"Химия", Габриелян О.С.
Сплавы — материалы из двух или нескольких компонентов, один из которых обычно металл. Их получают, чтобы соединить или изменить свойства исходных веществ: сделать материал прочнее, твёрже, легче или удобнее в обработке. Состав сплава и расположение частиц в нём влияют на его характеристики. Сталь, чугун, бронза, латунь и дюралюминий отличаются составом и поэтому используются для разных задач — от изготовления деталей машин до строительства самолётов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Сплав — материал из двух или нескольких компонентов, один из которых обычно металл. Его относят к смесям, потому что компоненты соединены физически, а их соотношение может быть разным. Сплавы позволяют получить материал с подходящими свойствами для конкретной задачи.
Сталь — сплав железа с углеродом, в котором углерода меньше, чем в чугуне. От количества углерода зависят твёрдость и способность стали изменять форму при обработке. Сталь используют там, где нужны прочность и возможность изготовить детали или конструкции.
Чугун — сплав железа с углеродом, содержащий углерода больше, чем сталь. Из-за такого состава он обычно твёрдый, но более хрупкий и хуже переносит деформацию. Эти особенности помогают выбирать, для каких изделий подходит чугун, а где лучше применить сталь.
Дюралюминий — лёгкий сплав на основе алюминия с добавками других металлов, в частности меди. Он сочетает небольшую массу с хорошей прочностью. Поэтому дюралюминий применяют в авиации и при изготовлении деталей транспорта и машин.
Компоненты сплава часто смешивают в расплавленном состоянии, потому что в жидкости их частицы могут свободно перемещаться и равномерно распределяться. Если смешивать твёрдые куски, они обычно сохраняют свои границы и плохо соединяются по всему объёму. При охлаждении расплав теряет подвижность, частицы располагаются устойчивее, и материал становится твёрдым. Так сплав приобретает форму изделия и сохраняет свойства твёрдого тела.
В твёрдом сплаве частицы компонентов могут располагаться по-разному. Иногда атомы одного вещества занимают места атомов другого в общей структуре — такую систему называют твёрдым раствором. В другом случае атомы образуют химическое соединение с определённым соотношением, а иногда в материале сохраняются отдельные частицы разных веществ. Строение зависит от компонентов и условий получения, поэтому сплавы нельзя описать одной-единственной схемой.
Состав определяет, какие частицы присутствуют в материале, а строение — как они связаны и могут ли перемещаться. Например, примеси могут затруднять сдвиг слоёв атомов, поэтому сплав становится твёрже или прочнее, чем исходный металл. Если структура мешает материалу менять форму, он может стать менее пластичным. Так небольшие изменения долей компонентов и способа охлаждения дают сплавы с разными свойствами.
Сталь и чугун различаются прежде всего содержанием углерода: в стали его меньше, чем в чугуне. Более высокое содержание углерода обычно делает чугун твёрдым, но одновременно более хрупким, поэтому его не так удобно изгибать или ковать. Сталь чаще используют для конструкций и деталей, которым нужны прочность и обработка; чугун подходит, например, для отливок сложной формы. Выбор материала связан не только с составом, но и с тем, какую нагрузку изделие должно выдерживать.
Бронза и латунь — сплавы на основе меди, но отличаются вторым главным компонентом: в бронзе это обычно олово, а в латуни — цинк. Их выбирают для изделий, которым нужны подходящие прочность, износостойкость или удобство обработки. Дюралюминий устроен иначе: его основа — алюминий, поэтому он лёгкий, а добавки повышают прочность. Благодаря этому бронзовые и латунные изделия часто нужны для деталей и предметов, а дюралюминий особенно полезен там, где важно снизить массу конструкции.
В таблице собраны основные компоненты сплавов и примеры того, как их свойства связаны с использованием. Составы указаны упрощённо: в промышленных сплавах могут быть дополнительные компоненты. Сравнивая строки, проследи, как различие в составе помогает подобрать материал для нужного изделия.
| Сплав | Основные компоненты | Характерные свойства | Применение |
|---|---|---|---|
| Сталь | Железо, небольшое количество углерода | Прочная, может быть твёрдой, обычно поддаётся обработке | Строительные конструкции, инструменты, детали машин |
| Чугун | Железо, углерод в большем количестве, чем в стали | Твёрдый, хорошо подходит для отливок, обычно хрупкий | Корпуса машин, трубы, детали и посуда |
| Бронза | Медь, преимущественно олово | Прочная, износостойкая, устойчива к коррозии | Подшипники, детали механизмов, художественное литьё |
| Латунь | Медь, цинк | Пластичная, удобна для обработки, имеет характерный цвет | Арматура, детали, приборы и декоративные изделия |
| Дюралюминий | Алюминий, медь и другие добавки | Лёгкий и прочный | Авиация, транспорт, детали машин |
Задача 1. В сплаве массой 200 г содержится 10 г углерода. Найдите массовую долю углерода в процентах. Чтобы найти массовую долю, нужно сравнить массу углерода с массой всего сплава, а не с массой оставшейся части. Затем отношение переводят в проценты, умножая на 100%.
Записываем массу углерода: m(углерода) = 10 г, массу сплава: m(сплава) = 200 г.
Делим массу компонента на массу всего сплава: 10 / 200 = 0,05.
Переводим долю в проценты: 0,05 × 100% = 5%.
Ответ: массовая доля углерода равна 5%.
Задача 2. Сплав состоит из меди и цинка. Определите, к какому распространённому сплаву он относится, и назовите его применение. Сначала сопоставим названные компоненты с известными составами: для этого важно вспомнить, что бронза содержит медь и олово. Пара медь—цинк указывает на латунь.
Выделяем компоненты: медь и цинк.
Сравниваем состав с определениями: латунь — сплав меди с цинком, а бронза — меди с оловом.
Называем область применения латуни: из неё делают арматуру, приборные детали и декоративные изделия.
Ответ: это латунь; её применяют для изготовления арматуры, деталей приборов и декоративных изделий.
Задача 3. Для изготовления 500 г сплава с массовой долей меди 70% рассчитайте массы меди и второго компонента, если сплав состоит только из меди и цинка. Доля меди показывает, какая часть общей массы приходится на этот металл. Сначала найдём массу меди, а затем вычтем её из массы сплава: оставшаяся часть — цинк, поскольку других компонентов нет.
Переводим массовую долю в десятичную дробь: 70% = 0,70.
Вычисляем массу меди: 500 г × 0,70 = 350 г.
Вычитаем массу меди из общей массы: 500 г − 350 г = 150 г цинка.
Ответ: в сплаве 350 г меди и 150 г цинка. Проверка: 350 г + 150 г = 500 г, а доля меди составляет 350 / 500 × 100% = 70%.
Ошибка: называть сплав чистым веществом. Так могут говорить, потому что сплав выглядит однородным и его компоненты не всегда различимы глазом. Однако обычно он включает несколько веществ, а их соотношение может меняться. Проверь себя: если в составе названы два или больше компонентов, речь идёт о смеси.
Ошибка: считать, что любой сплав состоит только из металлов. Такое представление возникает из-за того, что многие сплавы делают на основе металла. Но в стали и чугуне присутствует неметалл углерод. Проверяй полный состав, а не только название основного металла.
Ошибка: путать сталь и чугун. Оба материала содержат железо и углерод, поэтому их легко смешать. Различие — в содержании углерода: в чугуне его больше, а свойства и применение поэтому отличаются. Чтобы проверить ответ, сопоставь название материала с составом и характерной хрупкостью чугуна.
Ошибка: при расчёте массовой доли делить на массу компонента. Компонент и есть часть сплава, а массовую долю считают от целого. Поэтому массу компонента делят на массу всего сплава. Проверка проста: знаменатель в такой задаче — общая масса материала, и доля компонента не должна превышать 100%.
Чтобы изучать сплавы, нужно понимать, что такое смесь и металл, различать металлы и неметаллы и уметь находить массовую долю вещества. Эти знания помогают читать состав материалов и выполнять расчёты для сплавов. Позже они пригодятся при изучении свойств металлов и коррозии — разрушения металла под действием окружающей среды. Понимание состава также помогает разобраться, почему для защиты металлов и изготовления техники выбирают разные материалы.
Сплав — материал из двух или более компонентов, один из которых обычно металл.
Свойства сплава зависят от его состава и строения.
В сплаве компоненты могут образовать твёрдый раствор, химическое соединение или смесь частиц.
Сталь и чугун — сплавы железа с углеродом.
В стали углерода меньше, чем в чугуне.
Бронза состоит главным образом из меди и олова, латунь — из меди и цинка.
Сплавы применяют, потому что их свойства можно подбирать под конкретные задачи.
Почему сплав считается смесью, а не чистым веществом?
Сплав обычно содержит несколько компонентов, например железо и углерод или медь и цинк. Их соотношение может меняться, поэтому сплав относят к смесям, а не к чистым веществам с постоянным составом.
Обязательно ли в сплаве должны быть только металлы?
Нет. Кроме металлов, в сплав могут входить неметаллы. Например, сталь и чугун содержат углерод.
Чем сталь отличается от чугуна?
Сталь и чугун — сплавы железа с углеродом, но в чугуне углерода больше. Поэтому чугун обычно твёрдый и хрупкий, а сталь лучше поддаётся обработке и подходит для изготовления прочных деталей и конструкций.
Из каких металлов состоят бронза и латунь?
Основные компоненты бронзы — медь и олово, а латуни — медь и цинк. В обоих сплавах могут присутствовать небольшие добавки других элементов.
Почему свойства сплава могут отличаться от свойств его компонентов?
Атомы разных компонентов по-разному располагаются в сплаве и мешают частицам перемещаться относительно друг друга. Поэтому меняются твёрдость, прочность, пластичность и другие свойства материала.
§ 10. Сплавы
