Химическая природа окисления металлов

В природе практически все металлы стремятся избавиться от электронов на внешнем энергетическом уровне атома. Когда металл отдает электроны другому веществу, химики называют этот процесс окислением. Кислород в воздухе выступает сильным окислителем. Он жадно забирает чужие электроны, чтобы завершить собственную электронную оболочку.

Атомы железа расстаются с двумя или тремя электронами без особого труда. Как только рядом оказываются молекулы кислорода и капли воды, начинается цепная электрохимическая реакция. Железо переходит в форму ионов, соединяется с гидроксильными группами и кислородом, образуя гидратированный оксид железа. Это вещество мы привыкли называть ржавчиной.

У золота ситуация принципиально иная. Атом золота содержит 79 протонов в ядре и массивную электронную оболочку. Из-за огромного положительного заряда ядра и релятивистских эффектов (сжатия внутренних электронных орбиталей) внешние электроны золота притянуты к центру колоссальной силой. Обычный кислород воздуха и вода при комнатной температуре не могут оторвать у золота ни одного электрона.

Ряд активности металлов и благородство золота

Русский ученый Николай Бекетов еще в девятнадцатом веке выстроил металлы в электрохимический ряд напряжений по их способности отдавать электроны в растворах. В этом ряду самые активные металлы вроде калия, натрия и кальция стоят в самом начале. Они бурно реагируют даже с холодной водой, вытесняя водород.

Железо занимает в этом ряду среднюю позицию, находясь до водорода. Это означает его способность относительно легко растворяться в кислотах и окисляться во влажной среде. Золото замыкает этот ряд, располагаясь далеко за водородом вместе с платиной. Подобные элементы называют благородными металлами именно за их химическую пассивность и гордое нежелание вступать в союзы с привычными веществами атмосферы.

Почему ржавчина убивает железо, а патина защищает медь и алюминий

Окисление само по себе не всегда приводит к гибели металла. Алюминий химически гораздо активнее железа и жадно реагирует с кислородом за доли секунды. Однако пленка оксида алюминия получается плотной, твердой и беспористой. Она намертво прилипает к поверхности и герметично перекрывает доступ кислорода к следующим слоям металла.

У железа процесс идет по катастрофическому сценарию. Объем образующейся ржавчины примерно в шесть раз превышает объем исходного металла. Новообразованный слой вспучивается, трескается и отслаивается чешуйками. Внутри этой рыхлой массы остается множество микропор. Вода и кислород сквозь поры беспрепятственно проникают вглубь, разрушая деталь слой за слоем до полного распада.

Простые опыты по изучению коррозии железа

Поведение железа можно легко проверить на домашних опытах с обычными строительными гвоздями. Для этого понадобятся четыре чистые стеклянные баночки и четыре одинаковых обезжиренных гвоздя.

  1. В первую банку помещают гвоздь и насыпают силикагель или прокаленную соль, закрывая крышку наглухо для создания сухого воздуха.
  2. Во вторую банку наливают обычную воду из-под крана так, чтобы гвоздь наполовину торчал на воздухе.
  3. В третью банку наливают кипяченую воду (кипячение удаляет растворенный кислород) и заливают сверху слой подсолнечного масла для изоляции от воздуха.
  4. В четвертую банку наливают воду и щедро насыпают поваренную соль, оставляя гвоздь наполовину погруженным.

Через несколько суток результат нагляден. Первый гвоздь в сухом воздухе останется блестящим. Гвоздь под слоем масла без доступа кислорода почти не изменится. Образец в обычной воде заметно покроется рыжим налетом на границе воды и воздуха. Быстрее и сильнее всего разрушится гвоздь в соленой воде. Ионы хлора разрушают естественные защитные микропленки железа и резко ускоряют электрохимическую реакцию.

Способно ли золото раствориться или окислиться

Утверждение об абсолютной неуязвимости золота верно только для обычной жизни. Химики нашли реагенты, способные справиться даже с этим благородным металлом. Самый известный состав называется царской водкой. Это смесь концентрированных азотной и соляной кислот в пропорции один к трем по объему.

Азотная кислота выступает сильным окислителем, отрывая единичные электроны золота, а соляная кислота предоставляет ионы хлора, связывающие образовавшиеся ионы золота в прочный комплекс. Комплекс уходит в раствор, освобождая место для новой атаки окислителя. Также золото охотно реагирует со свободными галогенами при нагревании и растворяется в растворах цианидов щелочных металлов в присутствии кислорода, что используют на золотодобывающих фабриках.

Частые вопросы

Почему золотые украшения иногда оставляют темные полосы на коже?

Чистое золото полос не оставляет. Ювелирные изделия делают из сплавов, добавляя медь, серебро или никель для прочности. Темный след дает окисление этих добавок под действием пота и компонентов косметики.

Можно ли полностью остановить ржавление железа?

Остановить реакцию можно изоляцией металла от внешней среды. Для этого используют цинкование, хромирование, окрашивание полимерными эмалями или добавление хрома и никеля в сам сплав при выплавке нержавеющей стали.

Что происходит с золотом при сильном нагревании на воздухе?

При нагревании на воздухе вплоть до температуры плавления золото сохраняет блеск и химическую чистоту. Оно плавится при температуре около тысячи шестидесяти четырех градусов Цельсия, оставаясь чистым жидким металлом без образования окалины.

Почему в морской воде корабли ржавеют быстрее, чем в пресной реке?

Морская вода насыщена солями, прежде всего хлоридом натрия. Растворенные ионы превращают воду в отличный проводник электрического тока (электролит), что во много раз ускоряет электрохимическое разрушение стали.