Қатайту және қайта кристалдану 3. атайту жне айта кристалдану Жоспар Кристалдану 2
 Скачать 306.54 Kb.
|
|
Қатайту және қайта кристалдану Жоспар: 1.Кристалдану; 2.Қайта кристалдану; 2.1.Қайта кристалдану түрлері; 2.2.Сублимация; 2.3. Экстракция 3. Қатайту; 3.1.Қатайту түрлері. 1.Кристалдану; Кристалдану – кристалдардың булардан, ерітінділерден, балқымалардан, қатты күйдегі (аморфты және басқа кристалдық күйдегі) заттардан, электролиз процесі кезінде электролиттерден (электрлік кристалдану), сондай-ақ химиялық реакциядан пайда болуы. Кристалдану үшін алғашқы (аналық) ортаның термодинамикалық тепе-теңдігі бұзылуы, яғни ерітіндінің немесе будың аса құрғауы, балқыманың асқын суынуы және т.б. жағдайлар орындалуы тиіс. Кристалдануға қажетті аса құрғау немесе аса суыну температураның, концентрацияның, қысымның, фазааралық электр потенциалының тепе-теңдік мәндерінен ауытқуымен сипатталады. Кристалдану – заттың аса суыған (құрғаған) аналық ортасынан еркін энергиясы төмен кристалдық күйге фазалық ауысуы. Бұл ауысу кезінде артық жылу кристалданудың жасырын жылуы түрінде бөлінеді. Осы жылудың бір бөлігі механикалық жұмысқа айналып, өсетін кристалл үстіне қойылған жүкті көтеріп, ондаған кгс/см2 қысымға шыдауы мүмкін. Жасырын жылудың бөлінуі балқыманы қыздырып, аса суынуды азайтады да, кристалдануды баяулатады. Нәтижесінде заттың қалыптасуы аяқталады немесе температурасы, қысымы және концентрациясы тепе-теңдік күйге көшеді. Аса суытылған орта кристалданбай, ұзақ уақыт орнықсыз күйде болуы мүмкін. Нашар суытылған булардан, ерітінділерден және балқымалардан пішіні көп жақты кристалдар алынады. Кристалдану процесі кристалл ұрықтарының түзілуі және әрбір ұрықтың әрі қарай өсуі деп аталатын екі кезеңнен тұрады. Кристалдану нәтижесінде минералдар пайда болады. Кристалдану – металлургияда, шалаөткізгішті, оптикалық, пьезоэлектрлік, т.б. материалдарды алудың негізі. Ол химияда, тамақ, медицина өнеркәсіптерінде, тыңайтқыш, тұз, қант, т.б. өндіруде кеңінен пайдаланылады. Кристалдану сызаттары (Трещина кристаллизационная) — жік аумағында қыздыру, суыту жылдамдығының өзара алшақты болуынан жікте кристаллиттер аралығында сызаттану, тұтастығының бұзылуы орын алады. 2.Қайта кристалдану; Қайта кристалдану әдісі қатты заттарды бір-бірінен ажыратып алуда және олардың құрамдарын бөгде заттардан тазарту кезінде қолданылады. Бұл әдіс арқылы заттарды тазартқанда мына төмендегідей үш мәселеге көңіл бөлінуі қажет. а) органикалық заттың ерігіштігі температураға тікелей байланысты болуы шарт; б) берілген бір еріткіште тазартылуға тиісті зат бөгде заттарға қарағанда өте жақсы еруге тиіс; в) еріткіш тазартылатын затпен реакцияға түспеуі қажет. Қайта кристалдану әдісінің мәні мынада:құрамында бөгде нәрселері көп, ластанған органикалық қатты заттар белгілі бір ыңғайлы еріткіште кыздырылып ерітіледі. Бұдан әрі қызған ерітінді фильтр арқылы сүзіледі, ал сүзгіден өткен ерітінді суылтылады. Сол кезде суыған ерітіндіде зат қайтадан кристалданады. Бұл түзілген таза кристалдарды екінші рет фильтрлі сүзгіден өткізсек, таза зат ала аламыз. 2.1.Қайта кристалдану түрлері;  2.3.Сублимация Бірден булану (сублимация) әдісі де органикалық заттарды тазартудың тиімді түрлерінің бірі. Сублимациялау дегеніміз қатты заттарды қоспадан қыздыру арқылы бірден буға айналдырып содан сон, ол буды суытып, қайтадан қатты зат алу. Бұлай тазартудың қолданылатын жері аз. Оған себеп, сублимацияға ұшырайтын органикалық қатты заттар санаулы ғана. Сублимацияның екі түрі болады: 1) қарапайым сублимация; 2) вакуумде өтетін сублимация . Қарапайым сублимацияны кәрден тостағанында жүргізуге болады. Кәрден тостағанына заттар қоспасы салынады да, оның бетіне воронка төңкеріледі. Тостағаншаны қыздырғанда сублимацияға ұшырайтын зат буға айналып воронканың ішкі бетіне келіп соқтығады және сол бетте ол бу қатты заттың кристалына айналып, воронка қабырғасына жабысады. Одан затты қырып жинап алуға болады. Кейбір заттарды вакуумде кыздырып сублимациялап алу ыңғайлы болады. 2.3. Экстракция Экстракция (немесе шаймалау). Экстракциялау дегеніміз қатты, немесе сұйық заттарды қоспалардан басқа бір еріткіштер арқылы бөліп алу. Мұның мәні мынада: суда немесе су мен қышқыл қоспасында еріп тұрған затты бұл ортаға органикалық еріткіштер кұю арқылы ерітіп, бетіне қалқытып шығарады да, судан бөліп ағызып алады. Экстракциялауды көп жағдайда бөлгіш воронкаларда жүргізеді . Экстракциялау үшін органикалық еріткіштер: диэтил зфирі, бензол, толуол, хлороформ, дихлороэтан, төртхлорлы көміртегі ,петролейн эфирі, этилацетат және т. б. жиі қолданылады. Экстракция жүргізудің әртүрлі жолы бар. Олар мына төмендегі әдістер: мацерация — қалыпты жағдайда немесе бөлме температурасында қатты затты бірнеше қабат аздаған мөлшерлі еріткіште ерітіп экстракциялау; дигерлеу — қатты затты еріткіштің порцияларымен қыздырып экстракциялау; перколяция — қатты заттың үстінен еріткішті үнемі ағызып өткізу арқылы экстракциялау; перфорация — заттың ерітіндісінің ішінен еріткішті үнемі айналдыра өткізіп отыру арқылы (циркуляциялау арқылы) экстракциялау; қарама-қарсы ағында бөлу — затты және еріткішті бір-біріне қарама-қарсы ағызып, екі түрлі сұйықтық фазаның арасында экстракциялау. Xроматография. Қазіргі уакытта органикалық заттарды бір-бірінен бөліп шығаруда, тазалау және жекелеп алуда көп қолданылып жүрген әдістердің бірі. Хроматографияның негізі — заттардың ерітінділерінің сорғыш материалдардың бойымен жылжып өтуі кезіндегі жылдамдығының әртүрлі болатындығы. Басқаша айтсақ, әрбір заттың ерітіндісі сорбенттің (сорғыштық қасиетібар заттар) бойымен өткенде әртүрлі жылдамдықпен жылжиды және сол сорбенттің бойында белгілі бір уақыт сақталып тұра алады Заттарды хроматографиялық жолмен, тазалаудың төрт түрі бар: адсорбациялық хроматография; бөліну хроматографиясы; ион алмасу хроматографиясы; газды хроматография. Әр түрлі әдістер арқылы тазартылып алынған органикалық заттарды әр алуан жолдармен құрғатып, одан әрі олардың тұрақты физикалық константаларын анықтайды (балқу немесе қайнау температурасы, тығыздығы, жарық сәулесін сындыру қасиеті). Нағыз таза заттар үшін оның барлық физикалық константалары тұрақты, аз ғана интервалды өлшемдер болып келеді.Бұдан арғы жерде заттың құрамын анықтау жұмыстары жүргізіледі.  Деформацияланған металды қыздыру кезінде температура жоғарылаған сайын атомдардың қозғалысы үдей түсіп, белгілі бір температураға жеткенде жаңадан тепе-тең түйіршіктер пайда болады. Суретте tn.р температурасына дейін деформацияланған түйіршіктер сақталады. Температура tn.р нүктесінен асқанда жаңадан түйіршік тумалары пайда болады. Деформацияланған кристалдың талшықты құрылымының орнында жаңадан тепе-тең кристалдардың пайда болуы қайта кристалдану немесе бірінші кристалдану деп аталады. Қайта кристалдану температурасы Бочвар А.А. формуласымен анықталады: мұнда - металдың балқу температурасы: - металдың тазалығына байланысты алынатын коэффициент, техникалық таза металл үшін = 0,3- 0,4, қорытпалар үшін = 0,7- 0,8. Бірінші қайта кристалдану процесі кезінде деформация әсерінен созылған кристалдардың орнына домалаған кішкене кристалдар пайда болады. Жаңа кристалдардың туындылары бұрынғы кристалдардың бұзылған шекараларына орналасып, диффузия арқылы атомдардың қосылуымен әрі қарай өсіп дамиды. Дислокациялар тығыздығы азаяды. Деформация салдарынан металл бойында жиналған энергияның негізгі бөлігі босап шығады. Қайта кристалданудың нәтижесінде тойтарылған құрылым толығымен жойылып, металдың қасиеті бастапқы қалпына жақындайды. Қайта кристалдану кезінде металдың беріктігі σв, әсіресе аққыштық шегі σ күрт төмендеп, металдың созымталдығы δ көтеріледі. Қайта кристалдану кезіндегі нығайған беріктіктің жойылуы дислокация тығыздығының күрт төмендеп, бұзылған торлардың бастапқы қалпына қайтуымен түсіндіріледі. Қайта кристалданудан кейінгі қалыптасқан түйіршіктердің мөлшері металдың қасиетіне өте үлкен әсерін тигізеді. Ұсақ түйіршікті металл мен қорытпалардың беріктігі және тұтқырлығы көтеріңкі болады. Суық пластикалық деформацияланып қайта кристалданған металдың түйіршік мөлшері деформацияға дейінгі түйіршік мөлшерлерінен ұсақ немесе ірі болуы мүмкін. Түйіршіктердің мөлшері қайта кристалдану температурасына, деформация дәрежесіне, қорытпаның құрамына, кірмелердің болуына т.б. байланысты қалыптасады. Деформация дәрежесі асқан сайын түйіршік мөлшері кішірейеді. 3.Қатайту Қатайту — қайта кристалдану температурасынан төмен температурада пластикалық деформация процесінде олардың құрылымы мен фазалық құрамының өзгеруіне байланысты металдар мен қорытпаларды қатайту. Қатайту үлгінің бетіне кристалдық тор ақауларының шығуымен, беріктігі мен қаттылығының жоғарылауымен және икемділіктің, қаттылықтың, металдардың қарама-қарсы белгінің деформациясына төзімділігінің төмендеуімен бірге жүреді (Баушингер эффектісі). Қатайту – заттың сұйық күйден кристалдық (қатты) күйге фазалық ауысуы; кристалдану дегенмен бірдей ұғым. Қатты дене – заттардың тепе-теңдік қалпының айналасында (төңірегінде) сәл ғана тербеліс жасайтын тұрақты пішінімен және атомдарының өздеріне тән жылулық қозғалыстарымен сипатталатын агрегаттық күйі. Қатты денелер кристалдық және аморфты денелер деп екіге ажыратылған. Кристалдардың атомдары тепе-теңдік қалпында кеңістіктік периодтылықпен орналасуымен сипат- талады. Аморфты денелерде атомдар ретсіз (хаос) орналасқан нүктелер төңірегінде тербеледі. Қатты денелердің тұрақты күйі (ішкі минимум энергиялы) кристалдық күй болып табылады. Аморфты дене термодинамикалық көзқарас бойынша метатұрақты күйде болады және уақыттың өтуіне байланысты кристалдануға тиісті. Табиғаттағы барлық денелер (сұйық гелийден өзгелер) атмосфералық қысым кезінде және Т>0 К температурада қатаятын болады. Қатты денелердің қасиеттерін зерттеу қатты денелер физикасына біріккен, мұның дамытылуы техниканың мұқтаждығынан туындаған. Қатты денелер физикасы – жаңа материалдардың, жаңа физикалық идеялардың қайнар көзі. Қатты денелер ядролық физикаға, астрономиялық физикаға және басқа да ғылыми салаларға енуде. Қатты денелердің қасиеттерін оның атомдық-молекулалық құрылымымен және оның атомдық (атомдары, иондары, молекулалары), сонымен қатар субатомдық бөлшектердің (электрондардың, атом ядроларының) қозғалыс заңдарымен түсіндіруге болады. Қатты денелердің (металдардың, минералдардың) макроскопиялық қасиеттері туралы мәліметтердің жинақталуы және жүйеленуі ХVІІ ғасырдан басталған. Қатты денелерге механикалық күштердің, жарықтың, электр және магнит өрістерінің, т.б. әсерлерін сипаттайтын бірқатар эмпирикалық заңдар тұжырымдалған. 1660 жылы Гук заңы, 1819 жылы Дюлонг заңы. Пти заңы, 1826 жылы Ом заңы, 1853 жылы Видеман – Франц заңы, т.б. ашылған. ХІХ ғасырдың 1-жартысында серпімділік теориясының негізгі жү- йесі, қатты денелердің тұтас орта ретіндегі түсінігі қалыптасқан. Кристалдың кеңістікте реттеліп орналасқан және тепе-теңдік қалпында өзараәсерлесу күштерімен ұсталып тұратын атомдардың жиынтығы ретіндегі түсінікті 1848 жылы француз физигі Огюст Браве (1811–1863) біржолата тұжырымдағанымен бұл идеяның дамуы 1687 жылы Исаак Ньютонның (1643– 1727) шыққан еңбегінен бастау алған. Ол еңбекте дыбыстың жылдамдығы серпімді байланысқан бөлшектердің тізбегі ретінде сөз болған. 1727 жылы швейцар математигі әрі физигі Даниил Бернулли (1700 – 1782) және 1830 жылы француз математигі Огюстен Коши (1789 – 1857), т.б. қатты денелер туралы зерттеулерді жалғастырған. 1890 – 1891 жылдары орыс минералогы Евграф Федоров (1853 – 1919) кристалдардың 230 кеңістіктік симметриялы тобы болатынын дәлелдеген. 1912 жылы неміс физигі Макс фон Лауэ (1879–1960) рентген сәулесінің кристалдардағы дифракциясын ашқан, бұл жайт қатты денелердің реттелген дискретті құрылымды екенін біржолата растаған. 1927 жылы американ физиктері Клинтон Дэвиссон (1881–1958) мен Лестер Джермер (1896–1971) электрондардың кристалдағы дифракциясын бақылаған. Одан кейінгі ке- зеңде нейтрондардың кристалдағы дифракциясы белгілі болған. Қатты денелердің құрылымдық бірліктері атомдар, молекулалар немесе ион- дар болады. Қатты денелердің кристалдық құрылымы атомдық бөлшектердің арасында әсер етуші күштерге тәуелді. Атомдық бірдей бөлшектер әртүрлі құрылымдар – сұр және ақ қалайыны, графит пен алмасты, т.б. құра алады. 3.1.Қатайту түрлері Қатайтудың екі түрі бар: фазалық; деформациялық. Деформациялық қатайту сыртқы деформациялық күштердің әсерінен болады. Фазалық қатайту кезінде деформациялардың көзі фазалық түрлендірулер болып табылады, нәтижесінде бастапқы (-лардан) ерекше көлемдері бар жаңа фазалар пайда болады.  Өндіріс процесінде Болат бөлшектердің барлығы дерлік қысыммен өңделеді: илемдеу, соғу, штамптау, престеу, нәтижесінде оның пішіні мен қасиеттері өзгереді. Металдарды қысыммен өңдеу суық және ыстық болып бөлінеді. Суық қысымды өңдеудің мысалы-қазандықтың қыздыру беттерінің құбырларын бүгу және барабан қабықтарын парақтардан орау. Суық пластикалық деформация процесінде металл кристалдарының ішінде атомдардың ең тығыз қаптамасының жазықтықтары бойынша сдысулар және жеке дәндердің бір-біріне қатысты айналуы жүреді. Металлға одан әрі жүктелген кезде оның пластикалық деформация қабілеті төмендейді. Бұл металдың күштірек екенін білдіреді. Пластикалық деформация кезінде металды қатайту тойтару немесе байлау деп аталады. Деформация әсерінен ретсіз бағытталған кристалдар деформация бағыты бойынша ең күшті осьтермен айналады. Пластикалық деформация қорытпаны құрылымдық тұрақсыз күйге келтіреді. Сондықтан қорытпаны неғұрлым тұрақты құрылымдық күйге қайтаратын құбылыстар өздігінен пайда болуы керек. Пластикалық деформацияланған қорытпаны тұрақты күйге келтіретін өздігінен жүретін процестерге кристалдық тордың бұрмалануын жою және басқа да ішкі процестер, сондай-ақ дәндердің өсуі жатады. Біріншісі жоғары температураны қажет етпейді, өйткені атомдардың шамалы қозғалысы жүреді. Қазірдің өзінде аз жылу (темір үшін 300...400 °C) тордың бұрмалануын жояды. Деформацияланған металды қыздыру процесінде тордың бұрмалануын алып тастау қайтару немесе демалу деп аталады. Нәтижесінде қаттылық пен беріктік біршама төмендейді (20-ға...Түпнұсқамен салыстырғанда 30 %), АЛ икемділік артады. Белгілі бір температурадан жоғары қыздырғаннан кейін қайта кристалдану жүреді, яғни.жаңа дәндердің пайда болуы. Әр түрлі қорытпалардың қайта кристалдану температураларын салыстыру минималды қайта кристалдану температурасы мен балқу температурасы арасында тәуелділік бар екенін көрсетеді: Грек = ат, мұндағы Грек - абсолютті балқу температурасы, ал-қорытпаның тазалығына байланысты коэффициент. Қорытпаның тазалығы неғұрлым жоғары болса, қайта кристалдану температурасы соғұрлым төмен болады. Кәдімгі техникалық тазалықтағы металдарда а = 0,3...0,4. Қорытпалардың қайта кристалдану температурасы таза металдардың қайта кристалдану температурасынан жоғары болады және кейбір жағдайларда 0,87^жетеді. Керісінше, өте таза металдардың қайта кристалдану температурасы өте төмен: 0,2 Гпл және тіпті 0,1 Гпл. Темір үшін қайта кристалдану температурасы шамамен 450 °С, мыс үшін шамамен 270 °С, алюминий үшін шамамен 50 °С болады. Мырыш, қалайы, қорғасын үшін қайта кристалдану температурасы бөлме температурасынан төмен. Деформацияның үлкен дәрежесі қайта кристалдану процесін жеңілдетеді және оның ең төменгі температурасын төмендетеді. Тойтарылған металды қыздыру кезінде пайда болатын процестердің схемасы суретте көрсетілген. 3.3. Қайта кристалдану температурасынан жоғары пластикалық деформация кезінде металдың қатаюы мен қатаюы, егер орын алса, дереу жойылады. Қатайту (қатайту) жоқ мұндай өңдеу Ыстық қысымды өңдеу деп аталады. Қайта кристалдану температурасынан төмен қысыммен өңдеу қатпарлануды тудырады және суық өңдеу деп аталады. |