Дипломная работа Дифракция рентгеновских лучей, как основа рентгеноструктурного анализа (стр. 6 )

Рис. 17А-Б

Рентгеновскими измерениями довольно легко устанавливается толщина слоя d. Для случаев, когда плоскости концевых групп перпендикулярны к осям цепей, удлинение молекулы на две группы СН2 должно вызывать увеличение толщины слоя на 2,54 Å. Такие соотношения действительно наблюдаются на опыте. Рентгеновские измерения межплоскостных расстояний у кристаллов веществ с длинными цепями могут быть использованы для определения длины молекулы, т. е. для получения некоторых важных сведений о строении молекулы вещества. Аналогично парафинам построены кристаллы жирных кислот. В слое, толщина которого близка к длине углеродной цепи молекулы кислоты, карбоксилы всех молекул обращены в одну и ту же сторону, т. е. на одной стороне слоя лежат только карбоксильные группы, а на другой — метальные группы. Слои расположены по отношению друг к другу по типу «голова к голове», т. е. метильные группы одного слоя примыкают к метильным группам другого; соответственно карбоксильные группы прилегают к карбоксильным группам. Таким образом, можно себе представить, что в кристалле имеются двойные слои, сомкнутые карбоксильными группами, причем вследствие образования водородных связей между этими группами два слоя оказываются прочно связанными. Наоборот, связь слоев по плоскостям, ограниченным метильными группами, вследствие насыщенности метилов является рыхлой, подобно связям отдельных плоскостей в кристалле графита. Этим объясняется скользкость кристаллов жирных кислот (и жиров). Найденным при помощи рентгеноструктурного анализа зигзагообразным характером длинных цепей может быть объяснена хорошо известная периодичность свойств четных и нечетных членов гомологического ряда (см., например, температуры плавления кислот). Периодичность внутри ряда естественно объясняется монотонным возрастанием длины цепи при полном сохранении характера взаимного расположения цепей. А чем объясняется то, что молекулы с четными и нечетными числами атомов углерода укладываются в две последовательности, а не в одну, т. е. в чем различие этих двух рядов? Это различие лежит в симметрии молекулы. Если число атомов углерода нечетное то через середину цепи можно провести плоскость симметрии, Если же число атомов четное то таким элементом симметрии молекула не обладает. Ее возможная симметрия — центр инверсии, или двойная ось симметрии, перпендикулярная цепи. Поскольку способ упаковки молекул зависит от их симметрии, молекулы двух указанных рядов образуют кристаллы, различающиеся энергией решетки. Это и приводит к указанному выше чередованию свойств у членов гомологического ряда, получившему название «четно-нечетного эффекта». С наибольшим успехом рентгеноструктурный анализ может быть применен к веществам, образующим одиночные кристаллы. Однако рентгеновское исследование высокомолекулярных соединений также приводит к ряду интересных результатов. Этим методом были с успехом исследованы такие высокополимерные соединения, в которых длинноцепочечные молекулы расположены с высокой степенью упорядоченности. К их числу относятся растянутый каучук, многие полиамиды, целлюлоза и т. д. Кроме ряда научных данных, используемых в теории строения вещества, рентгеноструктурный анализ органических кристаллов оказывает помощь органической химии при установлении строения отдельных соединений, Так, например, по данным, полученным этим методом, из нескольких возможных химических формул пенициллина была выбрана одна. Рентгеновский анализ был применен для исследования строения многих десятков стероидов; при этом выяснилось, что некоторым стероидам приписывались неправильные пространственные конфигурации. При помощи этого метода была полностью расшифрована структура такого сложного вещества, как фталоцианин. Рентгеновский метод позволяет надежно определять молекулярные веса белков; для этого необходимы хорошо образованные кристаллы белков, дающие возможность получать хорошие снимки.

Глава IV. Алюминиевые сплавы

4.1. Сплавы на основе алюминия.

Алюминий, химический элемент IIIA подгруппы периодической системы элементов (B, Al, Ga, In, Tl), наиболее распространенный металл в земной коре, встречается в большом количестве минералов, например в глине и граните. Основным сырьем для производства алюминия служат бокситы - руда, представляющая собой в основном гидратированный оксид алюминия Al2O3Ч2H2O. Мировым лидером по производству алюминия являются США, затем Россия, Канада и Австралия. Алюминий наиболее известен как сырье для производства сплавов, используемых для изготовления пищевых емкостей (бидонов, баллонов, банок и т. п.), легкой кухонной посуды и другой домашней утвари. Неочищенный алюминий был впервые выделен Х. Эрстедом в 1825, хотя еще в 1807 Х. Дэви обнаружил неизвестный металл при обработке глины серной кислотой. Дэви не смог выделить металл из соединений, но назвал его алюминум (от лат. alumen - квасцы), а его оксид - глиноземом (alimina); вскоре это название металла по аналогии с названиями других металлов изменили на "алюминий", что стало общепринятым.
 Замечательным свойством алюминия является его легкость; плотность алюминия примерно в три раза меньше, чем у стали, меди или цинка. Чистый алюминий - мягкий металл, но образует сплавы с другими элементами, что обеспечивает большой диапазон полезных свойств. В ряду величин теплопроводности и электрической проводимости алюминий стоит после серебра и меди. Алюминий отличается высокой реакционной способностью, поэтому он не встречается в природе в свободном состоянии. Металлический алюминий быстро растворяется в соляной кислоте с образованием хлорида AlCl3, медленнее - в серной с образованием сульфата Al2(SO4)3, но с азотной кислотой реагирует только в присутствии солей ртути. В реакции со щелочами он образует алюминаты, например, с NaOH образует NaAlO2.Алюминий проявляет амфотерные свойства, так как он реагирует и с кислотами, и со щелочами. На воздухе алюминий быстро покрывается прочной защитной пленкой оксида Al2O3, предохраняющей его от дальнейшего окисления. Поэтому алюминий стабилен на воздухе и в присутствии влаги даже при умеренном нагревании. Если защитная пленка оксида нарушена, то при нагревании на воздухе или в кислороде он сгорает ярким белым пламенем. При нагревании алюминий активно реагирует с галогенами, серой, углеродом и азотом. Расплавленный алюминий реагирует с водой со взрывом.
Атомный номер 13 Атомная масса 26,9815 Изотопы: стабильные 27; нестабильные 24, 25, 26, 28, 29.Температура плавления, В° С 660 Температура кипения, В° С 2467 Плотность, г/см3 2,7 Твердость (по Моосу) 2,0-2,9 Содержание в земной коре, % (масс.) 8,13 Степени окисления +3
С давних времен квасцы применяли в медицине как вяжущее средство, в крашении для протравы, и для дубления кожи. Квасцами часто называют смешанные сульфаты одно - и трехвалентного металлов, например алюминия и калия (минерал сольфатерит). Римский ученый Плиний Старший (1 в. н. э.) в своей Естественной истории упоминает о квасцах как о солях, свойства которых изучали алхимики. Впервые для дубления кожи и в медицинских целях квасцы применили египтяне; они, а также лидийцы, финикийцы и иудеи, знали, что некоторые краски, например индиго и кошениль, лучше сохраняются, если их смешивать или пропитывать квасцами. Кристаллический оксид алюминия, встречающийся в природе под названием корунд, используется как абразив, благодаря высокой твердости. Рубин и сапфир - разновидности корунда, окрашенные примесями, являются драгоценными камнями.
Алюминий - один из наиболее легких конструкционных металлов (см. табл.). Сплавы, получаемые из алюминия после термообработки, наряду с низкой плотностью отличаются высокой прочностью и другими важными механическими свойствами, что делает алюминий незаменимым для изготовления деталей транспортных средств (поршни и картеры, блоки и головки цилиндров авиационных и автомобильных двигателей, подшипники, силовой набор и обшивка фюзеляжей и пр.). Алюминий легко подвергается волочению и вытяжке, что используется в производстве пищевых емкостей. Удельная электропроводность алюминия составляет ок. 61% электрической проводимости меди, но плотность алюминия в три раза меньше. Сочетание хорошей проводимости с высокой коррозионной стойкостью на воздухе расширяет возможности использования алюминиевых кабелей, часто упрочняемых сталью, для высоковольтных электропередач. Алюминий отличается также и высокой теплопроводностью, что используется в двигателях, системах охлаждения и других устройствах. Металл легко полируется механически и электролитически, поэтому его применяют также для отражателей телескопов и аналогичных целей. Алюминий широко используется как упаковочный материал и имеет максимальный среди других упаковочных материалов коэффициент извлечения при вторичной переработке. Рекуперация алюминиевого вторсырья позволяет экономить энергию, так как ее расход в этом случае меньше, чем при производстве алюминия из руды. В 1981 доля рекуперированного алюминия в производстве пищевых емкостей составляла 53,2%, а к 1991 достигла 62,4% и продолжает расти. Алюминий отличается высокой коррозионной стойкостью благодаря образованию на его поверхности оксидной пленки и поэтому используется как кровельный материал, обшивка, а также в рефлекторах дневного и ИК-света. Коррозионную стойкость его можно еще повысить методом электролитического анодного окисления, известного как анодирование, в результате чего увеличиваются толщина и сцепление оксидной пленки. Анодированная поверхность легко окрашивается, такой способ часто применяют для архитектурных панелей.

Коррозионная стойкость алюминия в сочетании с красивым внешним видом обеспечивает его широкое применение в холодильной технике. Алюминий - сильный восстановитель, и его используют для выделения менее активных металлов, а также в качестве антиоксиданта в производстве стали и взрывчатых веществ. Алюминиевый порошок применяют в отделочных работах. Алюминиевая краска устойчива к действию промышленных выбросов и выхлопных газов, поэтому широко применяется как защитное покрытие на фасадных частях металлоконструкций, нефтяных танков, в железнодорожном оборудовании и других конструкциях. Алюминиевая фольга - блестящий изолирующий материал, используемый для упаковки пищевых продуктов и для заворачивания их при кулинарной обработке, как декоративное покрытие книг, буквенных знаков, а также в производстве электроконденсаторов. Алюминиевый порошок применяется в порошковой металлургии для изготовления точных деталей, а также служит добавкой в твердых топливах ракетных двигателей. Термитная смесь широко используется как сварочный материал для ремонта толстостенных конструкций, например для сварки стальных рельс.