Rakenduskeemia eksami kordamismaterjal (1)

Metallisulamid
_ Rauasulamid (süsinikteras,malm, roostevabateras)
_ Vasesulamid ( messing , pronks, uushõbe- alpaka ja melhior )
_ Niklisulamid
_ Alumiiniumisulamid
_ Magneesiumisulamid
_ Titaanisulamid
_ Tinasulamid
_ Kõvasulamid
_ Väärismetallide sulamid (Au, Ag, Pt, Pd)
_ Metallide jootmine ja joodised
Materjalide füüsikalised omadused: Tihedus, Sulamistemperatuur , Korrosioonikindlus
Temperatuuri, mil materjal läheb üle tardolekust vedelasse, nimetatakse sulamistemperatuuriks (Ts).
Korrosiooniks nimetatakse materjali ja keskkonna (õhk, gaasid, vesi, kemikaalid ) vahelist reaktsiooni, milles materjal hävib.
Sulamid
_ Sulamid on metalsed materjalid, mis on kahe või
enama metalli segud .
_ Metalliline sulam on sulam, mille põhikomponent
(üle 50%) on metall .
_ Homogeensetes sulamites on erinevate
elementide aatomid jaotunud ühtlaselt.
_ Heterogeensed sulamid koosnevad eri koostisega
kristalsetest faasidest .
Sulamite eelised võrreldes puhaste metallidega:
_odavamad
_kõvemad
_tugevamad
_madalama sulamistemperatuuriga
_kuumakindlamad
_vastupidavamad
_korrosioonikindlamad
Rauasulamid: teras (kuni 2% C), malm (2-5% C), roostevabateras (lisandiks Cr)
Süsinik C-sisalduse suurenedes kasvab terase kõvadus, tõmbetugevus ja voolavuspiir ning vastupanu väsimuspurunemisele, vähenevad aga plastsus - ning sitkusnäitajad.
Tavalisandid: Räni, mangaan,Väävel, fosfor , Lämmastik, hapnik ja vesinik .
Peale süsiniku viiakse terastesse vajalike omaduste saamiseks mitmesuguseid spetsiaalseid lisandeid – legeerivaid elemente - Cr, Ni, W, V, Mo, Co jt.
Korrosioonikindlatest terastest on enam levinud kroomi (vähemalt 12%), niklit jt. legeerivaid elemente sisaldavad terased.
Vasesulamid
_messing ehk valgevask (Cu - Zn)
_pronks (Cu - Sn)
_melhior (Cu - Ni)
_uushõbe ehk alpaka (Cu - Ni - Zn)
Niklisulamid
_ Parima korrosioonikindlusega on Ni-Cu-sulamitest tuntud monelmetall,
milles nikli ja vase vahekord on 2:1.
_ Ni-Cr-sulamid on tuntud eelkõige kuumuspüsivate materjalidena, mida
kasutatakse kütteelementides.
Alumiiniumisulamid
_ Deformeeritavatest sulamitest tuntuim on
duralumiinium (Al-Cu-Mg-sulam), mille
termotöötlus on võimalik tänu vase lahustuvuse
muutusele alumiiniumis temperatuuri alanedes
(väheneb 5,7%-lt 0,2%-ni).
_ Alumiiniumi valusulamite tüüpilised esindajad on
Al-Si-sulamid – silumiinid . Enam kasutatakse Alvalusulameid,
mis sisaldavad 10…13% Si.
Magneesiumisulamid
_ Magneesiumisulameid legeeritakse alumiiniumiga, tsingiga,
mangaaniga ja tsirkooniumiga.
Titaanisulamid
_ Puhas titaan ja titaanisulamid on plastsed ning kergesti külmalt
deformeeritavad; kuumsurvetöötlemisel tuleb aga kasutada toorikute
kuumutamisel ahjudes kaitsekeskkonda (tavaliselt argoon ). Samuti saab titaani
keevitada ainult argooni keskkonnas.
Tinasulam sisaldab tavaliselt 85-99% tina ja 1-4% vaske, mis annab talle tugevust.
Kõvasulamid kujutavad endast raskeltsulavaid, kõrgendatud kõvadusega kulumiskindlaid materjale.
_ Valatavatest kõvasulamitest on kõige rohkem kasutusel
stelliit .
_ Stelliit koosneb 60% koobaldist, 30% kroomist ja 10%
mitmetest lisanditest, millest põhiline on volfram.
Joodis on madala sulamistemperatuuriga metallisulam, mida kasutatakse metallide kokkujootmisel.
Väärismetallide sulamid
_ Puhtale väärismetallile lisatakse teisi metalle , et saada soovitavaid töötlemisomadusi,
kõvadust ja värvitooni.
_ Puhta väärismetalli hulk sulamis ja ka kallite lisandite (näiteks pallaadium) lisamine
mõjutab toote hinda.
_ Vase koguse suurendamisel saadakse punasemat, hõbeda lisamisel aga helekollasemat
kulda.
_ Valget kulda saadakse puhtale kullale spetsiaalse vaske, hõbedat ja pallaadiumi või niklit
sisaldava sulami lisamisel.
_ Niklit sisaldava valge kulla kasutamine on siiski kadumas nikli tugeva allergilise mõju
tõttu.
_ Hõbedasulamites on lisandiks vask. Ehteid valmistatakse peamiselt 925-hõbedast. Seda
sulamit nimetatakse ka sterlinghõbedaks.
_ Lauahõbe ja anumad valmistatakse tavaliselt 830-hõbedast.
Puidu koostis
_ polüsahhariidid;
_ aromaatsed ühendid;
_ ektraktiivained (lahustuvad ained).
Puu koostis
_ tselluloos
_ ligniin
Tselluloos-(C6H10O5)n
_ Tselluloos on looduses levinum polüsahhariid. Temast koosnevad taimerakkude
kestad
Omadused
_ Esterdamine (hüdroksüülrühmade sisalduse tõttu reageerib tselluloos hapetega.
Ligniin on puidu aromaatne, hüdrolüüsimatu osa.
_ See on termoplastne aine. Ligniin annab puidule mehhaanilise tugevuse.
Ekstraktiivained ehk lahustuvad ained
• Tunnuseks on nende lahustuvus vees ja/või
orgaanilistes lahustites
• Kuuluvad väga erinevatesse orgaaniliste ühendite Klassidesse
METALLIDE REAGEERIMINE HAPETEGA
_ Metallide pingerida :
Li K Ba Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Cd Ni Sn Pb H Cu Hg Ag Pt Au
_ Esimesse rühma kuuluvad metallide reaktsioonid hapetega (lahjendatud H2SO4 ja mistahes kontsentratsiooniga HCl), kus oksüdeerija - happevesinikioonid - redutseerub vabaks vesinikuks.
_ Nimetatud happed reageerivad vaid nende metallidega, mis asuvad metallide pingereas vesinikust vasakul (oksüdeerijaks – happevesinikioonid, redutseerijaks – metall).
_ Mida vasemal vesinikust metall paikneb, seda aktiivsem ta on, seda kergemini ta oksüdeerub ja tõrjub hapetest välja vesiniku. Näiteks Mg reageerib HCl-ga palju intensiivsemalt, kui Zn ja Fe.
_ Kuigi Pb seisab pingereas enne vesinikku, ta praktiliselt ei "lahustu" lahjendatud H2SO4-s, sest plii pind kattub vähelahustuva PbSO4 kihiga, mis kaitseb metalli edasisest "lahustumisest".
_ Pingereas vesinikust paremal asuvad metallid vesinikkloriidhappega ja lahjendatud väävelhappega ei reageeri.
Teise rühma kuuluvad metallide reaktsioonid hapetega, mille anioon on tugevam oksüdeerija kui vesinikioon . Antud reaktsioonides vesinikku ei eraldu. Nende reageerimisel metallidega on oksüdeerijaks happe anioonid , mitte vesinikioonid.
_ Sellisteks hapeteks on kontsentreeritud H2SO4 ja mistahes kontsentratsiooniga HNO3 .
_ Need happed võivad reageerida ka nende metallidega, mis asuvad pingereas vesiniku järel (sest oksüdeerijaks - happe anioon).
_ Sõltuvalt reaktsiooni tingimustest (metalli asetus pingereas, lahuse kontsentratsioon, temperatuur) võivad happe aniooni redutseerumisel tekkida erinevad saadused .
Leelistega reageerivad niisugused (vaid üksikud) metallid, mille hüdroksiididel on lisaks aluselistele omadustele ka happelised omadused ( amfoteersus ): Al, Zn.
Alates Ca allapoole jäävate metallide omadused on sarnased ja neid nim. leelismuldmetallid . Reaktsiooni käigus tekkinud leelised on vees palju vähem lahustuvad kui leelismetallide puhul. Reageerimine hapete lahustega on aktiivsem kui reageerimine veega:
Kuna redoksreakstioonid toimuvad elementide oksüdatsiooni astme muutusega, siis tuleb osata leida elementide oksüdatsiooniastet ühendites
Mg, leelismuldmetallide (Ca, Ba jt), Zn ja Cd oksüdatsiooniaste ühendites on II. Ühendis, kus esinevad iooniline ja kovalentne side, arvutatakse elemendi oksüdatsiooniaste teiste elementide oksüdatsiooniastmete kaudu
Reaktsioonivõrrandite
tasakaalustamine
Reaktsioonivõrrand on keemilisel reaktsioonil toimunud muutuste lühike ja ülevaatlik väljend. Reaktsioonivõrrandis antakse lähteained ja saadused valemitena, kusjuures reaktsioonist osavõtvaid elemente peab ühel ja teiselpool võrdusmärki olema ühepalju.
_ Võrdsustamiseks asetatakse lähteainete ja saaduste ette koefitsiendid.
_ Tasakaalustamine elektronide bilansi meetodil:
Elektrokeemia
Redoksreaktsioonides toimub elektronide üleminek ühelt elemendilt teisele – vastavalt oksüdatsioon (elektronide liitmine ) ja reduktsioon (elektronide loovutamine).
_ Ainete oksüdeerimis-ja redutseerimisvõime kvantitatiivseks iseloomustamiseks kasutatakse elektrokeemilisi redokspotentsiaale E (ka elektroodipotentsiaal) – elektronide üleminekule (o.a. muutusele) vastab elektriline potentsiaal, mis näitab elektronide liitmise võimet.
_ Redokspotentsiaalide abil on võimalik arvutada redoksreaktsiooni Gibbsi energia muut, mis omakorda võimaldab määrata reaktsiooni iseenesliku kulgemise suunda Elektroodid on põhimõtteliselt laenguga plaadikesed (pulgakesed)
_ Anoodil toimub alati oksüdeerumine ehk elektronide loovutamine
_ Katoodil toimub alati redutseerumine ehk elektronide liitmine
_ Et katoodi ja anoodi määrab ära neil toimuv protsess, siis on nende laengud galvaanielemendis ja elektrolüüsi korral erinevad.
Galvaanielement – seadis, kus redoksreaktsioonis redutseerimis- ja oksüdeerimisreaktsioonide tulemusena vabaneva energia (saadakse erinevate potentsiaalidega elektroodide ühendamisel) arvel tekib elektrivool =>
keemilise reaktsiooni energia muudetakse elektrienergiaks
Galvaanielement
_ Element koosneb kahest vastavasse elektrolüüdilahusesse paigutatud elektrodist
_ Elektrodid on omavahel ühendatud metalljuhtmega
_ Elektrolüüdilahused on ühendatud elektrolüüdisillaga
Anoodil (tsinkelektrood): Zn oksüdeerimine
Katoodil ( vaskelektrood ): Cu redutseerumine
Elektroodipotentsiaalide vahet (pinge elektroodide vahel) nimetatakse galvaanielemendi elektromotoorjõuks
Gibbsi energia muut määrab reaktsiooni toimumise suuna/spontaansuse. Juhul, kui ei ole tegemist standardtingimustega, tuleb arvestada elektroodipotentsiaalide ja vastavalt elektromotoorjõu sõltuvust temperatuurist ja kontsentratsioonidest.
Standardpotentsiaalide kasvu järjekorras paigutatud metallelektroodid moodustavad metallide pingerea.
Keemilised vooluallikad on praktilises kasutuses olevad galvaanielemendid, mida kasutatakse elektrivoolu
saamiseks.
Head vooluallikat iseloomustab:
- suur erimahtuvus (toodetava energiahulga ja massi või ruumala suhe)
- elektromotoorjõu ( klemmipinge ) konstantsus vooluallika tühjenemisel
- madal sisetakistus (võimaldab saada tugevat voolu)
- hea säilivus
Keemilised vooluallikad
_ Kui tegemist on akuga ( korduvat laadimist ja tühjendamist võimaldava galvaanielemendiga), siis on
olulised veel:
- maksimaalne laadimis- ja tühjendamiskordade arv
- väike isetühjenemine
Pikka aega jäid akude erimahtuvused ühekordse kasutusega elementide omadele alla. Viimastel aastatel on aga akude erimahtuvused üha kasvanud ja sageli ületavad sama suurusega akude mahtuvused tavaliste „patareide“ oma.
Nominaalne klemmipinge (elektromotoorjõud) iseenesest ei näita ühe või teise keemilise vooluallika tüübi headust. Kõrgema summaarse pinge saamiseks