- •Введение
- •Раздел первый
- •1.2. Определение химии
- •1.3. Атомно-молекулярное учение
- •1.4. Основные стехиометрические законы химии
- •1.5. Значение химии в развитии техники
- •Глава 2. Строение атомов. Периодический закон и периодическая система химических элементов д.И. Менделеева
- •2.1. Первые модели строения атома
- •2.2. Квантово-механическая модель атома водорода
- •2.3. Квантовые числа
- •2.4. Атомные орбитали
- •2.5. Многоэлектронные атомы
- •2.6. Распределение электронов по энергетическим уровням и подуровням у элементов малых периодов
- •2.7. Распределение электронов по энергетическим уровням и подуровням у элементов больших периодов
- •2.8. Периодический закон д. И. Менделеева
- •2.9. Структура периодической системы химических элементов д. И. Менделеева
- •2.10. Свойства атомов элементов в периодической системе
- •2.11. Закономерности изменения свойств элементов и их соединений в периодической системе
- •Глава 3. Химическая связь и строение молекул
- •3.1. Развитие теории химической связи
- •3.2. Ковалентная связь. Кривая потенциальной энергии
- •3.3. Основные количественные характеристики ковалентной связи
- •3.4. Квантово – механическая теория валентности
- •3.5. Донорно – акцепторный механизм образования ковалентной связи
- •3.6. Свойства ковалентной связи
- •3.7. Метод молекулярных орбиталей
- •3.8. Ионная связь
- •3.9. Водородная связь
- •3.10. Межмолекулярное взаимодействие
- •Глава 4. Кристаллическое состояние вещества
- •4.1. Макроскопические свойства кристаллов
- •4.2. Внутреннее строение кристаллов
- •4.3. Виды элементарных ячеек
- •4.4. Металлическая связь
- •4.5. Реальные кристаллы и нарушения кристаллической структуры
- •Раздел второй
- •5.2. Первый закон термодинамики
- •5.3. Энтальпия образования химических соединений
- •5.4. Энтропия. Второй закон термодинамики
- •5.5. Третий закон термодинамики
- •5.6. Энергия Гиббса. Направленность химических реакций
- •164,9 КДж; 172,41 Дж/моль∙к;
- •Глава 6. Скорость химических реакций. Химическое равновесие
- •6.1. Влияние внешних факторов на скорость химических реакций
- •6.2. Химическое равновесие
- •6.3. Цепные реакции
- •6.4. Фазовые равновесия
- •6.5. Катализаторы и каталитические системы
- •Раздел третий растворы
- •Глава 7. Общие свойства растворов
- •7.1. Механизм процессов растворения
- •7.2. Способы выражения количественного состава растворов
- •100 ∙ 10,91 Моль % h2so4
- •7.3. Энергетика растворения
- •7.4. Свойства растворов неэлектролитов
- •7.5. Свойства растворов электролитов
- •7.6. Электролитическая диссоциация воды. Водородный показатель
- •7.7. Произведение растворимости. Гидролиз солей
- •Глава 8. Окислительно-восстановительные реакции
- •8.1.Общие понятия об окислительно- восстановительных реакциях
- •8.2. Классификация окислителей и восстановителей
- •8.3. Количественная характеристика окислительно-восстановительных реакций
- •8.4. Методы составления уравнения окислительно-восстановительных реакций
- •8.5. Влияние факторов на характер и направление реакций
- •8.6. Типы окислительно-восстановительных реакций
- •Глава 9. Электрохимические процессы
- •9.1. Строение двойного электрического слоя
- •9.2. Гальванические элементы
- •9.3. Стандартный водородный электрод
- •9.4. Поляризационные явления в гальванических элементах
- •9.5. Химические источники тока
- •9.6. Аккумуляторы
- •9.7. Топливные элементы
- •9.8. Теоретические основы электролиза
- •9.9. Последовательность электродных процессов
- •9.10. Техническое применение электролиза
- •Глава 10. Коррозия и защита металлов
- •10.1. Общие сведения о коррозии
- •10.2. Классификация коррозионных процессов
- •10.3. Количественная и качественная оценка коррозии и коррозионной стойкости
- •10.4. Химическая коррозия
- •10.5. Электрохимическая коррозия
- •10.6. Методы защиты от электрохимической коррозии
- •Раздел четвертый
- •11.2. Электропроводность металлов, полупроводников и диэлектриков
- •11.3. Химические свойства металлов высокой проводимости
- •11.4. Электропроводимость металлов подгруппы меди
- •11.5. Химические свойства магнитных материалов
- •11.6. Магнитные свойства металлов семейства железа
- •Глава 12. Химическая идентификация и анализ вещества
- •12.1. Химическая идентификация вещества
- •12.2. Количественный анализ
- •12.3. Инструментальные методы анализа
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Глава 1. Основные понятия химии. Предмет и задачи
- •Глава 2. Строение атомов. Периодический закон и
- •Глава 3. Химическая связь и строение молекул………..54
- •Глава 4. Кристаллическое состояние вещества………..103
- •Глава 12. Химическая идентификация и анализ
11.6. Магнитные свойства металлов семейства железа
По отношению к внешнему магнитному полю различают диамагнитные и парамагнитные вещества. Диамагнитные вещества оказывают прохождению магнитных силовых линий большее сопротивление, чем вакуум, и поэтому внешнее магнитное поле их выталкивает. Парамагнитные вещества, напротив, проводят магнитные силовые линии лучше, чем вакуум, и поэтому магнитное поле втягивает такие вещества.
Помещенные между полюсами сильного магнита диамагнетики ориентируются перпендикулярно силовым линиям (рис. 84 а), а парамагнетики - вдоль силовых линий (рис. 84, 6).
Рис. 84. Поведение в магнитном поле диа- (а)
и парамагнитных (б)веществ
Столь различное поведение диа- и парамагнитных веществ обусловлено различным характером их внутренних магнитных полей. Вращение электронов вокруг оси создает магнитное поле, характеризуемое спиновым моментом. Если в
веществе магнитные поля электронов взаимно замкнуты (скомпенсированы) и их суммарный спиновый момент равен 0, то вещество является диамагнитным. Если же магнитные поля электронов не скомпенсированы и вещество имеет собственный магнитный момент, то оно является парамагнитным. Так, атом водорода, имеющий один непарный электрон - парамагнитен. Молекула же водородаН2диамагнитна, так как при образовании химической связи происходит взаимная компенсация спинов электронов.
Первоначальная теория магнетизма объясняла магнитные свойства предположением о существовании элементарных магнитиков, которые обусловлены электрическим «молекулярным током», т.е. круговым движением электричества внутри атомов. Это предположение подтверждается атомной теорией, согласно которой «молекулярный ток» задается движением электронов по орбитам и их вращением спином.
Поля электронов, принадлежащие одному атому, по своему действию могут либо усиливать друг друга, либо уничтожить, смотря по тому, направлены ли их собственные моменты в одну сторону или в противоположные. Если они уничтожают
действие друг друга взаимно компенсируют, то вещество называется диамагнитным, в другом случае - парамагнитным. Магнитные свойства элементов находятся также в периодической зависимости от порядкового номера элемента.
Средние значения атомной восприимчивости X(произведение удельной восприимчивости на атомный вес) приведены в табл. 6.
Железо, кобальт и никель - типичные ферромагнитные вещества, вызывающие очень большое усиление внешнего магнитного поля.
Появление ферромагнетизма у металлов группы железа оказывается закономерным следствием сильного роста парамагнетизма, который наблюдается уже в ряду предшествующих элементов, из которых хром и марганец в сплавах могут
проявлять ферромагнитные свойства (сплав Хейслера). Элементы, с порядковыми номерами следующие за никелем являются уже диамагнетиками.
Таблица 13
Магнитная восприимчивость элементов VIпериода
Элемент |
K |
Са |
Sc |
Ti |
V |
Cr |
Mn |
Fe |
Co |
Ni |
Cu |
Zn |
XA ∙ 106 |
20 |
22 |
- |
59 |
100 |
150 |
535 |
Ферромагнетик |
Диамаг-нетики |
В случае ферромагнетизма рассматриваемое явление представляется лишь особым случаем парамагнетизма, обусловлено тем, что в ферромагнитных веществах одинаковое направление элементарных магнитиков вызывается особенно сильным молекулярным полем. Это молекулярное расположение, в обоих случаях при не очень высоких температурах для определенных групп электронов становится наиболее вероятным параллельное расположение. Этот случай осуществляется в ферромагнитных металлах и сплавах.
Ферромагнетизм может проявиться только в случае наличия незавершенных оболочек с большим побочным квантовым числом и большого среднего расстояния между атомными ядрами в решетке по сравнению с радиусами этих атомов. Эти условия кроме железа, кобальта и никеля выполняются и у некоторых редкоземельных элементов (диспрозий, гольмий, гадолиний, тербий).
У ферромагнетиков относительная магнитная проницаемость =103 - 105. Магнитная проницаемость=зависит от напряженности магнитного поляН. Она изменяется обычно по кривой имеющей максимум (рис. 85).
Рис. 85. Зависимость от напряженности поляН
Изменение индукции Вот напряженности магнитного поля изображается кривой зависимостиВ = f (H), представленной на рис. 86. УчастокОБ- кривая намагничивания ферромагнетика.
Рис. 86. Зависимость индукции Вот напряжености
магнитного поля H
На рис. 86 показано изменение индукции Впри обратном изменении поляНпосле того, как индукция достигает некоторого значенияМБ, аН- значенияОМ. При уменьшенииНиндукция уменьшается по кривойБР, а неБО. В точкеPприH=Н0начинается перемагничивание материала. ВеличинуНс, представляющую собой напряженность поля, противоположную по знаку первоначальной и необходимую для полного размагничивания материала, называют коэрцитивной силой. ВеличинуВ0приН0называют остаточной индукцией. Изменение поля от некоторой точкиАвновь в первоначальном направлении изменяет индукциюВпо кривойATБ. ПетляБРАТБносит название петли гистерезиса (отставания). Изменение индукции при перемагничивании материала идет термодинамически необратимо; за один цикл перемагничивания затрачивается энергия, количество которой пропорционально площади петли гистерезиса. Кроме потерь на гистерезис при действии на материал переменного магнитного поля в нем появляются вихревые токи, на создание которых, потеря энергии тем больше, чем меньше удельное сопротивление материала.
Явление ферромагнетизма обусловлено тем, что внутри ферромагнетиков ниже температуры, называемой точкой Кюри, имеются небольшие кристаллические области, называемые доменами, в них спины неспаренных электронов оказываются ориентированными взаимно параллельно. Это значит, что в пределах домена существует спонтанная намагничиваемость. Обычно направленность магнитных полей доменов самая разнообразная. Поэтому, чтобы намагнитить все тело, необходимо воздействовать на него внешним магнитным полем. Действие этого поля сводится к повороту магнитных моментов доменов в направлении внешнего поля и к увеличению тех доменов, магнитные моменты которых составляют наименьший угол с направлением магнитного поля и к уменьшению других доменов. Магнитное насыщение будет достигнуто тогда, когда магнитные моменты всех доменов окажутся ориентированы в на-
правлении поля. Это связанно с изменением линейных размеров тела (с магнитострикцией). Выше точки Кюри ферромагнитные свойства тела исчезают. Явление гистерезиса тесно связанно с характером доменного строения ферромагнетиков.
Магнитные материалы с малой коэрцитивной силой Нси с большой магнитной проницаемостью называют магнитомягкими, а с большой коэрцитивной силой и меньшей проницаемостью - магнитотвердыми. В первых потери на гистерезисе малы, поэтому их используют в качестве сердечников трансформаторов, электромагнитов и в измерительных приборах, когда необходимо при наименьшей затрате энергии достигнуть наибольшей индукции. К магнитомягким материалам относится железо типа «Армко», но оно обладает низким сопротивлением, что повышает потери на вихревые токи. Этот недостаток частично устраняется введением в железо кремния(4 %). У такого электротехнического железаRсоставляет до0,6 мкОм ∙ м,= 450,= 8000,Нс=48 А / м, точка Кюри690 °С. Оно широко применяется в электромашиностроении и в трансформаторах.
Ферриты - сложные оксидные материалы, обладающие свойствами, близкими к ферромагнетикам. Имеют доменную структуру и очень большое удельное сопротивление, благодаря чему потеря энергии в них при высокой частоте не велика. Так как они имеют достаточно хорошие магнитные свойства, то они получили широкое применение в радиоэлектронике. Ферриты - это двойные или тройные оксиды железа и двухзарядных металлов. Простейший природный феррит - магнитный железнякFe3O4. Ферромагнитные ферритыМnО ∙ Fе2О3,NiО ∙ Fе2О3, CuО ∙ Fе2О3
Магнитные свойства ферритов зависят от расположения MeиFe3+- ионов междуО2-- ионами. Если у феррита структура благородной шпинелиMgO ∙ Аl2О3, то у него нет ферромагнитных свойств. Если при образовании феррита получается структура, обращенной шпинели, что зависит от соотношения размеров и рода ионов, тоМе2+- ионы и половинаFe3+- ионов находятся в октаэдрических пустотах, а другая половинаFe3+- ионов - в тетраэдрических пустотах. В таких случаях феррит имеет ферромагнитные свойства. Общая формула одного из распространенных никель-цинковых ферритов имеет видх (NiO ∙ Fe2O3) ∙ y (ZnO ∙ Fe2O3). К ферритовым магнитным материалам относятся ферриты со структурой граната в основном феррит-гранат иттрия. Феррит - шпинели используют в виде поликристаллической керамики, которая изготавливается из оксидов по керамической технологии, в форме монолитных сердечников; феррит - гранаты выращивают из расплава в виде монокристаллов.
Ферриты - полупроводники, ширина запрещенной зоны 0,1 - 0,6 Эв, удельное сопротивление10° - 105 Ом∙цсм. Процентный состав и технология изготовления ферритов играет существенную роль в получении магнитных свойств материала.
Изготовление ферритов сводится к следующему. Тонко измельчают и перемешивают обожженные оксиды соответст-
вующих металлов или карбонаты, или другие соли. К смеси добавляют пластификатор (обычно раствор поливинилового спирта). Полученную массу прессуют в нужных формах и обжигают при 1100 - 1400 °С. Масса спекается и образуются твердые растворы ферритов. Обжигают в окислительной среде или в атмосфере аргона.
Ферриты тверды и хрупки. Их можно только шлифовать и полировать, обработка резанием не удается. Коэрцетивная сила Нсу них изменяется от12до320 А / м,точка Кюри - до400 - 500 °С, индукция насыщение0,2 - 0,4 Тл. У марганцево-цинковых ферритов гистерезисные петли узкие (Нснебольшая); никель-цинковые ферриты в зависимости от состава и способа получения имеют различную начальную магнитную проницаемость более широкую гистерезисную петлю. Магний - марганцевые ферриты имеют почти квадратную гистерезис-
ную петлю, что важно для изготовления запоминающих устройств в счетно-решающих машинах. Ферриты используют для изготовления контурных катушек, сердечников импульсных трансформаторов, трансформаторов развертки телевизионных приемников, магнитных экранов, резонаторов, накопителей в вычислительных машинах и для других целей.
В качестве магнитострикционньгх материалов используют никель и сплавы на его основе, а также железо - кобальтовые и железо - алюминиевые сплавы. Их используют в поликристаллической форме и изготавливают по обычной технологии, прокатывая в виде полос толщиной 0,1 - 0,3 ммдля уменьшения потерь на вихревые токи.
Электромеханические преобразователи из магнитных материалов, в частности электроакустические преобразователи, находят широкое применение в ультразвуковой технике, гидроакустике и акустоэлектронике для изучения и приема акустических волн. Свойства материала непосредственно связанные с преобразованием энергии характеризуются коэффициентом магнитомеханической связи «К», магнитострикционной
постоянной «а»и постоянной чувствительности«л».
Для материалов на основе никеля коэффициент магнитомеханической связи изменяется в пределах 0,2 - 0,5,«а»- в пределах0,8 - 2,5 ∙ 107 H / м2 ∙ Т,«л»-0,2 - 0,5 ∙ 10-9 Т м2 / H.