Проблемные реакции замещения

Ухудшение состояния Статуи Свободы и повреждения на атомных электростанциях Три-Майл-Айленд и Чернобыль — это лишь несколько крупных проблем, возникших из-за незнания химической реакционной способности.

Когда Статуя Свободы была построена более ста лет назад, её внешняя оболочка состояла из 200 000 фунтов меди, поддерживаемой каркасом из 2000 железных стержней. Сначала кислород воздуха окислил медную оболочку, образуя оксид меди. В серии реакций железо (более активный металл) затем восстановило ионы Cu²⁺ в оксиде меди.

За годы эксплуатации железный каркас уменьшился в толщине более чем наполовину, что потребовало ремонта статуи перед празднованием её 100-летия 4 июля 1986 года.

Две крупные аварии на атомных электростанциях — одна на Три-Майл-Айленд недалеко от Гаррисберга, Пенсильвания, в 1979 году, а другая в Чернобыле в Украине в 1986 году — также стали неожиданными последствиями химической реакционной способности. В обоих случаях отказы насосов охлаждения привели к резкому повышению температуры выше 340°C. Как и алюминий, цирконий (используемый в строительстве реакторов) образует оксидное покрытие, которое защищает его от дальнейших реакций. Однако это защитное покрытие разрушается при высоких температурах. Без защитного слоя цирконий вступает в реакцию с паром.

На Три-Майл-Айленд эта реакция замещения привела к образованию пузыря водорода объёмом 1000 кубических футов. Поскольку водород легко воспламеняется от искры, атомная электростанция находилась в реальной опасности полного расплавления, пока водород не был удалён.

В Средние века (400–1400 гг. н.э.) другая реакция замещения ввела алхимиков в заблуждение, заставив их безуспешно искать философский камень, который, как считалось, мог превращать неблагородные металлы, такие как железо и свинец, в более ценные металлы, такие как серебро и золото. Незнание алхимиками относительной активности металлов привело к тому, что они поверили в превращение железа в более ценный металл, когда погрузили железный прут в синий раствор сульфата меди(II). На самом деле произошла следующая реакция замещения, в результате которой на железный прут нанеслась блестящая медь:

В 1960-х и 1970-х годах некоторые производители автомобилей продемонстрировали своё незнание химической реакционной способности, устанавливая алюминиевые водяные насосы и алюминиевые головки двигателей на чугунные блоки двигателей. Эти водяные насосы часто протекали, а головки двигателей быстро разрушались. Эти проблемы возникли из-за реакции более активного алюминия с оксидом железа(III), который образовался при реакции железа двигателя с кислородом воздуха.

Некоторые стоматологи совершали аналогичные ошибки, устанавливая золотые коронки на зубы, соседствующие с существующими пломбами. Слегка окисленное золото может реагировать с амальгамной пломбой (сплавом серебра, олова, меди и ртути). По мере окисления амальгама растворяется в слюне, вызывая у пациента стойкий металлический привкус во рту.

Когда сантехники соединяют оцинкованные трубы (железные трубы, покрытые цинком) с медными трубами, ионы меди окисляют цинковое покрытие, обнажая железо и вызывая его ржавление. Происходит следующая реакция замещения:

Как только цинковое покрытие на железной трубе нарушается, окисление железа происходит быстро, поскольку железо является более активным металлом, чем медь.

Важно помнить, что помимо реакций замещения, описанных здесь, могут происходить и другие реакции. Например, менее активные металлы (такие как медь) могут проводить электроны от окисляемых металлов к окислителям (таким как кислород или оксиды азота и серы), присутствующим в атмосфере. Кислород играет важную роль во всех этих примерах реакций замещения.