Химические свойства. Химические свойства материалов характеризуют их способность реагировать на

Химические свойства материалов характеризуют их способность реагировать на различные вещества, способные изменить химический состав материала.

Растворимость — способность материала растворяться в воде, масле, бензине, скипидаре и других жидкостях — растворителях.

Коррозионная стойкость (химическая стойкость для неметаллических материалов) — способность материала сопротивляться коррозионному воздействию среды. Коррозионная среда может быть жидкой (вода, растворы солей, щелочей и кислот, органические растворители) и газообразной (пары, производственные газы).

Коррозия – процесс химического или электрохимического взаимодействия металлических материалов с активными средами. По возрастанию химической активности эксплуатационные среды располагаются в последовательности: воздушная атмосфера, морская атмосфера, морская вода, промышленные среды (щелочи, кислоты, растворы и расплавы солей). В зависимости от условий, в которых идет процесс, различают коррозию атмосферную, морскую, почвенную, кислотную, щелочную. По характеру разрушения: равномерная и местная (точечная, пятнистая и с язвами) коррозия. Коррозия м. б. электрохимической и химической.

Химическая коррозия протекает при воздействии на металл газов (газовая коррозия) и неэлектролитов (нефть и ее производные). Электрохимическая коррозия вызывается действием электролитов: кислот, щелочей и солей. Атмосферная и почвенная коррозия относятся к электрохимической коррозии.

Граница между ними условна. Электрохимическая коррозия развивается при контакте металлов с раствором электролита. Напр., пленка воды, сконденсировавшейся на поверхности металла.

Слово коррозия происходит от латинского corrodere, что означает разъедать.

Коррозия вызывается химической реакцией металла с веществами окружающей среды, протекающей на границе металла и среды. Чаще всего это окисление металла, например, кислородом воздуха или кислотами, содержащимися в растворах, с которыми контактирует металл. Особенно подвержены этому металлы, расположенные в ряду напряжений (ряду активности) левее водорода, в том числе железо.

Многие металлы, в том числе и довольно активные (например, алюминий) при коррозии покрываются плотной, хорошо скрепленной с металлами оксидной пленкой, которая не позволяет окислителям проникнуть в более глубокие слои и потому предохраняет металл от коррозии. При удалении этой пленки металл начинает взаимодействовать с влагой и кислородом воздуха. Процесс облегчается при высоких температурах. В ходе коррозии пленка продукта непрерывно утолщается, а металл разрушается.

К ускоренному разрушению металлов приводит использование солей (обычно хлорида натрия или кальция) для удаления снега и льда с дорог. Сильно страдают транспортные средства и подземные коммуникации.

Проблема защиты металлов от коррозии возникла почти в самом начале их использования. Люди пытались защитить металлы от атмосферного воздействия с помощью жира, масел, а позднее и покрытием другими металлами и, прежде всего, легкоплавким оловом (лужением). В трудах древнегреческого историка Геродота (5 в. до н. э.) и древнеримского ученого Плиния Старшего (1 в. до н. э.) уже есть упоминания о применении олова для предохранения железа от ржавления.

Направления борьбы с коррозией:

1) Снижение агрессивности коррозионной среды;

2) Увеличение коррозионной устойчивости самого материала – легирование;

3) Нанесение защитных покрытий;

4) Электрохимическая защита.

1) Полностью предотвратить коррозию можно только в инертной среде, например в атмосфере аргона, однако реально создать такую среду при эксплуатации конструкций и механизмов невозможно.

Агрессивность атмосферы сильно зависит от влажности. Для любого металла есть некоторая критическая относительная влажность, ниже которой он не подвергается атмосферной коррозии. Для железа, меди, никеля, цинка она составляет 50-70%. Иногда для сохранности изделий, имеющих историческую ценность, их температуру искусственно поддерживают выше точки росы. В закрытых пространствах (например, в упаковочных коробках) влажность понижают с помощью силикагеля или других адсорбентов. Агрессивность промышленной атмосферы определяется, в основном продуктами сгорания топлива. Уменьшению потерь от коррозии способствует предотвращение кислотных дождей и устранение вредных газовых выбросов.

2) Разрабатываются новые материалы, обладающие более высокой коррозионной стойкостью. Ведутся поиски заменителей коррозирующих металлов. Пластмассы, керамика, стекло, резина, асбест и бетон более устойчивы к воздействию окружающей среды, однако по многим другим свойствам они уступают металлам, которые по-прежнему служат основными конструкционными материалами.

Коррозия металлов осуществляется в соответствии с законами природы и потому ее нельзя полностью устранить, а можно лишь замедлить. Имеется способ уменьшения коррозии металлов – это легирование металлов, т.е. получение сплавов. Так получают нержавеющую сталь, которая, помимо железа, содержит хром и никель. Самая распространенная в наше время нержавеющая сталь марки 18-8 (18% хрома и 8% никеля) появилась в 1923 г. Она вполне устойчива к воздействию влаги и кислорода. Первые тонны нержавеющей стали в нашей стране были выплавлены в 1924 г. в Златоусте. Сейчас разработано много марок таких сталей, которые, помимо хрома и никеля, содержат марганец, молибден, вольфрам и другие химические элементы. Такие стали, действительно, не покрываются ржавчиной, но их поверхностная коррозия хотя и с малой скоростью, но имеет место.

3) Одним из наиболее распространенных способов защиты металлов от коррозии является нанесение на их поверхность защитных пленок: лака, краски, эмали, других металлов. Лаки и краски обладают низкой газо- и паропроницаемостью, водоотталкивающими свойствами и поэтому препятствуют доступу к поверхности металла воды, кислорода и содержащихся в атмосфере агрессивных компонентов. Покрытие поверхности металла лакокрасочным слоем не исключает коррозию, а служит для нее лишь преградой, а значит, лишь тормозит коррозию. Поэтому важное значение имеет качество покрытия – толщина слоя, сплошность (пористость), равномерность, проницаемость, способность набухать в воде, прочность сцепления (адгезия). Качество покрытия зависит от тщательности подготовки поверхности и способа нанесения защитного слоя. Окалина и ржавчина должны быть удалены с поверхности покрываемого металла. Иначе они будут препятствовать хорошей адгезии покрытия с поверхностью металла. Низкое качество покрытия нередко связано с повышенной пористостью. Часто она возникает в процессе формирования защитного слоя в результате испарения растворителя и удаления продуктов отверждения и деструкции (при старении пленки). Поэтому обычно рекомендуют наносить не один толстый слой, а несколько тонких слоев покрытия. Во многих случаях увеличение толщины покрытия приводит к ослаблению адгезии защитного слоя с металлом. Большой вред наносят воздушные полости, пузыри. Они образуются при низком качестве выполнения операции нанесения покрытия.

4) Катодная защита – защищаемый металл соединяют с отрицательным полюсом внешнего источника постоянного тока, а положительный полюс – со вспомогательным материалом, который будет окисляться и тем самым защищать основной металл.

Протекторная защита - осуществляется путем присоединения к защищаемому материалу протектора – более активного (т.е. менее благородного металла), который легче окисляется, защищая основной материал. Для защиты от коррозии железа и его сплавов в качестве протектора часто применяют магний.

Электрические свойства

– характеризуют способность материала проводить электрический ток.

Закон Ома: I=U/R [А]=[B/Ом].

Ом равен сопротивлению проводника, между концами которого возникает напряжение 1 В при силе тока 1А.

Закон Ома выполняется для всех металлов при комнатной температуре.

Электрическое сопротивление – величина, характеризующая проводник, и являющаяся коэффициентом пропорциональности (см. закон Ома).

Сопротивление проводника с удельным сопротивлением ρ, длинной l и площадью сечения S может быть рассчитано по формуле:

Удельное электрическое сопротивление (ρ), или просто удельное сопротивление вещества характеризует его способность проводить электрический ток.

Единица измерения удельного сопротивления в СИ — ом·метр (Ом·м).

Физический смысл удельного сопротивления в СИ: сопротивление однородного куска проводника длиной 1 м и площадью токоведущего сечения 1 м².

Удельное электрическое сопротивление у меди и серебра самые маленькие, поэтому их используют в электротехнике (из меди делают внутреннюю проводку).

Удельное сопротивление единицы массы (сопротивление образца длиной 1 м и массой 1 кг - [Ом·кг]) самое маленькое у алюминия, поэтому из него делают подвесные провода (все уличные провода).

Все материалы по электрическим свойствам делят на:

Металлы (проводники);

Полупроводники;

Изоляторы (диэлектрики).

К полупроводникам относят: кремний Si, германий, арсенид галлия GaAs, антимонид индия и др.

Использование:

Кремний в микросхемах, транзисторах (во всех нелинейных элементах электрических схем), фотодиодах;

GaAs – светодиоды, лазеры, транзисторы;

Германий – диоды, транзисторы и т.д.

Изоляторы - все твердые тела неметаллы и неполупроводники, некоторые жидкости. Изоляторами являются: стекло, тефлон, резина, керамика (фарфор), дерево.

В быту в качестве изоляторов берут водоотталкивающие (ненамокающие) материалы – пластики, керамика.

Электризуемость – способность материалов накапливать и удерживать на поверхности электрические заряды. Характеризуется, в первую очередь, удельной электрической проводимостью:

σ=1/ρ [Ом∙м] ^-1 – величина, обратная удельному электрическому сопротивлению.

Электризуемость характерна для изоляторов (заряд не стекает). Гидрофильные материалы за счет увлажнения обладают большей проводимостью т.к. заряд не накапливается. Человек, в основном, окружен изоляторами, напр., воздух. Только вода является проводником. Заряд накапливается при трении.

Антистатики уменьшают трение и увеличивают проводимость за счет внесения различных солей.

Чем больше проводимость, тем больше теплопроводность (для всех металлов).

Поражение человека может быть в результате возникновения заряда статического электричества. Под статическим электричеством понимаются электрические заряды, появляющиеся на поверхности оборудования или конструкциях в результате их трения друг о друга или в результате индукционного влияния разрядов молнии.

Заряды статического электричества образуются также при трении (перевозке или перекачке) органических жидкостей (бензин, бензол и др.), являющихся диэлектриками, о стенки металлических труб и сосудов. На предприятиях промышленности строительных материалов статические разряды могут образоваться в помещениях с большим количеством пыли органического происхождения.

Большое влияние на электризуемость материалов оказывают метеорологические условия окружающей среды, и в первую очередь влажность и температура. С увеличением влажности на поверхности материала образуется топкая пленка адсорбируемой влаги, являющейся хорошим проводником зарядов статического электричества. Основными методами борьбы со статическим электричеством являются заземление, увлажнение среды, применение антистатических веществ и ионизация воздуха.

Дата добавления: 2015-07-12