Зав. кафедрой неорганической и

Физической химии Л.Е. Цыганкова

 

 

Тамбов-1999

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

   Стр.

Введение                                                                    3

 

I. Литературный обзор

1.     Общая характеристика меди                                          4

2. 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

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 CuFeS ₂, халькозин - медный блеск - Cu ₂ S, ковелин - CuS, малахит - С uCO ₃ ^. С u (OH)₂, азурит -

2 С uCO₃^. С u(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 (SO ₂), медные изделия покрываются основным сульфатом CuSO ₄ ^. 3 Cu (OH)₂, а вблизи моря - основным хлоридом CuC 1₂ ^. 3 Cu (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 CuSO ₄ ^. 3 Cu (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 С u ₂ O. При нагревании такого металла в атмосфере, содержащей водород и некоторые другие газы (СО, СН₄) происходит восстановление Cu ₂ O:

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 = 2 С uJ                                                                        (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 + 8HNO_{3 ( 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]]
		- во влажном воздухе ® Сu2O
		- во влажном воздухе в присутствии СО2, Н2S, SO2 ® основные карбонаты и сульфат меди
		- 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
		- на воздухе ® Cu2O и СuO
		- c F2, C12, Br2, J2 ® CuF2, CuC12, CuBr2, CuJ2
		- c S, Se, Te ® CuS, CuSe, CuTe
		- с Н2S ® CuS
		- 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 FeS ₂ и FeS окисляются кислородом легче, чем сульфиды меди CuS и Cu ₂ S. При сплавлении концентратов полиметаллических сульфидных руд с флюсами в шахтных печах медь с определенной частью железа образует медный пек Cu ₂ S ^. 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 (Н₂ SO ₄, NH ₄ OH, NaCN, Fe ₂ (SO ₄)) 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 элекрохимическим. При пирометаллургическом окислении сырую медь расплавляют в отражательной печи, в которую вдувают сжатый воздух. В результате происходит частичное окисление таких элементов как сера, железо, никель, цинк, кобальт, олово, свинец, мышьяк, сурьма и связывание диоксида кремния с превращением в шлак. При нагревании расплава оксид серы (IV) полностью улетучивается, частично удаляются As ₂ O ₃ и Sb ₂ O ₃, а большая часть сурьмы остается в меди.

Медь, рафинированная пирометаллургически содержит примеси Cu ₂ O, Bi, Sn, иногда Ag, Au, Pt и платиновые металлы. Из такой меди отливают аноды, для дальнейшего получения электролитической меди.

Электролизерами для электролитической очистки меди служат бетонные чаны со стенами, обложенными свинцовыми пластинами. В них наливают электролит - раствор сульфата меди с серной кислотой и добавкой сульфата натрия. В электролизер помещают аноды из пирометаллургически полученной меди и катоды из чистой меди. При пропускании тока на катоде осаждается чистая медь, а аноды растворяются в процессе окисления. Неметаллические примеси и металлы, менее активные, чем медь (Ag, Au, Pt, платиновые металлы), находящиеся на анодах выпадают в виде шлама на дно электролизера. При электролизе водного раствора сульфата меди на катоде осаждается чистая медь, а на аноде выделяется кислород.

CuSO₄ ® Cu²⁺ + SO₄^{2 -}                                                              (8)

H₂O ® H⁺ + OH ^-                                                                  (9)

На катоде: Cu ²⁺ + 2 e ® Cu ⁰

На аноде: 2 O Н^- - 2 e ® 1/2 O ₂ + H ₂ O