Kimika a4. Pag-aaral ng bagong materyal

Teoretikal na bahagi

Ang kusang pagkasira ng mga metal bilang resulta ng pakikipag-ugnayan ng kemikal o electrochemical sa kapaligiran ay tinatawag na corrosion. Ang sanhi ng mga kusang proseso ng kaagnasan ay ang labis na libreng enerhiya ng mga purong metal na may kaugnayan sa kanilang mga compound, i.e. thermodynamic instability ng mga metal. Ayon sa antas ng thermodynamic instability, ang lahat ng mga metal ay maaaring nahahati sa 5 grupo:

Ang mga metal ng tumaas na thermodynamic instability - kinakaing unti-unti kahit sa mga neutral na kapaligiran. Sa serye ng electrochemical, ang mga aktibidad ay matatagpuan sa pagitan ng Li at Fe.

Ang mga metal ay thermodynamically hindi matatag - matatag sa mga neutral na kapaligiran sa kawalan ng oxygen (Cd, In, Co, Ni, Mo, Pv, W).

Mga metal ng intermediate thermodynamic stability - matatag sa acidic at neutral na kapaligiran sa kawalan ng oxygen (Bi, Sв, Cu, Ad).

Mga metal na may mataas na thermodynamic stability - Hd, Pd, Ir, Pt.

Ang metal ng kumpletong katatagan ay Au.

Ang pag-aaral sa mekanismo ng mga proseso ng kaagnasan at pagbuo ng mga pamamaraan ng proteksyon laban dito ay may malaking praktikal na kahalagahan.

Ayon sa mekanismo ng mga proseso ng kaagnasan, ang kaagnasan ay nahahati sa kemikal at electrochemical.

Ang kemikal na kaagnasan ay tipikal para sa mga kapaligiran na hindi nagsasagawa ng electric current: gas corrosion - sa mga gas at singaw na walang moisture condensation sa ibabaw ng metal, kadalasan sa mataas na temperatura; likido - sa mga solusyon ng mga non-electrolytes (organic na likido).

Ang electrochemical corrosion ay isang pinagsamang proseso ng anodic-cathode, katulad ng mga proseso sa mga galvanic cells. Tulad ng pagpapatakbo ng isang galvanic cell, sa panahon ng electrochemical corrosion mayroong anodic oxidation ng metal at cathodic reduction ng oxidizer (depolarizer) Ang sanhi ng electrochemical corrosion ng mga metal ay ang heterogeneity ng mga metal sa komposisyon ng kemikal at phase, ang pagkakaroon ng mga impurities at pelikula, na humahantong sa pagbuo ng mga macro- at microgalvanic na mga cell. Bilang resulta ng oksihenasyon ng metal, ang mga electron na dumadaloy mula sa anode patungo sa cathode ay nagpapa-polarize nito, at ang oxidizing agent na nagbubuklod sa mga electron na ito ay nagsisilbing depolarizer. Kung ang ahente ng oxidizing ay H + ions (H 3 O +), kung gayon ang naturang kaagnasan ay tinatawag na hydrogen depolarization corrosion. Sa pinakasimpleng anyo nito, maaari itong ipahayag ng mga equation:

A: Ako - ne = Ako n+

K: 2H + + 2e = H 2 o

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

Kung ang ahente ng oxidizing ay oxygen, kung gayon ang naturang kaagnasan ay tinatawag na kaagnasan na may depolarization ng oxygen at ipinahayag ng mga equation:

A: Ako - ne = Ako n+

K: O 2 + 2H 2 O + 4e = 4OH - sa pH=7 o pH>7 o

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

Ang thermodynamic na posibilidad ng kaagnasan ay tinutukoy ng tanda ng DG, at dahil ang enerhiya ng Gibbs ng reaksyon ay direktang nauugnay sa EMF ng galvanic cell, ang posibilidad ng kaagnasan ay maaaring matukoy ng tanda ng EMF ng elemento.

Ang bilis at likas na katangian ng mga proseso ng kaagnasan ay naiimpluwensyahan ng parehong likas na katangian ng metal at ang likas na katangian ng kinakaing unti-unti na kapaligiran.

Upang labanan ang kaagnasan ng metal na kinokontrol ng bilis ng pagbabawas ng oxygen, ang konsentrasyon ng oxygen ay dapat bawasan sa pamamagitan ng pagpasok ng ahente ng pagbabawas sa solusyon o sa pamamagitan ng pagbabawas ng presyon ng oxygen sa itaas ng solusyon.

Ang rate ng kaagnasan na may pagpapakawala ng hydrogen ay maaaring pabagalin sa pamamagitan ng pagpapababa ng temperatura, pagbabawas ng konsentrasyon ng H +, at paglilinis ng mga metal mula sa mga impurities na nagpapabagal sa pagpapalabas ng hydrogen (Co, Ni, Pt, atbp.).

Minsan ang kaagnasan ay maaaring kontrolin ng mga anodic na reaksyon; ito ay karaniwang sinusunod sa mga metal na may kakayahang mag-passivation (Ni, Cr, Al, Ti, atbp.), Na humahantong sa isang matalim na pagsugpo ng kaagnasan.

Ang ilang mga ions, halimbawa, Cl - ions, sa kabaligtaran, ay nag-activate ng mga metal, na pumipigil sa kanilang kawalang-sigla. Ang pag-activate ng epekto ng Cl - ions ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng kanilang mataas na adsorbability sa ibabaw ng metal, ang pagkasira ng mga oxide films, pati na rin ang mataas na solubility ng metal chlorides. Ang mga Cl-ion ay may partikular na malaking impluwensya sa kaagnasan ng Fe, Cr, Al, Ni, atbp.

Ang mga salik na nakakaimpluwensya sa rate ng kaagnasan ay tumutukoy din sa pagpili ng mga paraan ng proteksyon ng kaagnasan, na nahahati sa mga sumusunod na grupo:

pagbabago ng likas na katangian ng mga metal (alloying);

pagbabago sa mga katangian ng kinakaing unti-unti na kapaligiran (oxygen deaeration, pagbabago sa halaga ng pH, pagpapakilala ng mga inhibitor, atbp.);

proteksiyon coatings (metallic at non-metallic);

proteksyon ng electrochemical (proteksiyon at cathodic na proteksyon).

Tingnan natin ang ilan sa kanila. Ayon sa likas na katangian ng kanilang proteksiyon na epekto laban sa kaagnasan, ang mga metal coatings ay maaaring anodic (ang coating metal ay mas aktibo kaysa sa isa na pinoprotektahan) at cathodic (ang coating metal ay hindi gaanong aktibo kaysa sa isa na pinoprotektahan).

Kung ang integridad ng mga coatings na ito ay nasira, sa unang kaso ang patong mismo ay masisira, sa pangalawang kaso ang protektadong metal ay corrode. Samakatuwid, ang anodic coatings ay mas maaasahan, halimbawa, para sa steel coatings Zn, Cr, Cd, atbp. Tinning (Sn coating), copper plating, silver plating, nickel plating pinoprotektahan ang bakal o iba pang mas aktibong metal kung ang mga coatings na ito ay depekto- libre.

Ang proteksiyon na proteksyon ay ginagamit sa mga kaso kung saan ang protektadong istraktura (mga pipeline sa ilalim ng lupa, mga cable, hull ng barko) ay matatagpuan sa isang electrolyte na kapaligiran (tubig sa ilalim ng lupa, tubig sa dagat). Ang kakanyahan nito ay nakasalalay sa attachment ng isang mas aktibong metal sa protektadong istraktura ng tagapagtanggol, na, na kumikilos bilang isang anode sa nagresultang galvanic system, ay nawasak.

Sa kaso ng cathodic protection (electrical protection), ang protektadong istraktura ay konektado sa negatibong poste ng isang panlabas na kasalukuyang pinagmumulan, at isa pang metal (anumang aktibidad) ay konektado sa positibong poste. Sa kasong ito, ang protektadong istraktura ay kumikilos bilang isang katod sa nagresultang sistema ng electrolysis, na pumipigil sa pagkawasak nito.

Lesson Plan

Pangkalahatang katangian ng mga elemento ng pangkat IV A.

Carbon at silikon

Target:

Pang-edukasyon: upang mabuo sa mga mag-aaral ang isang pangkalahatang ideya ng mga elemento na kasama sa ika-4 na pangkat, upang pag-aralan ang kanilang mga pangunahing katangian, upang isaalang-alang ang kanilang papel na biochemical at ang paggamit ng mga pangunahing compound ng mga elemento.

Pag-unlad: bumuo ng mga kasanayan sa nakasulat at pasalitang pananalita, pag-iisip, at kakayahang gumamit ng nakuhang kaalaman upang malutas ang iba't ibang gawain.

Edukasyon: linangin ang pakiramdam ng pangangailangang matuto ng mga bagong bagay.

Sa panahon ng mga klase

Pag-uulit ng sakop na paksa:

Ilang elemento ang nonmetals? Ipahiwatig ang kanilang lugar sa PSHE?

Anong mga elemento ang nauuri bilang organogenic?

Ipahiwatig ang estado ng pagsasama-sama ng lahat ng hindi metal.

Ilang mga atomo ang binubuo ng mga nonmetal na molekula?

Anong mga oxide ang tinatawag na non-salt-forming? Isulat ang mga formula ng non-salt-forming non-metal oxides.

Cl 2 → HCl → CuCl 2 → ZnCl 2 → AgCl

Isulat ang huling equation ng reaksyon sa anyong ionic.

Magdagdag ng mga posibleng equation ng reaksyon:

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 =

Isulat ang mga equation ng reaksyon para sa pakikipag-ugnayan ng nitrogen sa a) calcium; b) na may hydrogen; c) na may oxygen.

Magsagawa ng isang hanay ng mga pagbabagong-anyo:

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

Kapag ang 192 g ng ammonium nitrite ay nabulok ng reaksyon NH 4 NO 2 = N 2 + 2H 2 O, 60 litro ng nitrogen ang nakuha. Hanapin ang ani ng produkto mula sa theoretically possible.

Pag-aaral ng bagong materyal.

Kasama sa Group 4A ang mga p-element: carbon, silicon, germanium, lata at lead. Nagkakaiba sa bilang ng mga antas ng enerhiya, ang kanilang mga hindi nasasabik na mga atom ay may 4 na electron sa panlabas na antas. Dahil sa pagtaas ng bilang ng mga napuno na mga elektronikong layer at ang laki ng atom sa pangkat mula sa itaas hanggang sa ibaba, ang pagkahumaling ng mga panlabas na valence electron sa nucleus ay humina, samakatuwid ang mga di-metal na katangian ng mga elemento sa subgroup mula sa mula sa itaas hanggang sa ibaba ay humina at ang mga katangian ng metal ay pinahusay. Gayunpaman, ang carbon at silikon ay may makabuluhang pagkakaiba sa mga katangian mula sa iba pang mga elemento. Ang mga ito ay karaniwang hindi metal. Ang Germanium ay may mga katangiang metal, at sa lata at tingga ay nangingibabaw sila sa mga di-metal.

Sa kalikasan carbon matatagpuan sa isang malayang estado sa anyo ng brilyante at grapayt. Ang nilalaman ng carbon sa crust ng lupa ay humigit-kumulang 0.1%. Ito ay bahagi ng natural na carbonates: limestone, marmol, chalk, magnesite, dolomite. Ang carbon ay ang pangunahing bahagi ng organikong bagay. Ang karbon, pit, langis, kahoy at natural na gas ay karaniwang itinuturing na nasusunog na materyales na ginagamit bilang panggatong.

Mga katangiang pisikal. Ang carbon bilang isang simpleng sangkap ay umiiral sa ilang mga allotropic form: brilyante, grapayt, carbyne at fullerene, na may iba't ibang pisikal na katangian, na ipinaliwanag sa pamamagitan ng istraktura ng kanilang mga kristal na sala-sala. Carbin – isang pinong mala-kristal na itim na pulbos, unang na-synthesize noong dekada 60 ng mga chemist ng Sobyet, at kalaunan ay natagpuan sa kalikasan. Kapag pinainit sa 2800º nang walang air access, ito ay nagiging grapayt. Fullerene - noong dekada 80, ang mga spherical na istruktura na nabuo ng mga carbon atom ay na-synthesize, na tinatawag na fullerenes. Ang mga ito ay mga saradong istruktura na binubuo ng isang tiyak na bilang ng mga carbon atoms - C 60, C 70.

Mga katangian ng kemikal. Sa kemikal, ang carbon ay hindi gumagalaw sa ilalim ng normal na mga kondisyon. Tumataas ang reaktibiti sa pagtaas ng temperatura. Sa mataas na temperatura, ang carbon ay tumutugon sa hydrogen, oxygen, nitrogen, halogens, tubig at ilang mga metal at acid.

Kapag ang singaw ng tubig ay dumaan sa mainit na karbon o coke, ang pinaghalong carbon monoxide (II) at hydrogen ay nakukuha:

C + H 2 O = CO + H 2 ( singaw ng tubig ),

Ang reaksyong ito ay nagaganap sa 1200º, sa mga temperaturang mababa sa 1000º ang oksihenasyon ay nangyayari sa CO 2 :

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

Ang isang mahalagang proseso sa industriya ay ang conversion ng water gas sa methanol (methyl alcohol):

CO + 2H 2 = CH 3 SIYA

Kapag nalantad sa mataas na temperatura, ang carbon ay maaaring makipag-ugnayan sa mga metal, na bumubuo karbid, Kabilang sa mga ito, ang "methanides" at "acetylenides" ay nakikilala, depende sa kung anong gas ang pinakawalan kapag nakikipag-ugnayan sila sa tubig o acid:

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

Sinabi ni Al 4 C 3 + 12 H 2 O = 2 Sinabi ni Al(OH) 3 ↓ + 3 CH 4

Ang calcium carbide, na nakukuha sa pamamagitan ng pag-init ng lime CaO at coke sa mga electric furnaces na walang air access, ay may malaking praktikal na kahalagahan:

CaO + 3C = CaC 2 + CO

Ang calcium carbide ay ginagamit upang makagawa ng acetylene:

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

Gayunpaman, ang carbon ay nailalarawan sa pamamagitan ng mga reaksyon kung saan ito ay nagpapakita ng pagbabawas ng mga katangian:

2 ZnO + C = Zn+ CO 2

Cpagkakaisa ng carbon.

Ang carbon monoxide (CO) ay carbon monoxide. Sa industriya, ito ay ginawa sa pamamagitan ng pagpasa ng carbon dioxide sa mainit na karbon sa mataas na temperatura. Sa mga kondisyon ng laboratoryo, ang CO ay nakukuha sa pamamagitan ng pagkilos ng concentrated sulfuric acid sa formic acid kapag pinainit (ang sulfuric acid ay nag-aalis ng tubig):

UNSOUN =H 2 O+ CO

Ang carbon monoxide (CO 2) ay carbon dioxide. Sa atmospera, ang carbon dioxide ay 0.03% sa dami, o 0.04% sa masa. Ang mga bulkan at mainit na bukal ay nagbibigay sa kapaligiran, at sa wakas, ang mga tao ay nagsusunog ng mga fossil fuel. Ang kapaligiran ay patuloy na nagpapalit ng mga gas sa tubig ng karagatan, na naglalaman ng 60 beses na mas maraming carbon dioxide kaysa sa atmospera. Ito ay kilala na ang carbon dioxide ay sumisipsip ng sikat ng araw nang maayos sa infrared na rehiyon ng spectrum. Kaya, lumilikha ang carbon dioxide Greenhouse effect at kinokontrol ang temperatura ng mundo.

Sa mga kondisyon ng laboratoryo, ang carbon dioxide ay ginawa sa pamamagitan ng pagkilos ng hydrochloric acid sa marmol:

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

Ang pag-aari ng carbon dioxide na hindi sumusuporta sa pagkasunog ay ginagamit sa mga aparatong lumalaban sa sunog. Habang tumataas ang presyon, ang solubility ng carbon dioxide ay tumataas nang husto. Ito ang batayan ng paggamit nito sa paggawa ng mga fizzy drink.

Ang carbonic acid ay umiiral lamang sa solusyon. Kapag ang solusyon ay pinainit, ito ay nabubulok sa carbon monoxide at tubig. Ang mga asin ng acid ay matatag, bagaman ang acid mismo ay hindi matatag.

Ang pinakamahalagang reaksyon sa carbonate ion ay ang pagkilos ng dilute mineral acids - hydrochloric o sulfuric. Kasabay nito, ang mga bula ng carbon dioxide ay inilabas na may pagsisisi, at kapag ito ay dumaan sa isang solusyon ng calcium hydroxide (limewater), ito ay nagiging maulap bilang resulta ng pagbuo ng calcium carbonate.

Silicon. Pagkatapos ng oxygen, ito ang pinakamaraming elemento sa Earth. Binubuo nito ang 25.7% ng masa ng crust ng lupa. Ang isang makabuluhang bahagi nito ay kinakatawan ng silicon oxide, na tinatawag na silica, na nangyayari sa anyo ng buhangin o kuwarts. Sa napakadalisay na anyo, ang silicon oxide ay nangyayari bilang isang mineral na tinatawag batong kristal. Ang mala-kristal na silikon na oksido, na may kulay na may iba't ibang mga dumi, ay bumubuo ng mga mahalagang at semi-mahalagang mga bato: agata, amethyst, jasper. Ang isa pang pangkat ng mga natural na compound ng silikon ay silicates - derivatives silicic acid.

Sa industriya, ang silikon ay nakukuha sa pamamagitan ng pagbabawas ng silicon oxide na may coke sa mga electric furnace:

SiO 2 + 2 C = Si + 2 CO

Sa mga laboratoryo, ang magnesium o aluminyo ay ginagamit bilang mga ahente ng pagbabawas:

SiO 2 + 2Mg = Si + 2MgO

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

Ang pinakadalisay na silikon ay nakuha sa pamamagitan ng pagbabawas ng silikon na tetrachloride na may sink na singaw:

SiCl 4 + 2 Zn = Si + 2 ZnCl 2

Mga katangiang pisikal. Ang mala-kristal na silikon ay isang malutong na substansiya ng madilim na kulay abo na may makintab na ningning. Ang istraktura ng silikon ay katulad ng sa brilyante. Ang Silicon ay ginagamit bilang isang semiconductor. Ang tinatawag na mga solar panel ay ginawa mula dito, na nagko-convert ng liwanag na enerhiya sa elektrikal na enerhiya. Ginagamit ang silikon sa metalurhiya upang makagawa ng mga bakal na silikon, na may mataas na paglaban sa init at paglaban sa acid.

Mga katangian ng kemikal. Sa mga tuntunin ng mga kemikal na katangian, ang silikon, tulad ng carbon, ay isang non-metal, ngunit ang non-metallicity nito ay hindi gaanong binibigkas, dahil mayroon itong malaking atomic radius.

Sa ilalim ng normal na mga kondisyon, ang silikon ay medyo hindi gumagalaw sa kemikal. Direktang tumutugon lamang ito sa fluorine, na bumubuo ng silicon fluoride:

Si + 2 F 2 = SiF 4

Ang mga acid (maliban sa pinaghalong hydrofluoric acid at nitric acid) ay walang epekto sa silicon. Ngunit natutunaw ito sa alkali metal hydroxides:

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

Sa mataas na temperatura sa isang electric furnace, ang pinaghalong buhangin at coke ay gumagawa ng silicon carbide SiC– carborundum:

SiO 2 + 2C =SiC+ CO 2

Ang mga whetstone at grinding wheel ay gawa sa silicon carbide.

Ang mga compound ng mga metal na may silikon ay tinatawag silicide:

Si + 2 Mg = Mg 2 Si

Kapag ang magnesium silicide ay ginagamot ng hydrochloric acid, ang pinakasimpleng hydrogen compound ng silikon ay nakuha silane –SiH 4 :

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

Ang Silane ay isang nakakalason na gas na may hindi kanais-nais na amoy na nasusunog sa hangin.

Mga compound ng silikon. Silica– isang solid, refractory substance. Sa kalikasan, ito ay ibinahagi sa dalawang anyo mala-kristal at walang hugis na silica. Silicic acid- ay isang mahinang acid; kapag pinainit, madali itong nabubulok sa tubig at silicon dioxide. Maaari itong makuha alinman sa anyo ng isang gelatinous mass na naglalaman ng tubig o sa anyo ng isang colloidal solution (sol). Silicic acid salts ay tinatawag silicates. Ang mga natural na silicate ay medyo kumplikadong mga compound; ang kanilang komposisyon ay karaniwang inilalarawan bilang isang kumbinasyon ng ilang mga oxide. Tanging ang sodium at potassium silicates ang natutunaw sa tubig. Tinawag sila natutunaw na baso, at ang kanilang solusyon - likidong baso.

Mga gawain para sa pagpapatatag.

2. Magdagdag ng mga posibleng equation ng reaksyon at lutasin ang problema.

Crossword.

Ptungkol sa patayo: 1. Carbonic acid na asin.

Pahalang: 1. Ang pinakamahirap na natural na substance sa Earth. 2. Materyal sa pagtatayo. 3. Substansyang ginagamit sa paggawa ng masa. 4. Silicon compound na may mga metal. 5. Elemento ng pangunahing subgroup 1V ng pangkat ng PS ng mga elemento ng kemikal. 6. Mga asin ng carbonic acid na naglalaman ng hydrogen. 7. Likas na silikon na tambalan.

Takdang aralin: pp.210 – 229.