Человек в мире веществ: материалы, сплавы, удобрения

Чистых металлов в технике почти нет, и это не вопрос цены. Чистое железо мягкое — его можно согнуть руками, и рельс из него не сделаешь. Чистая медь слишком пластична для деталей. Чистый алюминий не держит нагрузку. Практически везде работают сплавы — вещества, полученные сплавлением металла с другими металлами или неметаллами.

Причина, по которой сплав твёрже исходного металла, наглядна. В чистом металле атомы одинаковы и уложены ровными слоями, которые легко скользят друг по другу — отсюда мягкость и пластичность. Добавьте атомы другого размера, и правильность рядов нарушится: слоям станет труднее сдвигаться, металл станет твёрже и прочнее. Заодно у сплава обычно ниже температура плавления, чем у основного металла, — поэтому его легче отливать.

Два самых важных сплава — оба на основе железа, и различает их один элемент, углерод. Чугун содержит углерода больше 2 %: он твёрдый, но хрупкий, его нельзя ковать, зато он прекрасно льётся, и из него делают станины станков, батареи отопления, сковороды. Сталь содержит углерода меньше 2 %: она прочная и ковкая, из неё делают всё, что должно выдерживать удар и изгиб, — от рельса до ножа. Разница в процентах углерода невелика, а разница в поведении принципиальна.

Остальные сплавы школьного курса стоит помнить по составу. Бронза — медь и олово, древнейший сплав человечества, из-за неё целая эпоха названа бронзовым веком. Латунь — медь и цинк, золотистая на вид, из неё делают краны и гильзы. Дюралюминий — алюминий с добавкой меди: лёгкий, как алюминий, но прочный, как сталь, — на нём держится вся авиация. Нержавеющая сталь — сталь с хромом и никелем: хром на воздухе покрывается тончайшей прочной оксидной плёнкой, которая не пускает кислород внутрь.

И на всякий случай различение, которое спрашивают в заданиях: сплав не является химическим соединением. Это твёрдый раствор, то есть смесь, и потому у него нет постоянной формулы и нет чёткой температуры плавления — он плавится в интервале.

Самый распространённый строительный материал планеты держится на трёх реакциях, которые ученик проходит как отвлечённые уравнения, не догадываясь, что это описание целой отрасли.

Шаг первый — обжиг. Известняк, он же мел и мрамор, — это карбонат кальция CaCO₃. В печи при температуре около 900 °C он разлагается: CaCO₃ = CaO + CO₂↑ (кальция 1 и 1, углерода 1 и 1, кислорода 3 и 1 + 2 = 3). Получается негашёная известь CaO, белые куски, с виду безобидные.

Шаг второй — гашение. На негашёную известь льют воду: CaO + H₂O = Ca(OH)₂ (кальция 1 и 1, кислорода 1 + 1 = 2 и 2, водорода 2 и 2). Реакция идёт бурно и с сильным разогревом — вода вскипает, куски шипят и рассыпаются в порошок. Отсюда и название: известь «гасят». Именно поэтому негашёную известь нельзя брать мокрыми руками и нельзя хранить во влажном месте.

Шаг третий — твердение. Гашёную известь Ca(OH)₂ смешивают с песком и водой и получают известковый раствор, которым кладут кирпич и штукатурят стены. Твердеет он не потому, что «высыхает», а потому, что реагирует с углекислым газом воздуха: Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃↓ + H₂O (кальция 1 и 1, кислорода 2 + 2 = 4 и 3 + 1 = 4, водорода 2 и 2, углерода 1 и 1).

Обратите внимание на то, что получилось: тот же карбонат кальция, с которого всё началось. Цепочка замкнулась. Камень из карьера превратили в порошок, порошок нанесли на стену, и он снова стал камнем — только теперь нужной формы. Это самый наглядный в школьном курсе пример того, зачем вообще нужны химические превращения: не чтобы получить новое вещество, а чтобы перенести старое туда, где оно нужно.

Та же химия работает и против нас. Накипь в чайнике — это карбонат кальция, выпавший из жёсткой воды при кипячении, и удаляют её кислотой: CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + H₂O + CO₂↑ (кальция 1 и 1, углерода 1 и 1, кислорода 3 и 1 + 2 = 3, водорода 2 и 2, хлора 2 и 2). В быту вместо соляной кислоты берут лимонную или уксусную — результат тот же, шипение и растворение налёта. И тот же карбонат кальция, разрушаемый кислотой, объясняет, почему кислотные дожди съедают мраморные памятники.

Растению для роста нужны из почвы прежде всего три элемента, и удобрения называют по ним. Азот (N) отвечает за рост побегов и листьев: азотные удобрения дают зелёную массу, и вносят их весной. Фосфор (P) отвечает за корни, цветение и созревание плодов. Калий (K) повышает устойчивость растения к холоду и болезням и улучшает вкус плодов. Удобрение, содержащее все три, называют комплексным; самое известное — азофоска.

Важнейшие азотные удобрения: аммиачная селитра NH₄NO₃, мочевина (карбамид) CO(NH₂)₂, сульфат аммония (NH₄)₂SO₄. Фосфорные — суперфосфат на основе дигидрофосфата кальция и фосфоритная мука Ca₃(PO₄)₂. Калийные — хлорид калия KCl и сульфат калия K₂SO₄. Отдельно стоит калийная селитра KNO₃: она сразу и азотное, и калийное удобрение.

Сельскохозяйственный вопрос «какое удобрение выгоднее» превращается в химический расчёт массовой доли элемента — тот самый, что спрашивают в задании 18. Сравним три азотных удобрения по содержанию азота.

Аммиачная селитра NH₄NO₃. Азота в формуле два атома. Mr = 14 · 2 + 1 · 4 + 16 · 3 = 28 + 4 + 48 = 80. w(N) = 28 : 80 · 100 % = 35 %.

Мочевина CO(NH₂)₂. Азота тоже два атома, но формула легче. Mr = 12 + 16 + (14 + 2) · 2 = 12 + 16 + 32 = 60. w(N) = 28 : 60 · 100 % ≈ 46,7 %.

Сульфат аммония (NH₄)₂SO₄. Азота два атома, но в формуле висит тяжёлый сульфат. Mr = (14 + 4) · 2 + 32 + 16 · 4 = 36 + 32 + 64 = 132. w(N) = 28 : 132 · 100 % ≈ 21 %.

Вывод, который нельзя получить, глядя на формулы: мочевина более чем вдвое богаче азотом, чем сульфат аммония, хотя атомов азота в обеих по два. Решает не число атомов, а то, сколько «балласта» приходится на них в формуле. Именно поэтому мочевину выгоднее возить: на тонну груза приходится почти полтонны действующего вещества.

И обратная задача, которую тоже спрашивают: сколько удобрения внести, чтобы дать растениям нужное количество азота. Здесь массу элемента делят на долю, а не умножают. Чтобы внести 14 кг азота мочевиной, нужно 14 : 0,467 ≈ 30 кг удобрения.

Ржавчина — не грязь и не налёт, а результат химической реакции, и убыток от неё огромен: до четверти всего выплавляемого в мире железа уходит на возмещение проржавевшего.

Первое, что нужно знать: для ржавления нужны два вещества одновременно — вода и кислород. Ни одного в отдельности недостаточно, и это не теория, а лабораторный опыт, который ставят в школе. В три пробирки кладут одинаковые железные гвозди. В первой гвоздь просто на воздухе, сухой. Во второй — под слоем прокипячённой воды, залитой маслом, чтобы воздух не попадал. В третьей — наполовину в воде, наполовину на воздухе. Через несколько дней ржавчина появляется только в третьей. Итог опыта и есть ответ на вопрос задания: ржавление идёт там, где железо соприкасается и с водой, и с кислородом.

Суммарно процесс записывают так: 4Fe + 3O₂ + 6H₂O = 4Fe(OH)₃. Проверим счёт: железа 4 и 4, кислорода 6 + 6 = 12 и 12, водорода 12 и 12. Образующийся гидроксид железа(III) постепенно теряет воду и превращается в бурую рыхлую массу — это и есть ржавчина. Ключевое её свойство: она рыхлая и не защищает металл. Плёнка на алюминии плотная и останавливает окисление, а ржавчина пропускает воду и кислород дальше, поэтому железная деталь проржавевает насквозь.

Защищаются от коррозии четырьмя способами.

Покрытие, не пропускающее воду и воздух: краска, лак, смазка. Просто и дёшево, но при царапине защита кончается.

Легирование: в сталь вводят хром и никель, получается нержавеющая сталь. Хром образует плотную оксидную плёнку, которая и защищает.

Покрытие другим металлом. Здесь важна тонкость, о которой спрашивают. Оцинкованное ведро не ржавеет даже с царапиной: цинк активнее железа, и в паре «цинк — железо» разрушается цинк, а железо остаётся целым. А вот лужёное железо, покрытое оловом (жестяная консервная банка), при царапине ржавеет быстрее обычного: олово менее активно, и в паре разрушается уже железо. Одно и то же действие — покрыть металл металлом — даёт противоположный результат в зависимости от того, что активнее.

Протекторная защита: к стальному корпусу судна или к подземному трубопроводу приваривают пластины более активного металла — цинка или магния. Они разрушаются первыми, их периодически меняют, и конструкция остаётся невредимой.