Химия и Химики № 5 2020
Журнал Химиков-Энтузиастов
| Оглавление | Видео опыты по химии | Видео опыты по физике | На главную страницу |
|
Химия и Химики № 5 2020 Журнал Химиков-Энтузиастов |
Химические фотографии: металлы (ч.2) Chemical photos: metals |
|
Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter
Начало в №3 2020 Химические фотографии: металлы. Chemical photos: metals [ссылка].
Медь Медные трамвайные провода. Они новые, поэтому в солнечный день провода красиво блестели красным. На нижних фото - обрыв трамвайного провода. Причем, ни на снимках, ни вживую было не видно, что оборванный провод медный - проволока потемнела от окисления на воздухе. |
Медные трамвайные провода |
|
|
|
|
|
Медные плиты, из которых нарезают растворимые аноды для гальванических ванн блестящей меди. Для электролита сернокислотного меднения нужны специальные медные аноды, которые содержат немного фосфора (0.03-0.16%). Надпись "АМФ" означает аноды медно-фосфористые (ГОСТ 767).
На последнем фото также видно мотки медной проволоки, с помощью которой подвешивают покрываемые изделия в гальванических ваннах (официально это называется "монтаж изделий в гальванических ваннах"). |
|
|
|
|
|
|
Кусок, вырезанный из медного анода, который уже был в гальванической ванне. Видно кристаллы меди. Этот кусок меди использовали в качестве анода для лабораторной ячейки Хулла (служит для тестирования электролитов в мелких масштабах, чтобы для экспериментов не использовать промышленные ванны).
|
|
|
Бериллиевая бронза - сплав меди с небольшим количеством бериллия (0.5-3%). Используется в пружинах, для изготовления упругой проволоки, неискрящих инструментов (для работы в помещениях с повышенной опасностью пожара или взрыва), музыкальных инструментов, в криогенной технике и др. Зачем этот лист бериллиевой бронзы понадобился на гальванике - не знаю.
|
|
|
Патина - многослойный налет сложного строения, который образуется на изделиях из меди ее сплавов под действием атмосферы (естественная патина) или наносится искусственно (искусственная патина). Состоит преимущественно из основного карбоната меди.
Удаление патины со старых монет или других изделий в некоторых случаях может привести к их порче. |
|
|
|
|
|
Алюминий
За компанию с медными плитами рядом стоял алюминиевый лист. Как он там оказался - неизвестно. Для нужд местной гальваники используется алюминиевая проволока, но не листы. С помощью алюминиевой проволоки подвешивают детали в ванне хромирования, плюс алюминиевая проволока служит в качестве нагрузки (стержни, которые подвешивают к катодной штанге для обеспечения более равномерного распределения электрического поля в ванне, без чего невозможно получить равномерное гальваническое покрытие). |
|
Нагрузка в ванне хрома (алюминиевая проволока d=5-6 мм) |
В ванну блестящего хромирования опущена деталь |
|
Радиатор из компьютера. Медная вставка, непосредственно соприкасающаяся с корпусом процессора, запрессована в алюминий. Мне не совсем понятно, почему они не окисляются. Сначала подумал, что они могут быть электрически изолированы друг от друга, но омметр показывает, что это не так. Видел скрутку медного и алюминиевого провода, так она окислялась регулярно.
Вероятно, дело в том, что нет электролита для образования гальванической пары. Думаю, если положить радиатор в сырое место, то довольно скоро можно наблюдать следы коррозии. Ну и, как вариант, сплавы могут быть легированы небольшим количеством присадок для защиты от окисления, т.к. окисная пленка дает дополнительное тепловое сопротивление, а тут это важно. Кстати, реально, медные и латунные части радиаторов удивительно долго сохраняют свой цвет, чистая медь (например, из не покрытых изоляцией проводов) на воздухе уже бы потемнела. |
|
|
|
Никель
Никелевые плиты, из которых нарезают растворимые аноды для гальванических ванн (ванна блестящего никеля, ванна матового никеля и "никель-страйк"). |
Слева - никель, справа - медь. Масса плит - около 20 кг (можно было бы использовать для занятий спортом на работе, если бы не острые края) |
|
|
Сплав мельхиор (лист). Сплав меди и никеля, иногда содержит небольшие добавки железа и марганца. Внешне напоминает серебро. Мельхиор отличается хорошей химической устойчивостью. Из него делают серебристые монеты, посуду, сувениры и недорогие украшения, медицинские инструменты, ответственные детали приборов и кораблей.
|
|
|
|
|
В свое время мельхиор существенно потеснил серебро в деле изготовлении столовых приборов, поскольку он более дешевый и механически прочный.
Позже для изготовления кухонной утвари, украшений, наград, монет и т.д. вместо мельхиора стали использовать другой сплав никеля - нейзильбер (от немецкого "новое серебро"). Этот сплав аналогичен мельхиору, но дополнительно содержит цинк (медь с 5-35% никеля и 13-45% цинка). По внешнему виду, коррозийной устойчивости и механическим свойствам нейзильбер напоминает мельхиор, но стоит дешевле. Столовые приборы из нейзильбера покрывают серебром - иначе у пищи ощущается металлический привкус. Разумеется, в процессе эксплуатации серебряное покрытие постепенно стирается. В детстве металлический привкус ложек приходилось неоднократно ощущать. Со временем предметы из сплавов мельхиор и нейзильбер покрываются налетом из-за окисления, что портит внешний вид столовых приборов. Хотя нейзильбер вытеснил мельхиор при изготовлении столовых приборов и т.п., изделия из сплава нейзильбер по привычке часто называют "мельхиоровые". Позже столовые приборы стали делать из более дешевой, а также - прочной и достаточно устойчивой нержавеющей стали. |
Ложки из нейзильбера, которые покрылись налетом |
Чистка кухонной утвари из нейзильбера (мельхиора) - целая наука (или мука - кому как) |
|
А это - шедевр производства. Покрытие никель-хром снимают с колес смесью: азотная кислота - плавиковая кислота. Зачем? Чтобы потом... покрасить колеса черной краской. Ванна со смесью кислот стоит просто в проходе без всякой вытяжки. Единственная защита от оксидов азота и паров кислот, которые из нее летят, - полиэтиленовая пленка. Погрузили колесо - накрыли клеенкой. Когда кислота свежая (не израсходована на реакцию с металлами), запах стоял на полцеха. Приоткроешь пленку - поднимется бурое облако.
|
|
|
|
|
|
|
Железо, кобальт
Осколок гранаты Ф-1. Такое приходится видеть не часто. Эту штуку нашел наш старший лейтенант на территории КСП (командно-связной пункт), причем тогда мы были не на полигоне, а в зоне боевых действий. В учебниках пишут, а незнающие инструкторы повторяют, что зона поражения осколками от наступательной гранаты Ф-1 - 200 м, а от оборонительной гранаты РГД - 30 м. Это - ерунда (почти полная). Что сказали более грамотные преподаватели. Большинство осколков гранаты Ф-1 - со спичечную головку и меньше - они далеко не летят. Немногие осколки - с ноготь и больше. Если граната взрывается на земле (не в воздухе) - половина осколков просто уходит в землю (элементарная геометрия). Если хорошо бросить гранату Ф-1, то нужно, чтобы повезло (точнее - не повезло), чтобы тебя убило ее осколками. Реальное опасное расстояние - пару десятков метров для Ф-1 и 3-5 метров - для РГД. А откуда цифры: "200 м" и "30 м"? Скорее из соображений техники безопасности (на учениях) - крупные фрагменты корпуса (например, отлетевший запал) могут убить или ранить на значительном расстоянии. Например, в "учебке" был случай, когда запал от гранаты РГД попал инструктору по берцу метров с 45. Но глупо надеяться поразить гранатой с такого расстояния противника. |
|
|
|
|
|
|
Осколки ручной гранаты РГД (и остатки запала). А такого добра по полигонам валяется - хоть отбавляй. Ниже - гильзы 5.45 мм - сталь, покрыты лаком, быстро ржавеют. После стрельб их заставляют собирать и сдавать (особенно приятно собирать гильзы на ночных стрельбах - с фонариками).
На двух последних фото - автоматные патроны. Стальная гильза, стальная пуля. С зеленой маркировкой - трассирующие пули, с черной - "усиленные" или "бронебойные" пули (на фото их нет) - пули с сердечником из термоупрочненой углеродистой стали или металлокерамики (последнее - не в данном случае). Без цветной маркировки - "обычные" пули. Пули по внешнему виду похожи на медные, но оболочка пуль на самом деле не медная, а стальная - плакированная томпаком. Это хорошо видно по пулям которые полежали некоторое время в грунте (в местах, где оболочка повреждена нарезами, пули активно корродируют - ржавеют). (Томпак - разновидность латуни, т.е. сплав меди с цинком; плакирование - нанесение металлического покрытия термомеханическим способом). |
|
|
|
|
|
Железная стружка с цветами побежалости.
Цвета побежалости образуются на гладкой поверхности металла (а также - минерала). Они являются результатом интерференции света в тонкой прозрачной пленке оксида, которая покрывает поверхность. Оксидная пленка может возникать в результате нагревания металла или химического/электрохимического действия без нагревания (ниже - см. пример с титаном [перейти]). До появления пирометров по цветам побежалости судили о температуре нагрева стали при ее обработке (поскольку при быстром нагреве цвета побежалости сменяли друг друга - по мере роста толщины оксидной пленки). В данном случае по цветам побежалости можно судить о нагреве стружки, а, следовательно, и резца (или сверла). Приведу цитату из Википедии:
"Для углеродистой стали характерны следующие переходы цвета: соломенный (220°C), коричневый (240°C), пурпурный (260°C), синий (300°C), светло-серый (330-350°C). Для нержавеющих сталей изменение цвета при нагреве на воздухе наблюдается: светло-соломенный (300°C), соломенный (400°C), красно-коричневый (500°C), фиолетово-синий (600°C), синий (700°C)." |
|
|
Ниже показаны: стальное лезвие и стальная пластина, подвергнутые нагреванию (причем - неравномерному) в результате на них возникли цвета побежалости. Для сравнения даны фото металлического висмута и минерала антимонит (сульфид сурьмы (III)) - на них наблюдаются красочные цвета побежалости.
|
|
|
Металлический висмут |
Минерал антимонит (сульфид сурьмы (III)) |
|
Сплав победит. Твердый сплав, который по твердости приближается к алмазу. Точнее, это не сплав, а композит - металлический кобальт с карбидом вольфрама (90% карбида вольфрама - обладает высокой твердостью и 10% кобальта в качестве связки). Получают методом порошковой металлургии. Используется для изготовления твердых резцов и другого металлообрабатывающего инструмента. На фото показаны фрагменты сломанного резца. Поскольку кобальт - ферромагнитный металл, победит притягивается к неодимомому магниту, хотя кобальт - не основной компонент композита (см. последнее фото).
|
|
|
|
|
Титан
Титановый стержень и титановый диск. Изделия из титана значительно более легкие, чем такие же по объему изделия из железа и его сплавов. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Титановый лист, на поверхности которого выжжены углубления лазером. Углубления несквозные (как видно на последнем фото - лист тот же, но перевернутый).
|
|
|
|
|
Выше был рассмотрен пример получения цветов побежалости путем нагревания стали на воздухе [перейти]. Еще один вариант - анодирование титана. Основная идея заключается в том, что если вы используете титановую деталь в качестве анода (погруженного в электролит), вы окисляете ее, образуя тонкий оксидный слой. Слой является электроизоляционным, поэтому по мере роста он замедляет / останавливает реакцию. Чтобы преодолеть электрическое сопротивление слоя, вы должны повысить напряжение, что заставляет оксидный слой расти дальше, пока не будет достигнута такая толщина, что ток при данном напряжении перестанет течь.
В случае стали цвета побежалости зависят от величины температуры нагрева, в случае анодирования титана - от величины приложенного напряжения. Что касается самих цветов, это результат явления интерференции. Свет отражается как от нижележащего металла, так и от слоя над ним, и в зависимости от толщины оксидного слоя (т.е. насколько длиннее путь света, отражающегося от металла, по сравнению со светом, отражающимся от слоя оксида), у вас будет наблюдаться усиление или ослабление света за счет интерференции - разное для света с разными длиннами волн. Ослабление одних длинн волн и усиление других в спектре белого света мы воспринимаем как появление разных цветов. |
|
Интерференция света в тонкой пленке. Альфа - угол падения, бета - угол преломления, верхний луч отстанет от нижнего, они сводятся глазом в один и интерферируют (т.е. усиливают или ослабляют друг друга, в зависимости от разности фаз, которая зависит от разности пройденных путей - т.е., от толщины пленки). |
|
Цинк
Гранулы цинка - я их часто использую для различных экспериментов. Как пример на фото показана реакция цинка с разбавленной серной кислотой. После окончания выделения водорода и охлаждения раствора в бутылке выпал осадок бесцветных кристаллов сульфата цинка ZnSO4·7H2O. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Растворимые цинковые аноды ванны щелочного цинка (извлечены из ванны). Аноды уже были в работе, поэтому блестящая поверхность металла потеряла свой вид. Вокруг цинковых анодов намотана железная проволока, необходимая для образования гальванической пары железо-цинк, которая облегчает растворения металлического цинка в электролите. В отличие от растворимых медных или никелевых анодов, цинковые аноды не подключают к электрическому току, который идет через ванну. Растворения цинка происходит за счет образования гальванической пары. Ну, если быть честным, - я подключал цинковые пластины к анодной шине (т.е. к току, который идет через ванну), чтобы ускорить их растворение и поднять концентрацию цинка в электролите, но технологией это не предусмотрено.
Ниже - сама ванна щелочного цинкования. Пластины по центру - нерастворимые (инертные) железные аноды. |
|
|
|
|
Олово
Оловянные аноды с железными крючками. Используются в качестве растворимых анодов ванны олово-висмут. На первом фото - новые оловянные аноды (их только что отлили), дальше - аноды в ванне для промывки, далее - аноды, вынутые из ванны и очищенные от черного налета. С одной стороны анодов четко видно кристаллическую структуру. А на последнем фото четко видны результаты коррозии стальных болтов и крючков анодов под действием серной кислоты (входит в состав электролита). Причина - рабочий наливает в ванну слишком много воды, в результате стальные болты и крючки погружаются в электролит и постепенно растворяются. Железо попадает в электролит, что недопустимо и может привести к необратимому выходу ванны из строя. На моей памяти один раз такое уже было. Большую ванну пришлось вылить в канализацию. А, учитывая, что там директор уволил технолога с целью экономии на зарплате, - бог им в помощь. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Золото, серебро, платина
Растворение позолоченных контактов в азотной кислоте и отфильтрованные частички золота. |
|
|
|
|
Хлопья золота на поверхности раствора.
|
|
|
Растворение лома золота в царской водке после обработки его азотной кислотой (для удаления большей части меди и других металлов).
Золото растворяется в царской водке, давая золотохлористоводородую кислоту (HAuCl4 - тетрахлороаурат(III) водорода) ярко-оранжево-желтого цвета. Золотохлористоводородная кислота после удаления избытка азотной и соляной кислот упариванием может быть избирательно восстановлена обратно - до металлического золота с помощью диоксида серы. |
|
|
|
Печатная плата с позолоченными контактами.
|
|
|
Плавление рафинирование золота. Переработка золота из лома - хороший источник этого блестящего драгоценного металла, в данном случае был получен слиточек весом 15 г. Золото имеет относительно низкую температуру плавления (1337.33К / 1064.18°C / 1947.52°F)), а это означает, что его можно расплавить с помощью метаново-кислородной горелки. Другим благоприятным фактором при плавлении золота - по сравнению с плавлением серебра - является то, что для золота не требуется флюс из буры, который следует использовать в случае серебра для предотвращения окисления расплавленного металла (точнее чтобы в расплавленном серебре не растворялся кислород).
Интересный факт: Мировой океан содержат золото. Измеренные концентрации золота в Атлантике и северо-восточной части Тихого океана составляют 50-150 фмоль/л или 10-30 частей на квадриллион [1000000000000000] - (около 10-30 г/км3). В целом, концентрации золота для образцов из Южной Атлантики и центральной части Тихого океана одинаковы (~50фмоль/л), но данные менее достоверны. Глубокие воды Средиземного моря содержат немного более высокие концентрации золота (100-150фмоль/л), что приписывается переносимой ветром пыли и/или рекам. При концентрации 10 частей на квадриллион земные океаны содержали бы 15000 тонн золота. Фриц Габер (Fritz Haber) (немецкий изобретатель процесса Габера - первый успешный промышленный синтез аммиака) провел исследование по извлечению золота из морской воды, чтобы помочь Германии выплатить репарации после Первой мировой войны. На основании литературных данных по содержанию золота в морской воде - от 2 до 64 ч/млрд. казалось возможным успешное извлечение золота в коммерческих целях. Однако, после анализа 4000 проб воды, в среднем давших значение 0.004 ч/млрд, стало ясно, что добыча невозможна, и он остановил проект. (Предыдущие результаты оказались сильно завышенными из-за попадания золота из посуды, реактивов и других источников загрязнения). Рентабельного механизма для извлечения золота из морской воды пока не разработано. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Фриц Габер (Fritz Haber) |
|
Наконечники из латуни до и после нанесения серебра. Чтобы определить массу нанесенного серебра, наконечники пришлось взвесить до и после ванны серебрения.
|
|
|
|
|
|
|
Плавление серебра. Металл плавили в керамическом тигле с помощью кислородно-метановой горелки в течение примерно 1 часа. Серебро плавили под слоем буры (это предотвращает окисление расплавленного серебра [точнее - поглощение расплавленным серебром кислорода, если этого не избежать, то потом - при затвердевании металла кислород высвободиться в газовую фазу, что приведет к разбрызгиванию расплавленного серебра]).
После того, как весь металл стал жидким, мы просто бросили его в ведро с водой и достали этот блестящий кусок серебра. |
|
|
|
|
Серебро (очищенное), полученное из лома.
|
|
|
Растворение навески нитрата серебра (используется для определения хлоридов методом Мора). Необходимо использовать дистиллированную или деионизированную воду, т.к. обычная вода содержит хлориды, которые дают осадок с катионами серебра.
|
|
|
|
|
|
Электроды, покрытие платиной.
|
|
