Примеры решения практических заданий и задач
1. Для легирования стали требуется внести в расплав титан, чтобы его массовая доля составила 0,12 %. Какую массу сплава ферротитана надо добавить к расплаву стали массой 500 кг, если массовые доли металлов в ферротитане составляют: титана – 30 %, железа – 70 %?
Решение. Вводим обозначение: х – масса требуемого ферротитана, т. е. т (ферротитана) =х кг. Тогда масса титана составляет:
m(Ti) = m(ферротитана) 
w(Ti);
где w – массовая доля титана, в долях от единицы; m(Ti) = 0,3х (кг).
Находим массу стали М(стали) после добавления ферротитана в расплав:
М(стали) = m(стали) + m(ферротитана);
М(стали) = (500 + х) кг,
где: m(стали) – масса исходного расплава стали.
Массовая доля титана в полученном сплаве составляет
w(Ti) = m(Ti) / М(стали) .
Учитывая, что w(Ti) = 0,0012, получаем
0,0012 = 0,3х / 500 + х
Решая полученное уравнение, находим, чтох = 2,01, т. е. масса ферротитана, который надо внести в расплав, составляет 2,01 кг.
2. Сплав феррованадий содержит железо (массовая доля 55 %) и ванадий (45 %). Какую массу феррованадия надо добавить к стали массой 200 кг, чтобы увеличить массовую долю ванадия в ней с 0,4 до 1,2 %?
Решение. Обозначаем: х – массу феррованадия, который надо добавить к стали, т. е. т(феррованадия) = х кг. Масса ванадия в этом сплаве m1(V) равна:
ml(V) = m(феррованадия) w1(V);
где w1 – массовая доля ванадия в сплаве феррованадий, в долях от единицы;
ml(V) = 0,45 х кг.
В исходном образце стали также содержится ванадий, его масса m2(V) составляет:
m2(V) = m( стали) w2(V);
где w2 – массовая доля ванадия в стали, в долях от единицы;
m2(V) = 200 0,004 кг = 0,8 кг.
Определяем общую массу ванадия в сплаве после добавления феррованадия:
m(V) = ml(V) + m2(V);
m(V) = (0,45х + 0,8) кг.
Находим массу сплава после добавления феррованадия:
m'(стали) = m(стали) + m(феррованадия);
m'(стали) = (200 + х) кг.
Массовая доля ванадия в сплаве будет равна:
w(V) = m(V) / m'(стали).
Учитывая, что по условию задачи w(V) = 0,012, получаем
0,012 = 0,45х + 0,8 / 200 + х.
Решая полученное уравнение, находим: х = 3,65, т. е. к стали надо добавить феррованадий массой 3,65 кг.
3. Сплав железа с хромом – феррохром получают восстановлением хромистого железняка Fe(CrO2)2. Определите массовые доли металлов в полученном сплаве, учитывая, что соединения железа и хрома, входящие в состав руды, восстанавливаются полностью, а сплав содержит углерод и другие примеси, массовая доля которых равна 5 %.
Решение. Выбираем для расчетов образец хромистого железняка Fe(CrO2)2 массой 100 г, т. е. m Fe(CrO2)2 =100 г. Определяем количество вещества хромистого железняка:
n(Fe(CrO2)2) = m(Fe(CrO2)2) / М(Fe(CrO2)2);
n(Fe(CrO2)2) = 100 / 224 = 0,4464 моль.
Из формулы хромистого железняка следует:
n(Fe) = n(Fe(CrO2)2);
n(Fe) = 0,4464 моль;
n(Cr) = 2n(Fe(CrO2)2);
n(Cr) = 2 0,4464 моль = 0,8928 моль.
Массы железа и хрома, которые могут быть получены, составляют:
m(Fe) = n(Fe) M(Fe); m(Fe) = 0,4464 56 г = 25,00 г;
m(Cr) = n(Cr) M(Cr); m(Cr) = 0,8928 52 г = 46,43 г.
Массовая доля железа и хрома в сплаве составляет:
w(Cr) + w(Fe) = 1 – w(примесей);
w(Cr) + w(Fe) = 1 – 0,05 = 0,95.
Находим массу сплава, который будет получен:
m(сnлава) = (m(Fe) + m(Cr)) / (w(Cr) + w(Fe);
m(сnлава) = 25,00 + 46,43 / 0,95 = 75,19 г.
Определяем массовые доли железа и хрома в полученном феррохроме:
w(Fe) = m(Fe) / m (сплава); w(Fe) = 25,00 / 75,19 = 0,3325 или 33,25 %;
w(Cr) = m(Cr) / m (сплава); w(Cr) = 46,43 / 75,19 = 0,6175 или 61,75 %.
Ответ: w(Fe) = 0,3325 или 33,25 %; w(Cr) = 0,6175 или 61,75 %.
4. Найдите число степеней свободы в системе свинец – висмут, если из расплаваPb–Bi будут выпадать кристаллы Bi.
Решение. Число степеней свободы С в равновесной гетерогенной системе подсчитывается с помощью уравнения правила фаз:
С = К – Ф + 2,
где К – число независимых компонентов системы; Ф – число фаз в системе. Для систем, состоящих только из твердых и жидких фаз, давление не учитывается, поэтому уравнение правила фаз записывается:
С = К – Ф + 1.
В данном случае: С = 2 – 2 + 1. Эта система имеет одну степень свободы, поэтому до известного предела можно изменять температуру или концентрацию компонентов системы без нарушения равновесия системы.
5. Сплав содержит 30 % Pb и 70 % Sb. В 800 г сплава присутствует 524 г жидкой фазы, содержащей свинец, вкрапленный в эвтектику. Рассчитайте состав эвтектики.
Решение. Эвтектическому сплаву Sb–Pbотвечает следующая диаграмма плавкости (рис. 17). Над линией АЕВ – область жидкого раствора; точка А – температура плавления чистой сурьмы; точка В – температура плавления чистого свинца. Область КАЕ – область жидкого сплава с кристаллами сурьмы. Область ВЕL – область жидкого сплава с кристаллами свинца (пример нашей задачи). Точка Е (246°С) – точка кристаллизации эвтектики. Этот сплав имеет самую низкую температуру кристаллизации. Ниже линии КЕLсплав находится в твердом состоянии.
Рис. 17. Диаграмма плавкости.
Находим массу каждого металла, содержащуюся в 800 г сплава:
m(Pb) = 8000,3 = 240 г;
m(Sb) = 8000,7 = 560 г.
Масса эвтектического сплава равна
800 – 524 = 276 г.
По массам сурьмы и свинца, содержащимся в эвтектическом сплаве, определяем процентный состав эвтектики:
w(Pb) = 240:276100 % = 87 %
w(Sb) = (276 – 240):276100 % = 13 %
Ответ: w(Pb) = 87 %, w(Sb) = 13 %
6. Как записать анодный и катодный процессы при коррозии лужёной медной фольги в кислой среде (рН = 2) и лужёного стального листа в слабощелочной среде (рН = 8) при нарушении сплошности покрытий?
Лужёные изделия – покрытые оловом. В гальванической паре Sn–Cu, судя по расположению металлов в ряду напряжений, олово – анод – будет разрушаться. Открытые из–за царапин участки из меди – катодные участки, на которых будет восстанавливаться водород, так как среда кислая:
Если мы залудили стальной лист и случайно поцарапали, то в этом случае анодом в гальванопаре олово–железо будут железные проблески: в ряду напряжений 
= –0,44 В, а 
= –0,14 В. Если ещё сказать, что в плёнке влаги на поверхности листа среда слабощелочная (рН = 8), то анодные и катодные реакции запишутся так:
Итак, в случае возникновения контактной разности потенциалов (при нарушении сплошности покрытия или другим причинам) разрушаются участки более активного (по ряду напряжений) металла: разрушается (окисляется) анод. На катоде в зависимости от среды (рН < 7, рН > 7) идёт реакция восстановления водорода или кислорода (водородная или кислородная деполяризация).
7. Будет ли корродировать во влажном воздухе (рН = 5) никелевая пластинка, покрытая медью, если её поцарапать? Будет ли корродировать рядом лежащая медная пластинка покрытая никелем, если поцарапать её? А такая же «царапанная» медная, но позолоченная? Ответ подтвердите уравнениями предполагаемых реакций электрохимической коррозии.
Выпишем фрагмент ряда напряжений: …Ni…H…Cu…Au.
Отсюда сразу видно, что медь на никелевой пластинке – катодное покрытие. Да, пластинка будет корродировать: в паре с медью металл никель – анод.
Наоборот, никелированная, в царапинах медная пластинка не будет корродировать. В этом случае мы имеет дело с анодным покрытием, так как в паре с медью никель – анод, разрушается материал защиты. Естественно, что анодная и катодная реакции не изменяются:
Медная пластинка, покрытая золотом и поцарапанная, будет корродировать: медь активнее золота. Медь – анод, золото – катод.
8. Приведите пример анодного покрытия на стали (т. е. на железе), и катодного – на титане. Запишите анодные и катодные реакции электрохимической коррозии во влажной среде при повреждении покрытий в обоих случаях: в первом – при рН = 3, во втором – при рН = 8.
Очень простые задания: типичное анодное покрытие для стали – оцинковка. Цинк активнее : 
В, 
В.
Наоборот, по отношению к титану, для которого 
В, цинк ( 
В) будет катодом. В случае катодного покрытия нарушение его целостности нежелательно, так как разрушаться будет защищаемый металл – сама конструкция.
9. Какая часть гвоздя наиболее будет подвергаться коррозии, если гвоздь забит в доску деревенского забора лишь наполовину?
Известно, что наименее аэрируемые участки металлической поверхности наиболее подвержены коррозии – это анодные участки. Обдуваемые воздухом (больше кислорода) части гвоздя – катодные участки. Поэтому более подвержена коррозии та часть гвоздя, которая «сидит» в доске:
10. Где при прочих равных условиях будет интенсивнее корродировать стальная арматура: во влажном бетоне (рН = 12) или влажной земле (рН = 5)? А алюминиевая?
Катодная реакция ускоряется в кислой среде: 2H+ + 2 
→ H20, а, следовательно, интенсивнее будет происходить и анодная реакция – коррозия железа. Щелочная среда подавляет коррозию за счёт замедления катодной реакции в щелочной среде:
поэтому и скорость анодной реакции (коррозии стального прута) в бетоне будет заметно ниже. Алюминий – активный амфотерный металл, легко химически взаимодействует со щёлочью, окисляясь и разрушаясь в щелочной среде. Поэтому алюминиевые изделия не терпят контакта с щелочными веществами, в том числе цементными и известковыми растворами и изделиями на их основе (влажные цементный камень и бетон).
11. Как записать процессы, происходящие при коррозии изделия из конструкционной стали во влажной среде, где рН = 8? Какие фазы стали являются катодом, а какие – анодом?
Во влажной среде происходит электрохимическая коррозия. Остаётся назвать материалы анода и катода.
Конструкционная сталь состоит в основном из частиц феррита (почти чистое железо), контактирующих с кристаллитами цементита (карбид железа Fe3C). Вспомним, что энергия атомов металла в свободном состоянии больше энергии атомов этого металла в состоянии химической связи с другими атомами. В терминах электродных потенциалов очевидно неравенство 
. Следовательно, частицы феррита (Fe) – аноды (точки коррозии), зёрна цементита (Fe3C) – катоды, где происходит восстановление кислорода, так как по условию рН = 8. Запишем уравнения реакций на «электродах».
Ионы Fe2+ диффундируют в жидкую фазу – плёнку раствора электролита, под покровом которой на поверхности нашего стального изделия и развивается процесс электрохимической коррозии. В жидкой фазе ионы Fe2+ и ОН– соединяются, образуя нерастворимый гидроксид:
Fe2++2ОН– → Fe(OH)2.
В присутствии кислорода быстро идёт окисление:
4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3
Продукт коррозии рыже-бурого цвета соединение переменного состава 
– входит в состав ржавчины. Обратим внимание на то, что ржавчина – продукт коррозии только железа. Поэтому ни один другой металл «ржаветь» не может, а может только корродировать.
12. Что происходит с гвоздём в сухом воздухе при высокой температуре?
Гвоздь почти весь железный. В сухом воздухе при высокой температуре происходит поверхностная химическая (газовая) коррозия, образуется железная окалина 
:
3Fe + 2O2 → Fe3O4
13. Почему в реакции цинковой горошины с соляной кислотой выделение водорода через некоторое время «гаснет», но вновь оживляется, если в пробирку добавить каплю раствора сульфата меди–II?
Сначала в пробирке идёт обычная реакция растворения цинка в кислоте:
Но через некоторое время выделение водорода затрудняется, реакция тормозится слоями из пузырьков водорода, прилипающими к поверхности цинка из-за сил межмолекулярного взаимодействия (сорбционные силы). При добавлении в пробирку капли раствора медной соли происходит восстановление меди:
Zn + CuSO4 → ZnSO4 + Cu
Медь осаждается на поверхности горошины в виде веснушек на лице – образуется множество классических микрогальванических пар цинк-медь в растворе кислого электролита. Тотчас начинается электрохимическая коррозия в кислой среде.
Выделяющийся «электрохимический» водород явно оживляет процесс разрушения цинка в кислоте.
14. Чем принципиально отличается химическая коррозия от электрохимической?
В случае химической коррозии процессы окисления и восстановления (–n , +n ) реализуются в точке пространства (окислитель «забирает» электроны непосредственно у восстановителя). В электрохимической коррозии процессы окисления и восстановления пространственно разделены (окисление – на аноде, восстановление – на катоде).
И ещё, пожалуй, тем, что если коррозия, то почти всегда электрохимическая – во влажной среде («сухая» среда – редкость, а «пустой» воды не бывает. В воде всегда кто-то или что-то есть).
15. Для чего контакты современных электронных приборов и аппаратов серебрят и даже золотят?
Для надёжности и качества: серебро и особенно золото – инертные коррозионностойкие металлы с высокой электропроводностью.
