ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

Transcript

1 ΜΕΤΑΛΛΑ & ΚΡΑΜΑΤΑ

2 ΤΑ ΣΤΕΡΕΑ ΣΩΜΑΤΑ

3 Στα κρυσταλλικά στερεά οι δομικές μονάδες (μόρια, άτομα ή ιόντα) που τα αποτελούν κατέχουν στο χώρο συγκεκριμένες θέσεις και σχηματίζουν κανονικά γεωμετρικά σχήματα, που επαναλαμβανόμενα αποτελούν έναν κρύσταλλο του στερεού. Τα άμορφα στερεά είναι αποτέλεσμα απότομης ψύξης και έτσι οι δομικές μονάδες δεν έχουν προλάβει να τοποθετηθούν σε γεωμετρικά κανονικές θέσεις στον χώρο (πχ. γυαλί, πολυμερή πλαστικά κλπ).

4 ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Υπάρχουν 14 τύποι κρυσταλλικών πλεγμάτων. Τα περισσότερα μέταλλα κρυσταλλώνονται σε 3 απλά και μεγάλης συμμετρίας κρυσταλλικά πλέγματα: Χωροκεντρωμένο κυβικό σύστημα (τα άτομα τοποθετούνται στις 8 κορυφές του κύβου και ένα στο κέντρο του κύβου) (π.χ. Fe, Cr, Mo, Ka, Na).

5 Εδρoκεντρωμένο κυβικό σύστημα (τα άτομα τοποθετούνται στις 8 κορυφές κύβου και στα κέντρα των 6 εδρών) (π.χ. Al, Cu, Au, Ag, Pt, Mo, Ni).

6 Μέγιστης πυκνότητας εξαγωνικό σύστημα (τα άτομα τοποθετούνται στις κορυφές και τα κέντρα των εξαγώνων και στο επίπεδο του μέσου του πρίσματος στις 3 πλευρές εναλλάξ) (π.χ. Zn, Cd, Mg, Co, Ti).

7 ΜΕΤΑΛΛΑ

8 Τα περισσότερα μέταλλα τα συναντάμε μέσα σε ενώσεις. Κάποια μέταλλα τα συναντάμε ελεύθερα, σε στοιχειακή κατάσταση, αυτοφυή, όπως: χρυσός, λευκόχρυσος, άργυρος, παλλάδιο. Ο άνθρωπος πρώτα άρχισε να χρησιμοποιεί τα αυτοφυή μέταλλα που δεν χρειαζόντουσαν ιδιαίτερη επεξεργασία, παρά μόνο έναν καθαρισμό. Στη συνέχεια εφηύρε αρχικά τη μεταλλουργία του χαλκού και των κραμάτων του (μπρούντζος, ορείχαλκος) εποχή χαλκού και μετά τη μεταλλουργία των κραμάτων του σιδήρου εποχή σιδήρου. Στην επεξεργασία των μετάλλων συνέβαλε καθοριστικά η ανακάλυψη της φωτιάς.

9 ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ A. ΧΗΜΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ 1. Τα άτομα των δραστικών μετάλλων αποβάλλουν e- και μετατρέπονται σε κατιόντα. 1. Η δραστικότητα μετάλλων και αμετάλλων φαίνεται στην ηλεκτροχημική σειρά των στοιχείων. Στον Περιοδικό Πίνακα η δραστικότητα των μετάλλων αυξάνεται προς τα κάτω στην ίδια ομάδα, και προς τα αριστερά στην ίδια περίοδο.το δραστικότερο, λοιπόν, μέταλλο είναι το φράγκιο (Fr) που βρίσκεται κάτω αριστερά.

10 Β. ΦΥΣΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ 1. Τα μέταλλα έχουν χαρακτηριστική λάμψη. 2. Έχουν αργυρό χρώμα, εκτός από τον κόκκινο χαλκό και τον κίτρινο χρυσό. 3. Είναι αδιαφανή. 4. Είναι στερεά & μάλιστα κρυσταλλικά, εκτός από τον Ηg που είναι υγρός. 5. Είναι μονοατομικά στοιχεία. 6. Είναι αγωγοί της θερμότητας και του ηλεκτρισμού (όταν όμως εξαερώνονται γίνονται μονωτές). 7. Είναι όλκιμα δηλαδή γίνονται σύρματα. 8. Είναι ελατά δηλαδή γίνονται ελάσματα. 9. Γενικά, έχουν υψηλά σημεία τήξης και ζέσης.

11 ΚΡΑΜΑΤΑ

12 Καθαρές ουσίες είναι τα στοιχεία και οι χημικές ενώσεις. Τα μίγματα προέρχονται από ανάμιξη δύο τουλάχιστον καθαρών ουσιών και διακρίνονται σε ομογενή και ετερογενή. Κράμα ονομάζεται κάθε μεταλλικό σώμα που προέρχεται από την ανάμιξη δύο ή περισσότερων χημικών στοιχείων, από τα οποία το ένα τουλάχιστον είναι μέταλλο, ενώ το άλλο μπορεί να είναι επίσης μέταλλο ή αμέταλλο. Τα κράματα είναι τεχνικά υλικά, δηλαδή προορίζονται για να ικανοποιήσουν τις ανάγκες της τεχνικής. Τα κράματα δύο συστατικών ονομάζονται διμερή κράματα.

13 Ιδιότητες - Εφαρμογές Παραγωγή κραμάτων: βελτίωση σκληρότητας, αντοχής, βάρους, αντίστασης στη διάβρωση κλπ. των καθαρών μετάλλων. Χαλκός (Cu) Cu-Zn (ορείχαλκος), Cu-Sn (μπρούντζος), Cu-Al (χαλκοαλουμίνιο) (ηλεκτρικά σύρματα, σωληνώσεις, βαλβίδες, αντλίες) Αλουμίνιο (Al) (βιομηχανία τροφίμων, αυτοκινητοβιομηχανία, βιομηχανία αθλητικών ειδών, επενδύσεις κτιρίων, αεροναυπηγική) Μαγνήσιο (Mg) (αεροναυπηγική) Τιτάνιο (Ti) (μηχανές αεροσκαφών, τμήματα πλοίων, τεχνητά οστά) Κασσίτερος (Sn) (π.χ. Pb/Sn, συγκολλητικό κράμα, καλάι) Χρυσός (Au) (κοσμήματα «14 καρατίων», κράμα που περιέχει 14/24 (58,3%κ.β.) χρυσό, 10/14 (41,7% κ.β.) άργυρος, χαλκός, νικέλιο, κλπ. Άργυρος (Ag) sterling περιέχει 92,5% κ.β. άργυρο και 7,5% κ.β. χαλκό.

14 Κράματα σιδήρου Κράμα σιδήρου (Fe) με άνθρακα (C): 0,01 2% χάλυβας 2,5 4% χυτοσίδηρος Η προσθήκη άλλων στοιχείων (π.χ. Ni, Mn, Cr, Si, Mo) επιφέρει βελτίωση αντοχής σε διάβρωση βελτίωση μηχανικών ιδιοτήτων αύξηση σκληρότητας βελτίωση κατεργασιμότητας. Πολλές εφαρμογές αντοχής στη διάβρωση, για λόγους οικονομικούς (π.χ. χημική βιομηχανία, ναυπηγική), για λόγους αισθητικούς (π.χ. αρχιτεκτονική) ή για λόγους υγιεινής (π.χ. μαγειρικά σκεύη, χειρουργικά εργαλεία).

15 Παραδείγματα κραμάτων Κράματα χαλκού: κέρματα ευρώ Κράμα αλουμινίου Γαλλικό κόρνο φτιαγμένο από ορείχαλκο Κέρμα 2 ευρώ: Χαλκονικέλιο (δακτύλιος) Νικελιούχος ορείχαλκος (πυρήνας) Κράμα σιδήρου: χάλυβας οπλισμού σκυροδέματος Τεχνητό ισχίο από κράμα τιτανίου

16 Καμπύλες ψύξης κραμάτων Zn - Cd Zn Cd 500 o C 425 o C 400 o C 300 o C 275 o C 200 o C Καμπύλη Ζη (καθαρός ψευδάργυρος) Καμπύλη Cd (καθαρό κάδμιο) Καμπύλες 1 5 (κράματα αυξανόμενης περιεκτικότητας σε κάδμιο) Καμπύλη 4 (ευτηκτικό κράμα ψευδαργύρου καδμίου).

17 Κόκκοι του κράματος Zn - Cd 500 o C 420 o C 400 o C Α 1 τήγμα 300 o C 275 o C Γ 2 τήγμα+κρύσταλλοι Zn Ε 5 Δ 320 o C Β τήγμα + κρύσταλλοι Cd 200 o C 3 ευτηκτικό μίγμα + κρύσταλλοι Zn 4 ευτηκτικό μίγμα + κρύσταλλοι Cd Cd Zn Το λευκό χρώμα αντιστοιχεί σε καθαρό Cd Το μαύρο αντιστοιχεί σε καθαρό Ζη. Οι γραμμωτοί κόκκοι αντιστοιχούν σε κράμα που έχει την ευτηκτική σύσταση (ευτηκτικό μίγμα) και διακρίνονται οι επάλληλες στρώσεις Cd (λευκό) και Ζη (μαύρο).

18 Η Αλχημεία ήταν μια αποκρυφιστική επιστημονική τεχνουργία και πρακτική που εφαρμόστηκε κυρίως κατά τους αρχαίους χρόνους και τον Μεσαίωνα. Επεδίωκε δύο βασικούς σκοπούς: την μετατροπή των μη πολύτιμων μετάλλων σε χρυσό και την παρασκευή του ελιξήριου της ζωής που θα παρείχε την αθανασία.

19

20 Σύγχρονες τέχνες και Αλχημεία Η αλχημεία, οι αλχημιστές και οι πρακτικές τους επηρεάζουν συχνά σύγχρονους καλλιτέχνες, λογοτέχνες, ηθοποιούς, μουσικούς μέχρι και κατασκευαστές ηλεκτρονικών παιχνιδιών. Ενδεικτικά, αναφέρονται: Full Metal Alchemist (anime) AnimaMundi : Dark Alchemist (ηλεκτρονικό παιχνίδι) World of Warcraft (ηλεκτρονικό παιχνίδι) Harry Potter and the Philosopher's stone (βιβλίο, ταινία) Ο Αλχημιστής (του Πάολο Κοέλιο) (βιβλίο) The Holy Mountain (ταινία) Ο πόλεμος των άστρων (ταινία) Τα μυστικά του Αθάνατου Νίκολας Φλαμέλ (βιβλίο: τριλογία)

21 Πειραματικό μέρος - Σκοπός Σκοπός της άσκησης είναι η κατασκευή των καμπυλών ψύξης διαφόρων κραμάτων Sn/Pb γνωστής % σύστασης καθώς και των καμπυλών ψύξης καθαρού Pb και Sn. Στη συνέχεια με την βοήθεια των παραπάνω καμπυλών κατασκευάζεται το διάγραμμα φάσεων του κράματος Sn/Pb. Με διαθέσιμο το διάγραμμα φάσεων προσδιορίζεται ακολούθως η % σύσταση κράματος Sn/Pb, άγνωστης περιεκτικότητας (θερμική ανάλυση).

22 Πειραματική διάταξη θερμοζεύγος Ψηφιακό θερμόμετρο κράμα χρονόμετρο λύχνος Χωνευτήριο με ποσότητα κράματος ή καθαρού μετάλλου Τρίποδας Λύχνος υγραερίου Λαβίδα Ηλεκτρονικό θερμόμετρο (NiCr /Ni) Χρονόμετρο

23 Εκτέλεση του πειράματος 1 Το χωνευτήριο με το στερεοποιημένο κράμα τοποθετείται με την βοήθεια της λαβίδας στον τρίποδα. Καταγράφεται η % σύσταση του κράματος. Το κράμα θερμαίνεται μέχρι τήξεως και μετά την τήξη η θέρμανση συνεχίζεται για 3 min τουλάχιστον. Σβήνουμε τον λύχνο και το θερμοζεύγος βυθίζεται στο τηγμένο κράμα. Τη χρονική στιγμή t=0 καταγράφεται η θερμοκρασία και ταυτόχρονα τίθεται σε λειτουργία το χρονόμετρο. Ανά 10 sec καταγράφεται η θερμοκρασία και η διαδικασία συνεχίζεται μέχρι να διαπιστώσουμε ότι για μερικές μετρήσεις η θερμοκρασία παραμένει σταθερή (στερεοποίηση του κράματος).

24 Εκτέλεση του πειράματος 3 Η διαδικασία επαναλαμβάνεται για τέσσερα κράματα διαφόρων γνωστών % συστάσεων, για καθαρό Pb, για καθαρό Sn και για ένα κράμα άγνωστης % σύστασης. Για κάθε περίπτωση οι μετρήσεις συγκεντρώνονται σε πίνακα με τρεις στήλες, ως εξής: "χρόνος", "ενδείξεις θερμομέτρου", "διορθωμένη θερμοκρασία" (αν απαιτείται διόρθωση). Προσοχή! Όλες οι μετακινήσεις των χωνευτηρίων γίνονται με τη λαβίδα.

25