Ряд на­пря­же­ний ха­рак­те­ри­зу­ет хи­ми­че­ские свой­ст­ва ме­тал­лов:

1) Чем мень­ше элек­трод­ный по­тен­ци­ал ме­тал­ла, тем боль­ше его вос­ста­но­ви­тель­ная спо­соб­ность.

2) Ка­ж­дый ме­талл спо­со­бен вы­тес­нять (вос­ста­нав­ли­вать) из рас­тво­ров со­лей те ме­тал­лы, ко­то­рые сто­ят в ря­ду на­пря­же­ний по­сле не­го:

Fe⁰ + Cu⁺²SO₄ = Fe⁺²SO₄ + Cu⁰

Cu⁰ + Hg⁺²Cl₂ = Hg⁰ + Cu⁺²Cl₂

3) Все ме­тал­лы, имею­щие от­ри­ца­тель­ный стан­дарт­ный элек­трод­ный по­тен­ци­ал, то есть на­хо­дя­щие­ся в ря­ду на­пря­же­ний ле­вее во­до­ро­да, спо­соб­ны вы­тес­нять его из рас­тво­ров ки­слот:

Zn⁰ + 2H⁺¹Cl = Zn⁺²Cl₂ + H₂⁰

А вот медь не реа­ги­ру­ет с хло­ро­во­до­род­ной ки­сло­той. На­до пом­нить, что это пра­ви­ло име­ет ряд по­пра­вок:

а) пра­ви­ло со­блю­да­ет­ся, ес­ли в ре­ак­ции ме­тал­ла с ки­сло­той об­ра­зу­ет­ся  рас­тво­ри­мая соль;

б) кон­цен­три­ро­ван­ная сер­ная ки­сло­та и азот­ная ки­сло­та лю­бой кон­цен­тра­ции реа­ги­ру­ет с ме­тал­ла­ми по-осо­бо­му, при этом во­до­род не об­ра­зу­ет­ся;

в) на ще­лоч­ные ме­тал­лы пра­ви­ло не рас­про­стра­ня­ет­ся, так как они лег­ко взаи­мо­дей­ст­ву­ют с во­дой (а ука­зан­ное пра­ви­ло от­но­сит­ся к ре­ак­ци­ям вод­ных рас­тво­ров ки­слот с ме­тал­ла­ми).

Не­об­хо­ди­мо от­ме­тить, что пред­став­лен­ный ряд ха­рак­те­ри­зу­ет по­ве­де­ние ме­тал­лов и их со­лей толь­ко в вод­ных рас­тво­рах и при ком­нат­ной тем­пе­ра­ту­ре. Кро­ме то­го, нуж­но иметь в ви­ду, что вы­со­кая элек­тро­хи­ми­че­ская ак­тив­ность ме­тал­лов не все­гда оз­на­ча­ет его вы­со­кую хи­ми­че­скую ак­тив­ность. На­при­мер, ряд на­пря­же­ний на­чи­на­ет­ся ли­ти­ем, то­гда как бо­лее ак­тив­ные в хи­ми­че­ском от­но­ше­нии металлы: ру­би­дий и ка­лий на­хо­дят­ся пра­вее ли­тия. Это свя­за­но с ис­клю­чи­тель­но вы­со­кой энер­ги­ей про­цес­са гид­ра­та­ции ио­нов ли­тия по срав­не­нию с ио­на­ми дру­гих ще­лоч­ных ме­тал­лов.

С кислородом воздуха легко взаимодействуют щелочные и щелочноземельные металлы:

4Li⁰ + O₂⁰ = 2Li₂⁺¹O^-2(4е^-)

2Ca⁰ + O₂⁰ = 2Ca⁺²O^-2(4е^-)

С кислородом натрий и калий образуют не оксиды, а пероксиды:

2Na⁰ + O₂⁰ = Na₂⁺¹O₂^-1(2е^-)

2K⁰ + O₂⁰ = K₂⁺¹O₂^-1(2е^-)

Железо, цинк, медь и другие, менее активные металлы энергично окисляются кислородом только при нагревании:

2Zn⁰ + O₂⁰ = 2Zn⁺²O^-2(4е^-)

2Cu⁰ + O₂⁰ = 2Cu⁺²O^-2(4е^-)

Зо­ло­то и пла­ти­но­вые ме­тал­лы не окис­ля­ют­ся ки­сло­ро­дом воз­ду­ха, ни при ка­ких ус­ло­ви­ях.

На воз­ду­хе при обыч­ной тем­пе­ра­ту­ре по­верх­ность бе­рил­лия и маг­ния по­кры­ва­ет­ся за­щит­ной ок­сид­ной плен­кой. Ще­лоч­но­зе­мель­ные ме­тал­лы взаи­мо­дей­ст­ву­ют с ки­сло­ро­дом воз­ду­ха бо­лее ак­тив­но, по­это­му их хра­нят под сло­ем ке­ро­си­на или в за­па­ян­ных со­су­дах, как и ще­лоч­ные ме­тал­лы.

При на­гре­ва­нии на воз­ду­хе все рас­смат­ри­вае­мые ме­тал­лы энер­гич­но сго­ра­ют с об­ра­зо­ва­ни­ем ок­си­дов:

2Be⁰ + O₂⁰ = 2Be⁺²O^-2(4е^-)

2Mg⁰ + O₂⁰ = 2Mg⁺²O^-2(4е^-)

Ре­ак­ция сжи­га­ния маг­ния со­про­во­ж­да­ет­ся ос­ле­пи­тель­ной вспыш­кой, рань­ше она при­ме­ня­лась при фо­то­гра­фи­ро­ва­нии объ­ек­тов в тем­ных по­ме­ще­ни­ях. В на­стоя­щее вре­мя ис­поль­зу­ют элек­три­че­скую вспыш­ку.

Щелочные металлы активно взаимодействуют почти со всеми неметаллами. Используя общее обозначение для металлов Ме, запишем в общей форме уравнение реакций щелочных металлов с неметаллами – водородом, хлором и серой:

2Me⁰ + H₂⁰ = 2Me⁺¹H^-1(2е^-)

2Me⁰ + Cl₂⁰ = 2Me⁺¹Cl^-1(2е^-)

2Me⁰ + S⁰ = Me₂⁺¹S^-2(2е^-)

Щелочноземельные металлы при высоких температурах окисляются водородом до гидридов:

Me⁰ + H₂⁰ = Me⁺²H₂^-1(2е^-)

Бериллий, магний и все щелочноземельные металлы взаимодействуют при нагревании с неметаллами – хлором, серой, азотом и т. д., образуя соответственно хлориды, сульфиды, нитриды:

Me⁰ + Cl₂⁰ = Me⁺²Cl₂^-1(2е^-)

Me⁰ + S⁰ = Me⁺²S^-2(2е^-)

3Me⁰ + N₂⁰ = Me₃⁺²N₂^-3(6е)

Все ще­лоч­ные ме­тал­лы ак­тив­но взаи­мо­дей­ст­ву­ют с во­дой, об­ра­зуя ще­ло­чи  и  вос­ста­нав­ли­вая во­ду до во­до­ро­да (ри­су­нок спра­ва[2]). Ско­рость взаи­мо­дей­ст­вия ще­лоч­но­го ме­тал­ла с во­дой бу­дет уве­ли­чи­вать­ся от ли­тия к це­зию:

2Me⁰ + 2H⁺¹OH = 2Me⁺¹OH +    + H₂⁰(2е^-)

Из всех ме­тал­лов глав­ной под­груп­пы II груп­пы толь­ко бе­рил­лий прак­ти­че­ски не взаи­мо­дей­ст­ву­ет с во­дой[3], маг­ний реа­ги­ру­ет с ней мед­лен­но, ос­таль­ные ме­тал­лы бур­но взаи­мо­дей­ст­ву­ет с во­дой в обыч­ных ус­ло­ви­ях:

Me⁰ + 2H⁺¹OH = Me⁺²(OH)₂ + H₂⁰(2е^-)

Другие металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода, тоже могут при определённых условиях вытеснять водород из воды. Но алюминий бурно взаимодействует с водой, только если удалить с его поверхности оксидную плёнку:

2Al⁰ + 6H₂⁺¹0 = 2Al⁺³(OH)₃ + 3H₂⁰

Железо взаимодействует с водой только в раскаленном виде:

3Fe⁰ + 4H₂⁺¹O = (Fe⁺²Fe₂⁺³)O₄ + 4H₂⁰

С кислотами в растворе (HCl, H₂SO_4(разб.), CH₃COOH и др., кроме HNO₃) взаимодействуют металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода. При этом образуется соль и водород.

2Al⁰ + 6H⁺¹Cl = 2Al⁺³Cl³ + 3H₂⁰

2CH₃COOH⁺¹ + Mg⁰ = Mg⁺²(CH₃COO)₂ + H₂⁰

С солями менее активных металлов в растворе. В результате такой реакции образуется растворимая соль более активного металла и выделяется менее активный металл в свободном виде:

Fe⁰ + Cu⁺²SO₄ = Fe⁺²SO₄ + Cu⁰

V. Кор­ро­зия ме­тал­лов.

Поч­ти все ме­тал­лы, при­хо­дя в со­при­кос­но­ве­ние с ок­ру­жаю­щей их га­зо­об­раз­ной или жид­кой сре­дой, бо­лее или ме­нее бы­ст­ро под­вер­га­ют­ся с по­верх­но­сти раз­ру­ше­нию. При­чи­ной его яв­ля­ет­ся хи­ми­че­ское взаи­мо­дей­ст­вие ме­тал­лов с на­хо­дя­щи­ми­ся в воз­ду­хе га­за­ми, а так­же во­дой и рас­тво­рен­ны­ми в ней ве­ще­ст­ва­ми.

Вся­кий про­цесс хи­ми­че­ско­го раз­ру­ше­ния ме­тал­лов под дей­ст­ви­ем ок­ру­жаю­щей сре­ды на­зы­ва­ют кор­ро­зи­ей.

Про­ще все­го про­те­ка­ет кор­ро­зия при со­при­кос­но­ве­нии ме­тал­лов с га­за­ми. На по­верх­но­сти ме­тал­ла об­ра­зу­ют­ся со­от­вет­ст­вую­щие со­еди­не­ния: ок­си­ды, сер­ни­стые со­еди­не­ния, ос­нов­ные со­ли уголь­ной ки­сло­ты, ко­то­рые не­ред­ко по­кры­ва­ют по­верх­ность плот­ным сло­ем, за­щи­щаю­щим ме­талл от даль­ней­ше­го воз­дей­ст­вия тех же га­зов.

Ина­че об­сто­ит де­ло при со­при­кос­но­ве­нии ме­тал­ла с жид­кой сре­дой - во­дой и рас­тво­рен­ны­ми в ней ве­ще­ст­ва­ми. Об­ра­зую­щие­ся при этом со­еди­не­ния мо­гут рас­тво­рять­ся, бла­го­да­ря че­му кор­ро­зия рас­про­стра­ня­ет­ся даль­ше вглубь ме­тал­ла. Кро­ме то­го, во­да, со­дер­жа­щая рас­тво­рен­ные ве­ще­ст­ва, яв­ля­ет­ся про­вод­ни­ком элек­три­че­ско­го то­ка, вслед­ст­вие че­го по­сто­ян­но воз­ни­ка­ют элек­тро­хи­ми­че­ские про­цес­сы, ко­то­рые яв­ля­ют­ся од­ним из глав­ных фак­то­ров, обу­слав­ли­ваю­щих и ус­ко­ряю­щих кор­ро­зию.

Чаще всего коррозии подвергаются изделия из железа. Особенно сильно коррозирует металл во влажном воздухе и воде. Упрощенно этот процесс можно выразить с помощью следующего уравнения химической реакции:

4Fe + ЗО₂ + 6Н₂O = 4Fe(ОН)₃

Для борь­бы с кор­ро­зи­ей су­ще­ст­ву­ет мно­го спо­со­бов. На­зо­ву не­ко­то­рые из них.

1) На­не­се­ние за­щит­ных по­кры­тий на по­верх­но­сти пре­до­хра­няе­мо­го от кор­ро­зии ме­тал­ла. Для это­го час­то ис­поль­зу­ют мас­ля­ные крас­ки, эма­ли, ла­ки. Эти не­ме­тал­ли­че­ские по­кры­тия де­ше­вые, но обыч­но не­дол­го­веч­ные. Раз в два го­да, а ино­гда и ча­ще их тре­бу­ет­ся об­нов­лять. Так, на­при­мер, кра­сят Эй­фе­ле­ву баш­ню в Па­ри­же.

Пре­до­хра­няе­мый ме­талл мож­но по­крыть сло­ем дру­го­го ме­тал­ла: зо­ло­та, се­реб­ра, хро­ма, ни­ке­ля, оло­ва, цин­ка и др. Один из са­мых ста­рых спо­со­бов — это лу­же­ние, или по­кры­тие же­лез­но­го лис­та сло­ем оло­ва. Та­кое же­ле­зо на­зы­ва­ют бе­лой же­стью.

2) Ис­поль­зо­ва­ние не­ржа­вею­щих ста­лей, со­дер­жа­щих спе­ци­аль­ные до­бав­ки. На­при­мер, «не­ржа­вей­ка», из ко­то­рой из­го­тав­ли­ва­ют сто­ло­вые при­бо­ры, со­дер­жит до 12% хро­ма и до 10% ни­ке­ля. Лег­кие не­ржа­вею­щие спла­вы вклю­ча­ют алю­ми­ний или ти­тан. Вся­кий, кто был во Все­рос­сий­ском вы­ста­воч­ном цен­тре, ви­дел пе­ред вхо­дом обе­лиск «По­ко­ри­те­лям кос­мо­са об­ли­цо­ван­ный пла­стин­ка­ми из ти­та­но­во­го спла­ва (рисунок слева[4]). На его ма­то­вой бле­стя­щей по­верх­но­сти нет ни од­но­го пят­ныш­ка ржав­чи­ны.

3) Вве­де­ние в ра­бо­чую сре­ду, где на­хо­дят­ся ме­тал­ли­че­ские де­та­ли, ве­ществ, ко­то­рые в де­сят­ки и сот­ни раз умень­ша­ют аг­рес­сив­ность сре­ды. Та­кие ве­ще­ст­ва на­зы­ва­ют­ся ин­ги­би­то­ра­ми кор­ро­зии.

Ин­ги­би­то­ры кор­ро­зии вво­дят в замк­ну­тые сис­те­мы ох­ла­ж­де­ния, в неф­те­про­дук­ты и да­же вспры­ски­ва­ют в га­зо­про­во­ды для сни­же­ния кор­ро­зии труб из­нут­ри. Для пре­дот­вра­ще­ния кор­ро­зии же­ле­за в сер­ной ки­сло­те к ней до­бав­ля­ют в ка­че­ст­ве ин­ги­би­то­ра азот­ную ки­сло­ту.

4) Соз­да­ние кон­так­та с бо­лее ак­тив­ным ме­тал­лом — про­тек­то­ром. На­при­мер, для за­щи­ты сталь­ных кор­пу­сов мор­ских су­дов обыч­но ис­поль­зу­ют цинк. Да и на су­ше ме­тал­ли­че­скую кон­ст­рук­цию (тру­бу, ЛЭП и т. д.) со­еди­ня­ют с лис­том или кус­ком бо­лее ак­тив­но­го ме­тал­ла. С этой же це­лью к де­та­лям кон­ст­рук­ции мос­тов при­ва­ри­ва­ют кус­ки цин­ка.

Чис­тые ме­тал­лы в боль­шин­ст­ве слу­ча­ев поч­ти не под­вер­га­ют­ся кор­ро­зии. Да­же та­кой ме­талл, как же­ле­зо, в со­вер­шен­но чис­том ви­де поч­ти не ржа­ве­ет. Но обык­но­вен­ные тех­ни­че­ские ме­тал­лы все­гда со­дер­жат раз­лич­ные при­ме­си, что соз­да­ет бла­го­при­ят­ные ус­ло­вия для кор­ро­зии.

Убыт­ки, при­чи­няе­мые кор­ро­зи­ей ме­тал­лов, ог­ром­ны. Вы­чис­ле­но, на­при­мер, что вслед­ст­вие кор­ро­зии, еже­год­но гиб­нет, та­кое ко­ли­че­ст­во ста­ли, ко­то­рое рав­но при­бли­зи­тель­но чет­вер­ти всей ми­ро­вой до­бы­чи его за год. По­это­му изу­че­нию про­цес­сов кор­ро­зии и оты­ска­нию наи­луч­ших средств ее пре­дот­вра­ще­ния уде­ля­ет­ся очень мно­го вни­ма­ния.

Спо­со­бы борь­бы с кор­ро­зи­ей чрез­вы­чай­но раз­но­об­раз­ны. Наи­бо­лее про­стой из них за­клю­ча­ет­ся в за­щи­те по­верх­но­сти ме­тал­ла от не­по­сред­ст­вен­но­го со­при­кос­но­ве­ния с ок­ру­жаю­щей сре­дой пу­тем по­кры­тия мас­ля­ной крас­кой, ла­ком, эма­лью или, на­ко­нец, тон­ким сло­ем дру­го­го ме­тал­ла. Осо­бый ин­те­рес с тео­ре­ти­че­ской точ­ки зре­ния пред­став­ля­ет по­кры­тие од­но­го ме­тал­ла дру­гим.

К ним от­но­сят­ся: ка­тод­ное по­кры­тие, ко­гда за­щи­щаю­щий ме­талл сто­ит в ря­ду на­пря­же­ний пра­вее за­щи­щаю­ще­го (ти­пич­ным при­ме­ром мо­жет слу­жить лу­же­ная, то есть по­кры­тая оло­вом, сталь); анод­ное по­кры­тие, на­при­мер по­кры­тие, ста­ли цин­ком.

Для за­щи­ты от кор­ро­зии це­ле­со­об­раз­но по­кры­вать по­верх­ность ме­тал­ла сло­ем бо­лее ак­тив­но­го ме­тал­ла, чем сло­ем ме­нее ак­тив­но­го. Од­на­ко дру­гие со­об­ра­же­ния не­ред­ко за­став­ля­ют при­ме­нять так­же по­кры­тия из ме­нее ак­тив­ных ме­тал­лов.

На прак­ти­ке ча­ще все­го при­хо­дит­ся при­ни­мать ме­ры, к за­щи­те ста­ли как ме­тал­ла, осо­бен­но под­вер­жен­но­го кор­ро­зии. Кро­ме цин­ка, из бо­лее ак­тив­ных ме­тал­лов для этой це­ли ино­гда при­ме­ня­ют кад­мий, дей­ст­вую­щий по­доб­но цин­ку. Из ме­нее ак­тив­ных ме­тал­лов для по­кры­тия ста­ли, ча­ще все­го ис­поль­зу­ют оло­во, медь, ни­кель.

По­кры­тые ни­ке­лем сталь­ные из­де­лия име­ют кра­си­вый вид, чем объ­яс­ня­ет­ся ши­ро­кое рас­про­стра­не­ние ни­ке­ли­ро­ва­ния. При по­вре­ж­де­нии слоя ни­ке­ля кор­ро­зия про­хо­дит ме­нее ин­тен­сив­но, чем при по­вре­ж­де­нии слоя ме­ди (или оло­ва), так как раз­ность по­тен­циа­лов для па­ры ни­кель-же­ле­зо го­раз­до мень­ше, чем для па­ры медь - же­ле­зо.

Из дру­гих спо­со­бов борь­бы с кор­ро­зи­ей су­ще­ст­ву­ет еще спо­соб про­тек­то­ров, за­клю­чаю­щий­ся в том, что за­щи­щае­мый ме­тал­ли­че­ский объ­ект при­во­дит­ся в кон­такт с боль­шой по­верх­но­стью бо­лее ак­тив­но­го ме­тал­ла. Так, в па­ро­вые кот­лы вво­дят лис­ты цин­ка, на­хо­дя­щие­ся в кон­так­те со стен­ка­ми кот­ла и об­ра­зую­щие с ни­ми галь­ва­ни­че­скую па­ру.

VI. Спо­со­бы по­лу­че­ния ме­тал­лов.

Ог­ром­ное боль­шин­ст­во ме­тал­лов на­хо­дит­ся в при­ро­де в ви­де со­еди­не­ний с дру­ги­ми эле­мен­та­ми.

Толь­ко не­мно­гие ме­тал­лы встре­ча­ют­ся в сво­бод­ном со­стоя­нии, и то­гда они на­зы­ва­ют­ся са­мо­род­ны­ми. Зо­ло­то и пла­ти­на встре­ча­ют­ся поч­ти ис­клю­чи­тель­но в са­мо­род­ном ви­де, се­реб­ро и медь - от­час­ти в са­мо­род­ном ви­де; ино­гда по­па­да­ют­ся так­же са­мо­род­ные ртуть, оло­во и не­ко­то­рые дру­гие ме­тал­лы.

До­бы­ва­ние зо­ло­та и пла­ти­ны про­из­во­дит­ся или по­сред­ст­вом ме­ха­ни­че­ско­го от­де­ле­ния их от той по­ро­ды, в ко­то­рой они за­клю­че­ны, на­при­мер про­мыв­кой во­ды, или пу­тем из­вле­че­ния их из по­ро­ды раз­лич­ны­ми реа­ген­та­ми с по­сле­дую­щим вы­де­ле­ни­ем ме­тал­ла из рас­тво­ра. Все ос­таль­ные ме­тал­лы до­бы­ва­ют­ся хи­ми­че­ской пе­ре­ра­бот­кой их при­род­ных со­еди­не­ний.

Ми­не­ра­лы и гор­ные по­ро­ды, со­дер­жа­щие со­еди­не­ния ме­тал­лов и при­год­ные для по­лу­че­ния этих ме­тал­лов за­во­дским пу­тем, но­сят на­зва­ние руд. Глав­ны­ми ру­да­ми яв­ля­ют­ся ок­си­ды, суль­фи­ды и кар­бо­на­ты ме­тал­лов.

Важ­ней­ший спо­соб по­лу­че­ния ме­тал­лов из руд ос­но­ван на вос­ста­нов­ле­нии их ок­си­дов уг­лем.

Ес­ли, на­при­мер, сме­шать крас­ную мед­ную ру­ду (ку­прит) Cu₂O с уг­лем и под­верг­нуть силь­но­му на­ка­ли­ва­нию, то уголь, вос­ста­нав­ли­вая медь, пре­вра­тит­ся в ок­сид уг­ле­ро­да(II), а медь вы­де­лит­ся в рас­плав­лен­ном со­стоя­нии:

Cu₂O + C = 2Cu + CO

По­доб­ным же об­ра­зом про­из­во­дит­ся вы­плав­ка чу­гу­на их же­лез­ных руд, по­лу­че­ние оло­ва из оло­вян­но­го кам­ня SnO₂ и вос­ста­нов­ле­ние дру­гих ме­тал­лов из ок­си­дов.

При пе­ре­ра­бот­ке сер­ни­стых руд сна­ча­ла пе­ре­во­дят сер­ни­стые со­еди­не­ния в ки­сло­род­ные пу­тем об­жи­га­ния в осо­бых пе­чах, а за­тем уже вос­ста­нав­ли­ва­ют по­лу­чен­ные ок­си­ды уг­лем. На­при­мер:

2ZnS + 3O₂ = 2ZnO + 2SO₂

ZnO + C = Zn + CO

В тех слу­ча­ях, ко­гда ру­да пред­став­ля­ет со­бой соль уголь­ной ки­сло­ты, ее мож­но не­по­сред­ст­вен­но вос­ста­нав­ли­вать уг­лем, как и ок­си­ды, так как при на­гре­ва­нии кар­бо­на­ты рас­па­да­ют­ся на ок­сид ме­тал­ла и дву­окись уг­ле­ро­да. На­при­мер:

ZnCO₃ = ZnO + CO₂

Обыч­но ру­ды, кро­ме хи­ми­че­ско­го со­еди­не­ния дан­но­го ме­тал­ла, со­дер­жат еще мно­го при­ме­сей в ви­де пес­ка, гли­ны, из­вест­ня­ка, ко­то­рые очень труд­но пла­вят­ся. Что­бы об­лег­чить вы­плав­ку ме­тал­ла, к ру­де при­ме­ши­ва­ют раз­лич­ные ве­ще­ст­ва, об­ра­зую­щие с при­ме­ся­ми лег­ко­плав­кие со­еди­не­ния - шла­ки. Та­кие ве­ще­ст­ва на­зы­ва­ют­ся флю­са­ми. Ес­ли при­месь со­сто­ит из из­вест­ня­ка, то в ка­че­ст­ве флю­са упот­реб­ля­ют пе­сок, об­ра­зую­щий с из­вест­ня­ком си­ли­кат каль­ция. На­обо­рот, в слу­чае боль­шо­го ко­ли­че­ст­ва пес­ка флю­сом слу­жит из­вест­няк.

Во мно­гих ру­дах ко­ли­че­ст­во при­ме­сей (пус­той по­ро­ды) так ве­ли­ко, что не­по­сред­ст­вен­ная вы­плав­ка ме­тал­лов из этих руд яв­ля­ет­ся эко­но­ми­че­ски не­вы­год­ной. Та­кие ру­ды пред­ва­ри­тель­но «обо­га­ща­ют», то есть уда­ля­ют из них часть при­ме­сей. Осо­бен­но ши­ро­ким рас­про­стра­не­ни­ем поль­зу­ет­ся фло­та­ци­он­ный спо­соб обо­га­ще­ния руд (фло­та­ция), ос­но­ван­ный на раз­лич­ной сма­чи­вае­мо­сти чис­той ру­ды и пус­той по­ро­ды.

Тех­ни­ка фло­та­ци­он­но­го спо­со­ба очень про­ста и в ос­нов­ном сво­дит­ся к сле­дую­ще­му. Ру­ду, со­стоя­щую, на­при­мер, из сер­ни­сто­го ме­тал­ла и пус­той си­ли­кат­ной по­ро­ды, тон­ко из­мель­ча­ют и за­ли­ва­ют в боль­ших ча­нах во­дой. К во­де при­бав­ля­ют ка­кое-ни­будь ма­ло­по­ляр­ное ор­га­ни­че­ское ве­ще­ст­во, спо­соб­ст­вую­щее об­ра­зо­ва­нию ус­той­чи­вой пе­ны при взбал­ты­ва­нии во­ды, и не­боль­шое ко­ли­че­ст­во спе­ци­аль­но­го реа­ген­та, так на­зы­вае­мо­го «кол­лек­то­ра», ко­то­рый хо­ро­шо ад­сор­би­ру­ет­ся по­верх­но­стью фло­ти­руе­мо­го ми­не­ра­ла и де­ла­ет ее не­спо­соб­ной сма­чи­вать­ся во­дой. По­сле это­го че­рез смесь сни­зу про­пус­ка­ют силь­ную струю воз­ду­ха, пе­ре­ме­ши­ваю­щую ру­ду с во­дой и при­бав­лен­ны­ми ве­ще­ст­ва­ми, при­чем пу­зырь­ки воз­ду­ха ок­ру­жа­ют­ся тон­ки­ми мас­ля­ны­ми плен­ка­ми и об­ра­зу­ют пе­ну. В про­цес­се пе­ре­ме­ши­ва­ния час­ти­цы фло­ти­руе­мо­го ми­не­ра­ла по­кры­ва­ют­ся сло­ем ад­сор­би­ро­ван­ных мо­ле­кул кол­лек­то­ра, при­ли­па­ют к пу­зырь­кам про­ду­вае­мо­го воз­ду­ха, под­ни­ма­ют­ся вме­сте с ни­ми квер­ху и ос­та­ют­ся в пе­не; час­ти­цы же пус­той по­ро­ды, сма­чи­ваю­щие­ся во­дой, осе­да­ют на дно. Пе­ну со­би­ра­ют и от­жи­ма­ют, по­лу­чая ру­ду со зна­чи­тель­но боль­шим со­дер­жа­ни­ем ме­тал­ла.

Для вос­ста­нов­ле­ния не­ко­то­рых ме­тал­лов из их ок­си­дов при­ме­ня­ют вме­сто уг­ля во­до­род, крем­ний, алю­ми­ний, маг­ний и дру­гие эле­мен­ты.

Про­цесс вос­ста­нов­ле­ния ме­тал­ла из его ок­си­да с по­мо­щью дру­го­го ме­тал­ла на­зы­ва­ет­ся ме­тал­ло­тер­ми­ей. Ес­ли, в ча­ст­но­сти, в ка­че­ст­ве вос­ста­но­ви­те­ля при­ме­ня­ет­ся алю­ми­ний, то про­цесс но­сит на­зва­ние алю­ми­но­тер­мии.

Очень важ­ным спо­со­бом по­лу­че­ния ме­тал­лов яв­ля­ет­ся так­же элек­тро­лиз. Не­ко­то­рые наи­бо­лее ак­тив­ные ме­тал­лы по­лу­ча­ют­ся ис­клю­чи­тель­но пу­тем элек­тро­ли­за, так как все дру­гие сред­ст­ва ока­зы­ва­ют­ся не­дос­та­точ­но энер­гич­ны­ми для вос­ста­нов­ле­ния их ио­нов.   

Рассмотрим электролиз раствора сульфата меди(II) на нерастворимом аноде:

CuSO₄ = Cu²⁺ + SO₄^2-

Катод (–): Cu²⁺ + 2e^- = Cu⁰            Анод (+): 2H₂O – 4e^- = O₂ + 4H⁺

Cu²⁺ + 2e^- = Cu⁰                   2

2H₂O – 4e^- = O₂ + 4H⁺        1

Суммарное ионное уравнение: 2Cu²⁺ + 2H₂O = 2Cu⁰ + O₂ + 4H⁺

Суммарное молекулярное уравнение с учетом присутствия анионов SO₄^2- в растворе: 2CuSO₄ + 2H₂O =(электролиз)= 2Cu⁰ + O₂ + 4H₂SO₄

VII. Применение металлов.

Сре­ди свойств спла­вов наи­бо­лее важ­ны­ми для прак­ти­че­ско­го при­ме­не­ния яв­ля­ют­ся жа­ро­проч­ность, кор­ро­зи­он­ная стой­кость, ме­ха­ни­че­ская проч­ность и др. Для авиа­ции боль­шое зна­че­ние име­ют лег­кие спла­вы на ос­но­ве маг­ния, ти­та­на или алю­ми­ния, для ме­тал­ло­об­ра­ба­ты­ваю­щей про­мыш­лен­но­сти - спе­ци­аль­ные спла­вы, со­дер­жа­щие вольф­рам, ко­бальт, ни­кель. В элек­трон­ной тех­ни­ке при­ме­ня­ют спла­вы, ос­нов­ным ком­по­нен­том ко­то­рых яв­ля­ет­ся медь. Сверх­мощ­ные маг­ни­ты уда­лось по­лу­чить, ис­поль­зуя про­дук­ты взаи­мо­дей­ст­вия ко­баль­та, са­ма­рия и дру­гих ред­ко­зе­мель­ных эле­мен­тов, а сверх­про­во­дя­щие при низ­ких тем­пе­ра­ту­рах спла­вы - на ос­но­ве ин­тер­ме­тал­ли­дов, об­ра­зуе­мых нио­би­ем с оло­вом и др.

Со­вре­мен­ная тех­ни­ка ис­поль­зу­ет ог­ром­ное чис­ло спла­вов, при­чем в по­дав­ляю­щем боль­шин­ст­ве слу­ча­ев они со­сто­ят не из двух, а из трех, че­ты­рех и боль­ше­го чис­ла ме­тал­лов. Ин­те­рес­но, что свой­ст­ва спла­вов час­то рез­ко от­ли­ча­ют­ся от свойств ин­ди­ви­ду­аль­ных ме­тал­лов, ко­то­ры­ми они об­ра­зо­ва­ны. Так, сплав, со­дер­жа­щий 50% вис­му­та, 25% свин­ца, 12,5% оло­ва и 12,5% кад­мия, пла­вит­ся все­го при 60,5 гра­ду­сах Цель­сия, в то вре­мя как ком­по­нен­ты спла­ва име­ют со­от­вет­ст­вен­но тем­пе­ра­ту­ры плав­ле­ния 271, 327, 232 и 321 гра­дус Цель­сия. Твер­дость оло­вян­ной брон­зы (90% ме­ди и 10% оло­ва) втрое боль­ше, чем у чис­той ме­ди, а ко­эф­фи­ци­ент ли­ней­но­го рас­ши­ре­ния спла­вов же­ле­за и ни­ке­ля в 10 раз мень­ше, чем у чис­тых ком­по­нен­тов.

Na₂CO₃ – карбонат натрия, образует кристаллогидрат  Na₂CO₃ * 10H₂O, известный под названием кристаллическая сода, которая применяется в производстве стекла, бумаги, мыла. Это средняя соль.

В быту более известна кислая соль – гидрокарбонат натрия NaHCO3, она применяется в пищевой промышленности (пищевая сода) и в медицине (питьевая сода).

K₂CO₃ – карбонат калия, техническое название – поташ, и используется в производстве жидкого мыла и для приготовления тугоплавкого стекла, а также в качестве удобрения.

Магний и кальций применяют для производства редких металлов и легких сплавов. Например, магний входит в состав дюралюминия, а кальций – одним из компонентов свинцовых сплавов, необходимых для изготовления подшипников и оболочек  кабелей.

В технике оксид кальция CaO называют негашеной известью, а MgO – жженой магнезией. Оба эти оксида используются в производстве строительных материалов.

Если порошок алюминия или тонкую алюминиевую фольгу сильно нагреть, то они воспламеняются и сгорают ослепительным пламенем:

4Al⁰ + 3O₂⁰ = 2Al₂⁺³O₃^-2

Это реакция используется для изготовления бенгальских огней и фейерверков.

Алюминий широко используется в металлургии для получения металлов – хрома, марганца, ванадия, титана, циркония из их оксидов. Этот способ носит название алюминотермии. На практике часто применяется термит – смесь Fe₃O₄ с порошком алюминия. Если эту смесь поджечь, например, с помощью магниевой ленты, то происходит энергичная реакция с выделением большого количества теплоты:

8Al + 3Fe₃O₄ = 4Al₂O₃ + 9Fe

Же­ле­зо – это ос­но­ва со­вре­мен­ной тех­ни­ки и сель­ско­хо­зяй­ст­вен­но­го ма­ши­но­строе­ния, транс­пор­та и средств свя­зи, кос­ми­че­ских ко­раб­лей и во­об­ще всей со­вре­мен­ной про­мыш­лен­но­сти и ци­ви­ли­за­ции. Боль­шин­ст­во из­де­лий, на­чи­ная от швей­ной иг­лы и кон­чая кос­ми­че­ски­ми ап­па­ра­та­ми, не мо­жет быть из­го­тов­ле­но без при­ме­не­ния же­ле­за.

Суль­фи­ды ще­лоч­но­зе­мель­ных ме­тал­лов, со­дер­жа­щие в ма­лых ко­ли­че­ст­вах при­ме­сей тя­же­лых ме­тал­лов, по­сле пред­ва­ри­тель­но­го ос­ве­ще­ния на­чи­на­ют све­тить­ся раз­лич­ным цве­том – крас­ным, оран­же­вым, го­лу­бым, зе­ле­ным. Они вхо­дят в со­став спе­ци­аль­ных све­тя­щих­ся кра­сок, ко­то­рые на­зы­ва­ют фос­фо­ра­ми. Их используют для изготовления светящихся дорожных знаков, циферблатов и т.п.

CaCO₃ – карбонат кальция – одно из самых распространенных на Земле соединений. Нам ши­ро­ко из­вест­ны та­кие со­дер­жа­щие его ми­не­ра­лы, как мел, мра­мор, из­вест­няк. Так­же  его при­ме­ня­ют для из­го­тов­ле­ния по­бел­ки.

Са­мый важ­ный из этих ми­не­ра­лов – из­вест­няк, без ко­то­ро­го не об­хо­дит­ся ни од­но строи­тель­ст­во. Во-пер­вых, он сам яв­ля­ет­ся пре­крас­ным строи­тель­ным кам­нем (вспом­ним зна­ме­ни­тые одес­ские ка­та­ком­бы – быв­шие ка­ме­но­лом­ни, в ко­то­рых  до­бы­ва­ли ка­мень для строи­тель­ст­ва го­ро­да), во-вто­рых, это сы­рье для по­лу­че­ния дру­гих ма­те­риа­лов: це­мен­та, га­ше­ной и не­га­ше­ной из­вес­ти, стек­ла и др.

Известняковой щебенкой укрепляют дороги, а порошком – уменьшают кислотность почв.

Природный мел представляет собой остатки раковин древних животных (рисунок на странице 15 (слева)[5]). Один из примеров использования мела мы хорошо знаем – это школьные мелки, зубные пасты. Мел используют в производстве бумаги, а также резины.

Мрамор – это минерал скульпторов, архитекторов и облицовщиков. Из мрамора создавал свои прекрасные творения Микеланджело (рисунок на странице 15(справа)[6]), стены всемирно- известного индийского мавзолея Тадж-Махал выложены из мрамора, мрамором облицованы многие станции московского метро.

MgCO₃ – карбонат магния, широко применяется в производстве стекла, цемента, кирпича, а также в металлургии для перевода пустой породы, т.е. не содержащей соединения металла, в шлак.

CaSO₄ – сульфат кальция, встречается в природе в виде минерала гипса CaSO₄ * 2H₂O, представляющего собой кристаллогидрат. Используется в строительстве, в медицине для наложения неподвижных  гипсовых повязок, для получения слепков. Для этого применяют полуводный гипс 2CaSO₄ * H₂O – алебастр, который при взаимодействии с водой образует двуводный гипс:

2CaSO₄ * H₂O + H₂O = 2CaSO₄ * H₂O

Эта реакция идет с выделением теплоты.

MgSO₄ – сульфат магния, известный под названием горькая  или английская соль, используемый в медицине в качестве слабительно средства. Содержится в морской воде и придает ей горький вкус.

BaSO₄ – сульфат бария благодаря нерастворимости и способности задерживать рентгеновские лучи применяется в рентгенодиагностике («баритовая каша») при заболеваниях желудочно-кишечного тракта.

Ca₃(PO₄)₂ – фосфат кальция, входит в состав фосфоритов (горная порода) и апатитов (минералов), а также в состав костей и зубов в организме взрослого человека содержится более 1 кг. кальция в виде соединения Ca₃(PO₄)₂.

Корунд – минерал состава Al₂O₃, обладает очень высокой твердостью, его мелкозернистая разновидность, содержащая примеси, - наждак, применяется как  абразивный (шлифовочный) материал.

Хо­ро­шо из­вест­ны про­зрач­ные ок­ра­шен­ные при­ме­ся­ми кри­стал­лы ко­рун­да: крас­ный – ру­би­ны и си­ние – сап­фи­ры, ко­то­рые ис­поль­зу­ют как дра­го­цен­ные кам­ни. В на­стоя­щее вре­мя их по­лу­ча­ют ис­кус­ст­вен­но и при­ме­ня­ют не толь­ко для ук­ра­ше­ний, но и для тех­ни­че­ских це­лей, на­при­мер, для из­го­тов­ле­ния де­та­лей ча­сов и дру­гих точ­ных при­бо­ров. Кри­стал­лы ру­би­нов при­ме­ня­ют в ла­зе­рах.

FeS₂ – не служит железной рудой для получения металлов, но применяется для производства серной кислоты.

Кристаллогидрат сульфата железа(II)  FeSO * 7H₂O, известны под названием железный купорос, применяют для борьбы с вредителями растений, для приготовления минеральных красок и в других целях.

Хлорид железа(III) FeCl₃ используют в качестве протравы при крашении тканей.

Сульфат железа(III)  Fe₂(SO₄)₃ * 9H₂O применяется для очистки воды и в других целях.

Нитрат серебра AgNO₃, называемый также ляписом. Образует бесцветные прозрачные кристаллы, хорошо растворимые в воде. Применяется в производстве фотоматериалов, при изготовлении зеркал, в гальванотехнике и в медицине.

VIII. Биологическая роль металлов.

Тяжелые металлы (свинец, медь, цинк, мышьяк, ртуть, кадмий, хром, алюминий и др.) в микроколичествах необходимы организму и в основном они находятся в активных центрах коферментов (Л.Р. Ноздрюхина,1977, J.R.Glaister,1986).

При превышении допустимых концентраций они нарушают многие процессы в организме, начиная с клеточных мембран, т.к. многовалентные ионы металлов могут связываться со специфическими участками фосфолипидных полярных частей (В.А.Тутельян и др.,1987, F.W.Oehme,1978, L.J.Casaret et al.,1975). В результате этого взаимодействия происходит расширение или сжатие поверхности мембраны и, следовательно, изменение её обычных свойств (В.Калоус, З.Павличек,1985). Особенно опасны металлорганические соединения, т.к. они гораздо лучше проходят барьеры внутри организма. Некоторые металлы, например- свинец, стронций, иттрий, кадмий замещают в организме кальций, а это приводит к хрупкости костей.

Количество биологически активных химических элементов в организмах животных и тканях в основном зависит от их места обитания и особенностей потребления кормов (С.Ф. Тютиков и др., 1997). В большинстве случаях сельскохозяйственные животные страдают от дефицита и несбалансированности микроэлементов (К.К.Заневский, 1992). При содержании тяжелых металлов в почве выше допустимых норм отмечают повышение поступления указанных металлов в рационы и соответственно в продукцию животноводства, ухудшение качества сельскохозяйственной продукции. Например, в пригородных хозяйствах при содержании в рационе тяжелых металлов- свинца, никеля, хрома и фтора в 2-7 раз выше ПДК содержание их в молоке оказалось в 1,25-2 раза выше допустимых (Н.И.Морозова, 1998). В Вологодской области из-за нехватки селена при избытке железа, марганца, кадмия отмечено поступление молока на молокозаводы с низкой титруемой кислотностью (В.И.Иванов,1995). Основной причиной являются выбросы предприятий Череповецкой промышленной зоны. Наличие тяжелых металлов влияет на качество сыра, при этом нарушается технология производства. В частности, ухудшается его вкус и запах становится нечистым, сыр легко крошится, творог становится мажущим (О.Ф.Сорокина и др., 1995). У овец, разводимых в промышленной зоне Ирака, отмечается депонирование в организме ртути, кадмия и свинца (Аббас,1991). У пятилетних овец содержание ртути и кадмия в мускулатуре выше МДУ (максимально допустимого уровня). На ингаляционное поступление этих тяжелых металлов указывали повышенные содержания кадмия и свинца в легких. Этот же автор указывает, что у овец, разводимых в сельскохозяйственных районах Ирака, содержание тяжелых металлов в тканях и органах оказались в 2-7 раз меньше, чем у животных, разводимых в промышленной зоне.

Авторы указывают, что поступление тяжелых металлов из почвы в растения возрастает параллельно с увлечением кислотности почвы. Это происходит потому, что их соединения лучше растворяются в кислой среде (Ge Y., Murray P., Hendershot W.H, 2000, Planquart P., Bonin G., Prone A., Massiani C., 1999). Доказано, что всасывание тяжелых металлов из тонкого отдела кишечника зависит от их растворимости в воде (C.A.Kan,1994). Известно, что длительное использование высоких доз азотных удобрений приводит к снижению микроэлементов в рационе (В.Т.Самохин и др., 1996). При техногенном загрязнении почвы тяжелыми металлами одновременно в ней возрастает доля их подвижных форм (В.А.Вострокнутов и др., 1998). Однако, с ростом доз азотных удобрений в почве отмечено небольшое увеличение концентрации Hg, Mn, Zn (А.А.Григорьев, В.В.Окороков, 1995). Почвенные микроорганизмы могут переводить нерастворимые формы солей в растворимые.

Таким образом, ещё многие и многие годы человечество будет использовать металлы, которые продолжают играть ведущую роль в развитии всех  областей его жизнедеятельности.

Начавшаяся примерно 100 лет назад научно-техническая революция, затронувшая и промышленность, и социальную сферу, также тесно связана с производством металлов. На основе вольфрама, молибдена, титана и других металлов начали создавать коррозионно-стойкие, сверхтвердые, тугоплавкие сплавы, применение которых сильно расширило возможности машиностроения. В ядерной и космической технике из сплавов вольфрама и рения делают детали, работающие при температурах до 3000°С, в медицине используют хирургические инструменты из сплавов тантала и платины, уникальной керамики на основе оксидов титана и циркония.

IX. Спи­сок ис­поль­зо­ван­ной ли­те­ра­ту­ры.

1.     «Общая химия»; Н.Л. Глинка; из­да­тель­ст­во «Интеграл-Пресс»; 2007 год.

2.     «Не­обыч­ные свой­ст­ва обыч­ных ме­тал­лов»; В.А. Зай­мов­ский, Т.Л. Ко­лу­пае­ва; биб­лио­те­ка «Квант»; 1997 год.

3.     «Маг­ни­ты из спла­вов ред­ко­зе­мель­ных ме­тал­лов с ко­баль­том»; перевод Р.С. Торчиновой, Э.М. Лазарева; из­да­тель­ст­во «Москва»;1995 год.