Chemia a4. Nauka nowego materiału

Część teoretyczna

Samorzutne niszczenie metali w wyniku chemicznego lub elektrochemicznego oddziaływania z otoczeniem nazywa się korozją. Przyczyną samoistnych procesów korozji jest nadmiar energii swobodnej czystych metali w stosunku do ich związków, tj. niestabilność termodynamiczna metali. W zależności od stopnia niestabilności termodynamicznej wszystkie metale można podzielić na 5 grup:

Metale o zwiększonej niestabilności termodynamicznej - korodują nawet w środowiskach obojętnych. W szeregu elektrochemicznym aktywności znajdują się pomiędzy Li i Fe.

Metale są termodynamicznie niestabilne - stabilne w środowiskach obojętnych przy braku tlenu (Cd, In, Co, Ni, Mo, Pv, W).

Metale o pośredniej stabilności termodynamicznej - stabilne w środowisku kwaśnym i obojętnym przy braku tlenu (Bi, Sв, Cu, Ad).

Metale o wysokiej stabilności termodynamicznej - Hd, Pd, Ir, Pt.

Metalem o całkowitej stabilności jest Au.

Badanie mechanizmu procesów korozji i opracowanie metod ochrony przed nią ma ogromne znaczenie praktyczne.

Ze względu na mechanizm procesów korozyjnych, korozja dzieli się na chemiczną i elektrochemiczną.

Korozja chemiczna jest typowa dla środowisk, które nie przewodzą prądu elektrycznego: korozja gazowa – w gazach i parach bez kondensacji wilgoci na powierzchni metalu, zwykle w wysokich temperaturach; ciecz - w roztworach nieelektrolitów (cieczy organicznych).

Korozja elektrochemiczna jest procesem sprzężonym anodowo-katodowym, podobnym do procesów zachodzących w ogniwach galwanicznych. Podobnie jak podczas pracy ogniwa galwanicznego, podczas korozji elektrochemicznej następuje anodowe utlenianie metalu i katodowa redukcja utleniacza (depolaryzatora).Przyczyną korozji elektrochemicznej metali jest niejednorodność metali w składzie chemicznym i fazowym, obecność zanieczyszczeń i filmów, co prowadzi do powstawania ogniw makro- i mikrogalwanicznych. W wyniku utlenienia metalu elektrony płynące z anody do katody polaryzują go, a środek utleniający, który wiąże te elektrony, pełni rolę depolaryzatora. Jeśli środkiem utleniającym są jony H + (H 3 O +), wówczas taką korozję nazywa się korozją depolaryzacyjną wodoru. W najprostszej postaci można to wyrazić za pomocą równań:

O: Ja - ne = Me n+

K: 2H + + 2e = H 2 lub

2H 3O + + 2e = H 2 + 2H 2 O

Jeżeli utleniaczem jest tlen, wówczas taką korozję nazywa się korozją z depolaryzacją tlenu i wyraża się ją równaniami:

O: Ja - ne = Me n+

K: O 2 + 2H 2 O + 4e = 4OH - przy pH=7 lub pH>7 lub

O 2 + 4H + = 2H 2 O przy pH<7

Termodynamiczną możliwość korozji określa znak DG, a ponieważ energia Gibbsa reakcji jest bezpośrednio związana z polem elektromagnetycznym ogniwa galwanicznego, możliwość korozji można określić na podstawie znaku pola elektromagnetycznego elementu.

Na szybkość i charakter procesów korozyjnych wpływa zarówno charakter metalu, jak i charakter środowiska korozyjnego.

Aby zwalczyć korozję metali kontrolowaną szybkością redukcji tlenu, należy zmniejszyć stężenie tlenu wprowadzając do roztworu środek redukujący lub zmniejszając ciśnienie tlenu nad roztworem.

Szybkość korozji wraz z wydzielaniem wodoru można spowolnić poprzez obniżenie temperatury, zmniejszenie stężenia H + i oczyszczenie metali z zanieczyszczeń, które katalizują uwalnianie wodoru (Co, Ni, Pt itp.).

Czasami korozję można kontrolować za pomocą reakcji anodowych, zwykle obserwuje się to w przypadku metali zdolnych do pasywacji (Ni, Cr, Al, Ti itp.), co prowadzi do gwałtownego zahamowania korozji.

Niektóre jony, na przykład jony Cl - wręcz przeciwnie, aktywują metale, zapobiegając ich pasywacji. Aktywujące działanie jonów Cl - tłumaczy się ich wysoką adsorbowalnością na powierzchni metalu, niszczeniem filmów tlenkowych, a także wysoką rozpuszczalnością chlorków metali. Jony Cl- mają szczególnie duży wpływ na korozję Fe, Cr, Al, Ni itp.

Czynniki wpływające na szybkość korozji determinują także wybór metod zabezpieczenia antykorozyjnego, które dzielą się na następujące grupy:

zmiana charakteru metali (stopowanie);

zmiana właściwości środowiska korozyjnego (odpowietrzenie tlenu, zmiana wartości pH, wprowadzenie inhibitorów itp.);

powłoki ochronne (metaliczne i niemetalowe);

ochrona elektrochemiczna (ochrona ochronna i katodowa).

Przyjrzyjmy się niektórym z nich. Powłoki metalowe, ze względu na charakter ich działania ochronnego przed korozją, dzielą się na anodowe (metal powłoki jest bardziej aktywny niż metal chroniony) i katodowe (metal powłoki jest mniej aktywny niż metal chroniony).

Jeżeli integralność tych powłok zostanie naruszona, w pierwszym przypadku zniszczeniu ulegnie sama powłoka, w drugim przypadku chroniony metal ulegnie korozji. Dlatego powłoki anodowe są bardziej niezawodne, na przykład dla powłok stalowych Zn, Cr, Cd itp. Cynowanie (powłoka Sn), miedziowanie, srebrzenie, niklowanie chroni żelazo lub inny bardziej aktywny metal tylko wtedy, gdy powłoki te są wadliwe- bezpłatny.

Ochronę stosuje się w przypadkach, gdy zabezpieczana konstrukcja (rurociągi podziemne, kable, kadłub statku) znajduje się w środowisku elektrolitowym (woda gruntowa, woda morska). Jego istota polega na przyłączeniu do chronionej struktury ochraniacza bardziej aktywnego metalu, który pełniąc rolę anody w powstałym układzie galwanicznym ulega zniszczeniu.

W przypadku ochrony katodowej (ochrony elektrycznej) zabezpieczana konstrukcja jest połączona z biegunem ujemnym zewnętrznego źródła prądu, a inny metal (dowolna aktywność) jest podłączony do bieguna dodatniego. W tym przypadku chroniona konstrukcja pełni rolę katody w powstałym układzie elektrolizy, co zapobiega jej zniszczeniu.

Plan lekcji

Ogólna charakterystyka pierwiastków grupy IV A.

Węgiel i krzem

Cel:

Edukacyjny: ukształtować u uczniów ogólne pojęcie o pierwiastkach zaliczanych do czwartej grupy, zbadać ich podstawowe właściwości, rozważyć ich rolę biochemiczną i zastosowanie głównych związków pierwiastków.

Rozwojowy: rozwijać umiejętności mowy pisemnej i ustnej, myślenia oraz umiejętność wykorzystania zdobytej wiedzy do rozwiązywania różnych zadań.

Edukacja: kultywuj poczucie potrzeby uczenia się nowych rzeczy.

Podczas zajęć

Powtórzenie poruszanego tematu:

Ile pierwiastków to niemetale? Wskazywać ich miejsce w PSHE?

Jakie pierwiastki zaliczamy do organogenicznych?

Wskaż stan skupienia wszystkich niemetali.

Z ilu atomów składają się cząsteczki niemetali?

Jakie tlenki nazywane są nietworzącymi soli? Zapisz wzory tlenków niemetali nie tworzących soli.

Cl 2 → HCl → CuCl 2 → ZnCl 2 → AgCl

Zapisz ostatnie równanie reakcji w postaci jonowej.

Dodaj możliwe równania reakcji:

1) H 2 + Cl 2 = 6) CuO + H 2 =

2) Fe + Cl 2 = 7) KBr + I 2 =

3) NaCl + Br 2 = 8) Al + I 2 =

4) Br 2 + KI = 9) F 2 + H 2 O =

5) Ca + H 2 = 10) SiO 2 + HF =

Zapisz równania reakcji oddziaływania azotu z a) wapniem; b) wodorem; c) z tlenem.

Przeprowadź łańcuch transformacji:

N 2 → Li 3 N → NH 3 → NO → NO 2 → HNO 3

Po rozłożeniu 192 g azotynu amonu w reakcji NH 4 NO 2 = N 2 + 2H 2 O otrzymano 60 litrów azotu. Znajdź wydajność produktu z teoretycznie możliwych.

Nauka nowego materiału.

Grupa 4A obejmuje pierwiastki p: węgiel, krzem, german, cynę i ołów. Różnią się liczbą poziomów energii, ich niewzbudzone atomy mają 4 elektrony na poziomie zewnętrznym. Ze względu na wzrost liczby wypełnionych warstw elektronowych i wielkości atomu w grupie od góry do dołu, przyciąganie zewnętrznych elektronów walencyjnych do jądra ulega osłabieniu, stąd niemetaliczne właściwości pierwiastków w podgrupie od od góry do dołu są osłabione, a właściwości metaliczne wzmocnione. Jednak węgiel i krzem mają znacząco odmienne właściwości od innych pierwiastków. Są to typowe niemetale. German ma właściwości metaliczne, a w przypadku cyny i ołowiu przeważają nad niemetalicznymi.

W naturze węgiel występuje w stanie wolnym w postaci diamentu i grafitu. Zawartość węgla w skorupie ziemskiej wynosi około 0,1%. Wchodzi w skład naturalnych węglanów: wapienia, marmuru, kredy, magnezytu, dolomitu. Węgiel jest głównym składnikiem materii organicznej. Węgiel, torf, ropa naftowa, drewno i gaz ziemny są zwykle uważane za materiały palne stosowane jako paliwo.

Właściwości fizyczne. Węgiel jako substancja prosta występuje w kilku postaciach alotropowych: diamentu, grafitu, karbinu i fulerenu, które mają znacznie różne właściwości fizyczne, co tłumaczy się strukturą ich sieci krystalicznych. Karabin – drobnokrystaliczny czarny proszek, syntetyzowany po raz pierwszy w latach 60. przez sowieckich chemików, a później znaleziony w naturze. Po podgrzaniu do 2800° bez dostępu powietrza zamienia się w grafit. Fuleren - w latach 80. zsyntetyzowano struktury kuliste utworzone z atomów węgla, tzw fulereny. Są to struktury zamknięte składające się z określonej liczby atomów węgla - C 60, C 70.

Właściwości chemiczne. Chemicznie węgiel jest obojętny w normalnych warunkach. Reaktywność wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. W wysokich temperaturach węgiel reaguje z wodorem, tlenem, azotem, halogenami, wodą oraz niektórymi metalami i kwasami.

Podczas przepuszczania pary wodnej przez gorący węgiel lub koks otrzymuje się mieszaninę tlenku węgla (II) i wodoru:

C + H 2 O = WSPÓŁ + H 2 ( para wodna ),

Reakcja ta zachodzi w temperaturze 1200°C, w temperaturach poniżej 1000° następuje utlenianie WSPÓŁ 2 :

C + 2H 2 O= CO 2 + 2 H 2 .

Procesem ważnym przemysłowo jest konwersja gazu wodnego na metanol (alkohol metylowy):

CO + 2H 2 = CH 3 ON

Pod wpływem wysokich temperatur węgiel może wchodzić w interakcję z metalami, tworząc węglik, Wśród nich wyróżnia się „metanowce” i „acetylenidy”, w zależności od tego, jaki gaz uwalnia się podczas interakcji z wodą lub kwasem:

SaS 2 + HCl = CaCl 2 + C 2 H 2

Glin 4 C 3 + 12 H 2 O = 2 Glin(OH) 3 ↓ + 3 CH 4

Węglik wapnia, który otrzymuje się przez ogrzewanie wapna CaO i koksu w piecach elektrycznych bez dostępu powietrza, ma ogromne znaczenie praktyczne:

CaO + 3C = CaC 2 + CO

Węglik wapnia służy do produkcji acetylenu:

SaS 2 + 2 H 2 O= Ca(OH) 2 + C 2 H 2

Jednakże węgiel charakteryzuje się reakcjami, w których wykazuje właściwości redukujące:

2 ZnO + C = Zn+ CO 2

Cunifikacja węgla.

Tlenek węgla (CO) to tlenek węgla. Na skalę przemysłową wytwarza się go przez przepuszczanie dwutlenku węgla nad gorącym węglem w wysokiej temperaturze. W warunkach laboratoryjnych CO otrzymuje się przez działanie stężonego kwasu siarkowego na kwas mrówkowy po podgrzaniu (kwas siarkowy usuwa wodę):

UNSOUN =H 2 O+ CO

Tlenek węgla (CO2) to dwutlenek węgla. W atmosferze dwutlenek węgla stanowi 0,03% objętościowych lub 0,04% masowych. Wulkany i gorące źródła zasilają atmosferę, a ludzie spalają paliwa kopalne. Atmosfera stale wymienia gazy z wodą oceaniczną, która zawiera 60 razy więcej dwutlenku węgla niż atmosfera. Wiadomo, że dwutlenek węgla dobrze pochłania światło słoneczne w zakresie podczerwieni widma. W ten sposób tworzy się dwutlenek węgla Efekt cieplarniany i reguluje globalną temperaturę.

W warunkach laboratoryjnych dwutlenek węgla powstaje w wyniku działania kwasu solnego na marmur:

SaWSPÓŁ 3 + 2 HCl = CaCl 2 + H 2 O+ CO 2

Właściwość dwutlenku węgla niepodtrzymującego spalania jest wykorzystywana w urządzeniach przeciwpożarowych. Wraz ze wzrostem ciśnienia rozpuszczalność dwutlenku węgla gwałtownie wzrasta. Stanowi to podstawę jego zastosowania w produkcji napojów gazowanych.

Kwas węglowy występuje tylko w roztworze. Po podgrzaniu roztwór rozkłada się na tlenek węgla i wodę. Sole kwasu są trwałe, chociaż sam kwas jest niestabilny.

Najważniejszą reakcją na jon węglanowy jest działanie rozcieńczonych kwasów mineralnych – solnego lub siarkowego. Jednocześnie z sykiem uwalniają się pęcherzyki dwutlenku węgla, które po przejściu przez roztwór wodorotlenku wapnia (woda wapienna) stają się mętne w wyniku tworzenia się węglanu wapnia.

Krzem. Po tlenie jest to najobficiej występujący pierwiastek na Ziemi. Stanowi 25,7% masy skorupy ziemskiej. Znaczącą jego część stanowi tlenek krzemu, tzw krzemionka, który występuje w postaci piasku lub kwarcu. W bardzo czystej postaci tlenek krzemu występuje jako minerał tzw kryształ górski. Krystaliczny tlenek krzemu, zabarwiony różnymi domieszkami, tworzy kamienie szlachetne i półszlachetne: agat, ametyst, jaspis. Kolejną grupą naturalnych związków krzemu są krzemiany – pochodne kwas krzemowy.

W przemyśle krzem otrzymuje się poprzez redukcję tlenku krzemu koksem w piecach elektrycznych:

SiO 2 + 2 C = Si + 2 WSPÓŁ

W laboratoriach jako środki redukujące stosuje się magnez lub aluminium:

SiO 2 + 2Mg = Si + 2MgO

3SiO2 2 + 4Al = Si + 2Al 2 O 3 .

Najczystszy krzem otrzymuje się poprzez redukcję czterochlorku krzemu parami cynku:

SiCl 4 + 2 Zn = Si + 2 ZnCl 2

Właściwości fizyczne. Krzem krystaliczny jest kruchą substancją o ciemnoszarej barwie i stalowym połysku. Struktura krzemu jest podobna do diamentu. Krzem jest używany jako półprzewodnik. Wykonuje się z niego tak zwane panele słoneczne, które zamieniają energię świetlną w energię elektryczną. Krzem jest stosowany w metalurgii do produkcji stali krzemowych, które mają wysoką odporność na ciepło i kwasoodporność.

Właściwości chemiczne. Pod względem właściwości chemicznych krzem, podobnie jak węgiel, jest niemetalem, ale jego niemetaliczność jest mniej wyraźna, ponieważ ma duży promień atomowy.

W normalnych warunkach krzem jest chemicznie całkowicie obojętny. Reaguje bezpośrednio tylko z fluorem, tworząc fluorek krzemu:

Si + 2 F 2 = SiF 4

Kwasy (z wyjątkiem mieszaniny kwasu fluorowodorowego i kwasu azotowego) nie mają wpływu na krzem. Ale rozpuszcza się w wodorotlenkach metali alkalicznych:

Si + NaOH + H 2 O=Nie 2 SiO 3 + 2H 2

W wysokich temperaturach w piecu elektrycznym mieszanina piasku i koksu wytwarza węglik krzemu SiC– karborund:

SiO 2 + 2C =SiC+ CO 2

Osełki i tarcze szlifierskie wykonane są z węglika krzemu.

Nazywa się związki metali z krzemem krzemki:

Si + 2 Mg = Mg 2 Si

Kiedy krzemek magnezu traktuje się kwasem solnym, otrzymuje się najprostszy wodorowy związek krzemu krzemowodór -SiH 4 :

Mg 2 Si+ 4NSl = 2 MdCl 2 + SiH 4

Silan to trujący gaz o nieprzyjemnym zapachu, który jest łatwopalny w powietrzu.

Związki krzemu. Krzemionka– substancja stała, ogniotrwała. W naturze występuje w dwóch postaciach krzemionka krystaliczna i amorficzna. Kwas krzemowy- jest słabym kwasem, po podgrzaniu łatwo rozkłada się na wodę i dwutlenek krzemu. Można go otrzymać w postaci galaretowatej masy zawierającej wodę lub w postaci roztworu koloidalnego (zolu). Sole kwasu krzemowego są nazywane krzemiany. Naturalne krzemiany są dość złożonymi związkami, ich skład jest zwykle przedstawiany jako połączenie kilku tlenków. W wodzie rozpuszczają się jedynie krzemiany sodu i potasu. Nazywają się szkło rozpuszczalne, i ich rozwiązanie – płynne szkło.

Zadania do konsolidacji.

2. Dodaj możliwe równania reakcji i rozwiąż zadanie.

Krzyżówka.

Po pionie: 1. Sól kwasu węglowego.

Poziomo: 1. Najtwardsza naturalna substancja na Ziemi. 2. Materiał konstrukcyjny. 3. Substancja używana do wyrobu ciasta. 4. Związki krzemu z metalami. 5. Pierwiastek głównej podgrupy 1V grupy PS pierwiastków chemicznych. 6. Sole kwasu węglowego zawierające wodór. 7. Naturalny związek krzemu.

Praca domowa: s. 210 – 229.