бом: защищаемое изделие (например, Fe) соединяется металлическим проводником с более активным металлом (например, Zn). Возникает гальванический элемент, где Zn является анодом, растворяется, Fe - оказывается защищенным (катод).
Сущность катодной защиты заключается в том, что защищаемое изделие подключается к отрицательному полюсу внешнего источника тока, поэтому оно становится катодом, а анодом служит вспомогательный, обычно стальной электрод. Вспомогательный электрод растворяется на защищаемом сооружении (катоде) выделяется водород.
При анодной защите защищаемое изделие присоединяется к аноду внешнего источника тока. Подбирают определенную плотность тока, чтобы металл не растворялся, а на аноде в результате электролиза выделялся кислород. Защищаемый металл покрывается оксидной пленкой. Анодная защита применяется к легкопассивирующим металлам (Al, Mg, Cr, и др.).
Эффективным способом защиты от коррозии является применение неметаллических покрытий. К этим покрытиям относятся:
а) Оксидные пленки. Нанесение оксидных пленок осуществляется электрохимическим и химическим путем.
б) Труднорастворимые химические пленки. Широко применим процесс форфатирования. На поверхности изделия создается фосфатная пленка, обладающая не только коррозионной устойчивостью, но и высокими электроизоляционными свойствами.
в) К неметаллическим покрытиям относятся всевозможные эмали, смазки, лаки, краски, высокомолекулярные соединения.
Для снижения скорости коррозии часто изменяют свойства коррозионной среды. Агрессивность среды снижают уменьшением концентрации опасных в коррозионном отношении компонентов, а также снижением концентрации ионов водорода. Для защиты от коррозии широко применяют ингибиторы коррозии - вещества, при добавлении которых в агрес-
308
сивную среду, значительно уменьшается скорость коррозии металлов. Различают анодные и катодные ингибиторы. К анодным ингибиторам относятся те, которые замедляют действие коррозии, например, нитрит натрия NaNO2, дихромат натрия Na2Cr2O7. Их действие сводится к образованию пленки труднорастворимого соединения, либо к окислению поверхности металла, либо к адсорбции на поверхности металла.
Катодные замедлители уменьшают скорость коррозии за счѐт снижения интенсивности катодного процесса или к сокращению площади катодных участков. К катодным ингибиторам относятся органические вещества, содержащие азот, серу и кислород, например, диэтиламин, уротропин, формальдегид и др.
Рациональное конструирование изделий должно исклю-
чать наличие или сокращать число и размеры особо коррозионноопасных участков в изделиях или конструкциях, а также предусматривать специальную защиту металла этих участков от коррозии.
309
РАЗДЕЛ ЧЕТВЕРТЫЙ
ИЗБРАННЫЕ ВОПРОСЫ ХИМИИ
Глава 11. ОБЩИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ, ПОЛУПРОВОДНИКОВ И ДИЭЛЕКТРИКОВ
11.1. Физические свойства металлов
Стандартное состояние для подавляющего большинства элементарных металлов - кристаллическое (за исключением франция и ртути, жидких при стандартных условиях). При нагревании до определенной температуры металлы плавятся, а при более высоких температурах они переходят в газообразное состояние.
Металл, равно как и всякое другое индивидуальное вещество, обладает наибольшим запасом внутренней энергии, когда он находится в газообразном состоянии. Молекулы металлов в парообразном состоянии преимущественно одноатомны.
Равновесие между парообразным металлом, с одной стороны и кристаллическим или жидким, с другой стороны, характеризуется давлением (упругостью) пара и его зависимостью от температуры.
Характер изменения температур плавления и кипения элементарных металлов определяется их положением в периодической системе. Каждый период начинается металлом с очень низкой температурой плавления, но по мере увеличения атомного номера металлов в периоде температура их плавления растет и достигает максимума в группе хрома, где находится самый тугоплавкий металл - вольфрам (3422 °С). Далее температура плавления снижается и достигает минимума в 11 В и 111 А группе, где находятся самые легкоплавкие металлы - ртуть (-39 °С) и галлий. В А- группах и группе цинка температуры плавления металлов с увеличением атомного номера
310
снижаются, а в В-группах (за исключением группы цинка II B) растут. Примерно так же изменяются температуры кипения металлов. Значения температур плавления и кипения металлов связаны с прочностью их кристаллических решеток и с некоторыми другими характерными их свойствами.
Многие металлы в твердом состоянии способны принимать различные кристаллические формы. Каждому полиморфному видоизменению металла свойственно определенное давление пара и зависимость его от температуры, связанная с теплотой сублимации. Устойчивым, очевидно, является видоизменение, обладающее при данных условиях наименьшими давлением пара. Кривые, выражающие зависимость давления пара от температуры для различных полиморфных видоизменений металла, должны пересекаться, а точка их пересечения соответствует температуре, при которой давления пара различных видоизменений металла равны. Это температура перехода одного полиморфного видоизменения в другое или температура полиморфного превращения металла.
Полиморфные видоизменения металла отличаются не только по внутренней структуре, но и по физическим свойствам. Их принято обозначать греческой буквой перед названием или символом: так а - видоизменение, устойчивое при сравнительно низких температурах, р - устойчивое при более высоких температурах.
Особенности кристаллической структуры. В узлах кристаллической решетки этого типа расположены положительно, заряженные ионы металла, связь между которыми осуществляется посредством свободно перемещающихся между ними электронов. Эта связь, называемая металлической, возникает между атомами металлов за счет перекрывания наружных электронных орбиталей. Металлическая связь отличается от неполярной ковалентной связи своей ненаправленностью. Это объясняется тем, что в кристалле металлического типа электроны не закрепляются между двумя атомами, а пе
311
реходят в так называемое состояние проводимости, характеризующееся коллегиальной принадлежностью всех электронов всем атомам данного кристалла. Особенностью структуры кристаллов металлического типа являются большие координационные числа - 8 или 12; им соответствует значительная плотность упаковки, которая определяется тем, что ионы металла укладываются в пространстве как шары одинакового размера. Кристаллические решетки металлов подразделяются на три вида:
кубическая объемноцентрированная решетка, для которой характерно координационное число 8 и плотность упаковки (т. е. часть пространства в данном кубе, занятая шарообразными ионами) составляет 68 %;
кубическая гранецентрированная решетка с координационным числом 12 и плотностью упаковки 74 %;
гексагональная решетка также с координационным числом 12 и плотностью упаковки 74 %.
Особенности кристаллических решеток металлического типа обуславливают характерные физические свойства металлов.
Механические свойства. Плотность металлов не является их характерным свойством. Она изменяется в очень значительных пределах - от 0,53 у лития до 22,5 г/см3 у осмия.
По значениям плотности металлы в технике подразделяются на легкие - плотностью меньше 5 и тяжелые - плотностью больше 5 г/см3. По этому признаку к легким металлам относятся щелочные, щелочноземельные металлы, бериллий, алюминий, скандий, иттрий и титан; к тяжелым - все остальные. Таким образом, ассортимент легких металлов невелик. Плотность металлов весьма заметно зависит от температуры.
Характерным механическим свойством металлов является их пластичность. Способность металлов к пластической деформации обусловлена особенностью их кристаллической структуры, связанной с наличием свободно перемещающихся
312