ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕН ПРОЦЕС И НЕГОВОТО СЪДЪРЖАНИЕ
Химико-технологичният процес е набор от операции, които позволяват получаването на целевия продукт от първоначалната суровина. Всички тези операции са част от три основни етапа, характерни за почти всеки химико-технологичен процес.
На първия етап се извършват операциите, необходими за подготовка на изходните реагенти за химичната реакция. Реагентите се прехвърлят по-специално в най-реактивно състояние. Например, известно е, че скоростта на химичните реакции силно зависи от температурата, така че реагентите често се нагряват преди реакцията да протече. За да се увеличи ефективността на процеса и да се намали размерът на оборудването, газообразните суровини се компресират до определено налягане. За да се елиминират страничните ефекти и да се получи висококачествен продукт, суровините се пречистват от чужди примеси, като се използват методи, базирани на разликите във физичните свойства (разтворимост в различни разтворители, плътност, температури на кондензация и кристализация и др.). При пречистване на суровини и реакционни смеси широко се използват явленията на топло- и масообмен и хидромеханични процеси. Могат да се използват и химически методи за почистване, базирани на химични реакции, в резултат на които ненужните примеси се превръщат в лесно отделими вещества.
На следващия етап подходящо приготвените реагенти се подлагат на химични реакции, които могат да се състоят от няколко етапа. В интервалите между тези етапи понякога е необходимо повторно използване на топлинен и масов пренос и други физически процеси. Например, при производството на сярна киселина, серният диоксид се окислява частично до триоксид, след което реакционната смес се охлажда, серният триоксид се отстранява от нея чрез абсорбция и отново се изпраща за окисляване.
В резултат на химични реакции се получава смес от продукти (цел, странични продукти, странични продукти) и нереагирали реагенти. Крайните операции на последния етап са свързани с разделянето на тази смес, за която отново се използват процеси на хидромеханичен, топло- и масов пренос, например: филтриране, центрофугиране, ректификация, абсорбция, екстракция и др. Продуктите от реакцията се изпращат в склад за готова продукция или за по-нататъшна преработка; нереагиралите суровини се използват отново в процеса, организирайки неговото рециклиране.
На всички етапи и особено на крайните етапи се извършва и възстановяване на вторични материални и енергийни ресурси. Потоците от газообразни и течни вещества, влизащи в околната среда, се подлагат на пречистване и неутрализиране на опасни примеси. Твърдите отпадъци се изпращат за по-нататъшна обработка или се съхраняват в безопасни за околната среда условия.
По този начин химико-технологичният процес като цяло е сложна система, състояща се от отделни взаимосвързани процеси (елементи) и взаимодействащи с околната среда.
Елементите на химико-технологичната система са изброените по-горе процеси на топло- и масообмен, хидромеханични, химични и др. Те се разглеждат като отделни процеси на химичната технология.
Важна подсистема на сложен химикотехнологичен процес е химичният процес.
Химическият процес е една или повече химични реакции, придружени от явленията на пренос на топлина, маса и импулс, които влияят както един на друг, така и върху хода на химичната реакция.
Анализът на отделните процеси и тяхното взаимно влияние ни позволява да разработим технологичен режим.
Технологичният режим е набор от технологични параметри (температура, налягане, концентрации на реагенти и др.), Които определят условията на работа на устройство или система от устройства (схема на технологичния процес).
Оптималните условия на процеса са комбинация от основни параметри (температура, налягане, състав на първоначалната реакционна смес и др.), Която позволява получаване на най-висок добив на продукта при висока скорост или осигуряване на най-ниски разходи, при условията на рационално използване на суровината материали и енергия и минимизиране на възможните щети за околната среда.
Единичните процеси протичат в различни апарати - химически реактори, абсорбционни и дестилационни колони, топлообменници и др. Отделните апарати са свързани в технологична схема.
Технологичната схема е рационално изградена система от отделни устройства, свързани с различни видове връзки (директни, обратни, последователни, паралелни), което позволява да се получи даден продукт с определено качество от естествени суровини или полуфабрикати.
Технологичните схеми могат да бъдат отворени или затворени и могат да съдържат байпасни (байпасни) потоци и рецикли, които позволяват да се повиши ефективността на химико-технологичната система като цяло.
Разработването и изграждането на рационална технологична схема е важна задача на химичната технология.
Класификация на химичните реакции, лежащи в основата на индустриалните химико-технологични процеси
В съвременната химия са известни голям брой различни химични реакции. Много от тях се извършват в промишлени химически реактори и следователно стават обект на изследване на химическата технология.
За да се улесни изучаването на явления, които са подобни по природа, в науката е обичайно те да се класифицират според общи характеристики. В зависимост от характеристиките, които се вземат за основа, има няколко вида класификация на химичните реакции.
Важен вид класификация е класификацията по механизъм на реакцията.Има прости (едноетапни) и сложни (многоетапни) реакции, по-специално паралелни, последователни и серийно-паралелни.
Реакциите, които изискват преодоляване само на една енергийна бариера (един етап), се наричат прости.
Сложните реакции включват няколко паралелни или последователни етапа (прости реакции).
Истинските едноетапни реакции са изключително редки. Въпреки това, някои сложни реакции, които преминават през редица междинни етапи, удобно се считат за формално прости. Това е възможно в случаите, когато междинните продукти на реакцията не се откриват при условията на разглеждания проблем.
Класификация на реакциите по молекулярностотчита колко молекули участват в елементарна реакция; Има моно-, би- и тримолекулни реакции.
Формата на кинетичното уравнение (зависимост на скоростта на реакцията от концентрациите на реагентите) позволява класификация според реда на реакцията.Реакционният ред е сумата от експонентите на концентрациите на реагентите в кинетичното уравнение. Има реакции от първи, втори, трети и фракционен ред.
Различават се и химичните реакции чрез термичен ефект.Когато възникнат екзотермични реакции, придружени от отделяне на топлина ( Q> 0), енталпията на реакционната система намалява ( ∆H < 0); при протекании эндотермических реакций, сопровождающихся поглощением теплоты (Q< 0), има увеличение на енталпията на реакционната система ( ∆H> 0).
За избора на конструкцията на химическия реактор и методите за управление на процеса е от съществено значение фазов съставреакционна система.
В зависимост от това колко (една или няколко) фази образуват първоначалните реагенти и реакционни продукти, химичните реакции се разделят на хомофазни и хетерофазни.
Реакциите, при които изходните реагенти, стабилните междинни съединения и реакционните продукти са в една и съща фаза, се наричат хомофазни.
Реакциите, при които изходните реагенти, стабилните междинни съединения и реакционните продукти образуват повече от една фаза, се наричат хетерофазни.
В зависимост от зони на потокареакциите се разделят на хомогенни и хетерогенни реакции.
Понятията „хомогенни“ и „хетерогенни“ реакции не съвпадат с понятията „хомофазни“ и „хетерофазни“ процеси. Хомогенността и хетерогенността на реакцията отразява до известна степен нейния механизъм: дали реакцията протича в обема на една фаза или на границата. Хомофазният и хетерофазният характер на процеса ни позволява само да преценим фазовия състав на участниците в реакцията.
В случай на хомогенни реакции, реагентите и продуктите са в една и съща фаза (течна или газообразна) и реакцията протича в обема на тази фаза. Например, окислението на азотен оксид с атмосферен кислород при производството на азотна киселина е реакция в газова фаза, а реакциите на естерификация (производство на естери от органични киселини и алкохоли) са в течна фаза.
Когато възникнат хетерогенни реакции, поне един от реагентите или продуктите е във фазово състояние, което се различава от фазовото състояние на другите участници, и фазовият интерфейс трябва да се вземе предвид при анализа му. Например, неутрализацията на киселина с основа е хомофазен хомогенен процес. Каталитичният синтез на амоняк е хомофазен хетерогенен процес. Окислението на въглеводороди в течна фаза от газообразен кислород е хетерофазен процес, но протичащата химична реакция е хомогенна. Гасенето на вар CaO + H 2 O Ca (OH) 2, при което и тримата участници в реакцията образуват отделни фази и реакцията протича на границата между вода и калциев оксид, е хетерофазен хетерогенен процес.
В зависимост от това дали се използват или не се използват специални вещества - катализатори за промяна на скоростта на реакцията, те се разграничават каталитиченИ некаталитиченреакции и съответно химични технологични процеси. По-голямата част от химичните реакции, на които се основават индустриалните химически инженерни процеси, са каталитични реакции.
Класификация на неорганични вещества с примери за съединения
Сега нека анализираме по-подробно схемата за класификация, представена по-горе.
Както виждаме, на първо място, всички неорганични вещества са разделени на простоИ комплекс:
Прости вещества Това са вещества, които са образувани от атоми само на един химичен елемент. Например прости вещества са водород H2, кислород O2, желязо Fe, въглерод C и др.
Сред простите вещества има метали, неметалиИ благородни газове:
металиобразувани от химически елементи, разположени под диагонала бор-астат, както и всички елементи, разположени в странични групи.
Благородни газовеобразувани от химични елементи от група VIIIA.
Неметалисе образуват съответно от химични елементи, разположени над диагонала бор-астат, с изключение на всички елементи от странични подгрупи и благородни газове, разположени в група VIIIA:
Имената на простите вещества най-често съвпадат с имената на химичните елементи, от чиито атоми са образувани. Но за много химични елементи явлението алотропия е широко разпространено. Алотропията е явлението, когато един химичен елемент е способен да образува няколко прости вещества. Например в случая на химичния елемент кислород е възможно съществуването на молекулни съединения с формули O 2 и O 3 . Първото вещество обикновено се нарича кислород по същия начин като химичния елемент, чиито атоми се образува, а второто вещество (O 3) обикновено се нарича озон. Простото вещество въглерод може да означава всяка негова алотропна модификация, например диамант, графит или фулерени. Простото вещество фосфор може да се разбира като неговите алотропни модификации, като бял фосфор, червен фосфор, черен фосфор.
Сложни вещества
Сложни вещества са вещества, образувани от атоми на два или повече химични елемента.
Например сложни вещества са амоняк NH 3, сярна киселина H 2 SO 4, гасена вар Ca (OH) 2 и безброй други.
Сред сложните неорганични вещества има 5 основни класа, а именно оксиди, основи, амфотерни хидроксиди, киселини и соли:
Оксиди - сложни вещества, образувани от два химични елемента, единият от които е кислород в степен на окисление -2.
Общата формула на оксидите може да бъде записана като E x O y, където E е символът на химичен елемент.
Номенклатура на оксидите
Името на оксида на химичен елемент се основава на принципа:
Например:
Fe 2 O 3 - железен (III) оксид; CuO—меден(II) оксид; N 2 O 5 - азотен оксид (V)
Често можете да намерите информация, че валентността на даден елемент е посочена в скоби, но това не е така. Така например степента на окисление на азота N 2 O 5 е +5, а валентността, колкото и да е странно, е четири.
Ако даден химичен елемент има едно положително състояние на окисление в съединенията, тогава степента на окисление не е посочена. Например:
Na 2 O - натриев оксид; H 2 O - водороден оксид; ZnO - цинков оксид.
Класификация на оксидите
Оксидите, според способността им да образуват соли при взаимодействие с киселини или основи, се разделят съответно на солеобразуващиИ несолеобразуващи.
Има малко несолеобразуващи оксиди; всички са образувани от неметали в степен на окисление +1 и +2. Трябва да се помни списъкът на не-солеобразуващите оксиди: CO, SiO, N 2 O, NO.
Солеобразуващите оксиди от своя страна се делят на основен, киселиненИ амфотерни.
Основни оксидиТова са оксиди, които при взаимодействие с киселини (или киселинни оксиди) образуват соли. Основните оксиди включват метални оксиди в степен на окисление +1 и +2, с изключение на оксидите BeO, ZnO, SnO, PbO.
Киселинни оксидиТова са оксиди, които при взаимодействие с основи (или основни оксиди) образуват соли. Киселинните оксиди са почти всички оксиди на неметали с изключение на несолеобразуващите CO, NO, N 2 O, SiO, както и всички метални оксиди във високи степени на окисление (+5, +6 и +7).
Амфотерни оксидисе наричат оксиди, които могат да реагират както с киселини, така и с основи и в резултат на тези реакции образуват соли. Такива оксиди проявяват двойна киселинно-алкална природа, тоест те могат да проявяват свойствата както на киселинни, така и на основни оксиди. Амфотерните оксиди включват метални оксиди в степени на окисление +3, +4, както и оксидите BeO, ZnO, SnO и PbO като изключение.
Някои метали могат да образуват и трите вида солеобразуващи оксиди. Например, хромът образува основния оксид CrO, амфотерния оксид Cr 2 O 3 и киселинния оксид CrO 3.
Както можете да видите, киселинно-алкалните свойства на металните оксиди директно зависят от степента на окисляване на метала в оксида: колкото по-висока е степента на окисление, толкова по-изразени са киселинните свойства.
Основания
Основания - съединения с формула Me(OH) x, където хнай-често е равно на 1 или 2.
Изключения: Be(OH) 2, Zn(OH) 2, Sn(OH) 2 и Pb(OH) 2 не са основи, въпреки степента на окисление на метала +2. Тези съединения са амфотерни хидроксиди, които ще бъдат разгледани по-подробно в тази глава.
Класификация на основите
Базите се класифицират според броя на хидроксилните групи в една структурна единица.
Основи с една хидроксо група, т.е. тип MeOH се нарича монокиселинни основи,с две хидроксо групи, т.е. тип Me(OH) 2, съответно, дикиселинаи т.н.
Основите също се делят на разтворими (алкали) и неразтворими.
Алкалите включват изключително хидроксиди на алкални и алкалоземни метали, както и талиев хидроксид TlOH.
Номенклатура на основите
Името на фондацията се основава на следния принцип:
Например:
Fe(OH) 2 - железен (II) хидроксид,
Cu(OH) 2 - меден (II) хидроксид.
В случаите, когато металът в сложните вещества има постоянно състояние на окисление, не е необходимо да го посочвате. Например:
NaOH - натриев хидроксид,
Ca(OH) 2 - калциев хидроксид и др.
Киселини
Киселини - сложни вещества, чиито молекули съдържат водородни атоми, които могат да бъдат заменени с метал.
Общата формула на киселините може да бъде написана като H x A, където H са водородни атоми, които могат да бъдат заменени с метал, а A е киселинният остатък.
Например киселините включват съединения като H2SO4, HCl, HNO3, HNO2 и др.
Класификация на киселините
Според броя на водородните атоми, които могат да бъдат заменени с метал, киселините се делят на:
- О основни киселини: HF, HCI, HBr, HI, HNO3;
- г основни киселини: H2SO4, H2SO3, H2CO3;
- Т рехобазни киселини: H3PO4, H3BO3.
Трябва да се отбележи, че броят на водородните атоми в случая на органичните киселини най-често не отразява тяхната основност. Например оцетната киселина с формула CH 3 COOH, въпреки наличието на 4 водородни атома в молекулата, не е четириосновна, а едноосновна. Основността на органичните киселини се определя от броя на карбоксилните групи (-СООН) в молекулата.
Също така, въз основа на наличието на кислород в молекулите, киселините се разделят на безкислородни (HF, HCl, HBr и др.) И съдържащи кислород (H 2 SO 4, HNO 3, H 3 PO 4 и др.) . Кислородсъдържащите киселини се наричат още оксокиселини.
Можете да прочетете повече за класификацията на киселините.
Номенклатура на киселини и киселинни остатъци
Следващият списък с имена и формули на киселини и киселинни остатъци трябва да се научи.
В някои случаи някои от следните правила могат да улеснят запаметяването.
Както може да се види от таблицата по-горе, конструкцията на систематичните имена на безкислородни киселини е както следва:
Например:
HF—флуороводородна киселина;
HCl - солна киселина;
H2S е хидросулфидна киселина.
Имената на киселинните остатъци на безкислородните киселини се основават на принципа:
Например Cl - - хлорид, Br - - бромид.
Имената на кислородсъдържащите киселини се получават чрез добавяне на различни наставки и окончания към името на киселинообразуващия елемент. Например, ако киселинообразуващият елемент в кислородсъдържаща киселина има най-висока степен на окисление, тогава името на такава киселина се конструира, както следва:
Например сярна киселина H 2 S +6 O 4, хромова киселина H 2 Cr +6 O 4.
Всички кислородсъдържащи киселини също могат да бъдат класифицирани като киселинни хидроксиди, тъй като съдържат хидроксилни групи (ОН). Например, това може да се види от следните графични формули на някои кислородсъдържащи киселини:
Така сярната киселина иначе може да се нарече серен (VI) хидроксид, азотната киселина - азотен (V) хидроксид, фосфорната киселина - фосфорен (V) хидроксид и т.н. В този случай числото в скоби характеризира степента на окисляване на киселинно образуващия елемент. Тази версия на имената на кислородсъдържащите киселини може да изглежда изключително необичайна за мнозина, но понякога такива имена могат да бъдат намерени в реални KIM на Единния държавен изпит по химия в задачи за класификация на неорганични вещества.
Амфотерни хидроксиди
Амфотерни хидроксиди - метални хидроксиди, проявяващи двойна природа, т.е. способен да проявява както свойствата на киселини, така и свойствата на основи.
Металните хидроксиди в степени на окисление +3 и +4 са амфотерни (както и оксидите).
Също така, като изключение, амфотерните хидроксиди включват съединенията Be (OH) 2, Zn (OH) 2, Sn (OH) 2 и Pb (OH) 2, въпреки степента на окисление на метала в тях +2.
За амфотерни хидроксиди на три- и четиривалентни метали е възможно съществуването на орто- и мета-форми, които се различават една от друга с една водна молекула. Например алуминиевият(III) хидроксид може да съществува в ортоформата Al(OH)3 или метаформата AlO(OH) (метахидроксид).
Тъй като, както вече беше споменато, амфотерните хидроксиди проявяват както свойствата на киселините, така и свойствата на основите, тяхната формула и име също могат да бъдат написани по различен начин: или като основа, или като киселина. Например:
соли
соли - това са сложни вещества, които съдържат метални катиони и аниони на киселинни остатъци.
Например, солите включват съединения като KCl, Ca(NO 3) 2, NaHCO 3 и др.
Дефиницията, представена по-горе, описва състава на повечето соли, но има соли, които не попадат в нея. Например, вместо метални катиони, солта може да съдържа амониеви катиони или негови органични производни. Тези. соли включват съединения като например (NH4)2SO4 (амониев сулфат), + Cl-(метиламониев хлорид) и др.
Също така противоречи на определението за соли по-горе е класът на така наречените комплексни соли, които ще бъдат обсъдени в края на тази тема.
Класификация на солите
От друга страна, солите могат да се разглеждат като продукти на заместване на водородни катиони H + в киселина с други катиони или като продукти на заместване на хидроксидни йони в основи (или амфотерни хидроксиди) с други аниони.
При пълна подмяна, т.нар средноили нормалносол. Например, при пълно заместване на водородните катиони в сярна киселина с натриеви катиони се образува средна (нормална) сол Na 2 SO 4 и при пълно заместване на хидроксидните йони в основата Ca (OH) 2 с киселинни остатъци от нитратни йони , се образува средна (нормална) сол Ca(NO3)2.
Солите, получени чрез непълно заместване на водородни катиони в двуосновна (или повече) киселина с метални катиони, се наричат киселинни. Така, когато водородните катиони в сярната киселина са непълно заменени с натриеви катиони, се образува киселинната сол NaHSO 4.
Соли, които се образуват чрез непълно заместване на хидроксидни йони в двукиселинни (или повече) основи, се наричат основи. Осилни соли. Например, когато хидроксидните йони в основата Ca(OH) 2 са непълно заменени с нитратни йони, се образува основа Обистра сол Ca(OH)NO3.
Соли, състоящи се от катиони на два различни метала и аниони на киселинни остатъци само на една киселина, се наричат двойни соли. Така например двойните соли са KNaCO 3, KMgCl 3 и т.н.
Ако една сол се образува от един вид катиони и два вида киселинни остатъци, такива соли се наричат смесени. Например смесени соли са съединенията Ca(OCl)Cl, CuBrCl и др.
Има соли, които не попадат в дефиницията на соли като продукти на заместване на водородни катиони в киселини с метални катиони или продукти на заместване на хидроксидни йони в основи с аниони на киселинни остатъци. Това са комплексни соли. Например комплексни соли са натриев тетрахидроксоцинкат и тетрахидроксоалуминат с формули съответно Na 2 и Na. Комплексните соли най-често могат да бъдат разпознати сред другите по наличието на квадратни скоби във формулата. Трябва обаче да разберете, че за да може едно вещество да бъде класифицирано като сол, то трябва да съдържа някои катиони, различни от (или вместо) H +, а анионите трябва да съдържат някои аниони, различни от (или вместо) OH - . Например съединението H2 не принадлежи към класа на комплексните соли, тъй като когато се дисоциира от катиони, в разтвора присъстват само водородни катиони H +. Въз основа на вида на дисоциацията, това вещество по-скоро трябва да се класифицира като безкислородна комплексна киселина. По същия начин OH съединението не принадлежи към солите, т.к това съединение се състои от катиони + и хидроксидни йони ОН -, т.е. трябва да се счита за цялостна основа.
Номенклатура на солите
Номенклатура на средни и киселинни соли
Името на средните и киселинните соли се основава на принципа:
Ако степента на окисление на метал в сложни вещества е постоянна, тогава тя не е посочена.
Имената на киселинните остатъци бяха дадени по-горе при разглеждане на номенклатурата на киселините.
например,
Na 2 SO 4 - натриев сулфат;
NaHSO 4 - натриев хидроген сулфат;
CaCO 3 - калциев карбонат;
Ca(HCO 3) 2 - калциев бикарбонат и др.
Номенклатура на основните соли
Имената на основните соли се основават на принципа:
Например:
(CuOH) 2 CO 3 - меден (II) хидроксикарбонат;
Fe(OH) 2 NO 3 - железен (III) дихидроксонитрат.
Номенклатура на комплексните соли
Номенклатурата на комплексните съединения е много по-сложна и за да преминете Единния държавен изпит, не е необходимо да знаете много за номенклатурата на комплексните соли.
Трябва да можете да назовавате комплексни соли, получени при взаимодействие на алкални разтвори с амфотерни хидроксиди. Например:
*Еднаквите цветове във формулата и името обозначават съответните елементи на формулата и името.
Тривиални имена на неорганични вещества
Под тривиални имена разбираме имената на вещества, които не са свързани или слабо свързани с техния състав и структура. Тривиалните имена се определят, като правило, или от исторически причини, или от физичните или химичните свойства на тези съединения.
Списък с тривиални имена на неорганични вещества, които трябва да знаете:
| На 3 | криолит |
| SiO2 | кварц, силициев диоксид |
| FeS 2 | пирит, железен пирит |
| CaSO 4 ∙2H 2 O | гипс |
| CaC2 | калциев карбид |
| Al 4 C 3 | алуминиев карбид |
| KOH | каустичен калий |
| NaOH | сода каустик, сода каустик |
| H2O2 | водороден прекис |
| CuSO 4 ∙5H 2 O | меден сулфат |
| NH4CI | амоняк |
| CaCO3 | креда, мрамор, варовик |
| N2O | смешен газ |
| НЕ 2 | кафяв газ |
| NaHC03 | сода бикарбонат (питейна). |
| Fe3O4 | желязна скала |
| NH 3 ∙H 2 O (NH 4 OH) | амоняк |
| CO | въглероден окис |
| CO2 | въглероден диоксид |
| SiC | карборунд (силициев карбид) |
| PH 3 | фосфин |
| NH 3 | амоняк |
| KClO3 | Бертолетова сол (калиев хлорат) |
| (CuOH)2CO3 | малахит |
| CaO | негасена вар |
| Ca(OH)2 | гасена вар |
| прозрачен воден разтвор на Ca(OH) 2 | варна вода |
| суспензия на твърд Са(ОН)2 в неговия воден разтвор | варно мляко |
| K2CO3 | поташ |
| Na 2 CO 3 | калцинирана сода |
| Na 2 CO 3 ∙10H 2 O | кристална сода |
| MgO | магнезия |
Химичните реакции трябва да се разграничават от ядрените. В резултат на химичните реакции общият брой на атомите на всеки химичен елемент и неговият изотопен състав не се променят. Ядрените реакции са различен въпрос - процеси на трансформация на атомни ядра в резултат на тяхното взаимодействие с други ядра или елементарни частици, например превръщането на алуминий в магнезий:
27 13 Al + 1 1 H = 24 12 Mg + 4 2 He
Класификацията на химичните реакции е многостранна, т.е. може да се основава на различни характеристики. Но всяка от тези характеристики може да включва реакции между неорганични и органични вещества.
Нека разгледаме класификацията на химичните реакции според различни критерии.
I. Според броя и състава на реагиращите вещества
Реакции, протичащи без промяна на състава на веществата.
В неорганичната химия такива реакции включват процесите на получаване на алотропни модификации на един химичен елемент, например:
C (графит) ↔ C (диамант)
S (оромбична) ↔ S (моноклинна)
P (бяло) ↔ P (червено)
Sn (бял калай) ↔ Sn (сив калай)
3O 2 (кислород) ↔ 2O 3 (озон)
В органичната химия този тип реакция може да включва реакции на изомеризация, които протичат без промяна не само на качествения, но и на количествения състав на молекулите на веществата, например:
1. Изомеризация на алкани.
Реакцията на изомеризация на алканите е от голямо практическо значение, тъй като въглеводородите с изоструктура имат по-ниска способност за детонация.
2. Изомеризация на алкени.
3. Изомеризация на алкини (реакция на A.E. Favorsky).
CH 3 - CH 2 - C= - CH ↔ CH 3 - C= - C- CH 3
етил ацетилен диметил ацетилен
4. Изомеризация на халоалкани (A. E. Favorsky, 1907).
5. Изомеризация на амониев цианит при нагряване.
Уреята е синтезирана за първи път от F. Wöhler през 1828 г. чрез изомеризиране на амониев цианат при нагряване.
Реакции, протичащи с промяна в състава на веществото
Могат да се разграничат четири вида такива реакции: комбинация, разлагане, заместване и обмен.
1. Съставните реакции са реакции, при които едно сложно вещество се образува от две или повече вещества
В неорганичната химия цялото разнообразие от реакции на съединения може да се разгледа, например, като се използва примерът за реакции за получаване на сярна киселина от сяра:
1. Получаване на серен оксид (IV):
S + O 2 = SO - от две прости вещества се образува едно сложно вещество.
2. Получаване на серен оксид (VI):
SO 2 + 0 2 → 2SO 3 - едно сложно вещество се образува от прости и сложни вещества.
3. Получаване на сярна киселина:
SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4 - едно сложно вещество се образува от две сложни вещества.
Пример за комбинирана реакция, при която едно сложно вещество се образува от повече от две първоначални вещества, е крайният етап на получаване на азотна киселина:
4NO2 + O2 + 2H2O = 4HNO3
В органичната химия реакциите на свързване обикновено се наричат „реакции на добавяне“. Цялото разнообразие от такива реакции може да се разгледа на примера на блок от реакции, характеризиращи свойствата на ненаситени вещества, например етилен:
1. Реакция на хидрогениране - добавяне на водород:
CH 2 =CH 2 + H 2 → H 3 -CH 3
етен → етан
2. Реакция на хидратация - добавяне на вода.
3. Реакция на полимеризация.
2. Реакциите на разлагане са реакции, при които от едно сложно вещество се образуват няколко нови вещества.
В неорганичната химия цялото разнообразие от такива реакции може да се разглежда в блока от реакции за получаване на кислород чрез лабораторни методи:
1. Разлагане на живачен(II) оксид - от едно сложно вещество се образуват два прости.
2. Разлагане на калиев нитрат - от едно сложно вещество се образуват едно просто и едно сложно.
3. Разлагане на калиев перманганат - от едно сложно вещество се образуват две сложни и едно просто вещество, тоест три нови вещества.
В органичната химия реакциите на разлагане могат да се разглеждат в блока от реакции за производството на етилен в лабораторията и в промишлеността:
1. Реакция на дехидратация (елиминиране на водата) на етанол:
C 2 H 5 OH → CH 2 = CH 2 + H 2 O
2. Реакция на дехидрогениране (елиминиране на водород) на етан:
CH3 -CH3 → CH2 =CH2 + H2
или CH 3 -CH 3 → 2C + ZN 2
3. Реакция на крекинг (разцепване) на пропан:
CH3 -CH2 -CH3 → CH2 =CH2 + CH4
3. Реакциите на заместване са реакции, при които атоми на просто вещество заместват атоми на някакъв елемент в сложно вещество.
В неорганичната химия пример за такива процеси е блок от реакции, характеризиращи свойствата, например на металите:
1. Взаимодействие на алкални или алкалоземни метали с вода:
2Na + 2H 2 O = 2NaOH + H 2
2. Взаимодействие на метали с киселини в разтвор:
Zn + 2HCl = ZnСl 2 + H 2
3. Взаимодействие на метали със соли в разтвор:
Fe + CuSO 4 = FeSO 4 + Cu
4. Металотермия:
2Al + Cr 2 O 3 → Al 2 O 3 + 2Сr
Предмет на изучаване на органичната химия не са прости вещества, а само съединения. Ето защо, като пример за реакция на заместване, ние представяме най-характерното свойство на наситените съединения, по-специално на метана, - способността на неговите водородни атоми да бъдат заменени с халогенни атоми. Друг пример е бромирането на ароматно съединение (бензен, толуен, анилин).
C 6 H 6 + Br 2 → C 6 H 5 Br + HBr
бензен → бромобензен
Нека обърнем внимание на особеностите на реакцията на заместване в органичните вещества: в резултат на такива реакции се образуват не просто и сложно вещество, както в неорганичната химия, а две сложни вещества.
В органичната химия реакциите на заместване също включват някои реакции между две сложни вещества, например нитриране на бензен. Формално това е обменна реакция. Фактът, че това е реакция на заместване, става ясен само при разглеждане на нейния механизъм.
4. Обменните реакции са реакции, при които две сложни вещества обменят компонентите си
Тези реакции характеризират свойствата на електролитите и в разтворите протичат съгласно правилото на Berthollet, т.е. само ако резултатът е образуването на утайка, газ или леко дисоцииращо вещество (например H 2 O).
В неорганичната химия това може да бъде блок от реакции, които характеризират например свойствата на основите:
1. Реакция на неутрализация, която протича с образуването на сол и вода.
2. Реакцията между алкали и сол, която протича с образуването на газ.
3. Реакцията между алкали и сол, водеща до образуване на утайка:
CuSO 4 + 2KOH = Cu(OH) 2 + K 2 SO 4
или в йонна форма:
Cu 2+ + 2OH - = Cu(OH) 2
В органичната химия можем да разгледаме блок от реакции, които характеризират например свойствата на оцетната киселина:
1. Реакцията, която протича с образуването на слаб електролит - H 2 O:
CH 3 COOH + NaOH → Na(CH3COO) + H 2 O
2. Реакция, протичаща с образуването на газ:
2CH 3 COOH + CaCO 3 → 2CH 3 COO + Ca 2+ + CO 2 + H 2 O
3. Реакцията, която протича с образуването на утайка:
2CH 3 COOH + K 2 SO 3 → 2K (CH 3 COO) + H 2 SO 3
2CH 3 COOH + SiO → 2CH 3 COO + H 2 SiO 3
II. Чрез промяна на степента на окисление на химичните елементи, образуващи вещества
Въз основа на тази характеристика се разграничават следните реакции:
1. Реакции, които протичат с промяна в степента на окисление на елементите или окислително-редукционни реакции.
Те включват много реакции, включително всички реакции на заместване, както и тези реакции на комбиниране и разлагане, в които участва поне едно просто вещество, например:
1. Mg 0 + H + 2 SO 4 = Mg + 2 SO 4 + H 2
2. 2Mg 0 + O 0 2 = Mg +2 O -2
Сложните окислително-редукционни реакции се съставят с помощта на метода на електронния баланс.
2KMn +7 O 4 + 16HCl - = 2KCl - + 2Mn +2 Cl - 2 + 5Cl 0 2 + 8H 2 O
В органичната химия ярък пример за редокс реакции са свойствата на алдехидите.
1. Те се редуцират до съответните алкохоли:
Алдекидите се окисляват до съответните киселини:
2. Реакции, които протичат без промяна на степента на окисление на химичните елементи.
Те включват, например, всички йонообменни реакции, както и много реакции на съединения, много реакции на разлагане, реакции на естерификация:
HCOOH + CHgOH = HCOOCH 3 + H 2 O
III. Чрез термичен ефект
Въз основа на топлинния ефект реакциите се делят на екзотермични и ендотермични.
1. Протичат екзотермични реакции с освобождаване на енергия.
Те включват почти всички реакции на съединенията. Рядко изключение е ендотермичната реакция на синтеза на азотен оксид (II) от азот и кислород и реакцията на водороден газ с твърд йод.
Екзотермичните реакции, които протичат с отделянето на светлина, се класифицират като реакции на горене. Хидрогенирането на етилен е пример за екзотермична реакция. Работи при стайна температура.
2. Ендотермичните реакции протичат с поглъщането на енергия.
Очевидно те ще включват почти всички реакции на разлагане, например:
1. Изпичане на варовик
2. Крекинг на бутан
Количеството енергия, освободено или погълнато в резултат на реакция, се нарича топлинен ефект на реакцията, а уравнението на химическа реакция, показващо този ефект, се нарича термохимично уравнение:
H 2(g) + C 12(g) = 2HC 1(g) + 92,3 kJ
N 2 (g) + O 2 (g) = 2NO (g) - 90,4 kJ
IV. Според агрегатното състояние на реагиращите вещества (фазов състав)
Според агрегатното състояние на реагиращите вещества се разграничават:
1. Хетерогенни реакции - реакции, при които реагентите и реакционните продукти са в различни агрегатни състояния (в различни фази).
2. Хомогенни реакции – реакции, при които реагентите и реакционните продукти са в едно и също агрегатно състояние (в една и съща фаза).
V. Чрез участие на катализатор
Въз основа на участието на катализатора се разграничават:
1. Некаталитични реакции, протичащи без участието на катализатор.
2. Каталитични реакции, протичащи с участието на катализатор. Тъй като всички биохимични реакции, протичащи в клетките на живите организми, протичат с участието на специални биологични катализатори от протеинова природа - ензими, всички те са каталитични или по-точно ензимни. Трябва да се отбележи, че повече от 70% от химическата промишленост използват катализатори.
VI. По посока
Според посоката се разграничават:
1. Необратимите реакции протичат при дадени условия само в една посока. Те включват всички обменни реакции, придружени от образуване на утайка, газ или слабо дисоцииращо вещество (вода) и всички реакции на горене.
2. Обратимите реакции при тези условия протичат едновременно в две противоположни посоки. По-голямата част от тези реакции са.
В органичната химия знакът за обратимост се отразява от имената - антоними на процесите:
Хидрогениране - дехидрогениране,
Хидратация - дехидратация,
Полимеризация - деполимеризация.
Всички реакции на естерификация (обратният процес, както знаете, се нарича хидролиза) и хидролиза на протеини, естери, въглехидрати и полинуклеотиди са обратими. Обратимостта на тези процеси е в основата на най-важното свойство на живия организъм - обмяната на веществата.
VII. Според механизма на протичане се разграничават:
1. Радикални реакции възникват между радикалите и молекулите, образувани по време на реакцията.
Както вече знаете, при всички реакции старите химични връзки се разкъсват и се образуват нови химични връзки. Методът на разкъсване на връзката в молекулите на изходното вещество определя механизма (пътя) на реакцията. Ако веществото е образувано от ковалентна връзка, тогава може да има два начина за прекъсване на тази връзка: хемолитична и хетеролитична. Например, за молекулите Cl 2, CH 4 и т.н., възниква хемолитично разцепване на връзките, което ще доведе до образуването на частици с несдвоени електрони, т.е. свободни радикали.
Радикалите най-често се образуват, когато се разрушат връзки, в които споделените електронни двойки между атомите са приблизително еднакво разпределени (неполярна ковалентна връзка), но много полярни връзки също могат да бъдат разкъсани по подобен начин, особено когато реакцията протича в газова фаза и под въздействието на светлина , както например в случая на процесите, обсъдени по-горе - взаимодействието на C 12 и CH 4 -. Радикалите са много реактивни, защото са склонни да завършат своя електронен слой, като вземат електрон от друг атом или молекула. Например, когато хлорен радикал се сблъска с водородна молекула, той причинява разкъсване на общата електронна двойка, свързваща водородните атоми, и образува ковалентна връзка с един от водородните атоми. Вторият водороден атом, след като се превърна в радикал, образува обща електронна двойка с несдвоения електрон на хлорния атом от колабиращата молекула Cl 2, което води до образуването на хлорен радикал, който атакува нова водородна молекула и т.н.
Реакциите, които представляват верига от последователни трансформации, се наричат верижни реакции. За развитието на теорията на верижните реакции двама изключителни химици - нашият сънародник Н. Н. Семенов и англичанинът С. А. Хиншелуд бяха удостоени с Нобелова награда.
Реакцията на заместване между хлор и метан протича по подобен начин:
Повечето реакции на изгаряне на органични и неорганични вещества, синтез на вода, амоняк, полимеризация на етилен, винилхлорид и др., Протичат по радикалния механизъм.
2. Йонните реакции възникват между йони, които вече присъстват или са се образували по време на реакцията.
Типичните йонни реакции са взаимодействия между електролити в разтвор. Йоните се образуват не само по време на дисоциацията на електролитите в разтвори, но и под действието на електрически разряди, нагряване или радиация. γ-лъчите, например, превръщат молекулите вода и метан в молекулни йони.
Съгласно друг йонен механизъм протичат реакции на присъединяване на халогеноводороди, водород, халогени към алкени, окисление и дехидратация на алкохоли, заместване на алкохолен хидроксил с халоген; реакции, характеризиращи свойствата на алдехиди и киселини. В този случай йоните се образуват чрез хетеролитично разцепване на полярни ковалентни връзки.
VIII. Според вида на енергията
иницииращи реакцията се разграничават:
1. Фотохимични реакции. Те се инициират от светлинна енергия. В допълнение към фотохимичните процеси на синтез на HCl или реакцията на метан с хлор, обсъдени по-горе, те включват производството на озон в тропосферата като вторичен атмосферен замърсител. Основната роля в този случай е азотният оксид (IV), който под въздействието на светлината образува кислородни радикали. Тези радикали взаимодействат с кислородните молекули, което води до озон.
Образуването на озон става, докато има достатъчно светлина, тъй като NO може да взаимодейства с кислородните молекули, за да образува същия NO 2. Натрупването на озон и други вторични замърсители на въздуха може да доведе до фотохимичен смог.
Този тип реакция включва и най-важния процес, протичащ в растителните клетки - фотосинтезата, чието име говори само за себе си.
2. Радиационни реакции. Те се инициират от високоенергийно лъчение - рентгенови лъчи, ядрено лъчение (γ-лъчи, a-частици - He 2+ и др.). С помощта на радиационни реакции се извършва много бърза радиополимеризация, радиолиза (радиационно разлагане) и др.
Например, вместо двуетапно производство на фенол от бензен, той може да се получи чрез взаимодействие на бензен с вода под въздействието на радиация. В този случай радикалите [OH] и [H] се образуват от водни молекули, с които бензенът реагира, за да образува фенол:
C 6 H 6 + 2[OH] → C 6 H 5 OH + H 2 O
Вулканизацията на каучук може да се извърши без сяра, като се използва радиовулканизация, а полученият каучук няма да бъде по-лош от традиционния каучук.
3. Електрохимични реакции. Те се инициират от електрически ток. В допълнение към добре познатите реакции на електролиза, ще посочим и реакции на електросинтеза, например реакции за промишлено производство на неорганични окислители
4. Термохимични реакции. Те се инициират от топлинна енергия. Те включват всички ендотермични реакции и много екзотермични реакции, чието започване изисква първоначално подаване на топлина, т.е. иницииране на процеса.
Обсъдената по-горе класификация на химичните реакции е отразена в диаграмата.
Класификацията на химичните реакции, както всички други класификации, е условна. Учените се съгласиха да разделят реакциите на определени типове според идентифицираните от тях характеристики. Но повечето химични трансформации могат да бъдат класифицирани в различни типове. Например, нека характеризираме процеса на синтез на амоняк.
Това е сложна реакция, редокс, екзотермична, обратима, каталитична, хетерогенна (по-точно хетерогенно-каталитична), протичаща с намаляване на налягането в системата. За успешно управление на процеса е необходимо да се вземе предвид цялата предоставена информация. Конкретна химична реакция винаги е многокачествена и се характеризира с различни характеристики.
И класификация на стоманите
- качество;
- химически състав;
- предназначение;
- микроструктура;
- сила.
Качество на стоманата
По химичен състав
Въглеродни стомани постоянни примеси
Таблица 1.3.
ВЪГЛЕРОДНА СТОМАНА
Легиране елементи добавкиили добавки
Легирани стомани нисколегирана(до 2,5 тегл.%), легирани(от 2,5 до 10 тегл.%) и силно легирани "хром"
По предназначение стомана
Структурни ниско-(или малко-)И среден въглерод.
Инструменталвисоко въглерод.
И (със специални свойства - ).
И
И повишена устойчивост на топлина високоскоростен стомани
Обикновено качество
Конструкционни стомани,
Инструментални стомани,
6) лагер (сачмен лагер) стомана,
7) бързорежещи стомани(високолегирани, висококачествени инструментални стомани с високо съдържание на волфрам).
8) автоматичен, т.е.повишена (или висока) обработваемост, стомана.
Анализът на състава на исторически развитите групи за маркиране на стомана показва, че използваните системи за маркиране позволяват кодирането на пет класификационни характеристики, а именно: качество, химичен състав, предназначение, степен на дезоксидация,и също метод за получаване на заготовки(автоматичен или в редки случаи леярски). Връзката между групите за маркиране и класовете стомана е илюстрирана от долната част на блоковата диаграма на фиг. 1.
СИСТЕМА ОТ ГРУПИ ЗА МАРКИРОВКА, ПРАВИЛА ЗА МАРКИРОВКА И ПРИМЕРИ ЗА КЛАСОВЕ СТОМАНИ
| КАРБОН | ОБИКНОВЕНО КАЧЕСТВО | |||||||
| Стоманена група | Гаранция за доставка | МАРКИ | ||||||
| А | по химичен състав | St0 | St1 | St2 | StZ | St4 | St5 | St6 |
| б | по механични свойства | BSt0 | BSt1 | BSt2 | BStZ | BSt4 | BSt5 | BSt6 |
| IN | по механични свойства и химичен състав | VSTO | VSt1 | VSt2 | VStZ | VSt4 | VSt5 | VSt6 |
| Концентрация на въглерод, тегл. % | 0,23 | 0,06-0,12 | 0,09-0,15 | 0,14-0,22 | 0,18-0,27 | 0,28-0,37 | 0,38-0,49 | |
| КАЧЕСТВО ВИСОКО КАЧЕСТВО | КОНСТРУКТИВЕН | ПРИМЕРИ ЗА МАРКИ | ||||||
| Марка: двуцифрено число от СТОТИ от процента въглерод + индикация за степента на дезоксидация | 05 08kp 10 15 18kp 20A 25ps ZOA 35 40 45 50 55 ... 80 85 Забележки: 1) липсата на индикатор за степента на дезоксидация означава „sp”; 2) „А“ в края на знака показва, че стоманата е висококачествена | |||||||
| ИНСТРУМЕНТАЛ | МАРКИ | |||||||
| Марка: символ “U” + номер ДЕСЕТИ ОТ ПРОЦЕНТА Въглерод | U7 U7A U8 UVA U9 U9A U10 U10A U12 U12A | |||||||
| ДОПИРАН | КАЧЕСТВО ВИСОКО КАЧЕСТВО ЕКСТРА ВИСОКО КАЧЕСТВО | КОНСТРУКТИВЕН | ПРИМЕРИ ЗА МАРКИ | |||||
| Марка: двуцифрено число от СТОТИ от процента въглерод + символ на легиращ елемент + цяло число от неговия процент | 09G2 10HSND 18G2AFps 20Kh 40G 45KhN 65S2VA 110G13L Забележки: 1) числото „1” не е включено като индикатор за концентрация ≤ 1 тегл.% от легиращия елемент; 2) клас 110G13L е един от малкото, в които броят на стотните от процента въглерод е трицифрен | |||||||
| ИНСТРУМЕНТАЛ | ПРИМЕРИ ЗА МАРКИ | |||||||
| Марка: брой ДЕСЕТИ от процента въглерод + символ на легиращ елемент+ цяло число от неговия процент | ЗХ2Н2МФ 4ХВ2С 5ХНМ 7X3 9ХВГ X ХВ4 9Х4МЗФ2AGСТ-Ш Забележки: 1) числото “10” не се използва като индикатор за “десет десети” от масовия% въглерод; 2) "-Ш" в края на маркировката показва, че стоманата е с особено високо качество, получена например по метода електрошлаковапретопяване (но не само) |
Въглеродни конструкционни стомани с обикновено качество
Специфичните стомани от определената група за маркиране се обозначават с помощта на комбинация от две букви "Св"който е ключов (системообразуващ) в разглежданата маркираща група. Класовете стомана от тази група се разпознават веднага по този символ.
Символът "St" без интервал е последван от цифра, указваща номермарки – от «0» към "6".
Увеличаването на номера на марката съответства на увеличаване на съдържанието на въглерод в стоманата, но не показва неговата конкретна стойност. Допустимите граници на концентрацията на въглерод в стомани от всеки клас са показани в таблица. 1.5. Съдържание на въглерод в въглеродни стомани с обикновено качествоне надвишава 0,5 тегл.%. Такива стомани са хипоевтектоидни според структурния критерий и следователно са структурни по предназначение.
Номерът е последван от една от трите комбинации от букви: "kp", "ps", "sp" - показваща степента на дезоксидация на стоманата.
Символът "St" може да бъде предшестван от главна буква "A", "B" или "C" или може да няма никакви символи. По този начин се предава информация за това дали стоманата принадлежи към някой от т.нар „групи за доставка“: A, Bили IN, – в зависимост от това кой от стандартизираните показатели на стоманата е гарантиран от доставчика.
Стоманена група Аидва с гаранция за химичния състав или допустимите стойности на концентрацията на въглерод и примесите, определени от GOST. Буквата „А“ често не е включена в печатите и нейното отсъствие по подразбиранеозначава гаранция за химичния състав. Потребителят на стомана, без информация за механичните свойства, може да ги формира чрез подходяща термична обработка, чийто избор на режими изисква познаване на химичния състав.
Стоманена група бидва с гаранция за необходимите механични свойства. Потребителят на стомана може да определи оптималното му използване в конструкции въз основа на известни характеристики на механичните свойства без предварителна термична обработка.
Стоманена група INидва с гаранция както за химическия състав, така и за механичните свойства. Използва се от потребителя главно за създаване на заварени конструкции. Познаването на механичните свойства позволява да се предвиди поведението на натоварена конструкция в зони, далеч от заваръчните шевове, а познаването на химичния състав позволява да се предвидят и, ако е необходимо, да се коригират механичните свойства на самите заваръчни шевове чрез топлинна обработка .
Примери за записи на печати въглеродна стомана с обикновено качествоизглежда така: VSt3ps, BSt6sp, St1kp .
Сачмени лагерни стомани
Стоманите за лагери имат собствена маркировка и съставляват специална група според предназначението си. структурен стомани, въпреки че по състав и свойства са близки до инструменталните стомани. Терминът „сачмени лагери” определя тясната им област на приложение – търкалящи лагери (не само сачмени, но и ролкови и иглени). За да се отбележи, беше предложено съкращението „SHH“ - сачмен лагер хром, – последвано от число десети от процентасредна концентрация хром. От предишните широко известни марки ShKh6, ShKh9 и ShKh15 остава в употреба марката ShKh15. Разликата между сачмено лагерна стомана и подобна инструментална стомана е в по-строгите изисквания за броя на неметалните включвания и равномерното разпределение на карбидите в микроструктурата.
Подобряването на стоманата ShKh15 чрез въвеждане на допълнителни легиращи добавки (силиций и манган) беше уникално отразено в маркировката - разпространение на специфиченсистема от по-късни правила за обозначаване на легиращи елементи в легирани стомани: ШХ15СГ, ШХ20СГ.
Бързорежещи стомани
Бързорежещите стомани са специално маркирани с началната буква на руската азбука "P", съответстваща на първия звук в английската дума rapid – бързо, бързо. Това е последвано от цяло число процент волфрам. Както вече споменахме, преди това най-често срещаният клас бързорежеща стомана беше P18.
Поради недостига и високата цена на волфрам, имаше преход към волфрам-молибденова стомана R6M5 без азот и R6AM5 с азот. Подобно на лагерните стомани, има сливане (вид „хибридизация“) на две системи за маркиране. Разработването и разработването на нови бързорежещи стомани с кобалт и ванадий обогати арсенала от „хибридни“ класове: R6AM5F3, R6M4K8, 11R3AM3F2 - и също така доведе до появата на високоскоростни стомани, които обикновено не съдържат волфрам, които са маркирани както в специфична система (R0M5F1, R0M2F3) и по напълно нов начин – 9Kh6M3F3AGST-Sh, 9Kh4M3F2AGST-Sh.
Класификация на чугуните
Чугуните са сплави на желязо и въглерод, съдържащи повече от 2,14 тегл.% С.
Чугуните се топят за преработка в стомана (конверсия), за производство на феросплави, които действат като легиращи добавки, а също и като високотехнологични сплави за производство на отливки (леярство).
Въглеродът може да присъства в чугуна под формата на две високовъглеродни фази - цементит (Fe 3 C) и графит, а понякога и едновременно под формата на цементит и графит. Чугунът, в който има само цементит, дава лека, лъскава фрактура и затова се нарича бяло. Наличието на графит придава сив цвят на счупванията от чугун. Не всички чугуни с графит обаче принадлежат към класа на т.нар сивочугун Между белия и сивия чугун има класа половинчаточугун
ПоловинчатЧугуните са чугуни, в структурата на които, въпреки графитизацията, ледебуритният цементит е поне частично запазен и следователно присъства самият ледебурит - евтектичен структурен компонент, който има специфична форма.
ДО сивовключват чугуни, в които ледебуритният цементит се е разпаднал напълно и последният вече не присъства в структурата. Сивият чугун се състои от графитни включванияИ метална основа. Тази метална основа е перлитна (евтектоидна), феритно-перлитна (хипоевтектоидна) или феритна (нисковъглеродна) стомана. Посочената последователност от видове метална основа от сив чугун съответства на нарастваща степен на разлагане на цементит, който е част от перлита.
Антифрикционни чугуни
Примери за марки: АЧС-1, АЧС-2, АЧС-3.
Специална сплав, устойчива на топлина, устойчиви на корозияИ устойчив на топлиначугуни:
ПРИМЕРИ ЗА КАРТИ СПЕЦИАЛНИ СИВИ ЧУГУНИ
Класификация и етикетиране
металокерамични твърди сплави
Металокерамичните твърди сплави са сплави, получени по метода на праховата металургия (металокерамика) и състоящи се от карбиди на огнеупорни метали: WC, TiC, TaC, свързани с пластично метално свързващо вещество, най-често кобалт.
В момента в Русия се произвеждат твърди сплави от три групи: волфрам, титан-волфрам и титан-волфрам, – съдържащ като съединител кобалт.
Поради високата цена на волфрама са разработени твърди сплави, които изобщо не съдържат волфрамов карбид. Като твърда фаза съдържат само титанов карбидили титанов карбонитрид– Ti(NC). Ролята на пластичен лигамент се изпълнява от никел-молибденова матрица. Класификацията на твърдите сплави е представена в блокова схема.
В съответствие с петте класа металокерамични твърди сплави съществуващите правила за маркиране образуват пет групи за маркиране.
Волфрам (понякога се нарича волфрам-кобалт) твърди сплави
Примери: VK3, VK6, VK8, VK10.
Титанов волфрам (понякога се нарича титан-волфрам-кобалт) твърди сплави
Примери: T30K4, T15K6, T5K10, T5K12.
Титанов тантал волфрам (понякога се нарича титан-тантал-волфрам-кобалт) твърди сплави
Примери: TT7K12, TT8K6, TT10K8, TT20K9.
Понякога в края на марката се добавят букви или комбинации от букви чрез тире, характеризиращо дисперсията на карбидни частици в праха:
КЛАСИФИКАЦИЯ НА ТВЪРДИТЕ КЕРАМИЧНИ СПЛАВИ
Чуждите аналози на някои местни марки легирани стомани са дадени в таблица 1.1.
Таблица 1.1.
Чужди аналози на редица местни марки легирани стомани
| Русия, ГОСТ | Германия, DIN * | САЩ, ASTM* | Япония, LS * |
| 15X | 15Cr3 | SCr415 | |
| 40X | 41Сг4 | ССг440 | |
| 30ХМ | 25CrMo4 | ССМ430,ССМ2 | |
| 12ХГ3А | 14NiCr10** | – | SNC815 |
| 20ХГНМ | 21NiCrMo2 | СНСМ220 | |
| 08X13 | Х7Сr1З** | 410S | SUS410S |
| 20X13 | Х20Сг13 | SUS420J1 | |
| 12X17 | Х8Сг17 | 430 (51430 ***) | SUS430 |
| 12Х18Н9 | Х12СгNi8 9 | SUS302 | |
| 08Х18Н10Т | Х10CrNiTi18 9 | .321 | SUS321 |
| 10Х13СУ | Х7CrA133** | 405 ** (51405) *** | SUS405** |
| 20Х25Н20С2 | Х15CrNiSi25 20 | 30314,314 | SСS18, SUH310** |
* DIN (Deutsche Industrienorm), ASTM (Американско дружество за изпитване на материали), JIS (Японски индустриален стандарт).
** Стомана, сходна по състав; *** Стандарт SAE
Характеристики на класификационните признаци
И класификация на стоманите
Съвременните класификационни характеристики на стоманите включват следното:
- качество;
- химически състав;
- предназначение;
- металургични особености на производството;
- микроструктура;
- традиционен метод на укрепване;
- традиционен метод за получаване на заготовки или части;
- сила.
Нека опишем накратко всеки от тях.
Качество на стоманатасе определя основно от съдържанието на вредни примеси - сяра и фосфор - и се характеризира с 4 категории (виж таблица 1.2).
По химичен съставСтоманите условно се разделят на въглеродни (нелегирани) и легирани.
Въглеродни стоманине съдържат специално въведени легиращи елементи. Елементите, съдържащи се във въглеродните стомани, различни от въглеродните, са сред т.нар постоянни примеси. Тяхната концентрация трябва да бъде в границите, определени от съответните държавни стандарти (GOST). В таблица 1.3. Дадени са средни стойности на гранична концентрация на някои елементи, които позволяват да се класифицират тези елементи като примеси, а не като легиращи елементи. Специфичните граници за съдържанието на примеси във въглеродните стомани са дадени от стандартите GOST.
Таблица 1.3.
ОГРАНИЧИТЕЛНИ КОНЦЕНТРАЦИИ НА НЯКОИ ЕЛЕМЕНТИ, КОИТО ПОЗВОЛЯВАТ ДА СЕ СЧИТАТ КАТО ПОСТОЯННИ ПРИМЕСИ
ВЪГЛЕРОДНА СТОМАНА
Легиране елементи, понякога наричан легиране добавкиили добавки, са специално въведени в стоманата за получаване на необходимата структура и свойства.
Легирани стоманисе разделят според общата концентрация на легиращи елементи, с изключение на въглерод, на нисколегирана(до 2,5 тегл.%), легирани(от 2,5 до 10 тегл.%) и силно легирани(повече от 10 тегл.%) със съдържание на желязо в последното най-малко 45 тегл.%. Обикновено въведеният легиращ елемент дава съответното име на легираната стомана: "хром"– легирани с хром, „силиций” – със силиций, „хром-силиций” – с хром и силиций едновременно и др.
В допълнение, сплавите на основата на желязо също се отличават, когато съставът на материала съдържа по-малко от 45% желязо, но повече от всеки друг легиращ елемент.
По предназначение стоманаразделени на структурни и инструментални.
Структурниразглеждат се стомани, използвани за производството на различни машинни части, механизми и конструкции в машиностроенето, строителството и уредостроенето. Те трябва да притежават необходимата здравина и издръжливост, както и, ако е необходимо, набор от специални свойства (устойчивост на корозия, парамагнетизъм и др.). Обикновено структурните стомани са ниско-(или малко-)И среден въглерод.Твърдостта не е решаваща механична характеристика за тях.
Инструменталсе наричат стомани, използвани за обработка на материали чрез рязане или пресоване, както и за производство на измервателни уреди. Те трябва да имат висока твърдост, устойчивост на износване, здравина и редица други специфични свойства, например устойчивост на топлина. Необходимо условие за получаване на висока твърдост е повишеното съдържание на въглерод, поради което инструменталните стомани, с редки изключения, винаги са високо въглерод.
Във всяка група има по-подробно разделение според предназначението. Конструкционните стомани се делят на строителство, инженерингИ стомана за специални приложения(със специални свойства - топлоустойчив, топлоустойчив, устойчив на корозия, немагнитен).
Инструменталните стомани се делят на стомани за режещи инструменти, щанцови стоманиИ стомана за измервателни уреди.
Обща характеристика на инструменталните стомани е високата твърдост, която осигурява устойчивост на инструмента срещу деформация и абразия на неговата повърхност. В същото време стоманите за режещи инструменти са обект на специфично изискване - да поддържат висока твърдост при повишени температури (до 500...600ºС), които се развиват в режещия ръб при високи скорости на рязане. Определената способност на стоманата се нарича негова устойчивост на топлина (или устойчивост на червено). Според посочения критерий стоманите за режещи инструменти се делят на нетермоустойчиви, полутермоустойчиви, термоустойчивиИ повишена устойчивост на топлина. Последните две групи са известни в техниката като високоскоростен стомани
Стоманите за матрици, в допълнение към високата твърдост, изискват висока якост, тъй като инструментът за матрици работи при условия на ударно натоварване. В допълнение, инструментът за горещо щамповане, в контакт с нагрети метални детайли, може да се нагрее по време на продължителна работа. Следователно стоманите за горещо щамповане трябва да бъдат и топлоустойчиви.
Стоманите за измервателни инструменти, в допълнение към високата износоустойчивост, осигуряваща точност на размерите за дълъг експлоатационен живот, трябва да гарантират стабилност на размерите на инструментите независимо от работните температурни условия. С други думи, те трябва да имат много малък коефициент на топлинно разширение.
Химическите елементи, изграждащи живата и неживата природа, са в постоянно движение, тъй като веществата, които се състоят от тези елементи, непрекъснато се променят.
Химичните реакции (от лат. реакция - противопоставяне, съпротивление) са реакцията на веществата към влиянието на други вещества и физични фактори (температура, налягане, радиация и др.).
Тази дефиниция обаче отговаря и на физическите промени, които се случват с веществата - кипене, топене, кондензация и др. Следователно е необходимо да се изясни, че химичните реакции са процеси, в резултат на които се разрушават стари химични връзки и възникват нови и, в резултат на това от първоначалните вещества се образуват нови вещества.
Химическите реакции протичат непрекъснато както в нашето тяло, така и в света около нас. Безбройните реакции обикновено се класифицират според различни критерии. Нека си припомним от курса за 8 клас знаците, с които вече сте запознати. За да направите това, нека се обърнем към лабораторния експеримент.
Лабораторен опит No3
Заместване на желязо с мед в разтвор на меден (II) сулфат
Изсипете 2 ml разтвор на меден (II) сулфат в епруветка и поставете щипка или кламер в нея. какво наблюдаваш Напишете уравненията на реакцията в молекулна и йонна форма. Помислете за редокс процеси. Въз основа на молекулярното уравнение класифицирайте тази реакция в една или друга група реакции въз основа на следните характеристики:
Сега проверете себе си. CuSO 4 + Fe = FeSO 4 + Cu.
|
Стигнахме до една много важна концепция в химията - „скорост на химическа реакция“. Известно е, че някои химични реакции протичат много бързо, други за значителни периоди от време. Когато разтвор на сребърен нитрат се добави към разтвор на натриев хлорид, почти мигновено се утаява бяла сиренеста утайка:
AgNO 3 + NaCl = NaNO 3 + AgCl↓.
Реакциите протичат с огромни скорости, придружени от експлозия (фиг. 11, 1). Напротив, сталактитите и сталагмитите бавно растат в каменни пещери (фиг. 11, 2), стоманените продукти корозират (ръждясват) (фиг. 11, 3), дворците и статуите се унищожават от киселинен дъжд (фиг. 11, 4).
ориз. 11.
Химични реакции, протичащи с огромна скорост (1) и много бавно (2-4)
| Скоростта на химичната реакция е промяната в концентрацията на реагентите за единица време: V p = C1 - C2 /t. |
От своя страна концентрацията се разбира като съотношението на количеството вещество (както знаете, то се измерва в молове) към обема, който заема (в литри). От тук не е трудно да се изведе мерната единица за скоростта на химична реакция – 1 mol/(l s).
Специален дял от химията изучава скоростта на химичните реакции, която се нарича химична кинетика.
Познаването на неговите закони ви позволява да контролирате химическата реакция, карайки я да протича по-бързо или по-бавно.
Какви фактори определят скоростта на химичната реакция?
1. Естество на реагентите. Нека се обърнем към експеримента.
Лабораторен опит No4
Зависимостта на скоростта на химичната реакция от естеството на реагентите, използвайки примера за взаимодействие на киселини с метали
| Налейте 1-2 ml солна киселина в две епруветки и поставете: в 1-ва - гранула цинк, във 2-ра - парче желязо със същия размер. Природата на кой реагент влияе върху скоростта на взаимодействие на киселината с метала? защо Запишете уравненията на реакцията в молекулна и йонна форма. Разгледайте ги от гледна точка на окисление-редукция. След това поставете идентични цинкови гранули в две други епруветки и добавете към тях киселинни разтвори със същата концентрация: в 1-ва - солна киселина, във 2-ра - оцетна киселина. Природата на кой реагент влияе върху скоростта на взаимодействие на киселината с метала? защо Запишете уравненията на реакцията в молекулна и йонна форма. Разгледайте ги от гледна точка на окисление-редукция. |
2. Концентрация на реагентите. Нека се обърнем към експеримента.
Лабораторен опит No5
Зависимост на скоростта на химичната реакция от концентрацията на реагентите, като се използва примерът за взаимодействие на цинк със солна киселина с различни концентрации
Лесно е да се заключи: Колкото по-висока е концентрацията на реагентите, толкова по-висока е скоростта на взаимодействие между тях.
Концентрацията на газообразни вещества за хомогенни производствени процеси се увеличава чрез повишаване на налягането. Например, това се прави при производството на сярна киселина, амоняк и етилов алкохол.
Факторът на зависимостта на скоростта на химичната реакция от концентрацията на реагиращите вещества се взема предвид не само в производството, но и в други области на човешката дейност, например в медицината. Пациенти с белодробни заболявания, при които скоростта на взаимодействие на хемоглобина в кръвта с кислорода във въздуха е ниска, дишат по-лесно с помощта на кислородни възглавници.
3. Контактна зона на реагиращи вещества. Експеримент, илюстриращ зависимостта на скоростта на химическа реакция от този фактор, може да се извърши с помощта на следния експеримент.
Лабораторен опит No6
Зависимост на скоростта на химичната реакция от зоната на контакт на реагиращите вещества
За хетерогенни реакции: колкото по-голяма е контактната площ на реагиращите вещества, толкова по-висока е скоростта на реакцията.
Можете да проверите това от личен опит. За да запалите огън, под дървата слагате малки стърготини, а под тях - смачкана хартия, от която пламна целият огън. Напротив, гасенето на пожар с вода включва намаляване на зоната на контакт на горящи предмети с въздуха.
При производството този фактор е специално взет предвид; използва се така нареченият кипящ слой. За да се увеличи скоростта на реакцията, твърдото вещество се раздробява почти до състояние на прах и след това второ вещество, обикновено газообразно, преминава през него отдолу. Прекарването му през фино раздробено твърдо вещество създава ефект на кипене (оттук и името на метода). Кипящият слой се използва например при производството на сярна киселина и петролни продукти.
Лабораторен опит No7
Моделиране на кипящ слой
4. Температура. Нека се обърнем към експеримента.
Лабораторен опит No8
Зависимост на скоростта на химичната реакция от температурата на реагиращите вещества, като се използва пример за взаимодействие на меден (II) оксид с разтвор на сярна киселина при различни температури
Лесно е да се заключи: колкото по-висока е температурата, толкова по-голяма е скоростта на реакцията.
Първият лауреат на Нобелова награда, холандският химик J. X. van't Hoff, формулира правилото:
В производството, като правило, се използват високотемпературни химични процеси: при топенето на чугун и стомана, топенето на стъкло и сапун, производството на хартия и петролни продукти и др. (фиг. 12).
ориз. 12.
Високотемпературни химични процеси: 1 - топене на желязо; 2 - топене на стъкло; 3 - производство на петролни продукти
Петият фактор, от който зависи скоростта на химичната реакция, са катализаторите. Ще го срещнете в следващия параграф.
Нови думи и понятия
- Химични реакции и тяхната класификация.
- Признаци за класификация на химичните реакции.
- Скоростта на химичната реакция и факторите, от които тя зависи.
Задачи за самостоятелна работа
- Какво е химическа реакция? Каква е същността на химичните процеси?
- Дайте пълно класификационно описание на следните химични процеси:
- а) изгаряне на фосфор;
- б) взаимодействието на разтвор на сярна киселина с алуминий;
- в) реакции на неутрализация;
- г) образуването на азотен оксид (IV) от азотен оксид (II) и кислород.
- Въз основа на личен опит дайте примери за химични реакции, протичащи с различна скорост.
- Каква е скоростта на химичната реакция? От какви фактори зависи?
- Дайте примери за влиянието на различни фактори върху биохимичните и промишлените химични процеси.
- Въз основа на личен опит дайте примери за влиянието на различни фактори върху химичните реакции, които се случват в ежедневието.
- Защо храната се съхранява в хладилник?
- Химическата реакция започва при температура от 100 °C, след което се повишава до 150 °C. Температурният коефициент на тази реакция е 2. Колко пъти ще се увеличи скоростта на химичната реакция?