Фізико-хімічний аналіз металу. Хімічні реакції. Принцип Ле Шательє

                                Міністерство освіти та науки України

                                            ХКТК НТУ «ХПІ»

                                                   Реферат

                                         З дісципліни: Хімія

Тема: Фізико-хімічний аналіз металу. Хімічні реакції. Принцип Ле       Шательє.

                                           

 

 

                        

 

                         Студентки денного відділення: Шершньової Катерини Ігорівни

                                                                                                          Групи: РПЗ-112

                                                            Викладач: Кофанова Валентина Василівна

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                    Харків 2012

1. Фізико-хімічний аналіз, за ​​визначенням М. С. Курнакова, - це розділ загальної хімії, який має своєю метою визначення співвідношення між складом і властивостями рівноважних систем, результатом чого є графічне побудова діаграм склад-властивість.

Сплави металів і метали безпосередньо використовуються повсюдно - для виготовлення обладнання, інструментів, конструкцій машин і т. п. Хоча, на сьогодні відомий широкий спектр матеріалів, що були створені штучним  чином, наприклад, кераміка та клеї, але, все ж, метали по- раніше являють  собою основний конструкційний матеріал, який в найближчому майбутньому  не поступиться своїми домінуючих позицій.

Маса найбільшого самородка  міді становить 420 т, срібла - 13,5 т, золота - 112 кг. З 111 відкритих елементів, представлених  в Періодичній системі елементів  Д. І. Менделєєва, 76 є металами, Si, Ge, As, Se, Te - проміжними між металами і неметалами, іноді їх називають напівметали. Всі елементи, розташовані лівіше уявної лінії, проведеної від бору до астату (від № 5 до № 85) відносяться  до металів, а правіше - в основному, до неметалів. Ця межа недостатньо чітко  виражена, оскільки серед елементів, розташованих поблизу кордону, знаходяться  і напівметали.

Металеві матеріали зазвичай поділяються на дві великі групи: залізо і сплави заліза (сталь і  чавун) називають чорними металами, а інші метали і їхні сплави - кольоровими. Крім того, всі кольорові метали, застосовувані в техніці, в свою чергу, поділяються на такі групи:

• легкі метали Mg, Be, Al, Ti з  щільністю до 5 г/см3;

• важкі метали Pb, Mo, Ag, Au, Pt, W, Та, Ir, Os з щільністю, що перевищує 10 г/см3;

• легкоплавкі метали Sn, Pb, Zn з температурою плавлення 232; 327; 410 ° С відповідно;

• тугоплавкі метали W, Mo, Та, Nb з температурою плавлення вище, ніж у заліза (> 1536 ° С);

• благородні метали Au, Ag, Pt з високою стійкістю проти  корозії;

• уранові метали або  актиноїди, використовувані в атомній  техніці;

• рідкоземельні метали (РЗМ) - лантаноїди, застосовувані для  модифікування сталі;

• лужні і лужноземельні  метали Na, К, Li, Ca у вільному стані  застосовуються в якості жідкометалліческім теплоносіїв в атомних реакторах; натрій також використовується в  якості каталізатора у виробництві  штучного каучуку, а літій - для легування  легких і міцних алюмінієвих сплавів, застосовуваних в літакобудуванні.

Властивості металів різноманітні. Ртуть замерзає при температурі  мінус 38,8 ° С, вольфрам витримує робочу температуру до 2000 ° С (Тпл == 3420 °  С). Літій, натрій, калій легше води, а іридій і осмій - в 42 рази важче  літію. Електропровідність срібла в 130 разів вище, ніж у березні ¬  ганця. Разом з тим метали мають  характерні загальні властивості, до них  відносяться:

• кристалічну будову в  твердому стані.

• висока пластичність;

• високі тепло-і електропровідність;

• позитивний температурний  коефіцієнт електричного опору, що означає  зростання опору з підвищенням  температури і надпровідність багатьох металів (близько 30) при температурах, близьких до абсолютного нуля;

• хороша відбивна здатність (метали практично непро-зрачних  і мають характерний металевий  блиск);

• термоелектронна емісія, тобто здатність до випускання електронів при нагріванні.

Види:

За способом виготовлення сплавів розрізняють литі і порошкові  сплави. Литі сплави одержують кристалізацією розплаву змішаних компонентів. Порошкові - пресуванням суміші порошків з  наступним спіканням при високій  температурі. Компонентами порошкового  сплаву можуть бути не тільки порошки  простих речовин, але і порошки  хімічних сполук. Наприклад, основними  компонентами твердих сплавів є  карбіди вольфраму або титану.

За способом отримання  заготовки (вироби) розрізняють ливарні (наприклад, чавуни, силуміни), що деформуються (наприклад, сталі) і порошкові сплави.

У твердому агрегатному стані  сплав може бути гомогенним (однорідним, однофазним - складається з кристалітів  одного типу) і гетерогенним (неоднорідним, багатофазним). Твердий розчин є  основою сплаву (матрична фаза). Фазовий  склад гетерогенного сплаву залежить від його хімічного складу. У сплаві можуть бути присутніми: тверді розчини  впровадження, тверді розчини заміщення, хімічних сполук (у тому числі карбіди, нітриди, інтерметаліди ...) і крісталлітипростих речовин.

 

Сплави, використовані  в промисловості:

Сплави розрізняють за призначенням: конструкційні, інструментальні  і спеціальні.

Конструкційні сплави:

• стали

• чавуни

• дюралюміній

Конструкційні зі спеціальними властивостями (наприклад, іскробезпеку, антифрикційні властивості):

• бронзи

• латуні

Для заливки підшипників:

• бабіт

Для вимірювальної та електронагрівальної  апаратури:

• манганин

• ніхром

Для виготовлення ріжучих  інструментів:

• переможе

У промисловості також  використовуються жароміцні, легкоплавкі  і корозійностійкі сплави, термоелектричні  та магнітні матеріали, а також аморфні  сплави.

Отримання металов  з руд:

Процес отримання металів  з руд за допомогою відновних  реакцій. Під Відновленням металів  спочатку розумілися реакції одержання  металів з їх оксидів шляхом застосування речовин, що відрізняються більш  високим спорідненістю до кисню, ніж метал. Найпростіший приклад - отримання  металевого заліза з його закису: FeO + С = Fe + CO, яке, зокрема, протікає в доменних печах.

Можливість В. м. визначається зміною вільної енергії при реакції: MeO + В = Me + BO, де MeO - оксид металу, В - відновник. Якщо при цій реакції (при постійних  температурі і тиску) сума вільних  енергій Me і BO менше, ніж MeO і В, то процес протікає зліва направо з утворенням металу. Процес полегшується, якщо кінцевий продукт - метал - знаходиться у вигляді  розчину (твердого або рідкого), так  як розчинення супроводжується зменшенням вільної енергії. Цим пояснюється, що при відновленні металів з  деяких особливо міцних оксидів отримують  в якості кінцевих продуктів відповідні сплави. Таким чином, для відновлення  металів необхідна наявність  певного термодинамічного стимулу. Поряд з цим велике значення мають  і кінетичні умови відновлення, які визначаються Крісталлохимічеськая перетвореннями (у випадку твердих  окислів), механізмом хімічних реакцій  на кордонах фаз, умовами масопереносу реагентів, наприклад дифузією.

У більш загальному, хімічному  сенсі відновлення металів зводиться  до приєднання електронів до атома  або групи атомів. Тому до відновлення  металів належать і процеси отримання  металів електролізом з сольових розплавів або розчинів на катоді, наприклад для міді: Cu + + + 2e = Cu, де е - електрон.

Найбільш важливі приклади подібних процесів в техніці - виробництво Al електролізом глинозему з розплавів  і Cu з водних розчинів CuSO4. Відновлення  металів здійснюється у кольоровій металургії при отриманні металів  з сульфідів, хлоридів та інших сполук. Так як для відновлення необхідні  електрони, які віддає відновник, то відновні процеси нерозривно пов'язані  з окислювальними.

 

 

2. Оборотні реакції - хімічні реакції, що протікають одночасно в двох протилежних напрямках (прямому і зворотному), наприклад:

3H2 + N2 ⇌ 2NH3.

Напрямок оборотних реакцій  залежить від концентрацій речовин - учасників реакції. Так у наведеній  реакції, при малій концентрації аміаку в газовій суміші і великих  концентраціях азоту і водню  відбувається утворення аміаку; навпаки, при великій концентрації аміаку він розкладається, реакція йде  в зворотному напрямку. По завершенні оборотної реакції, тобто при  досягненні хімічної рівноваги, система  містить як вихідні речовини, так  і продукти реакції.

Проста (одностадійна) оборотна реакція складається з двох відбуваються одночасно елементарних реакцій, які  відрізняються одна від одної  лише напрямом хімічного перетворення. Напрямок доступною безпосередньому  спостереженню підсумкової реакції  визначається тим, яка з цих взаємно-зворотних  реакцій має велику швидкість. Наприклад, проста реакція

N2O4 ⇌ 2NO2

складається з елементарних реакцій

N2O4 ⇌ 2NO2 і 2NO2 ⇌ N2O4.

Для оборотності складною (багатостадійної) реакції синтезу  аміаку, необхідно, щоб були оборотні всі складові її стадії.

 

Необоротні реакції - реакції, при яких взяті речовини остачі перетворюються на продукти реакції, що не реагують між  собою за даних умов, наприклад, розкладання  вибухових речовин, горіння вуглеводнів, освіта малодиссоциирующий з'єднань, випадання  осаду, освіту газоподібних речовин.

Ba (ClO2) 2 + H2SO4 → 2HClO2 + BaSO4 ↓

NaHCO3 + CH3COOH → CH3COONa + H2O + CO2 ↑

Однак треба розуміти, що при зміні умов протікання реакції, теоретично можливо змістити рівновагу  будь-якої реакції.

 

Хімічна рівновага - стан хімічної системи, в якому оборотно протікає одна або кілька хімічних реакцій, причому швидкості в кожній парі пряма-зворотна реакція рівні між собою. Для системи, що знаходиться в хімічному рівновазі, концентрації реагентів, температура та інші параметри системи не змінюються з часом. [1]

А2 + В2 ⇄ 2AB

Положення хімічної рівноваги  залежить від наступних параметрів реакції: температури, тиску і концентрації. Вплив, який чинять ці фактори на хімічну  реакцію, підпорядковуються закономірності, яка була висловлена ​​в загальному вигляді в 1885 році французьким ученим Ле-Шательє.

Фактори що впливають на хімічну рівновагу:

1) температура

При збільшенні температури  хімічна рівновага зміщується у  бік ендотермічний (поглинання) реакції, а при зниженні в бік екзотермічної (виділення) реакції.

CaCO3 = CaO + CO2-Q t ↑ →, t ↓ ←

N2 +3 H2 ↔ 2NH3 + Q t ↑ ←, t ↓  →

2) тиск

При збільшенні тиску хімічна  рівновага зміщується в бік меншого  обсягу речовин, а при зниженні в  бік більшого об'єму. Цей принцип  діє тільки на гази, тобто якщо в  реакції беруть участь тверді речовини, то вони в розрахунок не беруться.

CaCO3 = CaO + CO2 P ↑ ←, P ↓ →

1моль = 1моль +1 моль

3) концентрація вихідних  речовин і продуктів реакції

При збільшенні концентрації одного з вихідних речовин хімічна  рівновага зміщується в бік продуктів  реакції, а при підвищенні концентрації продуктів реакції-у бік вихідних речовин.

S2 +2 O2 = 2SO2 [S], [O] ↑ →, [SO2] ↑  ←

Каталізатори не впливають  на зсув хімічної рівноваги

Хімічна рівновага залежить - від концентрації, тиску, температури.

1) Вплив концентрації - якщо  збільшити концентрацію вихідних  речовин, то рівновага зміщується  в бік утворення продуктів  реакції.

Наприклад, Kp = k1/k2 = [NH3] 2 / [N2] [H2] 3

При додаванні в реакційну  суміш, наприклад азоту, тобто зростає  концентрація реагенту, знаменник у  виразі для К збільшується, але  так як К - константа, то для виконання  цієї умови повинен збільшитися  і чисельник. Таким чином, в реакційній суміші зростає кількість продукту реакції. У такому випадку говорять про зміщення хімічної рівноваги  вправо, в бік продукту.

Таким чином, збільшення концентрації реагентів (рідких або газоподібних) зміщує в бік продуктів, тобто  в бік прямої реакції. Збільшення концентрації продуктів (рідких або  газоподібних) зміщує рівновагу в  бік реагентів, тобто у бік  зворотної реакції.

Зміна маси твердої речовини не змінює положення рівноваги.

2) Вплив температури - збільшення температури зміщує  рівновагу в бік ендотермічний  реакції.

а) N2 (Г) + 3H2 (Г) ↔ 2NH3 (Г) + 92,4 кДж (екзотермічна - виділення тепла)

При підвищенні температури  рівновага зміститься у бік реакції  розкладання аміаку (←)

б) N2 (Г) + O2 (Г) ↔ 2NO (Г) - 180,8 кДж (ендотермічна - поглинання тепла)

При підвищенні температури  рівновага зміститься у бік реакції  утворення NO (→)

3) Вплив тиску (тільки  для газоподібних речовин) - при  збільшенні тиску, рівновага зміщується  в бік утворення речовин, що  займають менший об'єм.

N2 (Г) + 3H2 (Г) ↔ 2NH3 (Г)

1V - N2

3V - H2

2V - NH3

При підвищенні тиску (P): до реакції 4V газоподібних речовин →  після реакції 2V газоподібних речовин, отже, рівновага зміщується вправо (→)   

При збільшенні тиску, наприклад, у 2 рази, об'єм газів зменшується  в таку ж кількість разів, а  отже, концентрації всіх газоподібних речовин зростуть у 2 рази. Kp = k1/k2 = [NH3] 2 / [N2] [H2] 3

У цьому випадку чисельник  виразу для До збільшиться в 4 рази, а знаменник у 16 ​​разів, тобто  рівність порушиться. Для його відновлення  повинні зрости концентрація аміаку і зменшитися концентрації азоту  і водню. Рівновага зміститься вправо.             

Отже, при підвищенні тиску  рівновага зміщується у бік зменшення  обсягу, при зниженні тиску - у бік  збільшення обсягу.