(1) Возникновение электродного потенциала на границе раздела металл – вода.
Кристаллическая решетка металла представляет собой положительно заряженные ионы, между которыми находятся свободные электроны. При погружении металла в воду, полярные молекулы воды извлекают, частично, ионы металла в раствор, оставляя на поверхности металла избыточные электроны, заряжая поверхность металла отрицательно. Большая часть положительных ионов остаётся у поверхности металла со стороны воды, создавая адсорбционный слой, размер которого составляет радиус ионов. Отдельные ионы за счет диффузии уходят в глубь воды, составляя диффузионный слой, размер которого соответствует нескольким радиусам ионов. Таким образом на поверхности металла – отрицательный заряд, а в воде в основном положительный заряд. Получается дойной электродный слой, или говорят, что возникает электродный потенциал металла. Обозначается он буквой ψ. Падение его наблюдается в адсорбционном слое l1 и постепенно в l2. Механизм возникновения электродного потенциала подчиняется уровнению:
Mе +mH2O→[Me(H2O)m]n+ +nē.
[Me(H2O)m]n+ – гидратированный ион.
Вода вытаскивает ионы металла на поверхность.
Поскольку поверхность металла заряжена отрицательно, то говорят об отрицательном электродном потенциале. Величина электродного потенциала зависит от трех энергетических факторов.
1) Энергия ионизации Eи (та энергия, которую надо затратить, чтобы оторвать электрон от нейтрального атома и превратить атом в положительно заряженный ион) Me – ē → Me+ – Eи
2) E кристаллической решетки. Eкр (это та энергия, которую затратить, чтобы разорвать химические связи в кристаллической решетке и удалить частицы друг от друга на бесконечно большое расстояние).
3) Е гидратации (активации) Eгидр (энергия, которая выделяется при взаимодействии положительно заряженных ионов с нейтральными молекулами воды) Me n+ + mH2O→[Me(H2O)m]n+ + Eгидр
Все эти энергии измеряются в кДж/моль
Чем меньше Eи, чем меньше Eкр, и чем больше Eгидр, тем более отрицательный электродный потенциал возникает на металле. Все металлы при контакте с водой качественно ведут себя одинаково, а количественно по-разному. В частности щелочные металлы полностью переходят в ионное состояние, потому что Eи, Eкр малы, а Eгидр выделяется много, следовательно, происходит практически реакция с водой. Что касается благородных металлов, то они посылают ионы в раствор, но в очень незначительном количестве. Промежуточные металлы (Pb, Hg…) посылают большие количества ионов в раствор.
(2) Возникновение электродного потенциала на границе раздела металл – электролит.
Чаще всего металл контактирует с раствором электролита. Даже в атмосферных условиях в пленке влаги растворены различные газы: O2, H2S, SO2, CO2… Частный случай: контакт металла с раствором, содержащим его ионы (металл в растворе соли металла)
Me|Me n+
Zn|ZnSO4
Zn|Zn 2+
Cu|Cu2+…
В этом случае все металлы можно разделить на две группы: одна группа – так называемые активные металлы, качественно ведут себя как в воде т.е.
Mе +mH2O↔[Me(H2O)m]n+ +nē. (возникает динамическое равновесие (↔))
Но возникает менее отрицательный электродный потенциал, т.к. ионы из раствора могут входить в кристаллическую решетку (Ni, Fe…). Пассивные металлы (Cu, Hg, Ag…) не переходят в ионное состояние при контакте с раствором их соли, а наоборот, ионы металла из раствора восстанавливаются на поверхность металла положительно.
[Me(H2O)m]n++ nē ↔ Me +nH2O
Cu2++2ē→ Cu0
Возникает положительный электродный потенциал, а избыточные анионы соли создают отрицательный заряд у поверхности металла. Измерить абсолютное значение электродного потенциала практически невозможно, измеряют ЭДС гальванического элемента в котором один электрод исследуемый, а другой – электрод сравнения, чаще всего водородный электрод, потенциал которого условно принят за 0. И это ЭДС считается электродным потенциалом данного электрода (по водородной шкале) и называется стандартным (нормальным) электродным потенциалом. Этот ряд водорода называется ещё рядом напряжений или рядом активности металла.
| Li|Li+ | Rb|Rb+ | K|K+ | Cs|Cs+ | Al|Al3+ | Mg|Mg2+ | Zn|Zn2+ | Fe|Fe2+ | Ni|Ni2+ | Sn|Sn2+ | Pt,H2|2H+ | Cu|Cu2+ | Ag|Ag+ | Au|Au3+ |
| -3.045 | -2.925 | -2.925 | -2.923 | -1.662 | -1.18 | -0.763 | -0.44 | -0.25 | -0.126 | 0 | +0.34 | +0.8 | +1.5 |
Измеряется в Вольтах
Чем больше положительный электродный потенциал, тем устойчивее металл в контакте с другими металлами, следовательно, он труднее окисляется, а его положительные ионы легче восстанавливаются из растворов электролитов, следовательно, легче получить этот металл из вольтных растворов на катоде в случае электролиза.
Используя электродные потенциалы можно говорить о коррозионной стойкости металлов и методах защиты от коррозии. Используя электродные потенциалы можно осуществлять очистку металлов от различного рода примесей, более или менее активных, чем сам металл и т.д.
(3) Электрохимическая коррозия металлов и методы защиты от нее.
Коррозия металлов это самопроизвольное разрушение металлов под действием окружающей среды. По механизму коррозионного разрушения различают:
1) Химическая коррозия, т.е. окислительно-восстановительное взаимодействие или гетерогенная химическая реакция без возникновения электрического тока. Она осуществляется в газах при высоких температурах или в жидкостях не электролитах.
2) Электрохимическая коррозия. Происходит в атмосферных условиях и в жидкостях электролитах с возникновением электрического тока в результате работы микро и макро гальванических пар. Микрогальванические пары создаются в результате наличия примесей в металле, а макрогальванические – в результате контакта металлов друг с другом. Поскольку на поверхности металла всегда есть плёнка электролита, то возникает гальвано электричество.
Чтобы избежать коррозии:
1) Использовать чистые металлы, они практически не подвергаются коррозии
2) Катодная защита: подсоединить к источнику постоянного тока к отрицательно заряженному электроду.
3) Протекторная защита: более активный металл присоединить к корпусу и он (металл) будет подвергаться разрушению, а основной металл (корпус) при этом разрушению не подвергается пока не разрушится протектор.
4) Металлические покрытия, которые классифицируются на анодные и катодные. Анодные – более активный металл, катодные – менее. И те, и другие в равной степени защищают от коррозии, если не нарушена целостность покрытия. В случае нарушения покрытия (трещины, неплотное покрытие) наиболее эффективны анодные покрытия.
Классификация металлов
(1)физические свойства металлов
| группа и название металлов | d кг/м3 плотность при 20°С | Температура °С | теплопроводность, Вт/мК при 20°С | ρ удельное сопротивление *106 | |
| плавления | кипения | ||||
| лёгкие цветные металлы | |||||
| Al | 2699 | 660 | 2060 | 211.0 | 0.0265 |
| Mg | 1740 | 650 | 1107 | 157.4 | 0.047 |
| Ti | 4540 | 1800 | 3400 | 14.9 | 0.47 |
| тяжелые цветные металлы | |||||
| Ni | 8900 | 1455 | 2730 | 58.6 | 0.068 |
| Zn | 7140 | 419 | 907 | 111.1 | 0.059 |
| Sn | 7300 | 232 | 2270 | 63.1 | 0.115 |
| Cu | 8960 | 1083 | 260 | 385.2 | 0.0167 |
| Pb | 11340 | 327 | 1740 | 34.6 | 0.2065 |
| малые цветные металлы | |||||
| Mo | 10200 | 2625 | 4800 | 140 | 0.0517 |
| W | 19350 | 3377 | 6000 | 160 | 5.03 |
| благородные цветные металлы | |||||
| Au | 19320 | 1063 | 2600 | 311 | 0.0225 |
| Ag | 10490 | 960 | 2210 | 421 | 0.0159 |
| Pt | 21450 | 1773 | 4410 | 69.9 | 0.109 |
| редкие металлы | |||||
| Ge | 5360 | 958 | 1760 | — | 0.89 (при 0) |
| Nb | 8570 | 2420 | 3700 | — | 0.131 |
| Ta | 11600 | 2850 | 5050 | 54.4 | 0.124 |
(2) Металлы высокой проводимости Cu , Ag , Al .
Медь (Cu), достоинства
1) малое удельное сопротивление (уступает только серебру)
2) достаточно высокая механическая прочность
3) удовлетворительная стойкость к коррозии
4) хорошая обрабатываемость (прокатывается в листы, в ленту, протягивается в проволоку)
5) относительная легкость пайки и сварки
Содержание примесей влияет на различные свойства меди. Медь марки М1 содержит 99.90% меди, примеси 0.10%, медь марки М0 содержит 99.95% меди, примеси 0.05%. Если в примесях Zn, Cd, Ag, то они снижают электропроводность на 5%, а Ni, Sn или Al – на 25 – 40%. Еще более сильное влияние оказывают примеси Be, As, Fe, Si и P, которые снижают электропроводность на 55% и более. Поэтому медь очищают различными способами: до 99.97% электролитическим способом.
В вакуумных печах получают медь, содержащую 99.99% меди. Эта медь имеет электропроводность примерно равную электропроводности Ag. Из специальной меди изготавливают детали магнетронов, аноды мощных генераторных ламп, выводы энергии приборов СВЧ, некоторые типы волноводов и генераторов; ее используют для изготовления фольгированного гетинакса, в микроэлектронике в виде осажденных на подложке пленок, играющих роль проводящих соединений между функциональными элементами схемы.
Алюминий почти в 3.5 раза легче меди. Марка А97 (0.03% примесей) используется для изготовления алюминиевой фольги и электродов. А999 (0.001% примесей). Оксидная пленка предохраняет алюминий от коррозии, но создает большое сопротивление в местах спайки, что затрудняет пайку обычными методами. Из оксидированного алюминия изготавливают различные катушки без дополнительной изоляции, но при большой толщине Al2O3 уменьшается гибкость, и увеличивается гигроскопичность.
(3) Тугоплавкие металлы
Температура плавления более 1700°С. Основными тугоплавкими металлами являются металлы, стоящие в середине периода, у которых наряду с металлическими связями есть еще и ковалентные
|
W
Cr
Mo
Один электрон участвует в металлической связи, т.е. делокализован, обобществлен всем кристаллом, а остальные d электроны принимают участие в ковалентной связи. Ковалентная связь прочна. Кристаллическая решетка имеет высокую энергию связи, и требуются высокие температуры, чтобы эту связь разрушить. Для этих металлов характерна высокая твердость, но в то же время они обладают низкой пластичностью. К металлам с высокой температурой плавления относятся W, Mo, Ta, Nb, Cr, V, Ti, Re, Zr; температура плавления [1700;3500]°C. W самый тугоплавкий. Имеет высокую механическую прочность. Используется в качестве нитей в лампах, электронных лампах, в рентгеновских трубках, используется при глубоком вакууме. Недостатки: трудная обрабатываемость и образование оксидных пленок.
(4) Благородные металлы
Не взаимодействуют (почти) с окружающей средой в связи со своей химической стойкостью
Au 99.998%
Ag 99.9999%
Pt 99.9998%
Pd 99.94%
Au – является контактным материалом для коррозионно стойких покрытий
Ag с высокой проводимостью используется в качестве высоких контактов в качестве электродов, производстве конденсаторов
Pt – для изготовления термопар, чувствительных приборов
Pd – заменитель платины (дешевле в 4-5 раз)
(5) Металлы со средним значением температуры плавления.
Fe, Ni, Co
(6) Металлы с невысокими температурами плавления.
Стоят они в нижней части периодической системы: имеют большой радиус, и, как правило, у них нет свободных (не спаренных) d-электронов, и для них характерна металлическая связь. Pb, Sn, Ga, In, Hg. Hg применяется в качестве жидких катодов.
Сплавы
Одним из важнейших свойств металлов является образование сплавов. Расплавленные металлы растворяются друг в друге, образуя при отвердевании твердые смеси – сплавы. Металлическим сплавом называется фаза или комплекс фаз, образующихся при сплавлении металлов при условии сохранения металлических свойств: электро- и теплопроводность. В металлических сплавах сохраняются связи, т.е. и наличие свободных электронов. Если образуются ковалентные связи, то образуются интерметаллические неорганические соединения.
Все металлы по величине диаметра атомов делятся на:
1) при диаметре 2.2-3Å металлы образуют между собой непрерывные твердые растворы. (Mn, Fe, Ni)
2) при диаметре >3Å – не смешиваются с металлами середины длинных периодов. (K, Ca, Si)
3) при диаметре <2Å (не металлы) – образуют ограниченные твердые растворы или фазы внедрения. (Ti, V, Cr)
3-х компонентные системы представляют собой треугольник Гиббса, вершины которого – чистые вещества А, В, С. Соответствующие свойства – в области, перпендикулярной к треугольнику.
Существуют 3-7 компонентные сплавы
Сплавы высокой проводимости.
1) Бронзы – сплавы на основе Cu. Помимо чистой Cu применяют сплавы, содержащие небольшое количество олова (Sn), кремния (Si), фосфора (P), бериллия (Be), хрома (Cr), магния (Mg), кадмия (Cd). При этом ρ увеличивается, зато сплавы обладают более высокими механическими свойствами. Предел при растяжении = 8350 Па. Особенно удачен Cd. При малом уменьшении σ, приводит к значительному увеличению прочности. Еще больше прочности у бериллиевой бронзы.
Латуни – повышенное значение относительного удлинения при увеличении предела прочности. Это обеспечивает технологические преимущества (изготовление токопровдящих деталей).
2) Сплавы алюминия.
Альдрей – содержит 0.3-0.5% Mg, 0.4-0.7% Si, 0.2-0.3% Fe; сохраняет лёгкость алюминия, близок ему по сопротивлению, приближен по механической прочности к твердотянутой меди.
Сплавы для электровакуумных приборов.
На основе металлов со средней температурой плавления (Fe,Ni) созданы сплавы, которые широко применяются в электровакуумных технологиях, т.к. они обладают αL – коэффициент линейного температурного расширения, позволяют получать сокращенные металлические конструкции и спаи со стеклом.
Инвар (Н36) – сплав Fe и 36% Ni
αL = 1*10-6 К-1 при Т = (-100)-100°С.
Ковар – Fe + 29% Ni + 17% Сo
αL = 4.8*10-6 К-1
ρ = 0.5 ρ инвара.
Инвар и ковар применяют для герметизации изделий путём сварки со стеклом, для изготовления конденсаторов с переменной ёмкостью.
Платинид (Н47) – Fe и 47% Ni
αL≈ αL Pt и стекол.
Используется как вводы в стеклянные баллоны
Припои – сплавы для пайки.
Температура плавления припоя < температуры плавления соединения.
На границе металл – припой: припой смачивает металл, растекается и заполняет зазоры, при этом компоненты припоя диффундируют в основной металл, следовательно образуется промежуточная прослойка. Припои делят на мягкие и твердые: мягкие - температура плавления < 300°С, твердые - температура плавления > 300°С. Механическая прочность мягких припоев 16-100 МПа, у твердых 100-500 МПа. Мягкие припои – оловянно-свинцовые, твердые – Cu, Zn, Ag с добавлением вспомогательных материалов.
Вспомогательные материалы (флюсы):
1) растворять и удалять оксиды из спаиваемых металлов.
2) защищать в процессе пайки поверхность от окисления.
3) уменьшать поверхностные натяжения
4) уменьшать растекаемость и смачиваемость припоя
По оказываемому действию:
1) активные (кислотные: HCl, ZnCl2, хлористые и фтористые металлы) – интенсивно растворяют оксидную пленку, но после пайки вызывают коррозию, следовательно, нужна тщательная промывка. При монтажной пайке применение активных флюсов запрещено.
2) Бескислотные флюсы – канифоль и флюсы на ее основе с добавлением спирта и глицерина.
3) Активированные – канифоль + активаторы (солянокислый диметиламин) – пайка без предварительного удаления оксидов после обезжиривания.
4) Антикоррозийные флюсы на основе H2PO3 с добавлением контактол
Контактолы:
1) Ag, Ni, Pd, в порошкообразном виде используют в качестве проводящей фазы в пасте.
2) Высокомолекулярные вещества. Применяются для получения контактов между металлами, металлами и полупроводниками, создания электродов, экранирования от помех…
Керметы
Металлоэлектрические композиции с неорганическими связующими для резисторов, волноводных нагрузок с повышенным значением ρ.
Сплавы высокого сопротивления
Для электроизмерительных приборов, образцовых резисторов, реостатов, электронагревательных приборов.
Среди большого количества сплавов наиболее распространены сплавы на медной основе: манганин и константан. Хромоникелевые и железо-хромо-алюминивые сплавы.
Манганин: Mg – 12%, Ni – 2%, Cu – 86%
Константан: Cu – 60%
max ρ и min αρ ≈ 0 или < 0. При нагреве образуется пленка оксида – оксидная изоляция. Константан в паре с Fe или Cu дает термо-ЭДС.
Хромоникелевые сплавы – изготовление нагревательных элементов, резисторов.
Fe-Cr-Ni (фехроль, хромель) – дешевые сплавы для мощных нагревательных устройств. Недостаток – хрупкость и твердость.
Резистивные сплавы: РС 37-10 – Cr 37%, Fe 10%, Ni 53%. РС 37-01 - Cr 37%, Fe 1%, Ni 69%.
Сплавы для термопар:
1) капель – 56% Cu, 44% Ni
2) олимель – 95% Ni, 5% Al, Si, Mg
3) хромель – 90% Ni, 10% Cr
4) платинородий – 90% Pt, 10% Rd
Наибольшую термо-ЭДС имеют 1) и 2).
Глава 2
Не металлические материалы (полупроводники, диэлектрики и т.д.)
Дата: 2019-07-24, просмотров: 175.
