Курс общей химии. Мингулина, Масленникова, Коровин_1990 -446с (996867), страница 61
Текст из файла (страница 61)
!Х.!. Зависимость температуры плавления вещества от порядкового номе- ра элемента порядкового номера элемента л (рис. 1Х.З). Минимальные значения стандартных потенциалов имеют е-металлы, расположенные в начале периода, а максимальные значения Еоаэа имеют галогены как сильные окислители. Металлы, иеметаллы к полуметаллы. Все простые вещества можно разделить на три класса: металлы, иеметаллы н полу- металлы. Большинство простых веществ относится к металлам. Для них характерны кристаллическая решетка с металлической связью, металлический блеск, ковкость, пластичность, высокие теплопроводность и электрическая проводимость (см. $ П!,4).
Неметаллы, как правило, являются диэлектриками. При обычных условиях они находятся либо в виде двухатомных (галогены, водород, азот, кислород) и одноатомных молекул (благородные газы), либо в виде атомных кристаллов (сера, фосфор, углерод, селен). Промежуточное положение между металлами и неметаллами занимают полуметаллы (бор, кремний, германий, мышьяк, сурьма, теллур).
Для них характерны свойства металлов н неметаллов. Как правило, они имеют кристаллические атомные решетки с ковалентной связью. Многие из них являются проводниками. 4 !хдп 'метАллы и сплАВы. ОСНОВЫ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА Особенности металлов ы сплавов. Большинство металлов кристаллизуются в одной из трех форм кристаллических решеток (рис.
!Х.4). Так, кристаллическая решетка алюминия, меди и серебра имеет форму гранецентрированного куба; натрия, калия и бария — объемно-центрированного куба, а магния, цинка и кадмия — гексагональную решетку. Некоторые металлы кристаллизуются в двух илн нескольких полиморфных формах. При температуре затвердевания расплавленного металла кристаллизация начинается одновременно во многих точках, пап епа ~ епп еап 4 - в юп с/э гп гп ха па „ап аа ап аа пп Ппряйкааый номер зяеменяга Рис.
1Х.2. Зависимость стандартной энтропии веществ от порядкового номера элемента о ~гее и Ке Ме Аг Кг Хе кп Паряакоеып номер еяемеяяги Рис. !Х.З. Зависимость стандартного электродного потенциала от порядкового номера элемента Рис. !Х.4 Кристаллические решетки металлов: а — гранеиентрнроаанный куб; б — объемно-нентрнронанная куан. ческая решетка; в — Плотней~как гексагональная решетка Рис.
1ХЬ Образование кристаллитов металлов при наличии нескольких центров кристалли- зации представляющих собой центры кристаллизации. Кристаллы, начиная с этих центров, растут во всех направлениях до тех пор, пока не произойдет соприкосновения с поверхностями соседних кристаллов (рис. !Х.5). Поэтому кристаллы имеют неправильную форму.
Их называют кристаллитами. Металлы почти всегда представляют собой конгломераты кристаллитов, беспорядочно ориентированных во всех возможных направлениях. В особых условиях при температуре затвердевания расплавленного металла можно получить монокристалл. Для этого нужно начать кристаллизацию в одной-единственной точке. Монокристаллы металлов значительно мягче, более текучи и менее прочны прн растяжении или сжатии, чем обычные'поликристаллические конгломераты.
В жидком состоянии большинство металлов растворяется друг в друге, образуя гомогенные смеси — однородные расплавы. При охлаждении расцлавов происходит кристаллизация, в процессе которой получаются твердые сплавы. Сплавы, так же как и чистые металлы, характеризуются теплопроводностью, электрической проводимостью, металлическим блеском и пластичностью. Металлы и сплавы широко используются в промышленности в качестве конструкционных и электротехнических материалов.
Чистые металлы часто не удовлетворяют всем требованиям, предъявляемым к материалам современной техникой. Такие свойства, как жаропрочность, коррозионная стойкость, повышенная механическая прочность и др., характерны, как правило, для сплавов металлов друг с другом и с некоторыми неметаллами. Сплавы относятся к числу ведущих материалов современной техники. Изучение природы сплавов, их особенностей и свойств, а также свойств чистых металлов — область науки, называемой металловедением. В металловеденни широко используются три метода исследования: термический анализ, микроскопическое исследование и рентгеноструктурный анализ.
Основы физико-химического анализа. В основе физико-химического анализа, разработанного Н. С. Курнаковым, лежит уста- 243 новление зависимости между изучаемым свойством и составом системы. Результаты исследования выражаются графически в виде диаграммы состав — свойство. Изучаемыми свойствами могут быть температура плавления или кристаллизации (термический анализ), электрическая проводимость, вязкость, плотность и т. п. При проведении термического анализа диаграмма состав— свойство строится в координатах температура плавления (затвердевания) сплава — процентный состав компонентов и называется диаграммой плавкости.
Взаимодействие компонентов в сплаве определяет вид диаграммы плавкости. По характеру взаимодействия компонентов различают три основных вида твердых сплавов: 1) твердый раствор одного компонента в другом; 2) механическая смесь, состоящая из кристаллов одного и другого компонентов; 3) химическое соединение одного компонента с другим. Диаграммы плавкости строят с помощью кривых охлаждения". Кривая охлаждения чистого металла приведена на рис. 1Х.б,а. Горизонтальный участок прямой соответствует температуре плавления или затвердевания (кристаллизации) металла. Температура металла в процессе кристаллизации остается постоянной.
Как только исчезает жидкая фаза (т~ — начало кристаллизации, тз — конец кристаллизации), охлаждение продолжается с обычной скоростью. Кривые охлаждения сплавов, представленные на рис. 1Х.б, б,в отличаются от кривых охлаждения металла. Так, например, если сплав представляет собой твердый раствор одного компонента в другом, кривая охлаждения изменяет свой наклон в двух точках, отвечающих температурам Г~ (начало кристаллизации) и гз (конец кристаллизации) (рис. 1Х.б, в). На протяжении всего времени кристаллизации сплава происходит медленное охлаждение его.
Замедление охлаждения сплава в интервале времени от т~ до тз связано, как и для чистого металла, с выделением теплоты кристаллизации, а отсутствие горизонтального участка на кривой охлаждения объясняется тем, что в отличие от чистого металла состав жидкой фазы системы не совпадает с составом твердого сплаваа"'. Кривая охлаждения сплава, являющегося механической смесью двух компонентов, имеет участок замедленного охлаждения, отвечаюсций интервалу времени т| — тт, и горизонтальный участок, отвечающий интервалу времени тз — тз (рис. 1Х.б,б).
От начала процесса затвердевания сплава т~ при температуре Г~ до некоторого времени тт, соответствующего температуре гз, состав кристаллизующегося расплава отличается от состава получающегося твердого сплава. При атом выделяющаяся тепло- е Кривая охлаждения показывает изменение температуры вещества (смеси веществ) во времени. е* За счет кристаллизации одного из компонентов сплава жидкая фаза обогащается другим компонентом, кристаллизующимся прн более низкой температуре.
сс мт ! сх г и. г мел т,тгг, Время тг Время В тх Время а Рис. !Х.6. Кривые охлаждении: и — чнстив металл; Š— сплав — мехвннческвп смесь компонентов А и В; в — сплав — тверлыо раствор А + В 250 та кристаллизации лишь частично компенсирует потерю теплоты за счет излучения и конвекции. Последующее затвердевание идет при постоянной температуре, как и для чистого металла. Это свидетельствует о том, что состав оставшейся жидкой фазы совпадает с составом образующегося при кристаллизации сплава (эвтектический состав). Таким образом, уже по виду кривых охлаждения можно судить о природе изучаемого сплава.
Диаграмму плавкости строят по серии кривых охлаждения (рис. 1Х.7,а), каждая из которых отвечает определенному содержанию компонентов сплава. в жидкой фазе (например, 1003 А 0 о~~ В; 80 ор~ А 20 о~~ В. 60 оо А — 40 оо В и т, д.). Составы расплавов откладывают на оси абсцисс, а температуры начала О и конца 1, кристаллизации, отвечающие данному составу, — на оси ординат (рис. 1Х.7,б). Соединяя все точки начала (1~) и конца (1е) кристаллизации, получают диаграмму плавкости (рис.
1Х.7,а). Верхняя кривая на диаграмме плавкости (ликвидус) показывает температуры, при которых из жидкой фазы А+ В начинают выделяться кристаллы. Выше этой кривой лежит область расплава. Нижняя кривая (солидус) показывает температуры конца затвердевания. Под ней на диаграмме лежит область твердой фазы. Между кривыми ликвидуса и солидуса находится область, отвечающая сосуществованию жидкой и твердой фаз.
Согласно правилу фаз (см. 5 Ч.8), при К = 2 (компоненты А и В) и при условии, что число внешних факторов, влияющих на равновесие системы, равно единице (температура), число степеней свободы системы в любой однофазной области (выше ликвидуса и ниже солидуса) равно двум; С = К+а — Ф = 2+! — ! = = 2. В этих областях можно менять в определенных пределах и состав системы, и ее температуру без изменения числа и вида фаз. Если рассматривать систему в ее двухфазной области (между ликвидусом и солидусом), то число степеней свободы сокра- сз гз дее ь. гее Глад агабаапаагпаа п гпбпапаамаа я1ппаабабпгп а А!паап Вп 45 гп п Ппсятап, % сесятпа,% В Время Рис. 1Х.7. Г1остроеиие диаграммн плавкости по кривым оклаждеиия: и — серия кривык оклаждення; ! — чистый компонент А, 2 — 80тз А и 20ел! В; 3— — бйзх А и 40Я В; 4.
— 40"тй А н 80~4 В; 5 — 207ь А и 80!ь В; б — чистый компонент В; б — температурные тачки для построения диаграммы, в — диаграмма плавности типа чтвердый раствора (неограниченная растворимость номпонентов в жидкой фазе н твердом сплаве) тится на единицу: С = К+ и — Ф = 2+! — 2 = ! . Это значит, что произвольно в этой области без нарушения числа и вида фаз можно изменять в известных пределах только одно условие— температуру или состав.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
