Контрольная работа Характеристика радиотехнических материалов
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-25Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
Контрольная работа
по дисциплине: «Химия»
на тему: «Характеристика радиотехнических материалов»
Домашняя контрольная работа по химии
Железо
ЖЕЛЕЗО (латинское название Ferrum), химический символ Fe, проводник, элемент VIII группы периодической системы. Атомный номер 26, атомная масса 55,847.
Железо высокой чистоты – это блестящий серебристо-белый, пластичный металл, хорошо поддающийся различным способам механической обработки.
Природное железо представляет собой смесь четырёх стабильных изотопов с массовыми числами: 54 (содержание в природной смеси 5,82% по массе), 56 (91,66%), 57 (2,19%) и 58 (0,33%).
Конфигурация двух внешних электронных слоёв 3s2p6d64s2. Обычно образует соединения в степенях окисления +3 (валентность III) и +2 (валентность II). Известны также соединения с атомами железа в степенях окисления +4, +6 и некоторых других. Радиус нейтрального атома железа 0,126 нм, радиус иона Fe2+ -- 0,08 нм, иона Fe3+ -- 0,067 нм. Энергии последовательной ионизации атома железа при переходе от Fe0 к Fe5+ составляют 7,893, 16,183, 30,65, 57,79 эВ. Сродство к электрону 0,58 эВ; электроотрицательность по Полингу 1,83.
При обычном давлении железо существует в четырёх кристаллических модификациях.
При температурах от комнатной до 917°С, а также в интервале температур 1394-1535°С существует α-Fe с кубической объёмно-центрированной решёткой (а = 0,286645 нм, z = 2, пространственная группа Im3m); α-Fe ферромагнитно, но при 769°С (точка Кюри) переходит в парамагнитное состояние. Парамагнитное железо (β-Fe) устойчиво в интервале 769-917°С. В интервале 917-1394°С существует γ-Fe с гранецентрированной кубической решеткой (при 950°С а = 0,3656 нм, z = 4, простанственная группа Fm3m). Выше 1394°С существует δ-Fe с объёмноцентрированной кубической решеткой (при 1425°С а = 0,293 нм, z = 2, пространственная группа Im3m). При высоких давлениях существует ε-Fe с гексагонной плотноупакованной решеткой, которое также образуется и при нормальном давлении при легировании железа рядом элементов.
Для железа с общим содержанием примесей не более 0,01% температура плавления 1535°С, температура кипения 2750°С, плотность в г/см3: α-Fe 7,87 (20°С), 7,67 (600°С); γ-Fe 7,59 (1000°С); δ‑Fe 7,409; жидкого железа 7,024 (1538°С), 6,962 (1600°С), 6,76 (1800°С).
Температурный коэффициент линейного расширения 11,7·10-6 (при 20°С).
Теплоёмкость медленно увеличивается с ростом температуры до 523 К, затем резко возрастает, достигая максимума в точке Кюри, после чего снижается. Средняя удельная теплоёмкость (0‑1000°С) 640,57 Дж/(кг·К).
Теплопроводность [Вт/(м∙К)]: 132 (100 К), 80,3 (300 К), 69,4 (400 К), 32,6 (1000 К), 31,8 (1500 К). Стандартный потенциал пары Fe2+/Fe0 – 0,447 B, пары Fe3+/Fe2+ +0,771 B.
По сравнению с медью и алюминием даже чистое железо имеет значительно более высокое удельное сопротивление ρ ≈ 0,1 мкОм•м. Значение ρ у стали (т.е. у железа с примесью углерода и других элементов) ещё выше. Температурный коэффициент электрического сопротивления в диапазоне 0-100°С составляет 6,51·10-3.
Магнитная проницаемость 1,45•106 (для монокристалла), магнитная индукция насыщения 2,18 Тл, коэрцитивная сила 5-6 А/м (для карбонильного железа).
Состав и магнитные свойства железа, подвергнутого различным видам обработки, приведены в следующей таблице:
| Материал | Содержание примесей, % | Магнитные свойства | |||
| Магнитная проницаемость | Коэрци-тивная сила Hc, А/м | ||||
| угле- род | кисло- род | начальная μr н | макси-мальная μr макс | ||
| Технически чистое железо | 0,020 | 0,060 | 250 | 7 000 | 64,0 |
| Электролитическое железо | 0,020 | 0,010 | 600 | 15 000 | 28,0 |
| Карбонильное железо | 0,005 | 0,005 | 3 300 | 21 000 | 6,4 |
| Переплавленное в вакууме электролитическое железо | 0,010 | – | – | 61 000 | 7,2 |
| Железо, обработанное в водороде | 0,003 | 0,003 | 6 000 | 200 000 | 3,2 |
| Железо, особо тщательно обработанное в водороде | – | – | 20 000 | 340 000 | 2,4 |
| Монокристалл чистейшего железа, отожжёный в водороде особо тщательно | – | – | – | 1 430 000 | 0,8 |
Железо неограниченно растворяет Al, Cu, Mn, Ni, Co, Si, Ti, хорошо растворяет V, Cr и Pt, ограниченно – Mo, Sn, C, S, P, As, H2, N2, O2, не растворяет Pb, Ag, Bi. С углеродом железо образует твёрдые растворы внедрения – феррит и мартенсит с α-Fe, аустенит с γ-Fe. В зависимости от содержания углерода в железе различают: мягкое железо (менее 0,2% углерода), сталь (0,2-1,7% углерода) и чугун (1,7-5% углерода).
В земной коре на долю железа приходится около 4,1% массы (2-е место среди металлов). Известно большое число руд и минералов, содержащих железо. Наибольшее прауитческое значение имеют красные железняки (руда гематит, Fe2O3, содержит до 70% Fe), магнитные железняки (руда магнетит, Fe3O4, содержит 72,4% Fe), бурые железняки (руда гидрогетит HFeO2∙nH2O), а также шпатовые железняки (руда сидерит, карбонат железа, FeCO3, содержит около 48% Fe). Встречаются также большие месторождения пирита FeS2 (другие названия – серный колчедан, дисульфид железа и др.), но они пока большого практического применения не имеют.
Железо используется главным образом в сплавах, прежде всего в сплавах с углеродом – чугунах и сталях. В чугуне содержание углерода выше 2,14% по массе (обычно на уровне 3,5-4%). В сталях содержание углерода более низкое (обычно на уровне 0,8-1%).
Чугун получают в домнах. Домна представляет собой усечённых конус высотой до 30-
Fe2O3 +
Fe2O3 + CO = 2Fe + 3CO2
возникает металлическое железо, которое насыщается углеродом и стекает вниз.
Этот расплав периодически выпускают из домны и дают застыть в специальных формах. Чугун бывает белый (используется для получения стали) и серый (литьевой). Белый чугун – это твёрдый раствор углерода в железе. В микроструктуре серого чугуна можно различить микрокристаллики графита. Чугун хрупок, при ударе он колется, поэтому из него нельзя изготавливать пружины, рессоры и другие изделия, которые должны работать на изгиб.
Твёрдый чугун легче расплавленного, поэтому при его затвердевании происходит не сжатие (как обычно при затвердевании металлов и сплавов), а расширение. Эта особенность позволяет изготавливать из чугуна различные отливки.
Если содержание углерода в чугуне снизить до 1,0-1,5%, то образуется сталь. Стали бывают углеродистыми (состоят только из Fe и С) и легированными – с добавками хрома, никеля, молибдена, кобальта и других металлов, улучшающих механические и иные свойства стали.
Стали получают путём переработки чугуна и металлического лома в кислородном конвертере, электродуговой или мартеновской печах. При такой переработке снижается содержание углерода в сплаве до требуемого уровня.
Физические свойства стали существенно отличаются от свойств чугуна: сталь упруга, её можно ковать, прокатывать. В отличие от чугуна, сталь при затвердевании сжимается, поэтому полученные стальные отливки подвергают обжатию на прокатных станах. После прожатия в металле исчезают пустоты и раковины, появившиеся при затвердевании расплавов.
С кислородом железо реагирует при нагревании. При сгорании железа на воздухе образуется оксид Fe2O3, при сгорании в чистом кислороде – оксид Fe3O4. Если кислород или воздух пропускать через расплавленное железо, то образуется оксид FeO.
Азот в малых концентрациях образует с железом твердые растворы внедрения, в больших – нитриды Fe2N и другие. При нормальном давлении растворимость N2 в α-Fe до 0,01 ат. %, в γ-Fe около 0,1 ат. %.
Железо способно поглощать водород при травлении кислотами и в процессе катодного выделения железа при электролизе. Адсорбируясь на дефектах структуры, водород резко снижает прочность и пластичность железа (так называемая водородная хрупкость). Твёрдое железо поглощает водород с образованием твёрдых растворов внедрения. Растворимость водорода в железе при комнатной температуре менее 0,005%, в расплавленном железе – почти в 25 раз больше. Гидриды железа существуют только при высоких давлениях H2; известны гидриды интерметаллидов железа, например TiFeH2.
Железо при нагревании реагирует с галогенами, давая соли, например хлориды FeCl2 и FeCl3. Железо устойчиво к действию фтора до температуры 200-300°С, так как FeF3 нелетуч. Если взаимодействие железа и брома протекает при комнатной температуре или при нагревании и повышенном давлении паров брома, то образуется FeBr3. При нагревании FeCl3 и, особенно, FeBr3 отщепляют галоген и превращаются в галогениды железа (II). При взаимодействии железа и иода (I) образуется иодид Fe3I8.
При нагревании порошка серы и железа образуется сульфид, приближённую формулу которого можно записать как FeS.
С кремнием и фосфором железо энергично реагирует при нагревании, образуя силициды (например, Fe3Si) и фосфиды (например, Fe3P).
При повышенном давлении металлическое железо реагирует с монооксидом углерода CO, причём образуется жидкий, при обычных условиях легко летучий пентакарбонил железа Fe(CO)5. Известны также карбонилы железа составов Fe2(CO)9 и Fe3(CO)12. Карбонилы железа служат исходными веществами при синтезе железоорганических соединений, в том числе ферроцена состава [Fe(-C5H5)2].
Чистое металлическое железо устойчиво в воде и в разбавленных растворах щелочей. В концентрированной серной и азотной кислотах железо не растворяется, так как прочная оксидная плёнка пассивирует его поверхность.
С соляной и разбавленной (приблизительно 20%-й) серной кислотами железо реагирует с образованием солей железа (II):
Fe + 2HCl = FeCl2 + H2
Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2
При взаимодействии железа с приблизительно 70%-й серной кислотой реакция протекает с образованием сульфата железа (III):
2Fe + 4H2SO4 = Fe2(SO4)3 + SO2 + 4H2O
Оксид железа (II) FeO обладает основными свойствами, ему отвечает основание Fe(OH)2. Оксид железа (III) Fe2O3 слабо амфотерен, ему отвечает ещё более слабое, чем Fe(OH)2, основание Fe(OH)3, которое реагирует с кислотами:
2Fe(OH)3 + 3H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 6H2O
Гидроксид железа (III) Fe(OH)3 проявляет слабо амфотерные свойства, он способен реагировать только с концентрированными растворами щелочей:
Fe(OH)3 + KOH = K[Fe(OH)4]
Образующиеся при этом гидроксокомплексы железа (III) устойчивы в сильно щелочных растворах. При разбавлении растворов водой они разрушаются, причём в осадок выпадает гидроксид железа (III) Fe(OH)3.
Соединения железа (III) в растворах восстанавливаются металлическим железом:
Fe + 2FeCl3 = 3FeCl2
При хранении водных растворов солей железа (II) наблюдается окисление железа (II) до железа (III):
4FeCl2 + O2 + H2O = 4Fe(OH)Cl2
Из солей железа (II) в водных растворах устойчива соль Мора – железо (II) и двойной сульфат аммония (NH4)2Fe(SO4)2•6H2O.
Железо (III) может образовывать двойные сульфаты с однозарядными катионами типа квасцов, например, KFe(SO4)2 – железокалиевые квасцы, (NH4)Fe(SO4)2 – железоаммониевые квасцы и т.д.
При действии газообразного хлора или озона на щелочные растворы соединений железа (III) образуются соединения железа (VI) – ферраты, например, феррат (VI) калия K2FeO4.
В сухом воздухе при температуре до 200°С железо постепенно покрывается плотной плёнкой оксида, препятствующего дальнейшему окислению металла, это лежит в основе технического метода защиты железа – воронения. Во влажном воздухе железо покрывается рыхлым слоем ржавчины, который не препятствует доступу кислорода и влаги к металлу и его разрушению. Ржавчина не имеет постоянного химического состава, приближённо её химическую формулу можно записать как Fe2O3∙nH2O.
Электролитическое железо изготовляют электролизом раствора сернокислого или хлористого железа, причём анодом служит чистое железо, катодом – пластина мягкой стали. Осаждённое на катоде железо (толщина слоя 4-
Карбонильное железо получают термическим разложение пентакарбонила железа согласно уравнению
Fe (CO)5 = Fe + 5CO.
Пентакарбонил железа представляет собой жидкость, получаемую воздействием оксида углерода на железо при температуре около 200°С и давлении около 15 МПа. Карбонильное железо имеет вид тонкого порошка, что делает его весьма удобным для изготовления прессованных высокочастотных магнитных сердечников.
Кремнистая электротехническая сталь является основным магнитомягким материалом массового потребления. Введением в состав этой стали кремния достигается повышение удельного сопротивления, что вызывает снижение потерь на вихревые токи. Кроме того, наличие в стали кремния способствует выделению углерода в виде графита, а также почти к полному раскислению стали, что приводит к увеличению μr н, уменьшению Hc и к снижению потерь на гистерезис.
Следует отметить и пермаллои – железоникелевые сплавы, обладающие весьма большой начальной магнитной проницаемостью в области слабых полей, что связано с практическим отстутствием у них анизотропии и магнитострикции. Различают высоконикелевые (70-83% Ni) и ни низконикелевые (40-50%) пермаллои. Магнитная проницаемость высоконикелевых пермаллоев в несколько раз выше, чем у низконикелевых и намного превосходит проницаемость электротехнических сталей. Однако при повышенных частотах предпочтительно использовать низконикелевые пермаллои, так как их удельное сопротивление почти в три раза выше, чем у высоконикелевых.
В марках пермаллоев буква Н означает никель, К – кобальт, М – марганец, Х – хром, С - кремний, Д – медь. Дополнительная буква У означает сплав с улучшенными свойствами, П – с прямоугольной петлёй гистерезиса. Цифра в марке указывает процентное содержание никеля. Сплавы 45Н и 50Н применяют для изготовления сердечников малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей, реле и деталей магнитных цепей, работающих при повышенных индукциях без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием. Из сплава 50НХС выполняют сердечники импульсных трансформаторов и аппаратуры связи звуковых и высоких частот в режиме без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием. Сплавы 79НМ, 80НХС, 76НХД используют для изготовления сердечников малогабаритных трансформаторов, реле и магнитных экранов. При толщине
Альсиферы – это сплавы железа с кремнием и алюминием. Оптимальный состав альсифера: 9,5% Si, 5,6% Al, остальное Fe. По своим характеристика альсиферы не уступают высоконикелевым пермаллоям, но отличаются твёрдостью и хрупкостью. Поэтому магнитные экраны, корпуса приборов и другие изделия из альсифера изготовляются методами литья с толщиной стенок не менее 2-
В особую подгруппу можно выделить материалы на основе железа, применение которых основано на наличии у них тех или иных особенностей магнитных свойств, которые определяются структурой и составом. К таким материалам можно отнести:
· сплавы, отличающиеся незначительным изменением магнитной проницаемости при изменении напряжённости поля;
· сплавы с сильной зависимостью манитной проницаемости от температуры;
· сплавы с высокой магнитострикцией;
· сплавы с особо высокой индукцией насыщения.
К первым относится сплав, получивший название перминвара, обычно он содержит 29,5% Fe, 45% Ni, 25% Co и 0,6% Mn.
Ко вторым относятся термомагнитные сплавы на основе Fe – Ni или Fe – Ni – Cr. Такие сплавы применяются для компенсации в установках температурной погрешности, вызываемой изменением индукции постоянных магнитов или изменением сопротивления проводов в магнитоэлектрических приборах по сравнению с тем значением, при которых производилась градуировка.
К третьим относятся сплавы с высокой магнитострикцией, это системы Fe – Pt, Fe – Co и Fe – Al. Явление магнитострикции используется в генераторах звуковых и ультразвуковых колебаний. Магнитострикционные вибраторы применяются в технологических установках по обработке ультразвуком хрупких и твердых материалов, в дефектоскопах, а также в устройствах преобразования механических колебаний в электрические.
К четвёртым относятся железокобальтовые сплавы, обладающие особо высокой индукцией насыщения, до 2,4 Тл, то есть большей, чем у всех известных ферромагнетиков. Удельное электрическое сопротивление таких сплавов невелико. Сплавы, содержащие 50-70% Со, называются пермендюрами. Вследствие высокой стоимости пермендюры применяются только в специализированной аппаратуре (в осциллографах, телефонных мембранах и т. п.).
Широко применяются в электро- и радиотехнике ферриты, которые представляют из себя магнитную керамику с незначительной электронной электропроводностью. Большое удельное сопротивление, превыщающее удельное сопротивление железа в 106-1011 раз обеспечивает относительно небольшие потери энергии в области повышенных и высоких частот наряду с достаточно высокими магнитными свойствами. Ферриты состоят из оксидов железа и оксидов двухвалентных (реже одновалентных) металлов, соответствующих общей формуле MeO•Fe2O3, где Me – символ двухвалентного металла.
Ферриты, обладающие наиболее интересными магнитными свойствами и нашедшие техническое применение, представляют собой, как правило, твёрдые растворы нескольких простейших соединений, в том числе и немагнитных. Так, например, общая формула широко распространённых никель-цинковых ферритов имеет следующий вид:
mNiO•Fe2O3 + nZnO•Fe2O3 + pFeO•Fe2O3,
где коэффициенты m
,n
,p определяют количественные соотношения между компонентами. Из ферритов методом прессовки могут быть изготовлены изделия сложной конфигурации с большим числом отверстий, в виде пластин, колец, стержней и т.д.
Сплавы на основе железа применяются также для электронагревательных элементов. Высокая нагревостойкость таких элементов объясняется введением в их состав достаточно больших количеств металлов, имеющих высокое значение объёмного коэффициента оксидации и при нагреве на воздухе образующих практически сплошную оксидную плёнку. Такими металлами являются никель, хром и алюминий. Сплавы системы Fe – Ni – Cr назвываются нихромами или (при повышенном содержании железа) ферронихромами. Сплавы системы Fe – Cr – Al называются фехралями и хромалями.
Для изготовления термопар железо используется в сочетаниях железо – константан и железо – копель.
Железо присутствует в организмах всех растений и животных как микроэлемент, то есть в очень малых количествах (в среднем около 0,02%). Основная биологическая функция железа – участие в транспорте кислорода и в окислительных процессах. Эту функцию железо выполняет в составе сложных белков – гемопротеидов, простетической группой которых является железопорфириновый комплекс – гем.
Железо также необходимо для нормального развития растений, поэтому существуют микроудобрения на основе препаратов железа.
Суточная потребность человека в железе (6-20 мг) с избытком покрывается пищей (железом богаты мясо, печень, яйца, хлеб, шпинат, свекла). В организме среднего человека (массой около
Содержание железа в воде более 1-2 мг/л значительно ухудшает её органолептические свойства, придавая ей неприятный вяжущий вкус, и делает воду малопригодной для использования, так как вызывает у человека аллергические реакции и может стать причиной болезни крови и печени (гемохроматоз). Предельно допустимая концентрация железа в воде 0,3 мг/л.
При недостатке железа в организме развивается железистая анемия, которую лечат препаратами, содержащими железо. Избыточная доза железа (200 мг и выше) может оказывать токсичное действие.
В перечне веществ, канцерогенных для человека (Гигиенические нормативы ГН 1.1.725-98) железо и его соединения отстутствуют. Однако производство чугуна и стали (агломерационные фабрики, доменное и сталеплавильное производство, горячий прокат) и литье из них отнесено к производственным процессам с доказанной для человека канцерогенностью. На таких производствах должен быть обеспечен контроль за предельно допустимыми концентрациями (ПДК) вредных веществ и предельно допустимыми уровнями (ПДУ) воздействия вредных факторов в производственной зоне.
