С середины XIX века сталь стала основным конструкционным материалом и остается таковым до сих пор, и это вопреки прогнозам, которые делались в середине прошлого века о том, что возможно снижение объемов мирового производства стали за счет замены ее другими материалами. Базой для таких прогнозов стало расширение технических и экономических возможностей по развитию производства цветных металлов, совершенствование технологий производства полимеров и интенсивное появление их новых видов, освоение производства таких принципиально новых материалов, как керамические, композитные и т.п.
Основными цветными металлами, которые могут конкурировать со сталью, являются алюминий, медь и цинк как основа конструкционных сплавов.
В 2007 г. их мировое производство составило соответственно 37, 16 и 11 млн.т, в то время как на начало 2000 года оно было (также соответственно) 20, 12 и 8 млн.т. Из этих цифр видно, что темпы роста их производства существенны. Ho надо иметь в виду, что медь, в основном, используют для изготовления проводников электрического тока, и в меньшей мере для производства конструкционных сплавов для изготовления отдельных деталей машин, механизмов, бытовых приборов и различной утвари, а цинк - преимущественно для получения антикоррозионных покрытий или для создания композитов с другими цветными металлами и сплавами на их основе.
Алюминий применяют достаточно широко в различных сферах промышленности и хозяйства, в том числе и в качестве конструкционного материала. Основное достоинство алюминия - снижение массы изделий. С учетом равной прочности и стойкости к ударным нагрузкам это снижение составляет примерно 50%.
Однако темпы замены стали алюминием невелики. Объясняется это рядом причин.
1. Энергоемкость производства первичного алюминия примерно в 10 раз выше, чем стали.
2. Несмотря на достаточно резкое падение цен на алюминий в последние 15-20 лет, он продолжает оставаться более дорогим материалом по сравнению со сталью.
3. При производстве первичного алюминия объемы вредных выделений значительно больше, а их опасность для человека и природы значительно выше, чем при производстве стали. Характерно то, что при увеличении объемов потребления в таких странах, как США, Япония, Франция, Германия, производство алюминия в этих странах сокращается. Точнее говоря, его переносят в другие страны.
Производство вторичного алюминия из лома и отходов производства требует затрат энергии в 10 раз меньше, чем первичного, но деформационные свойства вторичного алюминия значительно хуже, чем первичного.
4. He решена проблема полной утилизации лома и отходов алюминия, особенно при использовании его для изготовления тары и упаковки.
Еще одним материалом - конкурентом стали, в том числе и как конструкционного материала, являются пластмассы. Темпы роста производства пластмасс с 40-х по 80-е годы прошлого века опережали темпы роста производства стали, и к началу 90-х годов годовой объем мирового производства полимерных материалов достиг 90 млн.т. В последующие годы темпы роста объемов производства полимерных материалов снизились, но сам рост продолжался и продолжается.
При производстве и потреблении пластмасс также имеются негативные явления:
1. Производство пластмасс менее энергоемко, чем алюминия, но и оно требует затрат энергии в 2,5-3 раза больше, чем для производства стали,
2. В качестве исходного сырья при производстве пластмасс используют нефтепродукты и природный газ, дефицит которых ощущается все острее, а цена их растет очень быстро. Это обусловливает и повышение цен полимерных изделий.
3. Фактически отсутствуют промышленные технологии, позволяющие организовать не только рециркуляцию, но и экологически безопасную утилизацию изделий из пластмасс.
Темпы замены стали альтернативными материалами можно проследить на примере автомобильной промышленности (для заводов фирмы «Форд»).
B период с 1975 по 1985 г,г, доля рядовых, сталей, используемых, при изготовлении легковых автомобилей, снизилась с 60 до 50%, доля пластмасс повысилась с 4 до 9%, алюминия с 2 до 5%. Одновременно с этим повысилась доля высокопрочных сталей с 3 до 10%. Эти цифры подтверждаются и другими исследованиями. Однако основным является вывод, что главным конкурентом рядовых сталей являются высокопрочные стали,
На конференции по черной металлургии и рециркуляции, проходившей в 1995 г. в Дюссельдорфе (Германия), отмечены следующие причины широкого применения стали:
- имеет уникальное сочетание прочностных и вязкостных характеристик, устойчива к вибрации, воздействиям коррозии, тепла и холода (может быть применена при температурах от минус 200 до плюс 1000°С;
- свойства стали поддаются четкому контролю и управлению;
- отношение стоимости и эксплуатационных характеристик гораздо ниже, чем у ее заменителей;
- затраты энергии на производство из первичного сырья и готовой продукции (проката) гораздо ниже, чем у конкурентов;
- способность удовлетворять требованиям безопасности и окружающей среды;
- возможность подвергаться полной рециркуляции, а побочных продуктов плавки - рециркуляции на 80-100%.
Последний пункт начинает играть все более превалирующую роль, поскольку способствует сохранению ресурсов, сокращению отходов, улучшению экологии.
Роль стали в жизни человека эмоционально и очень точно сформулировал П. Марш; «Всё - от автомобиля до высотного здания - без стали просто не существовало бы. Даже изделия, которые содержат очень мало или не содержат вообще стали, например, мобильные телефоны, не могут быть произведены без инструмента, изготовленного из стали».
Из представленных материалов можно сделать вывод, что пока альтернативы стали в больших объемах нет и в ближайшее время не будет.
07.03.2019
Самая крупная перуанская металлургическая корпорация Aceros Arequipa оформила заказ у SMS group на оснащение из Германии для инновационной сталелитейной линии, её монтаж...
07.03.2019
На сегодняшний день обработка различных типов металлов под значительным давлением считается самым популярным и обоснованным в техническом плане способом создания...
07.03.2019
Создание и внедрение эффективной системы управления охраной труда осуществляется в соответствии со всеми стандартами СТБ 18001-2009 «Система управления охраной труда....
06.03.2019
Корпорация из Швейцарии Sider Alloys сделала заявление о том, что она собирается уже в следующем году восстановить деятельность единственного итальянского алюминиевого...
06.03.2019
Гофрированный картон, либо же сокращённо гофрокартон, используется с целью изготовления тары для упаковки, при этом многослойность такого материала гарантирует стойкость...
05.03.2019
Первого марта на территории сталепроволочной площадки номер два «БМЗ» управляющее предприятие «БМК» передало в использование инновационный агрегат, позволяющий...
05.03.2019
Важнейшим ультрасовременным способом изготовления продукции из железобетона считается использование виброформ. Виброформы являются одним из типов металлических форм, в...
05.03.2019
На сегодняшний день шнеками именуют рабочие элементы, которые применяются с целью комплектации разных машин и устройств. Главное предназначение подобных изделий –...
04.03.2019
На территории Мариупольского металлургического предприятия имени Ильича, принадлежащего Группе из Украины «Метинвест», передали в использование инновационный комплекс...
Untitled Document
ПЛОТНОСТЬ ВЕЩЕСТВА
Задание 228.
На рисунке 47 изображены два кубика одинаковой массы: один (1) из янтаря, другой (2) из меди. У какого из кубиков масса вещества в объеме 1 см 3 больше и во сколько раз?
Рис.47
Ответ
Задание 229.
Из двух медных заклепок первая имеет вдвое большую массу, чем вторая. Чему равно отношение объемов этих тел?
Решение и ответ
Задание 230.
Диаметры алюминиевого и парафинового шаров одинаковы. Какой из них имеет меньшую массу и во сколько раз?
Ответ
Задание 231.
С помощью весов мальчик определил, что стакан, заполненный водой, имеет большую массу, чем тот же стакан, заполненный подсолнечным маслом, но меньшую, чем молоком. Какая из этих жидкостей имеет наибольшую плотность, а какая - наименьшую?
Ответ
Задание 232.
На чашках уравновешенных весов лежат кубики (рис. 48). Одинаковы ли плотности веществ, из которых сделаны кубики?
Рис.48
Ответ
Задание 233.
В один из двух одинаковых сосудов налили воду (левый сосуд), в другой - раствор серной кислоты (рис. 49) равной массы. Какая жидкость имеет большую плотность? На основании чего вы делаете вывод?
Рис.49
Ответ
Задание 234.
На одной чашке весов (рис. 50) стоит брусок из свинца, на другой - из олова. На какой чашке находится свинцовый брусок?
Рис.50
Ответ
Задание 235.
На чашках весов (рис. 51) находятся одинаковые по объему бруски из железа и чугуна. На какой чашке находится железо?
Рис.51
Ответ
Задание 236.
Приведите пример двух металлов, которые, имея одинаковые массы, значительно отличались бы объемами.
Ответ
Задание 237.
Какова масса соснового бруска, имеющего такие же размеры, как и дубовый массой 40кг?
Решение и ответ
Задание 238.
В бутылку вмещается 500 мл воды. Вместится ли в эту бутылку 720 г серной кислоты?
Решение и ответ
Задание 239.
Сосуд наполнен водой. В каком случае из сосуда больше выльется воды: при погружении бруска свинца или бруска олова? Масса каждого бруска равна 1 кг.
Ответ
Задание 240.
Для промывки деталей их опускают в сосуд с керосином. В каком случае уровень керосина в сосуде станет выше: при погружении в него детали из алюминия или детали из меди такой же массы? (Детали сплошные.)
Ответ
Задание 241.
Железный и алюминиевый стержни имеют одинаковые площади поперечного сечения и массы. Какой из стержней длиннее?
Решение и ответ
Задание 242.
Известно, что при одинаковых условиях разные газы в объеме 1 м 3 содержат одно и то же число молекул, а плотности газов разные. Чем объясняется различие в плотности газов?
Ответ
Задание 243.
Чем объяснить отличие плотности водяного пара от плотности воды?
Ответ
Задание 244.
Кислород (как и любой из газов) в зависимости от условий может находиться в газообразном, жидком или твердом состоянии. В каком из состояний плотность кислорода наибольшая; наименьшая? Почему?
Ответ
Задание 245.
Плотность алюминия в твердом состоянии 2700 кг/м 3 , в жидком - 2380 кг/м 3 . В чем причина такого изменения плотности алюминия?
Ответ
Задание 246.
Как, используя стакан, весы и гири, определить, что имеет большую плотность: вода или молоко?
Ответ
Задание 247.
Медную деталь нагрели. Изменились ли при этом масса детали, ее объем и плотность? Ответ обоснуйте.
Ответ
Задание 248.
Наибольшую плотность вода имеет при 4 °С. Как изменяются масса, объем и плотность воды при охлаждении ее от 4 до О °С?
Ответ
Задание 249.
Как изменится масса, объем и плотность воды при нагревании от 0 до 4 °С? (См. задачу 248.)
Ответ
Задание 250.
Газ в закрытом цилиндре сжимают (рис. 52). Изменяется ли при этом масса молекул газа? Масса газа в цилиндре? Изменяется ли плотность газа в цилиндре?
Рис.52
Ответ
Задание 251.
В результате перемещения поршня вправо объем воздуха в закрытом цилиндре увеличился (см. рис. 52). Как при этом изменилась плотность воздуха в цилиндре?
Ответ
Задание 252.
Плотность жидкого кислорода 1140 кг/м 3 . Что означает это число?
Ответ
Задание 253.
Во сколько раз масса гелия объемом 1 м 3 больше массы водорода того же объема? (Устно.)
Решение и ответ
Задание 254.
На сколько масса алюминия объемом 1 дм 3 меньше массы свинца того же объема?
Ответ
Задание 255.
Во сколько раз масса куска мрамора объемом 1 м 3 больше массы куска парафина того же самого объема?
Ответ
Задание 256.
Картофелина массой 59 г имеет объем 50 см 3 . Определите плотность картофеля и выразите ее в килограммах на кубический метр (кг/м 3).
Решение и ответ
Задание 257.
Чугунный шар при объеме 125 см 3 имеет массу 800 г. Сплошной или полый этот шар?
Решение и ответ
Задание 258.
Кусок металла массой 461,5 г имеет объем 65 см3. Что это за металл?
Ответ
Задание 259.
Подсолнечное масло объемом 1 л имеет массу 920 г. Найдите плотность масла. Выразите ее в килограммах на кубический метр (кг/м 3).
Ответ
Задание 260.
В пустую мензурку массой 240 г налили кислоту объемом 75 см 3 . Масса мензурки с кислотой 375 г. Определите, какую кислоту налили в мензурку.
Ответ
Задание 261.
Из какого металла изготовлена втулка подшипника, если ее масса 3,9 кг, а объем 500 см 3 ?
Ответ
Задание 262.
Точильный брусок, масса которого 300 г, имеет размер 15 X 5 X 2 см. Определите плотность вещества, из которого он сделан.
Ответ
Задание 263.
а) Когда бак целиком наполнили керосином, то ока-»алось, что масса его увеличилась на 32 кг. Какова вместимость бака?
Б) В средней мензурке налита вода (см. рис. 9). Поместится ли в этой мензурке такая же масса керосина, если воду вылить?
Решение и ответ
Задание 264.
На сколько увеличилась общая масса автомашины после погрузки на нее 50 сухих сосновых брусков объемом 20 дм 3 каждый?
Решение и ответ
Задание 265.
А) На железнодорожную четырехосную платформу массой 21 т погрузили гранит объемом 19 м 3 . Какой стала общая масса платформы с грузом?
Б) Сколько штук кирпичей размером 250 X 120 X 60 мм погрузили на автоприцеп, если масса его увеличилась на 3 т?
Решение и ответ
Задание 266.
Пользуясь таблицей плотностей, определите массы следующих физических тел:
а) чугунной детали объемом
20 см 3 ;
б) оловянного бруска объемом 10 см 3 ;
в) медного бруска объемом 500 см 3 ;
г) гранита объемом 2 м 3 ;
д) парафина объемом 0,5 м 3 ;
е) бетона объемом 10 м 3 ;
ж) янтаря объемом 15 см 3 .
Ответ
Задание 267.
На сколько изменилась общая масса автомобиля, когда в бак его долили 200 л бензина?
Ответ
Задание 268.
Определите массу мраморной плиты, размер которой 1,0 X 0,8 X 0,1 м.
Ответ
Задание 269.
Чтобы получить латунь, сплавили куски меди массой 178 кг и цинка массой 355 кг. Какой плотности была получена латунь? (Объем сплава равен сумме объемов его составных частей.)
Решение и ответ
Задание 270.
За каждые 15 вдохов, которые делает человек в 1 мин, в его легкие поступает воздух объемом 600 см 3 . Вычислите объем и массу воздуха, проходящего через легкие человека за 1 ч.
Рис.53
Решение и ответ
Задание 271.
В аквариум длиной 30 см и шириной 20 см налита вода до высоты 25 см. Определите массу воды з аквариуме.
Решение и ответ
Задание 272.
Определите массу оконного стекла длиной 3 м, высотой 2,5 м и толщиной 0,6 см.
Ответ
Задание 273.
В карьере за сутки добыто 5000 м 3 песка. Сколько железнодорожных платформ грузоподъемностью 65 т потребуется, чтобы перевезти этот песок? (Песок принять сухим.)
Решение и ответ
Задание 274.
Сейчас, где возможно, железные инструменты заменяют алюминиевыми.. На сколько при этом уменьшается масса угольника толщиной 5 мм? Остальные размеры угольника указаны на рисунке 53.
Решение и ответ
Задание 275.
Стальная деталь машины имеет массу 780 г. Определите ее объем.
Решение и ответ
Задание 276.
Какой вместимости надо взять сосуд, чтобы в него можно было налить бензин, масса которого 35 кг?
Ответ
Задание 277.
А) В вашем распоряжении находятся только кувшин, весы с гирьками и сосуд с водой. Объясните, как бы вы поступили, используя лишь эти тела, чтобы определить вместимость кувшина.
Б) Когда сосуд целиком наполнили бензином, его масса стала равна 2 кг. Масса этого же сосуда без бензина равна 600 г. Какова вместимость сосуда?
Решение и ответ
Задание 278.
Какой путь может проехать автомобиль после заправки горючим, если на 100 км пути его двигатель расходует 10 кг бензина, а вместимость топливного бака равна 60 л?
Решение и ответ
Задание 279.
Чтобы жесть, используемая для изготовления консервных банок, не ржавела, ее покрывают тонким слоем олова (лудят) из расчета 0,45 г олова на 200 см 2 площади жести. Какова толщина слоя олова на жести?
Решение и ответ
Задание 280.
Как можно, не разматывая, определить длину медного провода, свернутого в моток? Задание 284.
Между алюминиевым и такого же объема парафиновым шарами находится сжатая, связанная нитью пружина. Нить пережигают, и пружина, распрямляясь, приводит шары в движение. Какую скорость приобретает при этом алюминиевый шар, если парафиновый шар приобрел скорость, равную 0,6 м/с?
Решение и ответ
ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ТИПОВЫХ ЗАДАЧ
Задача 1. Склепаны два металла а) Mn – Al и б) Sn – Bi . Укажите, какой из металлов подвергается коррозии в атмосферных условиях:
Решение. а) Al имеет более отрицательное значение стандартного электродного потенциала (Е° (Al 3+ / Al) = -1,663 В), чем марганец.
(-) Al | O 2 , H 2 O | Mn (+)
Cхема коррозионного процесса: Al – 3 e = Al 3+
О 2 + 2Н 2 О + 4ē = 4ОН -
4Al + 3О 2 + 6Н 2 О = 4Al(ОН) 3
б) В этом случае растворяться будет олово (Е° (Sn 2+ / Sn) = -0,136 В), так как имеет более отрицательный стандартный электродный потенциал, чем Bi (Е° (Bi 3+ / Bi) =0,215 В) и, следовательно, является электрохимически более активным.
(-) Sn | O 2 , H 2 O | Bi (+)
Cхема коррозионного процесса: Sn – 2e = Sn 2+
О 2 + 2Н 2 О + 4ē = 4ОН -
2Sn + О 2 + 2Н 2 О = 2Sn(ОН) 2
Задача 2. Какие из нижеперечисленных металлов выполняют для свинца роль анодного покрытия: Pt, Al, Cu, Hg ?
Решение. Анодное покрытие – это нанесение на защищаемое изделие электрохимически более активного металла. Из перечисленных
металлов электрохимически более активным (по сравнению со свинцом) является алюминий (см. ряд напряжений металлов).
Задача 3. Какие из нижеперечисленных металлов выполняют для свинца роль катодного покрытия: Ti, Mn, Ag, Cr ?
Решение. Катодное покрытие – это нанесение на защищаемое изделие электрохимически менее активного металла. Из перечисленных металлов электрохимически менее активным (по сравнению со свинцом) является серебро (см. ряд напряжений металлов). Ответ: Ag.
Задача 4. Как происходит коррозия цинка, находящегося в контакте с кадмием в кислой среде (HCl). Составьте схему коррозионного гальванического элемента и запишите реакции, протекающие при его работе. Какой металл будет подвергаться коррозии?
Решение.
Цинк имеет более отрицательный электродный потенциал (Е° (Zn 2+ / zn) = -0,763 В), чем кадмий (Е° (Cd 2+ / Cd) = - 0,403 В), поэтому он является анодом, а кадмий – катодом.
25
Схема коррозионного гальванического элемента будет выглядеть следующим образом
(-) Zn | H + | Cd (+)
Cхема коррозионного процесса: Zn - 2ē → Zn 2+
2Н + + 2ē → Н 2
Zn + 2Н + = Zn 2+ + Н 2
В молекулярном виде токообразующая реакция имеет следующий вид: Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2
Задача 5. Как влияет амальгамирование алюминия на скорость его коррозии в атмосферных условиях?
Решение. В обычных условиях алюминий покрыт пленкой гидроксида (или оксида), предохраняющей его от дальнейшего окисления. Если алюминий опустить в раствор соли ртути, то он как более активный металл, будет вытеснять Hg из раствора:
2Al + 3Hg(NO 3) 2 = 2Al(NO 3) 3 + 3Hg
В результате реакции на поверхности алюминия образуется пленка металлической ртути, или, точнее, сплав ртути и алюминия - амальгама. При атмосферных условиях (влажный воздух) на поверхности амальгамы имеется тонкая пленка влаги, в которой растворен кислород. В образовавшейся коррозионной гальванопаре алюминий, как более активный металл, будет заряжаться отрицательно и подвергаться окислению, а ртуть - положительно, и на ней будет идти процесс восстановления кислорода:
(-) Al | H 2 O, O 2 | Hg (+)
Схема коррозионного процесса: Al - 3e = Al 3+ 4
O 2 + 2H 2 O +4e = 4OH - 3
4Al + 3O 2 + 6H 2 O = 4Al 3+ + 12OH -
Так как скорость восстановления кислорода (не выделение кислорода!) на ртути значительно больше, чем на алюминии, то восстановление О 2 идет преимущественно на ртути.
Образующаяся в этом сопряженном процессе рыхлая пленка гидроксида алюминия (4Al 3+ + 12OH - = 4Al(OH) 3) не предохраняет его от дальнейшего окисления. Поэтому скорость коррозии амальгамированного алюминия значительно больше, чем чистого.
Задача 6. Цинковая и железная пластины помещены в водный
раствор NaCl (аналог морской воды) и подсоединены к внешнему источнику постоянного тока: цинковая - к (-), а железная к (+) полюсу. Какая из пластин защищена от коррозии? Запишите уравнения коррозионного процесса.
Решение. Так как цинковая пластина подсоединена к отрицательному полюсу источника тока, она будет являться катодом и не будет корродировать, а железная пластина, присоединенная к (+) - анодом. Под действием электрического тока в образованной системе будет протекать электролиз.
Aнод (+): Fe - 2e = Fe 2+
Катод (-): 2H 2 O + 2e = H 2 + 2OH -
Fe + 2H 2 O = Fe 2+ + 2OH - + H 2
Fe 2+ + 2OH - = Fe(OH) 2
Задача 7. Запишите процессы, протекающие при коррозии трубопроводов при использовании цинковых протекторов.
Решение. Цинковые пластины, подсоединенные к стальному трубопроводу, образуют гальванопару, в которой Zn, как более активный металл, является анодом и окисляется, тогда как на стали идет реакция восстановления кислорода.
(-) Zn / H 2 O, O 2 / Fe(+)
Схема коррозионного процесса:Zn - 2e = Zn 2+ 2
O 2 + 2H 2 O +4e = 4OH - 1
2Zn + O 2 + 2H 2 O = 2Zn 2+ + 4OH - → 2Zn(OH) 2
Задача 8. Скорость коррозии стали в кислой среде 0,2 г/м 2 ·ч. Общая площадь поверхности стальной конструкции 100 м 2 . Какой силы ток нужно пропустить через стальную конструкцию, чтобы полностью подавить коррозию?
Решение. Общее уменьшение массы стали за 1 час составляет:
m = n · S = 0,2 · 100 = 20 г/ч
По закону Фарадея сила тока, необходимая для подавления коррозии равна I = m · F/t · Э или I = 20 · 96500/3600 ·28 = 19 А.
Задача 9. В каких из перечисленных ниже водных растворах: а) NaCl; б) NH 4 OH; в) NaOH; г) HCl и H 2 SO 4 никель будет коррозионно устойчив? Ответы обосновать.
Решение: а) В водном растворе NaCl оксидная пленка на поверхности
никеля будет растворятся. Это связано с тем, что ионы Cl - (также как и ионы Br - и I -), адсорбируясь на поверхности оксидной пленки, вытесняют и замещают кислород, делая ее растворимой и пористой. Это увеличивает скорость анодного процесса и коррозия никеля будет протекать по схеме:
Ni – 2e = Ni 2+
O 2 + 2H 2 O +4e = 4OH -
2 Ni + O 2 + 2H 2 O = 2 Ni(OH) 2
б) Никель в водном растворе NH 4 OH будет корродировать, так как молекулы NH 3 , связывая ионы Ni 2+ в слабодиссоциированные комплексные ионы, смещают потенциал никеля (-0,25 В) в более отрицательную сторону до значений -0,49 В, т.е. металл становится активнее:
Ni + 6NH 4 OH – 2e = 2+ + 6H 2 O 2
O 2 + 2H 2 O +4e = 4OH - 1
2 Ni + O 2 + 12 NH 4 OH = 2(OH) 2 + 10 H 2 O
Для расчета потенциала никеля, связанного в комплексный ион, необходимо воспользоваться уравнением Нернста (1) и значениями константы нестойкости комплекса (2):
E = E o + 2,3 RT/F · ln (1)
K H = · 6 / 2+ (2)
Отсюда = K H · 2+ / 6 (3)
в) В растворе NaOH Ni не корродирует, так как оксидная пленка никеля, покрывающая металл трудно растворима и обладает основными свойствами.
г) Разбавленные растворы HCl и H 2 SO 4 растворяют оксидную пленку, и никель, как имеющий более отрицательный потенциал, чем потенциал выделения водорода, растворяется с водородной деполяризацией по схеме:
Ni – 2e = Ni 2+
2H + + 2e = H 2
Ni + 2H + = Ni 2+ + H 2
Задача 10. Какие коррозионные процессы протекают, если стальная конструкция, находящаяся в морской воде (раствор NaCl), подсоединена к отрицательному источнику тока, а к
положительному подсоединен жертвенный кусок железа.
Решение. Этот способ защиты основан на процессе электролиза. В воде всегда есть растворенный кислород, поэтому на стальной конструкции идет процесс восстановления растворенного в воде кислорода, а не воды, так как потенциал восстановления кислорода больше потенциала восстановления воды:
О 2 + Н 2 О + 4ē → 4ОН - Е о = 0,815 В
2Н 2 О + 2е = Н 2 + 2ОН - Е о = - 0,41 В
Жертвенный кусок железа, являясь анодом, окисляется Fe – 2e = Fe 2+ и стальная конструкция становится защищенной.
Задача 11. Для контактной пары металлов Sn-Cd определите, с какой деполяризацией протекает коррозия металла из данной пары а) в среде с рН = 4; б) При каких значениях рН прекратится процесс выделения водорода, если раствор будет деаэрирован?
Предложите для данного сплава анодное и катодное покрытие. Изменятся или не изменятся коррозионные процессы при нарушении сплошности покрытий?
Решение. а) Потенциалы водородного и кислородного электродов зависят от рН по уравнениям Ен + ∕ н 2 = - 0,059 · рН, В и Ео 2∕ н 2 о = 1,23-0,059·рН, В. Следовательно при рН = 4 потенциал водородного электрода равен -0,236 В, а кислородного +0,994 В.
Следовательно, в присутствии кислорода процесс коррозии будет протекать с кислородной деполяризацией, так как в этом случае создается большая ЭДС и, следовательно, большая движущая сила процесса. Кадмий (Е° (Cd 2+ / Cd) = - 0,403 В) как имеющий более отрицательный потенциал будет служить анодом, т.е растворяться (Cd – 2е = Cd 2+), а на олове (Е° (Sn 2+ / Sn) = -0,136 В), будет восстанавливаться кислород: O 2 + 2H 2 O +4e = 4OH - .
б) Если из раствора будет удален кислород, то процесс коррозии будет протекать с водородной деполяризацией:
Анод: Cd – 2е = Cd 2+ ; Катод: 2Н + + 2е = Н 2
Чтобы определить, при каком значении рН прекратится выделение водорода, необходимо приравнять потенциалы кадмиевого и водородного электродов: -0,403 = - 0,059 · рН; рН = 6,83
Отсюда при рН = 6,83 коррозия кадмия прекращается.
в) Так как анодом является кадмий, то протектором для него будет являться металл, имеющий потенциал отрицательнее кадмиевого электрода. К числу таких металлов следует отнести Zn (Е° (Zn 2+ / zn) = -0,763 В), Cr (-0,903 B), Al (-1,663 B).
г) В качестве катодных покрытий можно использовать металлы, имеющие более положительный потенциал, чем у кадмия: Ni
(Е° (Ni 2+ / Ni) = -0,25 B), Sn (Е° (Sn 2+ / Sn) = -0,136 В), Pb (Е° (Pb 2+ / Pd) = -0,126В). При нарушении сплошности такого покрытия в зависимости от того аэрирован раствор или нет, будет наблюдаться растворение кадмия, как в случаях а) и б).
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Как происходит атмосферная коррозия луженого и оцинкованного железа при нарушении покрытия? Составьте уравнения анодного и катодного процессов.
2. Медь не вытесняет водород из разбавленных кислот. Почему? Однако если к медной пластинке, опущенной в кислоту, прикоснуться цинковой, то на меди начинается бурное выделение водорода. Дайте этому объяснение и составьте уравнения анодного и катодного процессов. Напишите уравнение протекающей химической реакции.
3. Как происходит атмосферная коррозия луженого железа и луженой меди при нарушении покрытия? Составьте уравнения анодного и катодного процессов.
4. Если пластинку из чистого цинка опустить в разбавленную кислоту, то начинающееся выделение водорода вскоре почти прекращается. Однако при прикосновении к цинку медной палочкой
на последней начинается бурное выделение водорода. Дайте этому объяснение, составив уравнения анодного и катодного процессов. Напишите уравнение протекающей химической реакции.
5. В чем сущность протекторной защиты металлов от коррозии? Приведите пример протекторной защиты железа в электролите, содержащем растворенный кислород. Составьте уравнения анодного и катодного процессов.
6. Железное изделие покрыли никелем. Какое это покрытие – анодное или катодное? Почему? Составьте уравнения анодного и катодного процессов коррозии этого изделия при нарушении покрытия во влажном воздухе и в соляной кислоте. Какие продукты коррозии образуются в первом и во втором случаях?
7. Составьте уравнения анодного и катодного процессов с кислородной и водородной деполяризацией при коррозии пары магний – никель. Какие продукты коррозии образуются в первом и во втором случаях?
8. В раствор НС1 поместили цинковую пластину и цинковую пластину, частично покрытую медью. В каком случае процесс коррозии цинка происходит интенсивнее? Ответ мотивируйте, составив уравнения соответствующих процессов.
9. Почему химически чистое железо более стойко против коррозии, чем техническое железо? Составьте уравнения анодного и катодного процессов, происходящих при коррозии технического железа во влажном воздухе и в кислой среде.
10. Какое покрытие металла называется анодным, а какое – катодным? Назовите несколько металлов, которые могут служить анодными и катодными покрытиями для железа. Составьте уравнения анодного и катодного процессов, происходящих при коррозии железа, покрытого медью, во влажном воздухе и в кислой среде.
11. Железное изделие покрыли кадмием. Какое это покрытие – анодное или катодное? Почему? Составьте уравнения анодного и катодного процессов коррозии этого изделия при нарушении покрытия во влажном воздухе и в соляной кислоте. Какие продукты коррозии образуются в первом и во втором случаях?
12. Железное изделие покрыли свинцом. Какое это покрытие –
анодное или катодное? Почему? Составьте уравнения анодного и катодного процессов коррозии этого изделия при нарушении покрытия во влажном воздухе и в соляной кислоте. Какие продукты коррозии образуются в первом и во втором случаях?
13. Две железные пластины, частично покрытые оловом и медью, находятся во влажном воздухе. На какой из этих пластин быстрее
образуется ржавчина? Почему? Составьте уравнения анодного и катодного процессов коррозии этих пластин. Каков состав продуктов коррозии железа?
14. Какой металл целесообразней выбрать для протекторной защиты от коррозии свинцовой оболочки кабеля: цинк, магний или хром?
Составьте уравнения анодного и катодного процессов атмосферной коррозии. Какой состав продуктов коррозии?
15. Если опустить в разбавленную серную кислоту пластину из чистого железа, то выделение на ней водорода идет медленно и со временем почти прекращается. Однако если цинковой палочкой прикоснуться к железной пластине, то на последней начинается бурное выделение водорода. Почему? Какой металл при этом растворяется? Составьте уравнения анодного и катодного процессов.
16. Цинковую и железную пластины опустили в раствор сульфата меди. Составьте уравнения реакций, происходящих на каждой из этих пластинок. Какие процессы будут проходить на пластинах, если наружные концы их соединить проводником?
17. Как влияет рН среды на скорость коррозии железа и цинка? Почему? Составьте уравнения анодного и катодного процессов атмосферной коррозии этих металлов.
18. В раствор электролита, содержащего растворенный кислород, опустили цинковую пластину и цинковую пластину, частично покрытую медью. В каком случае процесс коррозии цинка проходит интенсивнее? Составьте уравнения анодного и катодного процессов.
19. Составьте уравнения анодного и катодного процессов с кислородной и водородной деполяризацией при
коррозии пары алюминий – железо. Какие продукты коррозии образуются в первом и во втором случаях?
20. Как протекает атмосферная коррозия железа, покрытого слоем никеля, если покрытие нарушено? Составьте уравнения анодного и катодного процессов. Каков состав продуктов коррозии? Что изменится если эту систему поместить в соляную кислоту.
21. Серебряную и цинковую пластины опустили в раствор сульфата меди. Составьте уравнения реакций, происходящих на этих пластинах. Какие процессы будут проходить на пластинах, если
наружные концы их соединить проводником?
22. Одно железное изделие покрыли никелем, другое – оловом. Какие это покрытия? Почему? Составьте уравнения анодного и катодного процессов коррозии этого изделия при нарушении покрытия в кислой среде. В каком случае коррозия будет происходить активнее?
23. Составьте уравнения анодного и катодного процессов с кислородной и водородной деполяризацией при коррозии пары олово-медь. Какие продукты коррозии образуются в первом и во втором случаях?
24. Свинцовую и цинковую пластины опустили в раствор нитрата серебра. Составьте уравнения реакций, происходящих на этих пластинах. Какие процессы будут проходить на пластинах, если наружные концы их соединить проводником?
25. Почему в конструкциях, омываемых водой, не следует одновременно применять детали из железа и алюминиевых сплавов? Приведите схему коррозии в случае небрежной эксплуатации таких деталей. Составьте уравнения анодного и катодного процессов.
26. В каком случае будет быстрее разрушаться цинковое покрытие: а) железного изделия; б) кобальтового изделия? Почему? Напишите уравнения анодного и катодного процессов, происходящих при коррозии в кислой среде.
27. Трущиеся поверхности гребных валов защищают от коррозии, применяя облицовки из бронзы (сплава меди с оловом). Составьте схему коррозии стального вала в морской воде при появлении в облицовке трещин.
28. Приведите примеры катодного и анодного покрытия для кобальта. Составьте уравнения анодных и катодных процессов во влажном воздухе и в растворе соляной кислоты при нарушении целостности покрытия.
29. Медь не вытесняет водород из растворов кислот. Однако если к медной пластине, опущенной в кислоту, прикоснуться цинковой палочкой, то на меди начинается бурное выделение водорода.
Почему? Написать уравнения реакций.
30. Выделение водорода на пластие из чистого железа, опущенной в раствор соляной кислоты, протекает достаточно медленно. Скорость
выделения водорода значительно возрастает, если железо будет находиться в контакте с цинком. Что изменилось? Какой из металлов будет корродировать?
31. Учитывая величину перенапряжения реакции восстановления водорода, объясните, почему амальгамирование цинка резко снижает его коррозию, а контакт с медью - увеличивает? Запишите коррозионные процессы.
32. Почему контакт с никелем усиливает коррозию цинка в кислой среде? На каком металле идет выделение водорода? В контакте с каким металлом, никелем или платиной, цинк корродирует быстрее?
33. Как влияет контакт с никелем, свинцом и медью (раздельно) на скорость коррозии олова в кислых средах? Запишите схемы коррозионных процессов.
34. Никель очень медленно выделяет водород из кислот. Почему скорость выделения водорода на никеле резко возрастает, если он находится в контакте с цинком? Какой металл при этом окисляется? Почему выделение водорода идет преимущественно на никеле?
35. Корродирует ли медь в водных растворах HCl, NH 4 OH в присутствии кислорода? Запишите реакции. С какой деполяризацией
возможна коррозия меди?
36. Как протекает коррозия меди в атмосферных условиях? Чем вызвано образование зеленого налета на медных изделиях после длительного пребывания на воздухе? Чем можно объяснить образование черного налета на меди после ее нагревания?
37. Почему в обескислороженной воде железо практически не корродирует, а в атмосферных условиях скорость коррозии железа значительна? Запишите возможные схемы коррозионных процессов.
38. Как и почему влияют на скорость коррозии цинка примеси Cu, Pb, Fe? Объяснить и написать соответствующие реакции.
39. Какие процессы протекают при коррозии оцинкованного железа с нарушенным покрытием в водном растворе NaCl и в атмосферных
условиях? Составьте схемы коррозионных гальванических элементов. Какую роль играет присутствие в воде хлорида натрия?
40. Как протекает коррозия луженой меди с нарушенным покрытием в кислой среде и в атмосферных условиях? Какой металл
подвергается коррозии? Составьте схемы коррозионных гальванических элементов и запишите реакции. Что изменится, если олово заменить на серебро?
41. Вода не действует на алюминий даже при повышенной температуре. Почему при попадании в воду NaCl алюминий начинает корродировать? В растворе каких солей NaCl или NH 4 Cl скорость
коррозии Al выше? Напишите схемы коррозионных процессов.
42. Почему железо, менее активный металл, корродирует в атмосферных условиях быстрее алюминия? Сравните коррозионную устойчивость этих металлов в чистой воде и в водном растворе NaCl.
43. Какие из приведенных сплавов меди являются наиболее коррозионно устойчивыми? латунь: (20% - 80% Cu, остальное Zn); бронза: (90%Cu + 10%Sn); мельхиор: (80% Cu + 20% Ni).
44. В каких средах (рН=0, рН=7, рН=14) цинк более коррозионно устойчив? Запишите уравнения коррозионных процессов. Постройте графическую зависимость скорости коррозии цинка от рН среды?
45. Будет ли железо коррозионно устойчиво в водных растворах NaCl, Cu(NO 3) 2 , NiCl 2 ? Запишите схемы коррозионных процессов.
46. Какой из металлов, Be или Mg, будет более коррозионно стоек при рН>7? Напишите схему коррозионного процесса.
47. Как влияют на скорость коррозии алюминия примеси Cu, Pb, Fe?
48. Какие процессы протекают при коррозии оцинкованного и луженого железа с нарушенным покрытием в водном растворе СаCl 2 и в атмосферных условиях? Составьте схемы коррозионных гальванических элементов. Какую роль играет присутствие в воде хлорида кальция?
49. Покрытые алюминием и медью железные пластины с нарушенными покрытиями находятся во влажном воздухе. На какой из пластин появится ржавчина? Составьте схемы коррозионных гальванических элементов и запишите уравнения протекающих реакций.
50. Магнивая пластина в контакте с железной находятся в морской воде. С какой деполяризацией протекает коррозия? Запишите уравнения реакций.
51. Как протекает коррозия освинцованной меди с нарушенным
покрытием и меди в контакте с марганцем в кислой среде и в атмосферных условиях? Какой из металлов подвергается коррозии? Составьте схемы коррозионных гальванических элементов и запишите реакции.
52. Объясните, почему хромовое защитное покрытие на стали может быть пористым, а оловянное должно быть сплошным? Составьте схемы коррозионных процессов для атмосферных условий.
53. Как протекает коррозия покрытого титаном стального изделия с нарушенным покрытием в кислой и в нейтральной средах? Запишите
коррозионные процессы.
54. Какой из металлов подвергается коррозии, если оцинкованная и никелированная стальные детали с нарушенным покрытием находится в кислой среде? Составьте схему коррозионного гальванического элемента и запишите реакции.
55. Алюминий и никель в контакте с медью находится в кислой среде. Какой из металлов подвергается коррозии? Какая реакция протекает на защищенном металле?
56. В каком из растворов: сульфата или хлорида меди, кадмий более энергично вытесняет медь? Учитывая, что в результате гидролиза солей среда является слабокислой, составьте схемы коррозионных процессов.
57. Объясните, почему в местах контакта стали с магнием возникает язвенная коррозия алюминия. Запишите коррозионные процессы для атмосферных условий.
58. Железо, покрытое свинцом и кадмием находится во влажном грунте. Как будет протекать коррозия при нарушении целостности покрытий? Катодом или анодом будет железо в образовавшейся гальванопаре?
59. В контакте с каким из металлов, Pb или Fe, цинк более коррозионно нестоек в морской воде? Ответ дайте на основании данных: h О2 Zn >h O 2 Pb >h O 2 Fe .
60. Алюминивая и железная пластины, находящиеся в водном растворе NaCl, подсоединены к источнику постоянного тока: А1 к (-), а Fe к (+). Какая из пластин защищена от коррозии? Составьте схему коррозионных процессов.
61. Катодный метод защиты паровых котлов от коррозии заключается в том, что одним из электродов является сам котел, а другой электрод помещается внутри котла. Подаваемый через такую систему слабый ток подавляет коррозию. Какой из электродов и почему является катодом? Напишите уравнения протекающих реакций.
62. Железная конструкция, имеющая площадь 850 м 2 и находящаяся в морской воде, теряет 10 кг металла в год. Какова скорость коррозии и какой силы ток надо подать на конструкцию при катодной защите, чтобы полностью подавить коррозию?
63. Кадмий в контакте с серебром находится в кислой среде. Какую силу тока дает образующаяся гальванопара, если за 2 часа ее работы выделилось 0,2 л водорода? Сколько граммов металла при этом окислилось?
64. Железная пластина на воздухе при высокой температуре окисляется с образованием на ее поверхности оксида Fe 2 O 3 . За 3 часа масса пластины площадью 1 м 2 увеличилась на 10 г. Рассчитать среднюю скорость коррозии. Чтобы произошло бы с пластиной, если
бы она была помещена в соляную кислоту?
65. Стальной баллон заполнен кислородом с примесью паров воды. Через некоторое время количество кислорода в нем уменьшилось на 0,18 л. Рассчитать, сколько граммов металла при этом прореагировало? Записать схему коррозионного процесса.
66. При коррозии омедненного цинка за 45 с выделилось 0,09 л водорода (н.у.). Сколько граммов цинка при этом окислилось?
67. При стоянке судна у причала для защиты его корпуса от коррозии применяют катодную защиту. Площадь подводной части судна 1000 м 2 . Скорость коррозии без применения катодной защиты 10 -2 г/м 2 в сутки. Какой силы ток надо подать на корпус судна, чтобы полностью подавить коррозию?
68. Срок службы стальных дренажных труб общей площадью 10 5 м 2 ,
Определить скорость травления меди, если в процессе травления за
корродирующих в болотном грунте со скоростью 10 г/м 2 в год, составляет 20 лет. Какова скорость коррозии? Сколько цинка (по массе) необходимо взять для протекторной защиты труб, чтобы срок их службы увеличить в два раза?
69. Найти наименьший вес цинкового протектора, приходящегося на 1м 2 поверхности стального трубопровода, если предельно допустимое количество корродирующего металла составляет 0,6 кг/м 2 год, а срок службы трубопровода должен быть не менее 25 лет.
70. Средняя скорость равномерной коррозии стали в кислой среде 20 г/м 2 час. Определить за какое время толщина пластины площадью
1 дм 2 уменьшится вдвое. Первоначальная толщина пластины равна 3 мм, а плотность стали 7,8 г/см 3 .
71. Как изменяется толщина стальной пластинки за год и каков срок ее службы, если известно, что скорость коррозии равна 10 -6
г/см 2 сутки, а предельно допустимое уменьшение ее в размерах 10 -3 см. Плотность стали 7,8 г/см3 .
72. В стеклянный сосуд, заполненный серной кислотой, опущена пластинка технического цинка, площадь поверхности которой 0,05 м 2 .
Через 5 суток количество выделившегося водорода составило 10 л. Найти сколько цинка растворилось и рассчитать среднюю скорость коррозии в г/м 2 час. Написать уравнения коррозионных процессов.
73. Образец стали поверхностью 1 дм 2 при коррозионных испытаниях в 1 М Н 2 SO 4 потерял в весе 0,1 г за 10 суток. Рассчитать скорость коррозии стали в г/дм 3 час и А/см 2 . Написать уравнения коррозионных процессов.
74. Какое количество цинка должно корродировать в минуту в Н 2 SO 4 при токе коррозии 30 мА? Какова скорость выделения водорода?
75. Шнековый (винтообразный) питатель, изготовленный из стали, имеющий площадь поверхности 10 м 2 , подает увлажненную CuSO 4 в реактор, объем 1 м 3 . Максимально допустимое содержание ионов Fe 2+ в реакторе 10 -5 г/л. Рассчитать максимально допустимую скорость коррозии шнека в г/см 2 час и А/см 2 , если время пребывания смеси в реакторе 10 час. Написать уравнения коррозионных процессов.
76. В производстве печатных плат травление меди осуществляется в растворе хлорного железа Cu + 2FeCl 3 = CuCl 2 + 2FeCl 2
2 часа образовалось 10 кг FeCl 2 и площадь поверхности меди 10 4 см 2 .
Сбор и сдача металлолома – прибыльное занятие, на котором можно хорошо заработать. Сдают черные и цветные металлы, предметы быта и старую утварь, в ход идут утратившие функции автомобили, предметы, захламляющие пространство в гараже, на даче, в чулане. Что можно сегодня отнести и сдать в лом? Что нельзя сдавать в пункты приема, чтобы не стать объектом внимания полиции и налоговой?
Какие виды лома существуют
Весь лом условно делят на черный и цветной. К первой категории относится все, что содержит железо, во вторую входит медь, алюминий, свинец, дюраль. К цветным причисляют цинк, никель, олово, титан, магний и их сплавы. Отходы чермета стоят дешевле, экономически выгодно сдавать их тоннами. Материал популярный и распространенный, чем и объясняется низкая цена. Цветные металлы причисляют к редким, принимают, начиная с 1-2 кг, причем по цене на порядок выше чермета.
Что можно сдать на лом, какие металлы популярны у приемщиков:
1) Чермет в виде батарей, стержней ЖБИ, старых чугунных ванн, холодильников, стиральных машин, газовых печей, другой бытовой техники.
2) Алюминий профильный, пищевой и электротехнический. Его сдают в лом чаще всего, хотя цена за килограмм относительно невысокая.
3) Цинк, входящий в состав большинства сплавов, в том числе ЦАМа. Стоимость зависит от чистоты вещества. Чем меньше металлических примесей, тем выше цена за килограмм.
4) Медь и сплав металла латунь – самые дорогостоящие и популярные материалы, который сдают в лом. Самым чистым и дорогим по цене считается металл, полученный из электротехнических отходов. Что принимают в утиль? Тросы, кабель проводники, трансформаторные шины, прочее.
5) Вторичный цветной металл олово в 4 раза дороже меди, но при условии, что не содержит посторонних вкраплений и примесей. Зачастую распространен оловосодержащий лом. В металлолом обычно сдают баббиты (сплавы синца с оловом), б/у подшипники, отрезки труб, посуду и бытовые предметы.
6) Свинец – вещество средней ценовой категории, содержится в оплетке и оболочке кабелей, автомобильных аккумуляторах, узлах и деталях типографского оборудования.
7) Титан – востребованная составляющая металлургической отрасли. Его стоимость превышает цену всех остальных видов цветлома. Добывают титан из обрези трубопроводов, дисков автомобильных колес, старых запорных механизмов и арматуры.
8) Никель – дорогостоящий материал, в чистом виде практически не встречается. Он содержится в мельхиоровой посуде, аккумуляторах, б/у электродах, узлах и деталях бытовой техники.
СНОСКА--
Кстати, стоимость цветных металлов и сплавов высока благодаря применению во многих областях промышленности и хозяйства. Это машиностроение и бытовые коммуникации, радиоэлектроника и компьютерные технологии.
Что чаще всего сдают на металлолом
Что входит в перечень предметов, которые обычно сдают на лом?
1) б/у автомобили, детали и узлы легковых машин, спецтехники;
2) сельхозтехника, машины для садовых работ, прицепы, включая узлы и запчасти;
3) катамараны, катера и лодки, другие маломерные суда, включая узлы, з/ч и комплектующие;
4) мотоциклы, мопеды и велосипеды, в том числе запчасти к ним;
5) слесарные, монтажные, строительные и прочие инструменты;
6) скобяные и ножевые изделия, кухонная и печная утварь;
7) письменные, чертежные, канцелярские принадлежности;
8) галантерейные и художественные изделия, мусор со стойплощадок;
9) спортивные, рыболовные, охотничьи снасти и принадлежности;
10) часовые механизмы, радио-, электротовары, бытовая техника, предметы быта.
Перечень того, что можно сдать в лом – приблизительный. Все зависит от пункта приема, который расширяет или урезает список по своему усмотрению.
СНОСКА--
Обратить внимание! Кузова автомобилей и спецтехники принимают у населения и организаций только при наличии разрешительного пакета документов.
Что запрещено сдавать на лом
Существует перечень предметов и металлов, которые запрещено сдавать на вторичную переработку. Выявление запрещенных и опасных объектов происходит при визуальном осмотре. Помогает и спецоборудование, помогающее определить наличие в ломе загрязняющих, химически опасных или радиоактивных веществ.
СНОСКА--
Важно! Когда на пункт привозят запрещенный лом, по законодательству РФ приемщик обязан записать паспортные данные сдатчика, проверить документы на право собственности. Если документации нет, сдатчика привлекают к административной или уголовной ответственности.
Перечень запрещенных к приемке изделий и конструкций:
1) имущество, принадлежащее коммунальным службам;
2) личные вещи и предметы, принадлежащие другому лицу, который не оформил доверенности на сдатчика;
3) боеприпасы, военная техника, в том числе узлы, запчасти и комплектующие;
4) герметически закупоренные емкости и цистерны, в которых находятся неизвестные вещества;
5) токсичные и опасные вещества и предметы, которые подлежат специальной утилизации;