Лекция №1 (МСФ)

Раздел I. Введение

1.1 Значение химии для развития машиностроения

В современном машиностроении применяются разнообразные металлические и неметаллические материалы. Широко внедряются новые высокопроизводительные методы их обработки, в том числе связанные со сложными физико-химическими превращениями. Поэтому современный инженер-машиностроитель должен обладать достаточно широкой химической подготовкой.

Предлагаемый курс общей химии должен дать Вам теоретическую базу, позволяющую ориентироваться в частных вопросах при прохождении таких специальностей, как "Материаловедение", "Технология конструкционных материалов", а также поможет, в дальнейшем, более углубленному изучению курса "Физическая химия" и "Коррозия металлов". Знание химии понадобятся и при изучении "Материало- и металловедения". Например, для упрочнения деталей машин широко применяют химико-термическую обработку (ХТО). При эксплуатации машин в первую очередь воздействию циклических нагрузок, коррозии, изнашиванию кавитации, криогенных и высоких температур подвергается поверхность используемых материалов. ХТО повышает твердость, износостойкость, кавитационную и коррозионную стойкость, увеличивает надежность и долговечность деталей машин. В основе ХТО лежат различные химические и физико-химические процессы:

Цементация – взаимодействие металлов с углеродом, которое осуществляется в соответствующей среде – карбюризаторе.

Нитроцементация – науглероживающий газ (природный, в основном метан) и аммиак.

Азотирование – обработка аммиаком.

Цианирование – обработка NaCN.

Борирование – обработка при электролизе расплава буpы (Na₂B₄O₇)

Силицирование – обработка кремнием.

1.2 Основные понятия химии

Химия – это наука о веществах и законах их превращений. Объектом изучения в химии являются химические элементы и их соединения. Если Вы попадете в какую-нибудь страну, то для того, чтобы там успешно адаптироваться, Вы должны, в первую очередь, изучить язык этой страны. И вот я, в качестве гида, приглашаю Вас в страну ХИМИЯ и первое, что мы должны сделать – изучить ее язык.

Рис.1.2.1.

Атомы – это наименьшие частицы химических элементов, являющиеся носителями их химических свойств. Согласно основополагающим атомным представлениям, разработанным Резерфордом, Бором, Шредингером, атомы состоят из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него электронов (электронная оболочка).

Электрон – элементарная отрицательная частица, носитель наименьшей массы и наименьшего отрицательного заряда.

q = -1,602^.10^-19кл

m = 9,11^.10^-31 кг

Число электронов в атоме равно величине положительного заряда ядра, выраженному в единицах элементарного заряда, поэтому атом, в целом, электронейтрален. При удалении от атома одного или нескольких электронов, образуется положительный ион, а при присоединении – отрицательный.

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Его заряд определяется числом протонов, а массовое число (А) суммой числа протонов (Z) и нейтронов (N). А=Z+N.

Рис.1.2.2.

Совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра называется химическим элементом. Разновидности элементов, атомы которых имеют одинаковый заряд ядра, но разные массовые числа, называются изотопами, т.е. изотопы данного элементы отличаются друг от друга числом нейтронов.

Молекулой называют наименьшую частицу индивидуального вещества, способную к самостоятельному существованию, обладающую его основными химическими свойствами и состоящую из одинаковых или различных атомов.

Рис.1.2.3.

Массу атомов и молекул принято выражать в виде относительной атомной (А_r) или молекулярной (М_r) массы. В настоящее время относительные атомные и молекулярные массы выражают в углеродных единицах.

Углеродная единица – это 1/12 часть массы атома изотопа углерода . М_r и А_r величины безразмерные. М_r(NH₃)=17; А_r(К)=39.

Рис.1.2.4.

Если молекулы состоят из одинаковых атомов, то вещество называют простым или элементарным (Не, Аr, Н₂, О₂, О₃, S₆,P₄ и т.д.). Простое вещество является формой существования химического элемента в свободном состоянии. В зависимости от состава и структуры простые вещества могут обладать различными физическими и химическими свойствами. Это явление называется аллотропией. Если молекула вещества состоит из разных атомов, то вещество называется сложным или химическим соединением (СО, СН₃ОН, Н₃РО₄ и т.д.).

Химические свойства вещества характеризуют его способность участвовать в химических реакциях, т.е. в процессах превращения одних веществ в другие. Для понимания этих свойств необходимо знать состав и строение вещества, поэтому химия изучает состав, строение, свойства веществ и их превращения.

Рис.1.2.5.

За единицу количества вещества в химии принят моль – количество вещества, содержащее столько же структурных единиц (атомов, ионов, молекул), сколько содержится в 12 г изотопа углерода . Число частиц, содержащееся в одном моль вещества, называется постоянной Авогадро. Постоянная Авогадро (N_А) – это одна из универсальных постоянных, которая не зависит от природы вещества и равна 6,02^.10²³ моль^-1. Массу одного моль вещества называют молярной массой (М).

Основной единицей измерения молярной массы является кг/моль. Молярная масса калия М(К)=39 г/моль, молярная масса аммиака М(NН₃)=17 г/моль. Молярная масса атома или молекулы численно равно относительной атомной или молекулярной массе. Абсолютное значение массы любого атома (молекулы) находят делением молярной массы (М) на постоянную Авогадро: m=M/N_A.

Тест 1.2.