آلیاژها - جلسه اول
در این پروژه ابتدا با آلیاژ و ویژگی های آن آشنا می شویم. سپس با انجام آزمایشی هایی به بررسی ترکیب شیمیایی بعضی آلیاژها و هم چنین ساخت آلیاژها آشنا می شویم.
عنوان پروژه: استخراج آلیاژ
زمینه: شیمی
مقطع تحصیلی: دبیرستان
تعداد جلسات:4
خلاصه پروژه: در این پروژه ابتدا با آلیاژ و ویژگی های آن آشنا میشویم. سپس با انجام آزمایشی هایی به بررسی ترکیب شیمیایی بعضی آلیاژها و همچنین ساخت آلیاژها آشنا می شویم.
جلسه اول
عنوان: استخراج آلیاژ
اهداف جلسه:
· آشنایی با آلیاژ
· آشنایی با آلیاژ برنج
وسایل مورد نیاز:
· دسترسی به اینترنت
· قطعات برنجی
· ظروف چینی
· دستگاه تصفیه
· اسید نیتریک
· گاز سولفید هیدروژن
· کلرید آمونیوم
· پتاسیم فرو سیانید
· سولفید آمونیوم
· اسید هیدروکلریک رقیق
مقدمه:
در این جلسه با آلیاژ و ویژگی های آن آشنا می شویم. سپس با انجام آزمایشی به بررسی ترکیب شیمیایی آلیاژ برنج می پردازیم.
آلیاژها
آلیاژ مخلوطی از فلزات و یا ترکیبی از فلز و عنصر دیگری است. آلیاژها توسط یک ویژگی پیوند دهی فلزی تعریف می شوند. آلیاژ می تواند یک محلول جامد از عناصر فلزی (یک تک فاز) یا ترکیبی از فازهای فلزی (دو یا چند محلول) باشد.
تاریخچه تولید آلیاژها به زمانی می رسد که انسان فلز را شناخت. اولین آلیاژها از فلزاتی ساخته شدند که در دسترس انسان و فراوان بودند. مس، قلع، سرب و روی از اولین فلزاتی بودند که انسان از آن ها آلیاژ ساخت.
مفرغ نخستین آلیاژی است که بشر ساخته است؛ احتمالاً از ترکیب اتفاقی مس و قلع به صورت مذاب و سرد کردن مخلوطشان. این آلیاژ چون سخت تر از هردو فلز مس و قلع بود، برای ساختن چاقو و نیزه و مانند آن به کار رفت. پس از آن هم انواع مختلفی از آلیاژها به دست بشر ساخته شد و با توجه به نیاز و ویژگیهای شان مورد استفاده قرار گرفت. یکی از پرکاربردترین آنها، آلیاژ برنج است که ترکیبی است از مس و روی. این آلیاژ به سبب سختی زیاد از دیرباز مورد استفاده بوده است.
در برخی از آلیاژها پس از آمیخته شدن عناصر تشکیل دهنده آلیاژ، خواص تمام عناصر تشکیل دهنده در آلیاژ تشکیل شده مشاهده میشود. درست مانند حل شدن نمک در آب، یکی از عناصر در دیگری فقط حل میشود. اما در برخی از آلیاژها، فلزها چنان در هم میآمیزند که آرایش ذرات آنها دگرگون شده و یک ترکیب شیمیایی به دست میآید. آلیاژها از ذرات بسیار کوچکی تشکیل شدهاند. برخی از این ذرات به هم می پیوندند و مجموعههایی پدید میآورند که به آنها دانه گفته میشود. اندازه این دانهها در خواص بعدی آلیاژها بسیار تاثیرگذارند. هم چنین اندازه دانهها به عواملی هم چون میزان حرارت داده شده به مواد تشکیل دهنده و سرعت سرد کردن آنها بستگی دارد؛ در حقیقت هرچه مواد را سریعتر سرد کنیم، اندازه دانهها ریزتر میشود. به این ترتیب، ریزی و درشتی دانهها، در خواص بعدی آلیاژها تاثیرگذار است و از راه تنظیم میزان حرارت داده شده و سرعت سرد کردن میتوان خواص مورد نظر را در آلیاژ ایجاد کرد. بیشتر آلیاژها از فلزات تشکیل دهنده شان سختترند. به همین دلیل از شکل پذیری کمتری برخوردارند. همینطور بیشتر آلیاژها در دمایی کمتر از دمای ذوب فلزات تشکیلدهنده ذوب میشوند و رسانایی الکتریکی ضعیفتری دارند. ترکیبات بین فلزی، آلیاژهای با استحکام سنجی و ساختار بلوری تعریف شده هستند
آلیاژها در انواع کاربردهای مختلف استفاده می شوند. در برخی موارد، ترکیبی از فلزات می تواند هزینه کلی مواد را کاهش دهد در حالی که حفظ خواص مهم در آن پای برجاست. در موارد دیگر ترکیبی از فلزات ، خواصی را به عناصر تشکیل دهنده فلز مانند مقاومت در برابر خوردگی یا مقاومت مکانیکی می افزاید. نمونه هایی از آلیاژها عبارتند از فولاد، لحیم، برنج، و برنز.
اجزای تشکیل دهنده آلیاژی معمولا توسط جرم اندازه گیری می شوند. آلیاژها معمولا به دو دسته ی آلیاژهای جایگزین یا بینابینی طبقه بندی می شوند، که البته بسته به ساختار اتمی که آلیاژ را تشکیل می دهد. آن ها می توانند بیشتر به عنوان همگن (متشکل از یک فاز تک) یا ناهمگن (متشکل از دو یا چند فاز) و یا بین فلزی طبقه بندی شوند.
آلیاژها را با توجه به فلز پایهشان به دو دسته آهنی و غیرآهنی تقسیم میکنند. آلیاژهای آهنی، آلیاژهایی هستند که فلز پایه در آنها آهن است. از مهم ترین آنها میتوان به فولاد اشاره کرد. در مقابل، تمام آلیاژهایی که فلز پایه در آنها، فلزی غیر از آهن است، آلیاژهای غیرآهنی خوانده میشود.
آلیاژهای آهنی
فلز پایه در این آلیاژها آهن است. بسته به میزان کربن ترکیب شده در آن، به دو دسته فولادها و چدن ها تقسیم میشوند.
آلیاژ معمولاً خواصی متفاوت از عناصر تشکیل دهنده خود دارد. بسته به میزان همگنی در اختلاط عناصر، آلیاژ میتواند تک فاز یا چند فازی باشد. هدف از تشکیل آلیاژ، تغییر و بهبود خواص ماده مانند چقرمگی، استحکام، سختی و غیره ست.
وجود کمتر از ۲ درصد تا ۰.۰۲ کربن در آهن، فولاد را به وجود میآورد. اضافه کردن عناصر دیگر غیر از کربن، هرکدام خواص متفاوتی به فولاد میدهد. منگنز سبب سختی فولاد، نیکل باعث جلوگیری از خوردگی فولاد، تنگستن باعث محکمی و وجود کروم و نیکل سبب ضد زنگ شدن فولاد میشود. آهن ورزیده نیز آلیاژی است با کربن کم که در ساختن میخ پرچ، لوله آب، زنجیر و غیره به کار میرود.
فلز پایه در این آلیاژهای غیر آهنی، هر فلزی غیر از آهن است. مفرغ، برنج و بسیاری آلیاژهایی که میشناسیم، آلیاژهای غیرآهنی هستند. امروزه بیشتر چیزهای فلزی که استفاده میکنیم از آلیاژها ساخته شدهاند. کمتر اتفاق میافتد که از فلزات به شکل خالص استفاده شوند. حتی طلا و نقره هم به صورت آلیاژ استفاده میشوند. افزودن فلزات ارزان قیمت به طلا و نقره، نه تنها از جلوهشان نمیکاهد، بلکه باعث میشود در برابر سایش نیز مقاومتر شوند. طلا و نقره معمولاً با مس ترکیب شده و تشکیل آلیاژ میدهند. عیار طلا، نشاندهنده مقدار فلز اضافه شده در آن است. عیار طلای خالص را ۲۴ فرض میکنند. بنابراین طلای ۱۸ عیار، طلایی است که از ۲۴ قسمت، ۱۸ قسمت اش طلا و باقی مس است. یکی از آلیاژهای مشهور غیرآهنی ورشو است. این آلیاژ ترکیبی است از مس به عنوان فلز پایه و روی و نیکل به عنوان عناصر حل شونده. ورشو به علت شباهتش به نقره، نقره آلمانی و نقره انگلیسی نیز گفته میشود.
به محلول جامدی که حداقل یکی از اجزای آنها فلز بوده و خواص فیزیکی و شیمیایی فلزی داشته باشند، آلیاژ فلزی و به محلولهای جامدی که حداقل یکی از اجزای آنها سرامیکی بوده و خواص سرامیکی داشته باشند، آلیاژ سرامیکی گفته میشود. از آلیاژ های پر کاربرد آلیاژ برنجی است که از ترکیب مس و روی تهیه می شود.
آشنایی با آلیاژ برنج
روش کار
1- قطعه کوچکی از آلیاژ برنج را روی یک بوته چینی قرار دهید و در کمترین مقدار اسید نیتریک رقیق حل کنید. هر دو فلز مس و روی در اسید نیتریک حل می شوند. تحت حرارت به یک رسوب خشک برسید.
2- رسوب را در هیدروکلریک رقیق حل کنید. و از داخل محلول گاز هیدروژن سولفید را عبور دهید. رسوب آبی رنگی به دست می آید.
3- رسوب سیاه رنگ را صاف کنید. به باقی مانده محلول آمونیوم کلرید و آمونیوم هیدروکسید اضافه کنید و گاز هیدروژن سولفید را عبور دهید. رسوب به دست آمده را صاف کنید.
4- رسوب را در هیدروکلریک اسید رقیق حل کنید. سپس به آن پتاسیم فروسیانید اضافه کنید تا رسوب سفید رنگی به دست آید.
سوالات
1. نام هر یک از رسوب های به دست آمده چیست؟
2. رسوب آبی و سفید رنگ نشان دهنده حضور چه فلزاتی هستند؟
بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان
تهیه: مینا رزقی و شایان فروزنده دل - تنظیم: زینب شاه مرادی
زمینه: شیمی
مقطع تحصیلی: دبیرستان
تعداد جلسات:4
خلاصه پروژه: در این پروژه ابتدا با آلیاژ و ویژگی های آن آشنا میشویم. سپس با انجام آزمایشی هایی به بررسی ترکیب شیمیایی بعضی آلیاژها و همچنین ساخت آلیاژها آشنا می شویم.
جلسه اول
عنوان: استخراج آلیاژ
اهداف جلسه:
· آشنایی با آلیاژ
· آشنایی با آلیاژ برنج
وسایل مورد نیاز:
· دسترسی به اینترنت
· قطعات برنجی
· ظروف چینی
· دستگاه تصفیه
· اسید نیتریک
· گاز سولفید هیدروژن
· کلرید آمونیوم
· پتاسیم فرو سیانید
· سولفید آمونیوم
· اسید هیدروکلریک رقیق
مقدمه:
در این جلسه با آلیاژ و ویژگی های آن آشنا می شویم. سپس با انجام آزمایشی به بررسی ترکیب شیمیایی آلیاژ برنج می پردازیم.
آلیاژها
آلیاژ مخلوطی از فلزات و یا ترکیبی از فلز و عنصر دیگری است. آلیاژها توسط یک ویژگی پیوند دهی فلزی تعریف می شوند. آلیاژ می تواند یک محلول جامد از عناصر فلزی (یک تک فاز) یا ترکیبی از فازهای فلزی (دو یا چند محلول) باشد.
تاریخچه تولید آلیاژها به زمانی می رسد که انسان فلز را شناخت. اولین آلیاژها از فلزاتی ساخته شدند که در دسترس انسان و فراوان بودند. مس، قلع، سرب و روی از اولین فلزاتی بودند که انسان از آن ها آلیاژ ساخت.
مفرغ نخستین آلیاژی است که بشر ساخته است؛ احتمالاً از ترکیب اتفاقی مس و قلع به صورت مذاب و سرد کردن مخلوطشان. این آلیاژ چون سخت تر از هردو فلز مس و قلع بود، برای ساختن چاقو و نیزه و مانند آن به کار رفت. پس از آن هم انواع مختلفی از آلیاژها به دست بشر ساخته شد و با توجه به نیاز و ویژگیهای شان مورد استفاده قرار گرفت. یکی از پرکاربردترین آنها، آلیاژ برنج است که ترکیبی است از مس و روی. این آلیاژ به سبب سختی زیاد از دیرباز مورد استفاده بوده است.
در برخی از آلیاژها پس از آمیخته شدن عناصر تشکیل دهنده آلیاژ، خواص تمام عناصر تشکیل دهنده در آلیاژ تشکیل شده مشاهده میشود. درست مانند حل شدن نمک در آب، یکی از عناصر در دیگری فقط حل میشود. اما در برخی از آلیاژها، فلزها چنان در هم میآمیزند که آرایش ذرات آنها دگرگون شده و یک ترکیب شیمیایی به دست میآید. آلیاژها از ذرات بسیار کوچکی تشکیل شدهاند. برخی از این ذرات به هم می پیوندند و مجموعههایی پدید میآورند که به آنها دانه گفته میشود. اندازه این دانهها در خواص بعدی آلیاژها بسیار تاثیرگذارند. هم چنین اندازه دانهها به عواملی هم چون میزان حرارت داده شده به مواد تشکیل دهنده و سرعت سرد کردن آنها بستگی دارد؛ در حقیقت هرچه مواد را سریعتر سرد کنیم، اندازه دانهها ریزتر میشود. به این ترتیب، ریزی و درشتی دانهها، در خواص بعدی آلیاژها تاثیرگذار است و از راه تنظیم میزان حرارت داده شده و سرعت سرد کردن میتوان خواص مورد نظر را در آلیاژ ایجاد کرد. بیشتر آلیاژها از فلزات تشکیل دهنده شان سختترند. به همین دلیل از شکل پذیری کمتری برخوردارند. همینطور بیشتر آلیاژها در دمایی کمتر از دمای ذوب فلزات تشکیلدهنده ذوب میشوند و رسانایی الکتریکی ضعیفتری دارند. ترکیبات بین فلزی، آلیاژهای با استحکام سنجی و ساختار بلوری تعریف شده هستند
آلیاژها در انواع کاربردهای مختلف استفاده می شوند. در برخی موارد، ترکیبی از فلزات می تواند هزینه کلی مواد را کاهش دهد در حالی که حفظ خواص مهم در آن پای برجاست. در موارد دیگر ترکیبی از فلزات ، خواصی را به عناصر تشکیل دهنده فلز مانند مقاومت در برابر خوردگی یا مقاومت مکانیکی می افزاید. نمونه هایی از آلیاژها عبارتند از فولاد، لحیم، برنج، و برنز.
اجزای تشکیل دهنده آلیاژی معمولا توسط جرم اندازه گیری می شوند. آلیاژها معمولا به دو دسته ی آلیاژهای جایگزین یا بینابینی طبقه بندی می شوند، که البته بسته به ساختار اتمی که آلیاژ را تشکیل می دهد. آن ها می توانند بیشتر به عنوان همگن (متشکل از یک فاز تک) یا ناهمگن (متشکل از دو یا چند فاز) و یا بین فلزی طبقه بندی شوند.
آلیاژها را با توجه به فلز پایهشان به دو دسته آهنی و غیرآهنی تقسیم میکنند. آلیاژهای آهنی، آلیاژهایی هستند که فلز پایه در آنها آهن است. از مهم ترین آنها میتوان به فولاد اشاره کرد. در مقابل، تمام آلیاژهایی که فلز پایه در آنها، فلزی غیر از آهن است، آلیاژهای غیرآهنی خوانده میشود.
آلیاژهای آهنی
فلز پایه در این آلیاژها آهن است. بسته به میزان کربن ترکیب شده در آن، به دو دسته فولادها و چدن ها تقسیم میشوند.
آلیاژ معمولاً خواصی متفاوت از عناصر تشکیل دهنده خود دارد. بسته به میزان همگنی در اختلاط عناصر، آلیاژ میتواند تک فاز یا چند فازی باشد. هدف از تشکیل آلیاژ، تغییر و بهبود خواص ماده مانند چقرمگی، استحکام، سختی و غیره ست.
وجود کمتر از ۲ درصد تا ۰.۰۲ کربن در آهن، فولاد را به وجود میآورد. اضافه کردن عناصر دیگر غیر از کربن، هرکدام خواص متفاوتی به فولاد میدهد. منگنز سبب سختی فولاد، نیکل باعث جلوگیری از خوردگی فولاد، تنگستن باعث محکمی و وجود کروم و نیکل سبب ضد زنگ شدن فولاد میشود. آهن ورزیده نیز آلیاژی است با کربن کم که در ساختن میخ پرچ، لوله آب، زنجیر و غیره به کار میرود.
فلز پایه در این آلیاژهای غیر آهنی، هر فلزی غیر از آهن است. مفرغ، برنج و بسیاری آلیاژهایی که میشناسیم، آلیاژهای غیرآهنی هستند. امروزه بیشتر چیزهای فلزی که استفاده میکنیم از آلیاژها ساخته شدهاند. کمتر اتفاق میافتد که از فلزات به شکل خالص استفاده شوند. حتی طلا و نقره هم به صورت آلیاژ استفاده میشوند. افزودن فلزات ارزان قیمت به طلا و نقره، نه تنها از جلوهشان نمیکاهد، بلکه باعث میشود در برابر سایش نیز مقاومتر شوند. طلا و نقره معمولاً با مس ترکیب شده و تشکیل آلیاژ میدهند. عیار طلا، نشاندهنده مقدار فلز اضافه شده در آن است. عیار طلای خالص را ۲۴ فرض میکنند. بنابراین طلای ۱۸ عیار، طلایی است که از ۲۴ قسمت، ۱۸ قسمت اش طلا و باقی مس است. یکی از آلیاژهای مشهور غیرآهنی ورشو است. این آلیاژ ترکیبی است از مس به عنوان فلز پایه و روی و نیکل به عنوان عناصر حل شونده. ورشو به علت شباهتش به نقره، نقره آلمانی و نقره انگلیسی نیز گفته میشود.
به محلول جامدی که حداقل یکی از اجزای آنها فلز بوده و خواص فیزیکی و شیمیایی فلزی داشته باشند، آلیاژ فلزی و به محلولهای جامدی که حداقل یکی از اجزای آنها سرامیکی بوده و خواص سرامیکی داشته باشند، آلیاژ سرامیکی گفته میشود. از آلیاژ های پر کاربرد آلیاژ برنجی است که از ترکیب مس و روی تهیه می شود.
آشنایی با آلیاژ برنج
روش کار
1- قطعه کوچکی از آلیاژ برنج را روی یک بوته چینی قرار دهید و در کمترین مقدار اسید نیتریک رقیق حل کنید. هر دو فلز مس و روی در اسید نیتریک حل می شوند. تحت حرارت به یک رسوب خشک برسید.
2- رسوب را در هیدروکلریک رقیق حل کنید. و از داخل محلول گاز هیدروژن سولفید را عبور دهید. رسوب آبی رنگی به دست می آید.
3- رسوب سیاه رنگ را صاف کنید. به باقی مانده محلول آمونیوم کلرید و آمونیوم هیدروکسید اضافه کنید و گاز هیدروژن سولفید را عبور دهید. رسوب به دست آمده را صاف کنید.
4- رسوب را در هیدروکلریک اسید رقیق حل کنید. سپس به آن پتاسیم فروسیانید اضافه کنید تا رسوب سفید رنگی به دست آید.
سوالات
1. نام هر یک از رسوب های به دست آمده چیست؟
2. رسوب آبی و سفید رنگ نشان دهنده حضور چه فلزاتی هستند؟
بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان
تهیه: مینا رزقی و شایان فروزنده دل - تنظیم: زینب شاه مرادی