические соединения неорганического типа.

По видам питательных элементов минеральные удобрения делятся на азотные, фосфорные, калийные, борные и т.д. Все минеральные удобрения по составу разделяют на простые, содержащие один питательный элемент; сложные вещества, в состав которых входят несколько питательных элементов в веществе, полученном путем химических реакций; смешанные, представляющие собой механические смеси удобрений из разнообразных частиц.

Фосфорные удобрения представляют собой природные фосфорные руды или продукты их химической переработки. Сырьем для получения фосфорсодержащих минеральных удобрений служат фосфорные руды – апатиты. В зависимости от типа переработки различают фосфоритную муку, простой суперфосфат, двойной суперфосфат и преципитат.

Фосфоритная мука – это природный измельченный фосфорсодержащий минерал. Он представляет собой порошок серого, желтоватого или бурого цвета, не гигроскопичен, не слеживается. Фосфоритная мука относится к трудноусвояемому удобрению, плохо растворяется в воде, обладает продолжительным действием.

Простой суперфосфат получают разложением природных фосфатов серной кислотой. Его выпускают в виде порошкообразного ненейтрализованного продукта, гранулированного продукта, аммонизированного продукта. Принцип получения простого суперфосфата заключается в переводе нерастворимой соли ортофосфорной кислоты, находящейся в составе минерала кальцийфторапатита, в растворимые кислые соли.

Простой суперфосфат используется на любых почвах и пригоден для широко круга растений. Недостатком этого удобрения является большое количество в нем балласта в виде гипса.

Двойной суперфосфат – это концентрированное фосфорное удобрение, получаемое путем разложения природных фосфатов фосфорной кислотой. Данный тип удобрения содержит в несколько раз больше усвояемого фосфора, чем простой суперфосфат. Использование двойного суперфосфата более экономично из-за превосходства по ряду свойств по сравнению с удобрениями другого типа.

Производство двойного суперфосфата состоит из двух стадий: получение фосфорной кислоты; разложение природного фосфорсодержащего сырья фосфорной кислотой.

Преципитат может существовать в виде монетита или брушита. Преципитат обладает высокой концентрацией усвояемого фосфора, эффективностью для большинства растений, пригодностью для всех типов почв.

Производство состоит из двух стадий: получение раствора фосфорной кислоты; осаждение гидрофосфата кальция.

Азот играет особую роль в питании растений. Он входит в состав хлорофилла и белков. Растения усваивают азот, содержащийся в почве в виде минеральных солей. Только некоторые растения (например, бобовые) могут усваивать азот из воздуха. В качестве основных можно назвать – нитрат, сульфат и хлорид аммония; калиевая, натриевая и кальциевая селитры; мочевина.

Нитрат аммония (аммиачная селитра) – это наиболее эффективное азотное удобрение, содержащее до 35% азота в различных формах. Аммиачная селитра хорошо растворяется в воде и гигроскопична. Получают аммиачную селитру путем нейтрализации азотной кислоты сухим аммиаком

Сульфат аммония содержит около 20% азота и представляет собой бесцветный кристаллический порошок. Получение сульфата аммония осуществляется следующими способами:

1. Поглощением серной кислотой аммиака газов коксовых печей,

2. Нейтрализацией серной кислоты синтетическим аммиаком.

3. Обработкой гипса растворами карбоната аммония по реакции ____________________________________________________________.

Мочевина (карбамид) представляет собой ценное удобрение, содержащее до 46% азота в хорошо усвояемой форме. Данное удобрение – это кристаллическое вещество, хорошо растворяемое в воде, мало гигроскопично.

Мочевина используется не только как удобрение, но и как пищевая добавка в случае бедного белками корма для животных. Кроме того мочевину используют в промышленности для получения мочевиноформальдегидной смолы, которую применяют в процессах получения искусственных материалов (древесностружечных плит, пластмасс, фармацевтических препаратов и др.).

В настоящее время мочевину получают из аммиака и оксида углерода. Синтез мочевины осуществляется в две стадии:

1) идет непосредственное соединение реагентов с образованием карбамата аммония;

2) затем карбамат аммония отщепляет воду и превращается в мочевину.

Синтез мочевины протекает при температуре 185-200 С. Полученный раствор мочевины выпаривают и подвергают грануляции. В качестве сырья на азотнотуковых заводах используют газ (метан) и воздух.

Калий один из широко распространенных элементов в природе. Он встречается в виде минерального сырья – сильвин, сильвинит, карналлит, каинит, лангбейнит, шенит, нефелин и др.

Калийные удобрения играют важную роль в жизни растений, они обеспечивают их водный режим, способствуют обмену веществ, обеспечивают образование углеводов.

Важнейшими калийными удобрениями являются – хлорид и сульфат калия.

Хлорид калия – это белое мелкозернистое вещество. В качестве минерального удобрения используется 95% добываемого минерала.

Сульфат калия получают путем взаимодействия хлорида калия с сернокислым магнием. Он имеет меньшую растворимость, чем хлорид магния, и выпадает в осадок. Затем раствор разделяют и высушивают сульфат калия.

Установлено, что для оптимального роста и развития растений необходимы химические элементы, содержание которых в растениях не превышает долей процента. Эти элементы получили название микроэлементов, а удобрения их содержащие – микроудобрений.

К микроэлементам относятся бор, марганец, медь, цинк, молибден, кобальт, иод и др.

Стратегическим природным ресурсом является нефть, которая представляет собой сложную смесь органических веществ, главным образом углеводородов. Она может содержать в себе не только жидкие, но и растворенные твердые и газообразные вещества.

Состав нефти во многом определяется месторождением. Независимо от своего химического состава нефть является эффективным топливом и ценным сырьем для синтеза химических волокон, пластмасс, каучуков и других продуктов. Наиболее распространенной технологией переработки нефти является нефтефракционная перегонка. Первый прогон нефти – это фракция сырого бензина (температура кипения до 200^о С). При разгонке сырого бензина получают эфир и различные сорта бензина. При температуре 150-300^о С из нефти отделяется фракция керосина, после этого процесса остается мазут, используемый в качестве котельного топлива.

Пи дальнейшей перегонки из мазута при температуре выше 300^о С отгоняются соляровое и смазочное масла: веретенное, цилиндровое, машинное. После переработки мазута остается гудрон, который используется в дорожном строительстве в качестве покрытия.

Самым ценным продуктом переработки нефти является бензин, который в количестве 20% получается в процессе прямой перегонки нефти. Растущие потребности в данном виде топлива привели к разработке новых технологий, позволяющих получать до 80% бензина. Это достигается при помощи крекинга нефти, суть которого состоит в расщеплении больших молекул нефти на более мелкие под влиянием температуры.

Крекинг впервые был предложен русским ученым В.Г. Шуховым в 1891 г. и несколько позже (1916 г.) американскими учеными.

Различают несколько видов крекинга – термический крекинг, каталитический крекинг.

Крекинг позволяет также получать ценные газообразные вещества – этилена, который затем используется в различных химических производствах.