Коррозия меди в 5М изопропанольных растворах НС1
Коррозия меди в 5М изопропанольных растворах НС1
МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Тамбовский государственный университет
им. Г.Р. Державина
КАФЕДРА НЕОРГАНИЧЕСКОЙ И ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Дипломная работа
Коррозия меди
в 5М изопропанольных растворах НС1
Исполнитель: выпускник химико-
биологического факультета
заочного отделения
О.Н. Ларина
Руководитель: кандидат химических наук,
старший преподаватель
Бердникова Г.Г.
Рецензент:
Допущена кафедрой к защите
в ГАК __________1999 г. протокол №
Зав. кафедрой неорганической и
физической химии Л.Е. Цыганкова
Тамбов-1999
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Введение 3
I. Литературный обзор
2. Общая характеристика меди 4
3. Коррозионное и электрохимическое
поведение меди. 12
II. Методика эксперимента. 25
III. Экспериментальные результаты и их обсуждение 28
IV. Выводы. 45
V. Литература. 47
Введение
Проблема коррозионной стойкости конструкционных материалов до сих пор
является весьма актуальной для современной промышленности. Принимая во
внимание размеры ущерба от коррозии и колоссальное число различных металлов
и их сплавов а также коррозионно агрессивных сред, очевидно, что в этой
области науки еще долго будет существовать обширное поле для исследований.
В последние десятилетия все возрастающее внимание стали уделять
коррозионному и электрохимическому поведению металлов в неводных средах, в
частности, на основе органических растворителей. Оказалось, что многие
металлы, обладающие пассивностью в водных агрессивных растворах
подвергаются весьма интенсивному разрушению в неводных.
С другой стороны, ионизация некоторых металлов в неводных средах
осуществляется до более низковалентных частиц, чем в соответствующих
водных, что означает снижение энергозатрат на электрохимическую обработку
металлов и является убедительны аргументом в пользу применения смешанных и
неводных растворов электролитов для электрохимического размерного
формообразования.
Поэтому детальное выяснение роли органических компонентов коррозионной
среды подвигает к более адекватному познанию механизмов коррозии, к
пониманию роли воды и комплексов, образующихся в системе как за счет
исходных компонентов раствора, так и за счет продуктов коррозионных
процессов (как электрохимических, так и чисто химических).
Настоящая дипломная работа посвящена изучению некоторых аспектов
коррозии меди в концентрированных изопропанольных растворах хлороводорода.
I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1. Общая характеристика меди [[i]]
( Историческая справка.
Семь металлов принято называть доисторическими. Золото, серебро, медь,
железо, олово, свинец и ртуть были известны людям с древнейших времен.
Роль меди в становлении человеческой культуры особенна. Каменный век
сменился медным, медный - бронзовым. Не везде этот процесс шел
одновременно. Коренное население Америки переходило от каменного века к
медному в XVI в н.э. всего 400 лет назад! А в Древнем Египте медный век
наступил в IV тысячелетии до н.э. Два миллиона 300 тысяч каменных глыб, из
которых примерно 5000 лет назад была сложена 147-метровая пирамида Хеопса,
добыты и обтесаны медными инструментами.
Подобно серебру и золоту, медь иногда образует самородки. Видимо, из
них около 10 тысяч лет назад были изготовлены первые металлические орудия
труда. Распространению меди способствовали такие ее свойства, как
способность к холодной ковке и относительная простота выплавки из богатых
руд.
Медный век длился около тысячи лет - вдвое меньше, чем бронзовый.
Характерно. Что в Греции культура меди зародилась позже, чем в Египте, а
бронзовый век наступил раньше. Руда, из которой выплавляли медь египтяне,
не содержала олова. Грекам в этом отношении повезло больше. Они добывали
«оловянный камень» для выплавки бронзы иногда там же, где и медную руду.
Искусство выплавки и обработки меди от греков унаследовали римляне.
Они вывозили медь из покоренных стран, в первую очередь из Галлии и
Испании, продолжали начатую греками добычу медной руды на Крите и Кипре.
Кстати, с названием последнего острова связывают латинское название меди -
«купрум».
Медь сыграла выдающуюся роль не только в становлении материальной
культуры большинства народов, но и в изобразительном искусстве. В этом
качестве медь прошла через века; и в наши дни делают барельефы и гравюры из
меди.
(Медь в природе.
По распространению в земной коре (4,7.10-3 % по массе) медь следует за
никелем и занимает всего лишь 26-е место среди других элементов. Медь
встречается в природе в виде самородков, порой значительных размеров. Так,
в 1957 году в США в районе Великих озер был найден самородок массой 420
тонн. Интересно. Что выступающие части его были отбиты еще каменными
топорами. Однако, самородная медь в наше время составляет незначительную
часть от общего производства металла.
Подавляющая часть меди присутствует в горных породах в виде
соединений. Из сотен минералов меди промышленное значение имеют немногие, в
частности, халькоперит -медный колчедан CuFeS2, халькозин - медный блеск -
Cu2S, ковелин - CuS, малахит - СuCO3.Сu(OH)2, азурит -
2СuCO3.Сu(OH)2.
(Физические и химические свойства.
Медь - металл красного, в изломе розоватого цвета, в тонких слоях при
просвечивании приобретает зеленовато-голубой оттенок. Плотность меди
-8,96 г/см3, температура плавления -1083 0С, температура кипения - 2600 0С.
Это довольно мягкий, ковкий металл, из него можно прокатывать листы
толщиной всего лишь в 2,5 микрона (в 5 раз тоньше папиросной бумаги). Медь
хорошо отражает свет, прекрасно проводит электричество и тепло.
Медь, серебро, золото составляют побочную подгруппу первой группы
периодической системы Д.И. Менделеева. С щелочными металлами их сближает
лишь способность образовывать одновалентные катионы. Для меди и ее аналогов
характерно то, что они могут давать соединения с валентностью, превышающей
номер своей группы. Кроме того, элементы подгруппы меди, в отличие от
щелочных металлов, склонны к комплексообразованию, образуют окрашенные
соли, т.е. проявляют свойства, сближающие их с никелем, палладием,
платиной.
Такое поведение меди, серебра, золота объясняется конфигурацией
внешних электронных оболочек их атомов. У атома меди самая наружная (4-я от
ядра) оболочка содержит один s-электрон, ему предшествуют десять
d-электронов (3-й от ядра) оболочки. Атомы меди и ее сплавов могут при
образовании соединений терять не только самый внешний s -электрон, но один
или два электрона предвнешнего d-уровня, проявляя более высокую степень
окисления. Для меди окислительное число +2 (валентность II) , более
характерно, чем +1 (валентность I). Существует также немногочисленное число
соединений меди (III).
Медь химически малоактивна и в чистом, сухом воздухе не изменяется.
Однако атмосфера, в которой мы живем содержит водяные пары и двуокись
углерода. Поэтому не удивительно, что, например, произведения скульптуры,
изготовленные из меди и бронзы, со временем покрываются зеленоватым
налетом - «патиной». В обычной атмосфере патина состоит из основного
карбоната меди (малахита), в атмосфере, содержащей двуокись серы (SO2),
медные изделия покрываются основным сульфатом CuSO4 .3Cu(OH)2, а вблизи
моря - основным хлоридом CuC12 . 3Cu(OH)2. Интересно, что патина
образуется только во влажном воздухе (при влажности выше 75%). Патина
придает изделиям из меди и бронзы красивый, как говорится, «старинный» вид.
А сплошной налет патины обладает еще и защитными свойствами, предохраняя от
дальнейшего разрушения. Но образовавшаяся пленка может быть с дефектами и
поэтому недостаточно надежной. Гораздо прочнее такое же покрытие,
нанесенное на металл искусственно.
Один из способов искусственного получения патины таков: изделие из
меди или бронзы обрабатывают серной кислотой и затем выставляют на воздух.
Через некоторое время операцию повторяют. Образующийся сульфат меди
гидролизуется и постепенно превращается в устойчивую пленку CuSO4
.3Cu(OH)2.
Если быстро погрузить в холодную воду раскаленный докрасна кусок меди.
То на его поверхности образуется ярко-красная пленка оксида меди (I). При
умеренном же нагревании меди на воздухе поверхность ее покрывается черной
окисью CuO. Обычно образцы меди содержат сотые доли Сu2O. При нагревании
такого металла в атмосфере, содержащей водород и некоторые другие газы
(СО, СН4) происходит восстановление Cu2O:
Cu2O + H2 = 2Cu + H2O (1)
Cu2O + CO = 2Cu + CO2 (2)
Образовавшиеся пары воды и двуокись углерода выделяются из металла,
вызывая появление трещин. А это резко ухудшает механические свойства меди.
(«водородная болезнь»).
Гидроксид меди (II) выпадает в виде объемистого голубого осадка при
действии щелочей на растворы солей двухвалентной меди. Это слабое
основание, образующее с кислотами соли. Впрочем, свежеприготовленный
Cu(OH)2 растворяется и в концентрированных растворах щелочей, но его
кислотный характер выражен слабо.
Фтор, хлор, бром реагируют с медью, образуя соответствующие
галогениды двухвалентной меди, например:
Cu + C12 = CuC12 (3)
При взаимодействии иода с нагретым порошком меди получается иодид
одновалентной меди:
2Cu + J2 = 2СuJ (4)
Медь горит в парах серы:
Cu + S = CuS (5)
К сере медь проявляет большее сродство, чем к кислороду. На этом свойстве
основан пиролитический способ получения меди.
В ряду напряжений металлов медь стоит после водорода. В бескислородных
кислотах она не растворяется, но легко окисляется азотной кислотой:
3Cu + 8HNO3 (р) = 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O (6)
и концентрированной серной кислотой:
Cu + 2H2SO4 (к) = CuSO4 + SO2 + 2H2O (7)
В целом химические свойства меди наглядно иллюстрирует схема 1.
(Получение и очистка меди.
Почти все мировые производства металлической меди в настоящее время
основываются на переработке сульфидных, оксидных и карбонатных руд. Медные
руды, как правило, содержат большое количество пустой породы, так что
непосредственное получение из них меди экономически невыгодно. Поэтому руды
сначала измельчают, размалывают и обогащают с помощью гравитационных и
флотационных методов.
В зависимости от характера руды и содержания в ней меди, для
извлечения ее концентраты руд обрабатываются пирометаллургическими и
гидрометаллургическими методами.
| | |Схема 1. [[ii]] |
|[pic] | |- во влажном воздухе ( Сu2O |
| | |- во влажном воздухе в присутствии СО2, Н2S, SO2 ( основные карбонаты и |
| | |сульфат меди |
| |[pic] |- с NH4OH ( [Cu(NH3)4](OH)2 |
| | |- c KCN + O2 + H2O ( K[Cu(CN)2] или К3[Cu(CN)4] |
| | |- c HNO3 ( Cu(NO3)2 . n H2O |
|[pic] | | |
| | |- на воздухе ( Cu2O и СuO |
| | |- c F2, C12, Br2, J2 ( CuF2, CuC12, CuBr2, CuJ2 |
| | |- c S, Se, Te ( CuS, CuSe, CuTe |
| | |- с Н2S ( CuS |
| |[pic] |- P, As, Sb, C, Si ( Cu3P, Cu3P2, Cu3As2, Cu3As, Cu5As2, Cu2Sb, Cu3Sb, |
| | |карбид и силициды |
| | |- с концентрированной НС1 на воздухе СuС12 |
| | |- с концентрированно Н2SO4 ( CuSO4 . H2O |
| | |- c NH3 ( Cu3N |
| | |- c NO2 или NO ( Cu2O |
Пирометаллургический метод используется при переработке руд с большим
содержанием меди. Он основан на том, что оставшиеся после обогащения FeS2 и
FeS окисляются кислородом легче, чем сульфиды меди CuS и Cu2S. При
сплавлении концентратов полиметаллических сульфидных руд с флюсами в
шахтных печах медь с определенной частью железа образует медный пек
Cu2S.FeS, остальное железо. Цинк и другие металлы переходят в шлак в виде
силикатов: мышьяк, сурьма, фосфор и частично сера превращаются в летучие
оксиды.
Гидрометаллургический метод применяется при переработке бедных медных
руд и содержащих медь отходов других металлургических производств. С
помощью некоторых химических реагентов (Н2SO4, NH4OH, NaCN, Fe2(SO4)) плохо
растворимые соединения меди переводят в легко растворимые, а затем
различными способами (простым выщелачиванием растворов, электролизом или с
помощью ионнообменных смол) извлекают их из раствора.
Получение чистого металла из сырого путем удаления примесей является
целью металлургических процессов - афинажа и рафинировния. Методы афинажа
различны у разных металлов, т.к. они могут основываться на окислении и
восстановлении примесей, на ликвации (примеси с более высокой температурой
плавления остаются нерастворенными), на агрегации (примеси с более низкой
температурой плавления выделяются селективным отверждением), на адсорбции
(примеси адсорбируются без участия химической реакции).
Сырая медь, полученная металлургически, содержит 93-98,5% меди и
загрязнена кислородом, железом, мышьяком, сурьмой, висмутом, кобальтом,
оловом, серой и, возможно, серебром, золотом, платиной. Свинец, сера,
селен, теллур, висмут и кислород - примеси, вредные для меди, а мышьяк,
фосфор, никель, железо, марганец и кремний улучшают ее механические
свойства. Для очистки сырой меди от примесей ее подвергают рафинированию,
которое осуществляется двумя способами - пирометаллургическим и
Страницы: 1, 2
|