Что такое ряд напряжений металлов


Электрохимический ряд напряжений металлов (ряд Бекетова)

Электрохимический ряд напряжений металлов опытным путем установил Алессандро Вольта, на тот момент он выглядел следующим образом: Zn, Pb, Sn, Fe, Cu, Ag, Au. Величина электродного потенциала зависела оттого, насколько далеко отстояли друг от друга члены ряда. Но причина этого была неизвестна. В 1853 г. русский учёный Николай Николаевич Бекетов (1827-1911) сделал в Париже сообщение на тему «Исследование над явлениями вытеснения одних элементов другими». В этой работе он обобщил различные исследования способности одних металлов вытеснять другие из растворов их солей.

Первоначально Бекетов предполагал, что способность одних металлов вытеснять из растворов солей другие металлы связана с их плотностью: более лёгкие металлы способны вытеснять металлы более тяжелые. Но опыты говорили о ином. Непонятно было и то, как связан «вытеснительный ряд» с рядом напряжений Алессандро Вольта. Со временем накапливалось всё больше экспериментальных данных того, что некоторые правила вытеснения нарушаются при определенных условиях. Бекетов обнаружил, что водород под давлением 10 атмосфер вытесняет серебро из раствора нитрата серебра. Английский химик Уильям Одлинг (1829-1921) описал множество случаев подобных аномалий. Например, медь вытесняет олово из концентрированного подкисленного раствора хлорида олова (II) и свинец — из кислого раствора хлорида свинца (II). Медь, олово и свинец находятся в ряду правее кадмия, однако могут вытеснять его из кипящего слабо подкисленного раствора хлорид кадмия.

Теоретическую основу ряда активности (и ряда напряжений) заложил немецкий физикохимик Вальтер Нернст (1864-1941). Вместо качественной характеристики — «склонности» металла и его иона к тем или иным реакциям — появилась точная количественная величина. Такой величиной стал стандартный электродный потенциал металла, а соответствующий ряд, выстроенный в порядке изменения потенциалов, называется рядом стандартных электродных потенциалов.

Электрохимический ряд напряжений металлов (ряд Бекетова) это последовательность расположения металлов и их ионов в порядке возрастания стандартных электродных потенциалов в растворах электролитов. Электродом сравнения обычно служит стандартный водородный электрод, электродный потенциал которого условно принимается равным нулю.

Восстановленная форма Число отданных електронов Окисленная форма Стандартный электродный потенциал, В
Li 1e Li+ -3,05
K 1e K+ -2,925
Rb 1e Rb+ -2,925
Cs 1e Cs+ -2,923
Ba 2e Ba2+ -2,91
Sr 2e Sr2+ -2,89
Ca 2e Ca2+ -2,87
Na 1e Na+ -2,71
Mg 2e Mg2+ -2,36
Al 3e Al3+ -1,66
Mn 2e Mn2+ -1,18
Zn 2e Zn2+ -0,76
Cr 3e Cr3+ -0,74
Fe 2e Fe2+ -0,44
Cd 2e Cd2+ -0,40
Co 2e Co2+ -0,28
Ni 2e Ni2+ -0,25
Sn 2e Sn2+ -0,14
Pb 2e Pb2+ -0,13
Fe 3e Fe3+ -0,04
H2 2e 2H+ 0,00
Cu 2e Cu2+ 0,34
Cu 1e Cu+ 0,52
2Hg 2e Hg22+ 0,79
Ag 1e Ag+ 0,80
Hg 2e Hg2+ 0,85
Pt 2e Pt2+ 1,20
Au 3e Au3+ 1,50

Место каждого элемента в ряду напряжений условно, т.к. величина электродного потенциала зависит от температуры и состава раствора, в который погружены электроды, в частности от концентрации ионов. Большое значение также имеет состояние поверхности электрода (гладкая, шероховатая). Стандартный электродный потенциал относится к водным растворам при температуре 25 °С, давлении газов 1 атмосфера и концентрации ионов 1 моль/л.

Из электрохимического ряда напряжений металлов вытекает ряд важных следствий:

  1. Каждый металл способен вытеснять (замещать) из растворов солей все другие металлы, стоящие правее данного металла;

  2. Все металлы, расположенные левее водорода, способны вытеснять его из кислот;

  3. Чем дальше расположены друг от друга два металла в ряду напряжений, тем большее напряжение может давать созданный из них гальванический элемент.

Восстановление водородом из оксидов

Металлы, которые водород не восстанавливает из их оксидов

Металлы, которые водород восстанавливает из их оксидов

K,  Ba,  Sr,  Ca,  Na,  Mg,  Al,  Mn,  Zn,  Cr

Fe,  Cd,  Co,  Ni,  Sn,  Pb,  W,  Sb,  As,  Bi,  Cu

 

BaO + H2  ≠

FeO + H2 = Fe + H2O

версия для печати

Сводная таблица свойств

Li

K

Ca

Na

Mg

Al

Mn

Zn

Cr

Fe

Ni

Sn

Pb

H

Cu

Hg

Ag

Pd

Pt

Au


Восстановительные свойства металлов ослабевают

В природе встречаются только в виде соединений

Встречаются в чистом виде и в виде соединений

Встречаются в самородном виде

Хранят в плотно закрытых сосудах под керосином или вазелином

Хранят в плотно закрытых сосудах

Хранят в любых сосудах

Окисляются при н. у.

 

При н. у. окисляются только с поверхности

Окисляются только при нагревании

 

Не окисляются

С Н2О взаимодействуют при н. у.

с выделением Н2 и МеОН

С Н2О взаимодействуют при нагревании с выделением Н2 и МеО

С водой не взаимодействуют

При взаимодействии с растворами кислот вытесняют водород Н2 (кроме HNO3)

Из растворов кислот не вытесняют водород

Растворяются в «царской водке»

С H2SO4конц. в зависимости от условий, восстановительных свойств металлов образуются SO2, S, H2S, сульфат и вода (Fe, Ni пассивируют)

С H2SO4 конц. образуется  SO2

Не взаимодей-ствуют

С HNO3 конц. образуется NO2, нитрат, Н2О  (Fe, Cr, Al пассивируются при обычной температуре)

Не взаимод.

С HNO3 разб. образуется NН3, нитрат, Н2О (так же с Fe, Sn)

С HNO3 разб. образуется , нитрат, Н2О

Не взаимодей-ствуют

Ве, Аl, Zn, Sn, Pb вытесняют водород из растворов щелочей. Zn + 2NaOH + 2H2O = Na2[Zn(OH)4]+H2

Оксиды растворяются в воде с образованием МеОН

Оксиды в воде не растворяются

При нагревании оксиды не разлагаются

При нагревании оксиды разлагаются

 

Гидроксиды при нагревании не разлагаются

Гидроксиды при нагревании разлагаются на оксид и Н2О

Гидроксиды разлагаются в воде

Более активный металл вытесняет из раствора соли менее активный

Нитраты при нагревании  разлагаются на MeNO2, и O2

Нитраты при нагревании  разлагаются на оксид, NO2 и O2

Нитраты при нагревании  разлагаются на металл, NO2 и O2

Гидролиз не идет у солей, образованных сильными кислотами

Соли, образованные сильными кислотами гидролизуются с образованием кислой среды

Соли, образованные слабыми кислотами гидролизуются с образованием щелочной среды

Существующие и растворимые соли, образованные слабыми кислотами, гидролизуются полностью

При электролизе водных растворов солей на катоде восстанавливается вода до Н2

На катоде восстанавливаются одновременно вода до Н2 и катионы  металла

На катоде восстанавливаются катионы  металла

версия для печати

Стресс тяжелых металлов и некоторые механизмы ответной реакции растений

Беспрецедентное биоаккумуляция и биомагнификация тяжелых металлов (ТМ) в окружающей среде стали дилеммой для всех живых организмов, включая растения. ТМ на токсичных уровнях обладают способностью взаимодействовать с несколькими жизненно важными клеточными биомолекулами, такими как ядерные белки и ДНК, что приводит к чрезмерному увеличению количества активных форм кислорода (АФК). Это вызовет серьезные морфологические, метаболические и физиологические аномалии у растений, от хлороза побегов до перекисного окисления липидов и деградации белков.В ответ растения оснащены набором механизмов для противодействия токсичности тяжелых металлов (ТМ). Ключевыми элементами из них являются хелатирующие металлы путем образования фитохелатинов (PC) или металлотионеинов (MTs), комплексов металлов на внутри- и межклеточном уровне, за которым следует удаление ионов ТМ из чувствительных участков или вакуолярная секвестрация комплекса лиганд-металл. Неферментативно синтезированные соединения, такие как пролин (Pro), способны усиливать способность внутриклеточных антиоксидантных ферментов к детоксикации металлов.Другой важный дополнительный компонент системы защиты растений - это симбиотическая ассоциация с арбускулярными микоризными (AM) грибами. AM может эффективно иммобилизовать HM и снизить их поглощение растениями-хозяевами за счет связывания ионов металлов с клеточной стенкой гиф и выделения нескольких внеклеточных биомолекул. Кроме того, AM-грибы могут усиливать активность механизмов антиоксидантной защиты растений.

1. Введение

Антропогенные нарушения биосферы, проявляющиеся в широком спектре глобальных явлений, включая ускоренные темпы индустриализации, интенсивное сельское хозяйство и экстенсивную добычу полезных ископаемых, сопровождаемые ростом населения и быстрой урбанизацией, не только нанесли ущерб доступности природных ресурсов. но также вызвало широкомасштабное и серьезное заражение основных компонентов жизни на планете.Из последствий антропогенного нарушения естественных биогеохимических циклов усиленное накопление тяжелых металлов (ТМ) является проблемой первостепенной важности с точки зрения экологии, питания и окружающей среды [1, 2]. ТМ относятся к группе не поддающихся биоразложению стойких неорганических химических компонентов с атомной массой более 20 и плотностью более 5 г · см −3 , которые оказывают цитотоксическое, генотоксическое и мутагенное действие на людей, животных и растения, влияя на пищу и портя ее. цепи, почва, оросительная или питьевая вода, водоносные горизонты и окружающая атмосфера [3–6].В почвах содержатся два типа металлов, которые считаются необходимыми микронутриентами для нормального роста растений (Fe, Mn, Zn, Cu, Mg, Mo и Ni), и второстепенные элементы с неизвестной биологической и физиологической функцией (Cd, Sb , Cr, Pb, As, Co, Ag, Se, Hg) [5, 7–9]. Как подземные, так и надземные поверхности растений могут получать ТМ [10]. Основные элементы играют ключевую роль в структуре ферментов и белков. Растения нуждаются в них в крошечных количествах для роста, обмена веществ и развития; однако концентрация как незаменимых, так и несущественных металлов является одним важным фактором в процессе роста растений, поэтому их избыток может привести к снижению и подавлению роста растений [11].ТМ на токсичных уровнях препятствуют нормальному функционированию растений и действуют как препятствие для метаболических процессов различными способами, включая нарушение или смещение строительных блоков белковой структуры, которое возникает в результате образования связей между ТМ и сульфгидрильными группами [12], препятствуя функциональные группы важных клеточных молекул [13], замещающие или нарушающие функциональность основных металлов в биомолекулах, таких как пигменты или ферменты [2], и отрицательно влияющие на целостность цитоплазматической мембраны [14], что приводит к подавлению жизненно важных процессов у растений такие как фотосинтез, дыхание и ферментативная активность [13].С другой стороны, повышенные уровни ТМ связаны с повышенным образованием активных форм кислорода (АФК), таких как супероксидные свободные радикалы (), гидроксильные свободные радикалы () или несвободные радикалы (молекулярные формы), такие как синглетные кислород () и перекись водорода (H 2 O 2 ), а также цитотоксические соединения, такие как метилглиоксаль (MG), которые могут вызывать окислительный стресс, нарушая равновесие между прооксидантным и антиоксидантным гомеостазом в клетках растений [11, 13, 15].Это состояние подразумевает наличие множественных ухудшающих расстройств, таких как окисление белков и липидов, утечка ионов, окислительная атака ДНК, окислительно-восстановительный дисбаланс и денатурация клеточной структуры и мембраны, что в конечном итоге приводит к активации путей запрограммированной гибели клеток (PCD) [ 1, 3, 5, 16–18]. Растения используют различные внутренние и внешние защитные стратегии для толерантности или детоксикации всякий раз, когда сталкиваются со стрессовым состоянием, вызванным высокими концентрациями ТМ. В качестве первого шага к борьбе с интоксикацией металлами растения применяют стратегию избегания, чтобы предотвратить наступление стресса путем ограничения поглощения металлов почвой или исключения его, предотвращая попадание металла в корень растения [19].Этого можно достичь с помощью некоторых механизмов, таких как иммобилизация металлов за счет микоризной ассоциации, секвестрация металлов или комплексообразование путем выделения органических соединений из корня [10, 20]. На следующем этапе, если эти стратегии терпят неудачу и ТМ удается проникнуть внутрь тканей растения, активируются механизмы толерантности к детоксикации, которые включают секвестрацию и компартментализацию металлов в различных внутриклеточных компартментах (например, вакуоль) [10], перенос ионов металлов, связывание металлов с клеткой. стенка, биосинтез или накопление осмолитов и осмопротекторов, например пролина (Pro), внутриклеточное комплексообразование или хелатирование ионов металлов путем высвобождения нескольких веществ, например, органических кислот, полисахаридов, фитохелатинов (PC) и металлотионеинов (MT) [20– 23], и, в конце концов, если все эти меры окажутся бесполезными и растения будут поражены токсичностью тяжелых металлов (ТМ), будет продолжена активация механизмов антиоксидантной защиты [24].В этом обзоре предпринята попытка всестороннего учета прошлых разработок и текущих тенденций с использованием более 235 статей об исследованиях отравления ТМ у растений, изучении реакции жизненного роста, морфологических, анатомических, производственных и физиологических параметров растений на токсичность ТМ. как исследование детоксицирующей роли некоторых защитных механизмов, принятых растениями, перед лицом избытка микроэлементов. Исследование также фокусируется на основных функциях и детоксикационных возможностях двух важных пептидов-лигандов, включая ПК и МТ, которые обычно используются растениями для повышения устойчивости к токсичности ТМ.Более того, обсуждается и исследуется еще одна линия стратегии защиты растений для борьбы с токсичностью ТМ, которая включает использование молекулы первичного метаболита Pro и стимулирование симбиотической системы AM, а также их возможное сотрудничество друг с другом или с антиоксидантной системой растений. Наконец, будут внесены некоторые предложения с точки зрения поиска путей лучшего понимания причинно-следственной связи между металлами и растениями, включая действие и реакцию между этими двумя абиотическими и биотическими объектами в постоянно меняющихся природных средах и климате.Также будут представлены некоторые направления будущих работ.

2. Воздействие некоторых ТМ на растения

Биоактивные металлы, в зависимости от их физико-химических свойств, делятся на две группы окислительно-восстановительных металлов, таких как Cr, Cu, Mn и Fe, и не окислительно-восстановительных металлов, таких как Cd, Ni, Hg, Zn и Al [25, 26]. Редокс-металлы могут непосредственно вызывать окислительное повреждение через реакции Габера-Вейсса и Фентона, что приводит к вышеупомянутому производству АФК или свободных радикалов кислорода в растениях, что приводит к нарушению гомеостаза клетки, разрыву цепи ДНК, дефрагментации белков или клеточной мембраны. и повреждение фотосинтетических пигментов, что может вызвать гибель клеток [7, 27].Напротив, металлы, не обладающие окислительно-восстановительной активностью, косвенно вызывают окислительный стресс через несколько механизмов, включая истощение глутатиона, связывание с сульфгидрильными группами белков [25], ингибирование антиоксидантных ферментов или индукцию ферментов, продуцирующих АФК, таких как НАДФН-оксидаза [28]. Основной критерий выбора ТМ для этого обзорного исследования был основан на их способе действия в биологической системе растений, независимо от того, являются ли они окислительно-восстановительными или неактивными металлами в клетках растений. Таким образом, мы подробно рассмотрели три металла (Cu, Cr и Mn), которые, как известно, участвуют в окислительно-восстановительных реакциях в растениях, и три металла, не обладающие окислительно-восстановительной активностью (Ni, Zn и Al), чтобы показать, как они влияют на растения, несмотря на обладающие разными окислительно-восстановительными состояниями.

2.1. Хром (Cr)

Хорошо известно, что Cr является токсичным агентом для роста и развития растений [29–31]. Кроме того, это известно как одна из причин загрязнения окружающей среды [32]. В растениях Cr находится в формах трехвалентного Cr 3+ и шестивалентного Cr 6+ , причем первый из них имеет более низкую токсичность, чем второй. Cr транспортируется и накапливается с помощью ионов-носителей, таких как сульфат или железо, и не усваивается растениями напрямую [32, 33].Более того, в восстановительных условиях Cr 6+ превращается в свою более токсичную форму Cr 3+ , которая может косвенно влиять и изменять pH почвы до крайних значений щелочности или кислотности, в зависимости от преобладающих условий в подповерхностном слое почвы [34]. Это явление может нарушить биодоступность питательных веществ и их сорбцию растениями. Наибольшая концентрация Cr наблюдается в корне, а не в других частях растений [35].

Иммобилизация хрома в вакуоли клеток корней растений предлагается как основная причина чрезмерного накопления этого металла в корнях [36, 37].Cr резко снижает производство сухого вещества проростков и препятствует развитию стеблей и листьев на ранней стадии роста растений [37]. Хромовая токсичность подавляет деление клеток и удлинение корней растений, таким образом сокращая общую длину корней [38]. Как следствие, процессы поглощения воды и питательных веществ сильно ограничены, что может привести к замедлению роста побегов. Более того, удлиненный клеточный цикл объясняется токсическим присутствием Cr в корнях [39]. Fozia et al. [40], оценивающие влияние хрома на ростовые признаки подсолнечника ( Helianthus annuus L.) приписал наблюдаемое уменьшение длины корня удлинению клеточного цикла, вызванному токсичностью Cr. Cr может вызывать повреждение растений, манипулируя некоторыми механизмами, происходящими внутри клетки. Zou et al. [30] в исследовании in vitro наблюдали, что Cr снижает рост корней Amaranthus viridis L. Это снижение было связано с ингибированием деления клеток и дисбалансом Ca 2+ в клетках, вызванным Cr, нарушая транспорт катиона кальция из плазматическая мембрана в цитоплазму. Хром способен вызывать метаболические нарушения во время прорастания семян, нарушая процессы, связанные с преобразованием пищевых резервуаров в энергию, которые необходимы для последующего успешного прорастания и укоренения проростков.В семенах коровьего гороха ( Vigna sinensis (L.) savi ex Hassk), обработанных различными концентрациями Cr 6+ , активность амилазы и общее количество сахара заметно снизились, что привело к снижению характеристик прорастания [41]. Nagajyoti et al. [1] также сообщили, что повышенные уровни Cr в различных валентных состояниях были связаны с сопутствующим снижением всхожести семян. Это может быть связано с нарушением переноса углеводов в эмбриональную ось в семенах или повышением активности протеаз [42].Наблюдаются как антагонистические, так и синергетические взаимодействия между уровнями хрома и содержанием различных элементов в частях растений. Самантарай и др. [43] сообщили, что хром участвует в поглощении или накоплении широкого спектра других металлов или питательных веществ, таких как Fe, Mn, Ca, Mg, K и P, как в надземной, так и в корневой частях растений, что в основном приводит к их пониженная клеточная или тканевая концентрация. Живкович и др. [44] провели исследование влияния различных микроэлементов металлов на три вида Veronica (Plantaginaceae) и обнаружили высокую положительную корреляцию между концентрацией Fe и Cr в тканях растений.

2.2. Алюминий (Al)

Al известен как ингибирующий элемент для роста растений, особенно в кислых почвах со значениями pH от 5 до 5,5, где преобладает наиболее фитотоксичная форма алюминия (Al 3+ ) [45 ]. Хотя до сих пор нет известной или доказанной биологической роли алюминия в растениях, некоторые отчеты демонстрируют, что Al в низких концентрациях может приводить к стимуляции роста растений [46]. Пороговое значение алюминия 2-3 мкм г · г -1 в почвах с pH ниже 5.5 считается опасным для большинства растений [47]. Основной мишенью токсичности Al являются корни растений, где накопление Al вызывает ингибирование роста корней в течение нескольких минут или часов [48]. Он может увеличивать толщину боковых корней и менять их цвет на коричневый [49]. Снижение корневого дыхания и нарушения ферментативной регуляции фосфорилирования сахаров также вызваны токсичностью алюминия [50]. Молекулярные события, ответственные за индуцированную алюминием депрессию корней, могут включать присоединение Al к карбоксильным группам пектинов в клетках корня [51] или препятствие делению клеток в корнях за счет связывания ионов Al с ДНК, что приводит к повышенной структурной жесткости. двойной спирали в ДНК и клеточной стенке [52].Стресс, связанный с токсичностью алюминия, отрицательно сказывается на надземных частях растений, особенно в результате первоначального повреждения корней [53], что снижает способность корней усваивать питательные вещества, что приводит к дефициту питательных веществ [54], но симптомы не так заметны, как наблюдаемые в корнях [ 55].

Симптоматические эффекты вызванного алюминием стресса на побегах, похожие на дефицит фосфора, могут включать задержку роста листьев, пурпурное изменение цвета стеблей, листьев и жилок листьев с последующим пожелтением и отмершими кончиками листьев [56], а также те, которые Напоминать дефицит кальция может скручивание или скручивание молодых листьев и отмирание точек роста или черешков [55].Другими видимыми признаками токсичности Al являются появление небольших некротических пятен на границе молодых листьев и хлороз на краях и в центре старых листьев [53]. Сообщается, что уменьшение устьичной апертуры и снижение фотосинтетической активности также вызваны токсичностью алюминия [57]. Бхалерао и Прабху [58] сообщили, что токсичность алюминия в таких растениях, как кукуруза ( Zea mays L.) и сорго ( Sorghum bicolor (L.) Moench), может привести к нарушению всасывания и транспортировки некоторых основных питательных веществ, включая P, K, Ca и Mg.У сельскохозяйственных культур наблюдается ряд морфологических и физиологических реакций, когда они подвергаются воздействию алюминия в различных концентрациях. Hossain et al. [59], изучая два сорта пшеницы ( Triticum aestivum L.), различающихся по степени чувствительности к Al-стрессу, обнаружили, что длина корня у Al-чувствительного сорта заметно уменьшилась. Более того, стресс Al, особенно у чувствительных сортов, увеличивал количество некоторых клеточных веществ, таких как пектин и гемицеллюлозы. Батиста и др.[60] наблюдали, что в оболочках листьев растений кукурузы, обработанных различными дозами Al, наблюдались недоразвитые эпидермальные и корковые клетки, что сопровождалось уменьшением диаметра метаксилемы и протоксилемы в сосудистом пучке. На ультраструктурном уровне изменение конфигурации хроматина в ядре и увеличение размера и частоты ядрышковых вакуолей приписывают стрессу Al [61].

2.3. Марганец (Mn)

Mn является важным питательным микроэлементом, который играет ключевую роль во многих метаболических и ростовых процессах растений, включая фотосинтез, дыхание и биосинтез ферментов, таких как яблочный фермент, изоцитратдегидрогеназа и нитратредуктаза [62].Это также кофактор, необходимый для многих ферментов растений, например, Mn-зависимой супероксиддисмутазы (MnSOD) [63]. Кроме того, марганец участвует в углеводном и азотном обмене, синтезе жирных кислот, ациллипидов и каротиноидов, а также в гормональной активации [33, 63, 64]. Вклад марганца в функциональность фотосистемы II (ФСII), особенно в процессе расщепления молекул воды на кислород [65], и его роль в защите ФСII от фотоповреждений имеют большое значение [66].Mn 2+ - наиболее стабильная и растворимая форма марганца в почвенной среде [67]. Однако более низкий pH почвы, меньшее количество почвенного органического вещества и пониженный окислительно-восстановительный потенциал увеличивают доступность или токсичность Mn 2+ для растений [67, 68]. В отличие от некоторых элементов, таких как алюминий или медь, марганец имеет тенденцию легко перемещаться из корней в верхние части растений. Эта подвижность является причиной того, что симптомы токсичности Mn впервые проявляются в надземных органах растений [69].Внешний вид визуальных особенностей растений, пораженных токсичностью марганца, зависит от типа растений, возраста, температуры и уровня освещенности [70–72]. Симптомы могут включать морщинистые листья [73], потемнение жилок на более старых листьях [74], хлороз и коричневые пятна на старых листьях [75], а также черные точки на стеблях [76]. Токсичность Mn была связана со снижением ассимиляции CO 2 , но без изменения уровня хлорофилла (Chl) в проростках Citrus grandis [77] и пониженным содержанием Chl в горохе ( Pisum sativum L.) [78] и сои ( Glycine max L.) [79], что указывает на разнообразие среди видов растений в ответ на избыток Mn.

Особое внимание в литературе уделяется комбинированному воздействию чрезмерного количества марганца и света на растения. González et al. [70], исследуя интерактивное влияние интенсивности света и избытка Mn на два Mn-восприимчивых и толерантных генотипа фасоли обыкновенной ( Phaseolus vulgaris L.), продемонстрировали, что сильный свет усиливает токсическое влияние Mn, заставляя растения производить соответственно , на 270% и 130% больше аскорбатпероксидазы (APX) в листьях, чтобы справиться с токсичностью Mn.У кленов ( Acer platanoides ) листья, подвергшиеся воздействию интенсивного солнечного света, содержали больше Mn, чем тенистые листья [80]. Напротив, Хаджиболанд и Хасани [81], работая с рисом ( Oryza sativa L.) и подсолнечником, обнаружили, что, хотя токсичность Mn подавляла рост побегов и корней, увеличение концентрации Mn в разбавленном свете в этих растениях, улучшая ингибирование роста, вызванное Обработка Mn. Виссемайер и Хорст [82] на вигне ( Vigna unguiculata Walp) обнаружили, что интенсивность света не играет никакой роли в усугублении побочных эффектов токсичности Mn, и фактически именно слабый свет ускоряет проявление токсических симптомов Mn.Похоже, что негативное воздействие токсичности Mn смягчается или усиливается различными уровнями освещения, в зависимости от изменчивости и переносимости растений.

2.4. Никель (Ni)

Ni - это микроэлемент, который требуется как высшим, так и низшим растениям в очень малых количествах [83], но его фитотоксичность считается более важной, чем

.

Напряжение и его виды - Инженерные решения

Введение в стресс

В этой статье мы узнаем о типах напряжений: нормальное напряжение , растягивающее напряжение , напряжение сжатия и напряжение сдвига . Мы подробно обсудим определение и формулу каждого напряжения.

Определение стресса

Напряжение определяется как внутреннее сопротивление, создаваемое телом при его деформации.2.

Термин «напряжение» используется для выражения нагрузки в терминах силы, приложенной к определенной площади поперечного сечения объекта. С точки зрения нагрузки напряжение - это приложенная сила или система сил, которая стремится деформировать тело. С точки зрения того, что происходит внутри материала, напряжение - это внутреннее распределение сил внутри тела, которые уравновешивают и реагируют на прилагаемые к нему нагрузки. Распределение напряжения может быть или не быть равномерным, в зависимости от характера условий нагружения.Например, стержень, нагруженный чистым растяжением, по существу будет иметь равномерное распределение растягивающего напряжения. Однако стержень, нагруженный при изгибе, будет иметь распределение напряжений, которое изменяется с расстоянием, перпендикулярным нормальной оси.

Допущения упрощения часто используются для представления напряжения как векторной величины для многих инженерных расчетов и для определения свойств материала. Слово «вектор » обычно относится к величине, которая имеет «величину» и «направление».Например, напряжение в стержне с осевой нагрузкой просто равно приложенной силе, деленной на площадь поперечного сечения стержня.

Значительное напряжение может существовать даже тогда, когда деформация незначительна или отсутствует (обычное предположение при моделировании потока воды). Напряжение может существовать и при отсутствии внешних сил; такое встроенное напряжение важно, например, в предварительно напряженном бетоне и закаленном стекле. Напряжение также может быть наложено на материал без приложения общих сил, например, из-за изменений температуры или химического состава или внешних электромагнитных полей (как в пьезоэлектрических и магнитострикционных материалах).

Виды напряжений

Напряжение, действующее на тело, может быть нормальным напряжением или напряжением сдвига.

Нормальное напряжение

Нормальное напряжение - это напряжение, действующее перпендикулярно области. Формула для нормального напряжения дается

Нормальное напряжение снова подразделяется на две части.

Растягивающее напряжение
  • Напряжение, возникающее в теле, когда оно подвергается двум равным и противоположным усилиям, как показано на приведенном ниже рисунке, называется растягивающим напряжением.
  • Из-за растягивающего напряжения происходит увеличение длины корпуса и уменьшение площади поперечного сечения корпуса.
  • Растягивающее напряжение - это тип нормального напряжения, поэтому оно действует под углом 90 градусов к области.
  • Деформация, вызванная растягивающим напряжением, называется деформацией растяжения. Он равен отношению увеличения длины к исходной длине.

Напряжение сжатия
  • Напряжение, возникающее в теле, когда оно подвергается двум равным и противоположным толчкам, как показано на приведенном ниже рисунке, называется сжимающим напряжением.
  • Из-за напряжения сжатия происходит уменьшение длины и увеличение площади поперечного сечения корпуса.
  • Напряжение сжатия также является типом нормального напряжения, поэтому оно действует под углом 90 градусов к области.
  • Деформация, вызванная напряжением сжатия, называется деформацией сжатия. Он равен отношению уменьшения длины к исходной длине.

Напряжение сдвига

Другой простой тип напряжения возникает, когда равномерно толстый слой эластичного материала, такого как клей или резина, прочно прикреплен к двум жестким телам, которые тянутся в противоположных направлениях силами, параллельными слою; или отрезок прутка из мягкого металла, который разрезают челюсти подобного ножницам инструмента.Пусть F - величина этих сил, а M - средняя плоскость этого слоя. Как и в случае нормального напряжения, часть слоя на одной стороне M должна тянуть другую часть с той же силой F. Предполагая, что направление сил известно, напряжение на M может быть выражено одним числом Τ (тау) = F / A, где F - величина этих сил, а A - площадь слоя.

Однако, в отличие от нормального напряжения, это простое напряжение сдвига направлено параллельно рассматриваемому поперечному сечению, а не перпендикулярно ему.Для любой плоскости S, перпендикулярной слою, чистая внутренняя сила поперек S и, следовательно, напряжение будут равны нулю.

Как и в случае стержня с осевой нагрузкой, на практике напряжение сдвига не может быть равномерно распределено по слою; поэтому, как и раньше, отношение F / A будет только средним («номинальным», «инженерным») напряжением. Однако для практических целей этого среднего часто бывает достаточно. Напряжение сдвига наблюдается также, когда цилиндрический стержень, такой как вал, подвергается воздействию противоположных моментов на его концах.В этом случае напряжение сдвига в каждом поперечном сечении параллельно поперечному сечению, но ориентировано тангенциально относительно оси и увеличивается с увеличением расстояния от оси. Под действием изгибающих нагрузок в средней пластине («стенке») двутавровых балок возникает значительное напряжение сдвига из-за того, что стенка ограничивает концевые пластины («фланцы»).

  • Напряжение сдвига, возникающее в теле, когда на него действуют две равные и противоположные силы, действующие по касательной к поверхности.
  • Деформация, возникающая из-за напряжения сдвига, называется деформацией сдвига.
  • Напряжение сдвига обозначается символом τ (тау). Это греческая буква.
  • Определяется как отношение сопротивления сдвигу к площади сдвига.
  • Формула напряжения сдвига приведена ниже.
  • Напряжение сдвига отвечает за изменение формы тела. Это не влияет на объем тела.

Ссылки

  • https://en.wikipedia.org/wiki/Stress_(mechanics)
  • http: // www.Mechanicalbooster.com/2016/09/types-of-stress.html
  • http://www.mathalino.com/reviewer/mechanics-and-strength-of-materials/normal-stresses

Нравится:

Нравится Загрузка ...

Связанные

.

Прочность и жесткость металла: в чем разница?

*

Выберите страну / regionUnited StatesCanadaAfghanistanAlbaniaAlgeriaAmerican SamoaAndorraAngolaAnguillaAntarcticaAntigua и BarbudaArgentinaArmeniaArubaAustraliaAustriaAzerbaijanBahamasBahrainBangladeshBarbadosBelarusBelgiumBelizeBeninBermudaBhutanBoliviaBosnia и HerzegovinaBotswanaBouvet IslandBrazilBritish Индийский океан TerritoryBrunei DarussalamBulgariaBurkina FasoBurundiCambodiaCameroonCape VerdeCayman IslandsCentral африканских RepublicChadChileChinaChristmas IslandCocos (Килинг) IslandsColombiaComorosCongoCongo, Демократическая Республика ofCook IslandsCosta RicaCote D'IvoireCroatiaCubaCyprusCzech RepublicDenmarkDjiboutiDominicaDominican RepublicEast TimorEcuadorEgyptEl SalvadorEquatorial GuineaEritreaEstoniaEthiopiaFalkland (Мальвинские) острова Фарерские IslandsFijiFinlandFmr Югославская Республика МакедонияФранцияФранцузская ГвианаФранцузская ПолинезияФранцузские Южные территорииГабонГамбияГрузияГерманияГанаГибралтарГрецияГренландияГренадаГваделупаГуамГватемалаГвинеяГвинея-БисауГайанаГаити Херд и Макдональд IslandsHoly Престол (Ватикан) HondurasHong KongHungaryIcelandIndiaIndonesiaIran (Исламская Республика) IraqIrelandIsraelItalyJamaicaJapanJordanKazakstanKenyaKiribatiKorea, Корейские Народно-Демократической RepKorea, Республика ofKuwaitKyrgyzstanLao Народный Демократической RepLatviaLebanonLesothoLiberiaLibyan Arab JamahiriyaLiechtensteinLithuaniaLuxembourgMacauMadagascarMalawiMalaysiaMaldivesMaliMaltaMarshall IslandsMartiniqueMauritaniaMauritiusMayotteMexicoMicronesia, Федеративные StatesMoldova, Республика ofMonacoMongoliaMontserratMoroccoMozambiqueMyanmarNamibiaNauruNepalNetherlandsNetherlands AntillesNew CaledoniaNew ZealandNicaraguaNigerNigeriaNiueNorfolk IslandNorthern Mariana IslandsNorwayOmanPakistanPalauPanamaPapua Нового GuineaParaguayPeruPhilippinesPitcairnPolandPortugalPuerto RicoQatarReunionRomaniaRussian FederationRwandaSaint HelenaSaint Киттс и НевисСент-ЛюсияСент-Пьер и МикелонСамоаСан-МариноСао-Томе и ПринсипиСаудовская АравияСенегалСейшельские островаСьерра-ЛеонеСингапурСловацкий iaSloveniaSolomon IslandsSomaliaSouth AfricaSpainSri LankaSth Georgia & Sth Sandwich Институт социальных Винсент и GrenadinesSudanSurinameSvalbard и Ян MayenSwazilandSwedenSwitzerlandSyrian Arab RepublicTaiwan, провинция ChinaTajikistanTanzania, Объединенная Республика ofThailandTogoTokelauTongaTrinidad и TobagoTunisiaTurkeyTurkmenistanTurks и Кайкос IslandsTuvaluUgandaUkraineUnited арабских EmiratesUnited KingdomUruguayUS Minor Отдаленные IslandsUzbekistanVanuatuVenezuelaVietnamVirgin острова (Британские) Виргинские острова (U.S.) Острова Уоллис и Футуна Западная Сахара Йемен Югославия Замбия Зимбабве 9000 3.

Напряжение (механика) - Простая английская Википедия, бесплатная энциклопедия

Рис. 1.1 Напряжение в нагруженном деформируемом материальном теле, принимаемое как континуум. Рисунок 1.2 Осевое напряжение в призматическом стержне, нагруженном в осевом направлении. Рисунок 1.3 Нормальное напряжение в призматическом (прямолинейном элементе с однородной площадью поперечного сечения) стержне. Распределение напряжения или силы в поперечном сечении стержня не обязательно является равномерным. Однако можно использовать среднее нормальное напряжение σavg {\ displaystyle \ sigma _ {\ mathrm {avg}} \, \!}.Рисунок 1.4 Напряжение сдвига в призматическом стержне. Распределение напряжения или силы в поперечном сечении стержня не обязательно является равномерным. Тем не менее, среднее напряжение сдвига τavg {\ displaystyle \ tau _ {\ mathrm {avg}} \, \!} Является разумным приближением. [1]

Напряжение - это сила, приходящаяся на единицу площади тела, которая имеет тенденцию изменять форму. [2]

Напряжение - это мера внутренних сил в теле между его частицами. [2] Эти внутренние силы являются реакцией на внешние силы, приложенные к телу, которые заставляют его разделяться, сжиматься или скользить. [2] Внешние силы - это поверхностные или объемные силы. Напряжение - это средняя сила на единицу площади, которую частица тела оказывает на соседнюю частицу через воображаемую поверхность, которая их разделяет.

Формула одноосного нормального напряжения:

σ = FA {\ displaystyle {\ sigma} = {\ frac {F} {A}}}

где σ - напряжение, F - сила, а A - площадь поверхности.

В единицах СИ сила измеряется в ньютонах, а площадь - в квадратных метрах.Это означает, что напряжение составляет ньютоны на квадратный метр или Н / м 2 . Однако у стресса есть своя собственная единица СИ, называемая паскаль. 1 паскаль (символ Па) равен 1 Н / м 2 . В британских единицах измерения напряжение измеряется в фунтах-силе на квадратный дюйм, что часто сокращается до «psi». Размер напряжения такой же, как и у давления.

В механике сплошных сред нагруженное деформируемое тело ведет себя как континуум. Итак, эти внутренние силы постоянно распределяются в объеме материального тела.(Это означает, что распределение напряжений в теле выражается как кусочно-непрерывная функция пространства и времени.) Силы вызывают деформацию формы тела. Деформация может привести к необратимому изменению формы или разрушению конструкции, если материал недостаточно прочен.

Некоторые модели механики сплошных сред рассматривают силу как нечто, что может изменяться. Другие модели рассматривают деформацию материи и твердых тел, поскольку характеристики материи и твердых тел трехмерны.Каждый подход может дать разные результаты. Классические модели механики сплошных сред предполагают среднюю силу и не включают должным образом «геометрические факторы». (Геометрия тела может иметь значение для распределения стресса и накопления энергии во время приложения внешней силы.)

В некоторых ситуациях напряжение внутри объекта можно описать одним числом или одним вектором (числом и направлением). Три таких ситуации простого напряжения - это одноосное нормальное напряжение , простое напряжение сдвига и изотропное нормальное напряжение . [3]

Одноосное нормальное напряжение [изменение | изменить источник]

Напряжение растяжения (или растяжение) - это напряженное состояние, приводящее к расширению; то есть длина материала имеет тенденцию к увеличению в направлении растяжения. Объем материала остается постоянным. Когда к телу прилагаются равные и противоположные силы, то напряжение, создаваемое этой силой, называется растягивающим напряжением.

Следовательно, в одноосном материале длина увеличивается в направлении растягивающего напряжения, а в двух других направлениях уменьшается размер.При одноосном растяжении растягивающее напряжение вызывается растягивающими силами. Напряжение растяжения противоположно напряжению сжатия.

Конструктивными элементами, находящимися на прямом растяжении, являются канаты, грунтовые анкеры и гвозди, болты и т. Д. Балки, подверженные изгибающим моментам, могут включать в себя растягивающее напряжение, а также напряжение сжатия и / или напряжение сдвига.

Растягивающее напряжение может увеличиваться до достижения предела прочности на разрыв , а именно предельного состояния напряжения.

Все реальные объекты занимают трехмерное пространство.Однако, если два измерения очень большие или очень маленькие по сравнению с другими, объект может быть смоделирован как одномерный. Это упрощает математическое моделирование объекта. Одномерные объекты включают кусок проволоки, нагруженный на концах и просматриваемый сбоку, и металлический лист, загруженный на лицевую сторону и просматриваемый вблизи и через поперечное сечение.

  1. Уолтер Д. Пилки, Оррин Х. Пилки (1974). Механика твердого тела . п. 292.
  2. 2.0 2,1 2,2 Дейнтит, Джон, изд. (2005). Физический словарь (Пятое изд.). Издательство Оксфордского университета. п. 509. ISBN 978-0-19-280628-4 .
  3. ↑ Рональд Л. Хьюстон и Гарольд Джозефс (2009), «Практический анализ напряжений в инженерном проектировании». 3-е издание, CRC Press, 634 страницы. ISBN 9781574447132
  • Амин, Мохаммед (2005). Вычислительная упругость: теория упругости, методы конечных и граничных элементов .Alpha Science Int'l Ltd., стр. 33–66. ISBN 184265201X . CS1 maint: ref = harv (ссылка)
  • Atanackovic, Teodor M .; Гуран, Ардешир (2000). Теория упругости для ученых и инженеров . Springer. С. 1–46. ISBN 081764072X . CS1 maint: ref = harv (ссылка)
  • Чедвик, Питер (1999). Механика сплошной среды: краткая теория и проблемы . Дуврские книги по физике (2-е изд.). Dover Publications. С. 90–106. ISBN 0486401804 . CS1 maint: ref = harv (ссылка)
  • Чакрабарти, Дж. (2006). Теория пластичности (3-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн. С. 17–32. ISBN 0750666382 . CS1 maint: ref = harv (ссылка)
  • Чаттерджи, Рабиндранат (1999). Математическая теория механики сплошной среды . Alpha Science Int'l Ltd. стр. 111–157. ISBN 8173192448 . CS1 maint: ref = harv (ссылка)
  • Чен, Вай-Фах; Хан, Да-Цзянь (2007). Пластичность для инженеров-строителей .Издательство Дж. Росс. С. 46–71. ISBN 1932159754 . CS1 maint: ref = harv (ссылка)
  • Фунг, Юань-чэн; Тонг, Пин (2001). Классическая и вычислительная механика твердого тела . Том 1 серии Advanced по техническим наукам. World Scientific. С. 66–96. ISBN 9810241240 . CS1 maint: ref = harv (ссылка)
  • Хэмрок, Бернар (2005). Основы элементов машин . Макгроу-Хилл. С. 58–59. ISBN 0072976829 . CS1 maint: ref = harv (ссылка)
  • Хьельмстад, Кейт Д. (2005). Основы строительной механики . Международная серия Prentice-Hall по гражданскому строительству и инженерной механике (2-е изд.). Springer. С. 103–130. ISBN 038723330X . CS1 maint: ref = harv (ссылка)
  • Иргенс, Фритьов (2008). Механика сплошной среды . Springer. С. 42–81. ISBN 3540742972 . CS1 maint: ref = harv (ссылка)
  • Джегер, Джон Конрад; Кук, Н.Г.У. и Циммерман Р.В. (2007). Основы механики горных пород (Четвертое изд.). Вили-Блэквелл. С. 9–41. ISBN 0632057599 . CS1 maint: несколько имен: список авторов (ссылка) CS1 maint: ref = harv (ссылка)
  • Люблинер, Якоб (2008). Теория пластичности (переработанное издание) (PDF). Dover Publications. ISBN 0486462900 . CS1 maint: ref = harv (ссылка)
  • Мейс, Джордж Э. (1970). Механика сплошной среды . Макгроу-Хилл.С. 44–76. ISBN 0070406634 . CS1 maint: ref = harv (ссылка)
  • Mase, G. Thomas; Джордж Э. Мейс (1999). Механика сплошной среды для инженеров (Второе изд.). CRC Press. С. 47–102. ISBN 0-8493-1855-6 . CS1 maint: ref = harv (ссылка)
  • Прагер, Уильям (2004). Введение в механику сплошных сред . Dover Publications. С. 43–61. ISBN 0486438090 . CS1 maint: ref = harv (ссылка)
  • Смит, Дональд Рэй; Трусделл, Клиффорд (1993). Введение в механику сплошных сред - после Трусделла и Нолла . Springer. ISBN 0792324544 . CS1 maint: ref = harv (ссылка)
  • Ву, Хань-Чин (2005). Механика сплошной среды и пластичность . CRC Press. С. 45–78. ISBN 1584883634 . CS1 maint: ref = harv (ссылка)
.

Смотрите также