Плотность чугуна
Плотность чугуна и другие его физические свойства
Углерод в составе чугуна может присутствовать в различных формах: в виде соединения состава Fe3C, называемого цементитом или в виде графита (пластинчатого, хлопьевидного или сферического), причем от формы графита в значительной мере зависят свойства чугуна. Он в очень малой степени способен к пластической деформации (в обычных условиях не поддается ковке), но обладает хорошими литейными свойствами. Чугун дешевле стали.
Выделяют белый, серый, высокопрочный и ковкий чугун. Плотность чугуна показана ниже:
|
Чугун |
|||
|
белый |
серый (СЧ 10 ГОСТ 1412-85) |
высокопрочный (ВЧ 35 ГОСТ 7293-85 |
ковкий (КЧ 70-2 ГОСТ 1215-79) |
|
7400 – 7750 |
6800 |
7200 |
7000 |
Белый чугун содержит весь углерод в виде цементите. Он обладает высокой твердостью, хрупок и поэтому имеет ограниченное применение. В основном он выплавляется для передела на сталь.
В сером чугуне углерод содержится главным образом в виде пластинок графита. Серый чугун (рис. 1) характеризуется высокими литейными свойствами (низкая температура кристаллизации, текучесть в жидком состоянии, малая усадка) и служит основным материалом для литья. Он широко применяется в машиностроении для отливки станин станков и механизмов, поршней, цилиндров. Кроме углерода, серый чугун содержит другие элементы. Важнейшие из них – это кремний и марганец. В большинстве марок серого чугуна содержание углерода лежит в пределах 2,4-3,8%, кремния 1-4% и марганца до 1,4%.
Рис. 1. Серый чугун. Внешний вид.
Высокопрочный чугун получают присадкой к жидкому чугуну некоторых элементов, в частности магния, под влиянием которого графит при кристаллизации принимает сферическую форму. Сферический графит улучшает механические свойства чугуна. Из высокопрочного чугуна изготовляют коленчатые валы, крышки цилиндров, детали прокатных станов, прокатные валки, насосы, вентили.
Ковкий чугун получают длительным нагреванием отливок из белого чугуна. Его применяют для изготовления деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках. Пластичность и прочность ковкого чугуна обусловлены тем, что углерод находится в нем в форме хлопьевидного графита.
Примеры решения задач
| Задание | В результате сгорания кислородсодержащего органического соединения в избытке воздуха собрано 1,584 г углекислого газа и 0,972 мл воды. Плотность пара этого соединения по воздуху равна 1,5865. Выведите химическую формулу соединения, если она содержит два одноименных радикала. |
| Решение | Составим схему реакции сгорания органического соединения обозначив количество атомов углерода, водорода и кислорода за «x», «у» и «z» соответственно:
CxHyOz + Oz →CO2 + H2O. Определим массы элементов, входящих в состав этого вещества. Значения относительных атомных масс, взятые из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел: Ar(C) = 12 а.е.м., Ar(H) = 1 а.е.м., Ar(O) = 16 а.е.м. m(C) = n(C)×M(C) = n(CO2)×M(C) = [m(CO2) / M(CO2)]/M(C); m(H) = n(H)×M(H) = 2×n(H2O)×M(H) = [2×m(H2O) / M(H2O)] ×M(H); m(H) = [2×V(H2O) ×M(H) / M(H2O) ×1 (г/мл)]. Рассчитаем молярные массы углекислого газа и воды. Как известно, молярная масса молекулы равна сумме относительных атомных масс атомов, входящих в состав молекулы (M = Mr): M(CO2) = Ar(C) + 2×Ar(O) = 12+ 2×16 = 12 + 32 = 44 г/моль; M(H2O) = 2×Ar(H) + Ar(O) = 2×1+ 16 = 2 + 16 = 18 г/моль. Тогда, m(C) = [1,584 / 44]/12 = 0,432 г; m(H) = [2×0,971 ×1 / 18 ×1 (г/мл)] = 0,108 г. Значение молярной массы органического вещества можно определить при помощи его плотности по воздуху: Msubstance = Mair × Dair; Msubstance = 29 × 1,5862 = 46 г/моль. Найдем число атомов углерода и водорода в соединении: x:y = m(C)/Ar(C) : m(H)/Ar(H); x:y = 0,432/12 :0,108/1; x:y = 0,036 : 0,108 = 1: 3. Значит простейшая формула углеводородного радикала этого соединения имеет вид CH3 и молярную массу 15 г/моль [M(CH) = Ar(C) + 3×Ar(H) = 12 + 3×1 = 12 + 3 = 15 г/моль]. Это означает, что на кислород приходится [46-15 = 31 г/моль], что невозможно. Учитывая условие задачи про два одноименных радикала 2×М(CH3) = 2×15 = 30 г/моль, получаем, что на кислород приходится [46-30 = 16 г/моль], т.е. органическое кислородсодержащее соединение имеет вид CH3-O-CH3. Это ацетон (диметилкетон). |
| Ответ | CH3-O-CH3 |
| Задание | При сжигании органического вещества массой 10,5 г получили 16,8 г углекислого газа (н.у.) и 13,5 г воды. Плотность паров вещества по воздуху равна 2,9. Выведите молекулярную формулу вещества. |
| Решение | Значение молярной массы органического вещества можно определить при помощи его плотности по воздуху:
Msubstance = Mair × Dair; Msubstance = 29 × 2,9 = 84,1 г/моль. По массам углекислого газа и воды находим массы углерода и водорода, а также кислорода (по разнице между массой вещества и атомов углерода и водорода в нем). Однако, для начала рассчитаем их молярные массы. Как известно, молярная масса молекулы равна сумме относительных атомных масс атомов, входящих в состав молекулы (M = Mr): M(CO2) = Ar(C) + 2×Ar(O) = 12+ 2×16 = 12 + 32 = 44 г/моль; M(H2O) = 2×Ar(H) + Ar(O) = 2×1+ 16 = 2 + 16 = 18 г/моль. m (C) = m(CO2) × Ar(C)/ M(CO2); m (C) = 16,8 × 12/ 44 = 4,58 г. m (H) = m(H2O) × 2×Ar(H)/ M(H2O); m (H) = 13,5 × 2×1 / 18 = 1,5 г. m(O) = msubstance – m (C) – m (H) = 10,5 – 4,58 – 1,5 = 4,42 г. Обозначим количество моль элементов, входящих в состав соединения за «х» (углерод), «у» (водород) и «z» (кислород). Тогда, мольное отношение будет выглядеть следующим образом: x:y:z = m(C)/Ar(C) : m(H)/Ar(H) : m(O)/Ar(O); x:y:z = 4,58/12 : 1,5/1 : 4,42/16; x:y:z = 0,38 : 1,5: 0,276 = 1,38 : 5,43 : 1 = 3: 11 : 2. Следовательно, простейшая формула органического соединения имеет вид C3H11O2 и молярную массу 46 г/моль [M(C3H11O2) = 3×Ar(C) + 11×Ar(H) +2×Ar(O) = 3×12+ 11×1 + 2×16= 36 + 11 + 32 = 79 г/моль]. Чтобы найти истинную формулу органического соединения найдем отношение полученных молярных масс: Msubstance / M(C3H11O2) = 84,1 / 79 = 1. Значит формула органического соединения будет иметь вид C3H11O2. |
| Ответ | C3H11O2 |
