Metallide korrosioon, metallide saamine maagist, elektrolüüs, keemilised vooluallikad, sulamid (0)

Metallide korrosioon

Metallilisi elemente tunneme ja kasutame prantikas eelkõige lihtainetena- metallidena. Metallidel kui materjalidel on väga olulisi eeliseid võrreldes teiste materjalidega. Nad on kergesti töödeldavad, plastilised. Kuumutamisel saab metalle kergesti valtsida, venitada või painutada. Metallide hävimist ümbritseva keskkonna toimel nimetatakse korrosiooniks . Suuremat majanduslikku kahju tekitab raua ja tema sulamite korrusioon – roostetamine. Raua korrosioonil tekkiv roostekiht on poorne ega kaitse rauda edasise korrosiooni eest. Mitmed rauast aktiivsemadki metallid (nt alumiinium ) on õhu ja vee suhtes küllaltki vastupidavad tänu korrosiooni käigus metalli pinnale tekkivale õhukesele, kuid tihedale oksiidikihile.
Miks metallid korrodeeruvad :
Looduslikes protsessides on keemilised elemendid aegade vältel läinud üle oma kõige püsivamasse olekusse. Enamik metallilisi elemente esineb looduses ainult ühenditena, sest need on palju püsivamad kui puhtad metallid.
Metallide korrosioon on metallide tootmisele vastupidine protsess ja see kulgeb iseenesest. Korrosiooni käigus tekivad keemiliselt vähepüsivatest metallidest jälle püsivad ühendid.
Korrosioon on redoksprotsess, milles metallid oksüdeeruvad ümbritsevas keskkonnas leiduvate oksüdeerijate toimel. Korrosiooni liigitatakse keemiliseks ja elektrokeemiliseks korrosiooniks.
Keemiline korrosioon on metalli vahetu keemiline reaktsioon keskkonnas leiduva oksüdeerijaga. Nt. metalli reageerimine kuivade gaaside (hapnik, kloor , vääveldioksiid jt) või vedelikega (bensiin, õlid vma). Invensiivsemalt kulgeb keemiline korrosioon kõrgemal temperatuuril. Raua keemilisel korrosioonil kuivas õhus kõrgemal temperatuuril tekib põhisaadusena nn. rauatagi Fe3O4, kuulutamisel kloori atmosfääris tekib raud(III) kloriid .
Elektroeemiline korrosiooni toimumise tingimuseks on metalli kokkupuude elektrolüüdi lahusega. Selle lahuse võib moodustada ka üliõhuke , silmale enamasti märkamatu veekiht metalleseme pinnal, mis kondenseerub metalli pinnale niiskes õhus. Elektrokeemiline reaktsioon kulgeb kahe omavahel seotud (osa)reaktsioonina, mis võivad toimuda ka metalli erinevatel pinnaosadel. Üheks osareaktsiooniks on metalli okspdeerumine, teiseks on keskkonnas leiduvate oksüdeerijate redutseerumine.
Raua oksüdeerimusel tekivad raua ioonid, mis lähevad lahusesse. Levinumaks osküdeerijaks tavatingimustes on õhuhapnik. Happelises lahuses on peamiseks oksüdeerijaks vesinikioonid.
Metallide korrosiooni kiirust mõjutavad tegurid:
Metalli korrosiooni kiirus sõltub nii metalli iseloomust kui ka välistingimustest: temperatuurist , elektrolüüdi lahuse koostisest, õhuhapniku juurdepääsust, metallis leiduvatest lisanditest jms. Mida happelisem on lahus seda kiirem on korrosioon. Metall , mis sisaldab lisandina vähemaktiivseid lisandeid korrodeerub kiiremini kui puhas metall. Korrosiooni võivad soodustada ka lahuses esinevad lisandid.
Metalle saab kaitsta korrosiooni eest katmisel värvi, laki või püsivama metalli kihiga jt. meetoditel .

Metallide saamine maagist

Kõige aktiivsemad metallid, mis moodustavad valdavalt ioonseid ühendeid, esinevad looduses põhiliselt mitmesuguste sooladena. Leelismetallid esinevad sageli kloriididena, leelismuldmetallid ja magneesium aga karbonaaide või sulfaatidena, sest need on vähemlahustuvad kui vastavad kloriidid.
Paljudele vähemaktiivsetele metallidele on iseloomulikud oksiidsed mineraalid. Ka looduses kõige levinumad metallilised elemendid, alumiinium ja raud, moodustavad oksiidseid mineraale. Raud leidub looduses nii raud(III)oksiidina kui ka raud (II)- ja raud(III)-segaoksiidina.
Osa metallilisi elemente esineb looduses peamiselt sulfiididena, nt. PbS. Ka raual esineb sulfiide mineraal – FeS.
Üks levinumaid metalli saamise meetodeid on karbotermia - metalli saamine metalliühendi redutseerimisel süsiniku või süsinikoksiidiga kõrgel temperatuuril. Kasutatakse ka redutseerimist aktiivsema metalliga, nt. alumiiniumiga.
Näidisülesanne: Arvutage reaktsiooni saagise protsent kui 240 kg raud(III) oksiidist saadi aluminotermilisel tootmisel 140kg rauda.
Lahendus: Arvutame kui palju rauda tekkis 240 kg raud(III)oksiidist reaktsioonivõrrandi järgi.
Fe2O3 + 2Al = 2Fe + Al2O3
M (Fe2O3) = 160 g/mol = 160 kg/kmol
Reageerinud raud(III)oksiidi hulk:
N(Fe2O3) = m(kg) / M (kg /kmol) = 240 kg / 160 kg/kmol = 1,5 kmol
Võrrandi järgi saadakse mol raud(III)oksiidist 2 mol rauda, seega peaks 1,5 kmol raud(III)oksiidist saama võrrandi järgi 3,0kmol rauda. Tegelikult saadud raua hulk:
n(Fe) = m(kg) / M(kg/kmol) = 140 kg/ 56 kg/kmol = 2,5 kmol
Reaktsiooni saagise protsent on seega
P(saagis) = n(tegelik) * 100% / n (teoreetiline) = 2,5 kmol * 100% / 3kmol = 83,3%
Vastus: reaktsiooni saagise protsent on 83,3%

Elektrolüüs

Elektrolüüs on redoksreaktsioon, mis toimub elektrienergia arvel. Elektrienergia abil saab sundida toimuma paljusid redoksreaktsioone, mis iseenesest ei toimu või kulgeks vastassuunas. Lektrolüüsi nimetus tuleneb sellest,et algul kasutati elektrivoolu peamiselt ainete lagundamiseks. Tänapäeval osatakse elektrolüüsi abil saada mitte ainult lihtaineid, vaid ka väga mitmesuguseid keemilisi ühendeid, sealhulgas ka orgaanilisi aineid.
Elektrolüüs – elektrolüüdi lahuses või sulas elektrolüüdis elektrivoolu toimel kulgev redoksreaktsioon. Elektrolüüsiseade koosneb elektrolüüdi lahuse või sula elektrolüüdiga täidetud anumast ja selesse paigutatud elektroodidest. Elektroodide ühendamisel alalisvooluallika klemmidega omandab üks elektrood negatiivse , teine positiivse laengu. Elektroloodi, millel toimub redutseeruimine, nimetatakse katoodiks, elektroodi, millel toimub oksüdeerumine, nimetatakse anoodiks .
Elektrolüüsi käigus läbib seadet elektrivool – välisahelas liiguvad elektronid, lahuses liiguvad ioonid ( anioonid liiguvad anoodi sunas, katioonid katoodi suunas)

Sulamid

Sulam on materjal , mis koosneb mitmest metalist või metallist ja mittemetallist. Võrreldes puhaste metallidega on sulamitel mitmed eelised.
*sulamid on enamasti odavamad kui puhtad metallid
*sulamis on sageli paremate omadustega kui puhtad metallid.
Metallide ja sulamite omaduste võrdlus:
Sulamistemp. – sulamite aulmaistemp. On märgatavalt madalam kui koostismetallidel .
Kõvadus ja tugevus – paljud sulamid on paremate mehhaaniliste omadustega kui vastavad muhtad metallid: nad on kõvemad, tugevamad ja kulumiskindlamad.
Tuntumad sulamid:
*Rauasulamid nt. roostevaba teras
*Alumiinium sulamid – duralumiinium
*vasesulamid – pronks

Keemilised vooluallikad

Keemilistes vooluallikates muudetakse keemilisel reaktsioonil vabanev energia vahetult elektrienergiaks. Keemilistes vooluallikates kasutatakse keemilise reaktsiooni energia ära palju täielikumalt kui näiteks soojuselektrijaamades, kus esinevad paratamatultküllaltki suured energiakaod energia mitmekordsel üleviimisel ühest vormist teise.
Keemilisi vooluallikaid, milles saadakse elektrienergia kütuste oksüdeerumisel eralduva energia arvel, nimetatakse kütuseelementideks. Eriti otstarbekas on nn. vesinik -hapnikelement, milles saadakse elektrienergiat vesiniku ja hapniku vahelises reaktsioonis.
Akud on sellised keemilised vooluallikad, mida saab tühjenemisel uuesti laadida. Nad on mõeldud korduvaks kasutamiseks.
Selleks,et saada redoksreaktsiooni arvel elektrienergiat, tuleb elektronide loovutamine ja elektronide liitmine läbi viia eraldi elektroodidel.
Keemilise vooluallika ja elektrolüüsi võrdlus ……. Lk 70 õpik.