Химия как раздел естествознания Основные задачи современной химии (стр. 34 из 68)

Рассчитайте состав эвтектики.

Эвтектика – неоднородная механическая смесь, состоящая из мелких кристаллов двух компонентов сплава, образовавшаяся при одновременной кристаллизации обоих компонентов. Масса эвтектики равна 600 г (1000 – 400). Масса содержащегося в сплаве кадмия равна 240 г, а висмута – 760 г. Следовательно, эвтектика содержит 240 г кадмия и 760 – 400 = 360 г висмута. Процентное содержание кадмия в эвтектике равно 240:600 (х100%) = 40%; процентное содержание висмута в эвтектике равно 360:600 (х100%) = 60%.

Пример 3. Найдите состав твердой и жидкой фаз в системе, содержащей 60% свинца и 40% олова при 200⁰С. Какова масса твердой фазы, выделившейся при этой температуре из 5 кг сплава? Диаграмма плавкости системы приводится ниже.

Рис. 9.2. Диаграмма плавкости «свинец-олово».

На диаграмме плавкости сплава свинца с оловом данному составу и данной температуре соответствует точка К, через которую проводим прямую, параллельную оси абсцисс, до пересечения с кривой АЕ и ординатой, соответствующей чистому свинцу. Точка F отвечает составу жидкой фазы, а точка N – составу твердой фазы. Жидкая фаза имеет состав 58% олова и 42% свинца. Твердая фаза представляет собой чистый свинец.

Масса твердой фазы Мт и жидкой фазы Мж в сплаве данного состава и при данной температуре определяют по правилу рычага: массы твердой и жидкой фаз обратно пропорциональны длинам отрезков между точкой, выражающей данное состояние системы, и точками, определяющими состав твердой и жидкой фаз.

Мт: Мж = KF:NK. Общая масса сплава 5 кг, тогда Мж = 5 – Мт. NK = 40, KF = 15. Тогда Мт:5-Мт = 15: 40; 40Мт = 75 –15Мт; 55Мт = 75; Мт = 75:55 = 1,36 кг. Таким образом, из 5 кг сплава при температуре 200^оС выделяется 1, 36 кг свинца (твердой фазы).

Твердые растворы образуют компоненты сплавов, неограниченно растворяющиеся друг в друге как в жидком, так и в твердом состоянии и не образующие при этом химических соединений. Например, серебро и золото образуют при сплавлении твердый раствор. Сплаву Ag – Au отвечает следующая диаграмма плавкости (рис. 10).

Кривая АВС отвечает температуре плавления сплавов; кривая ADC – температуре затвердевания сплавов. Вид кривых плавления (верхней и нижней) обусловлен тем, что кристаллы, выделяющиеся при охлаждении расплава, всегда содержат оба компонента (кроме кристаллизации чистых серебра и золота).

Области I на диаграмме состояния отвечает расплав, области II – сосуществование расплава и кристаллов твердого раствора, области III – твердый раствор.

Пример 4: Определить температуру затвердевания и плавления сплава, содержащего 25% серебра и 75% золота.

Сплаву, содержащему 25% серебра и 75 % золота, соответствует точка К на оси абсцисс. Из точки К проводим прямую, параллельную оси ординат, до пересечения с кривой плавления и затвердевания в точках В и D. Из этих точек проводим прямые, параллельные оси абсцисс, до пересечения с осью ординат в точках B₁ и D₁. Точка D₁ соответствует температуре затвердевания сплава, которая равна 1025^оС. Температура полного плавления сплава равна 1045^оС (точка В₁).

Рис. 9.3. Диаграмма плавкости твердого раствора (золото-серебро)

Диаграмма состояния для сплавов с ограниченной растворимостью компонентов друг в друге имеет более сложный вид и здесь не рассматривается.

Интерметаллические соединения образуются в том случае, когда компоненты сплава химически взаимодействуют между собой и в жидком состоянии полностью растворимы друг в друге, а в твердом состоянии совершенно нерастворимы. О рассмотренных ранее диаграмм эта диаграмма отличается наличием максимума на кривой ликвидуса. Диаграммы плавкости этого типа представляют собой как бы сочетание двух эвтектических диаграмм первого типа.

Рис. 9.4. Диаграмма плавкости интерметаллического соединения (свинецмагний)

На рисунке 11 приведена диаграмма состояния системы магний – свинец. Эта система образует интерметаллическое соединение состава

Mg₂Pb. Абсцисса точки максимума указывает состав интерметаллического соединения и отвечает температуре его плавления. На диаграмме имеются две эвтектики Е₁ и Е₂. Эвтектика Е₁ представляет собой смесь кристаллов магния и Mg₂Pb, а эвтектика Е2 – кристаллов свинца и Mg₂Pb.

Если компоненты системы способны образовывать несколько химических соединений, то диаграмма будет как бы составлена из трех, четырех и более отдельных диаграмм первого типа.

Области I на диаграмме отвечает жидкий сплав, областям II –V – равновесия жидкого сплава и соответствующих кристаллов (в области II – кристаллы магния, в областях III И IV – кристаллы Mg₂Pb, в области V – кристаллы свинца). Областям VI – IX соответствуют твердые сплавы (магний + эвтектика Е₁ в области VI, Mg₂Pb + эвтектика Е₁ в области VII, Mg₂Pb + эвтектика Е₂ в области VIII, свинец и эвтектика Е₂ в области IX). Пример 5. По диаграмме плавкости системы Mg – Pb определите формулу интерметаллического соединения, образуемого этими металлами. Какова масса химического соединения, содержащегося в 500 г сплава состава 40% свинца и 60% магния?

Максимум на кривой ABCDM (точка С) отвечает температуре плавления интерметаллического соединения, образованного магнием и свинцом. Температура плавления интерметаллического соединения равна 551^оС. Из диаграммы плавкости видно, что интерметаллическое соединение содержит 80% свинца и 20% магния. Обозначим формулу интерметаллического соединения через Mg_хPb_у. Атомная масса магния равна 24,305, а атомная масса свинца – 207,29. Тогда х:у = 20/24,305:80/207,29 = 0,82:0,39 = 2:1. Формула соединения - Mg₂Pb.

В сплаве магния больше, чем в составе химического соединения. Следовательно, свинец полностью входит в состав соединения. В 500 г сплава содержится 500∙0,4 = 200 г свинца. По массе свинца определяем массу химического соединения: 200:0,8 = 250 г.

Мы рассмотрели простейшие, но наиболее важные диаграммы состояния. Для многих сплавов и других многокомпонентных систем диаграммы состояния носят значительно более сложный характер. Ряд металлов и сплавов испытывают превращения в твердом состоянии, переходя из одной модификации в другую (например, α, β, γ и δ- железо).

Для технически важных систем диаграммы состояния хорошо изучены и приводятся в специальной литературе. Они служат научной основой при подборе сплавов, обладающих заданными свойствами, при разработке новых сплавов и методов их термической обработки. Примером системы, имеющей огромное значение, служит система железо-углерод. В 1868 году русский металлург Д.К Чернов впервые указал на зависимость микроструктуры стали от определенных температур («критических точек»). Изучение диаграмм состояния углерод-железо положило начало материаловедению – науки о строении и свойствах металлов и сплавов.

В дополнение к термическому анализу часто проводят микроскопическое металлографическое исследование отшлифованных и отполированных образцов различных металлов и сплавов, обработанных травителем. Травитель выбирают таким образом, чтобы он растворял преимущественно один компонент сплава. Изучение структуры сплава, выявленной таким образом, помогает определить тип взаимодействия металлов, входящих в состав сплава.

9.7. Вопросы и задания:

1. При синтезе аммиака по схеме: N₂+3H₂ ↔ 2NH₃ равновесие установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ: [N₂] =2,5 моль/л; [H₂]= 1,8 моль/л и [NH₃] = 3,6 моль/л. Рассчитайте константу равновесия.

2. Объѐмный состав реакционной смеси: 2СО_2(г) ↔ 2СО_(г)+ О_2(г) в момент равновесия составлял: 88,72% СО2; 7,52% СО и 3,76%О2. Определите константу равновесия этой реакции, если общее давление в системе равно 1,0133∙10⁵ Па.

3.

Как следует изменить температуру, давление и концентрацию реагентов для смещения равновесия в системе: СаСО_3(к)↔СаО_(к)+СО_2(к); H >0 в сторону продуктов реакции?

4.

В какую сторону сместится равновесие в системе: 2NO_(г)+Cl_2(г)↔2NOCl_(г); H 73,6 ^кДж при понижении давления и одновременном повышении моль

температуры?

5. Как называется неоднородная механическая смесь, состоящая из мелких кристаллов двух компонентов сплава, образовавшаяся в результате одновременной кристаллизации обоих компонентов при самой низкой температуре?

6. Какую систему образуют компоненты, неограниченно растворимые друг в друге в жидком состоянии и химически взаимодействующие между собой?

7. Что образуется, когда компоненты системы неограниченно растворяются друг в друге в жидком состоянии и полностью растворимы в твердом состоянии?

8. Как называется кривая температуры плавления на фазовой диаграмме двухкомпонентной системы?

9. Определите число степеней свободы в гетерогенной системе свинецолово, если из расплава выпадают кристаллы олова.

10. Из скольких фаз состоит двухкомпонентная система, не содержащая газовой фазы, если число ее степеней свободы равно единице?

Лекция 10. Скорость реакции и методы ее регулирования

Скорость химической реакции зависит от многих факторов. Главными из них являются природа реагирующих веществ, концентрация реагирующих веществ, температура реакционной среды, энергия активации и катализатор.

10.1 Природа реагирующих веществ

Две реакции одного типа, - окисление кислородом воздуха оксида азота NO: