Как определить массу листа металла


Как рассчитать вес металлического листа

Не всегда есть возможность взвесить металлопрокат, и в этом случае требуется определить массу листа или партии иными способами. Их существует несколько: по формуле, с использованием онлайн-калькуляторов или по таблицам.

 
 
 

Как определить массу стального листа по формуле?

Вычисление массы листа производят по формуле:

M = H*A*B*7,85, в которой:

  • M – масса, кг;
  • H – толщина, мм;
  • A – длина, м;
  • B – ширина, м.

7,85 кг/дм3 – средняя плотность углеродистой стали. Эта величина соответствует массе листа металла площадью 1 м2 и толщиной 1 мм. Если необходимы точные расчеты большой партии листового проката, вместо усредненного значения плотности используют точную величину, определяемую по справочнику.

Для вычисления массы партии листового проката, включающего листы одинакового размера, рассчитанную массу одного листа умножают на количество листов в партии.

Как определить массу листа из цветного металла?

Если вам необходимо узнать массу листового проката, изготовленного из цветного металла или сплава, то можно воспользоваться формулой, приведенной выше. Только вместо плотности стали подставить плотность соответствующего металла или сплава, кг/см3:

  • алюминий – 2,7;
  • титан – 4,5;
  • цинк – 7,14;
  • олово – 7,29;
  • медь – 8,94;
  • свинец – 11,34.

Как узнать массу листа металла с использованием онлайн-калькулятора?

Для определения массы листа из сплава на основе железа, цветных металлов и их сплавов с достаточно высокой точностью можно воспользоваться онлайн-калькулятором. Этот сервис позволяет получить результат для сталей различных марок, чугуна, алюминия и его сплавов, меди, латуни, бронзы, титана, никеля, цинка.

Помимо листового проката, этот сервис позволяет точно рассчитать вес прутков с круглым, квадратным, шестигранным сечением, уголка, двутавра, швеллера и с приблизительной точностью – арматуры периодического профиля.

Таблица весов металлических листов

Толщина, мм Длина, м Ширина, м Сталь Алюминий Медь
Масса 1 м2, кг Масса листа, кг Масса 1 м2, кг Масса листа, кг Масса 1 м2, кг Масса листа, кг
0,5 1,0 2,0 3,93 7,85 1,34 2,67 4,48 8,95
1,25 2,5 12,27 4,17 13,99
0,8 1,0 2,0 6,28 12,56 2,14 4,25 7,16 14,32
1,25 2,5 19,63 6,67 22,38
1,0 1,0 2,0 7,85 15,7 2,67 5,34 8,95 17,9
1,25 2,5 24,53 8,34 27,96
2,0 1,0 2,0 15,7 31,4 5,34 10,68 17,9 35,8
1,25 2,5 49,06 16,68 55,93
2,5 1,0 2,0 19,63 39,55 6,67 13,45 22,38 22,38
1,25 2,5 61,33 20,85 69,92
3,0 1,0 2,0 23,55 47,1 8,0 16,01 26,85 53,69
1,25 2,5 73,6 25,02 83,9
3,5 1,25 2,5 27,48 85,86 9,34 29,19 31,33 97,88
4,0 1,5 6,0 31,4 282,6 10,68 96,08 35,8 322,16
5,0 1,5 6,0 39,25 353,25 13,35 120,11 44,75 402,71

Измерение коэффициента пластической деформации листового металла

Успешное волочение металла частично зависит от точного понимания того, как металл реагирует на растягивающие усилия. Под действием растягивающих усилий плоский участок листового материала становится тоньше из-за изменения размеров его ширины и толщины. Соотношение изменений ширины и толщины составляет коэффициент пластической деформации. (Фото любезно предоставлено ITW Drawform) .

Операции по формовке листового металла варьируются от простых до сложных; на одном конце спектра - изгиб; посередине - растяжка; а на другом конце - глубокая прорисовка сложных деталей. Независимо от операции формования механические свойства листового материала в значительной степени влияют на его формуемость, которая является мерой степени деформации, которую материал может выдержать до того, как произойдет чрезмерное утонение или разрушение. Определение степени деформации материала необходимо для разработки воспроизводимой операции формования.Тестирование поступающего листового материала также важно, поскольку свойства материала могут варьироваться от рулона к рулону и влиять на качество детали и процент брака.

Коэффициент пластической деформации

Коэффициент пластической деформации r считается прямой мерой способности листового металла к вытяжке и используется для оценки материалов, предназначенных для формовки форм путем глубокой вытяжки (см. Свинец , фото ). Значение r представляет собой отношение истинной деформации в направлении ширины к истинной деформации в направлении толщины, когда листовой материал вытягивается с одноосным растяжением за пределы своего предела упругости (см. , рисунок 1, ).

Рис. 1
В этом типичном испытательном образце, используемом для измерения коэффициента пластической деформации, r, «45» обозначает 45 градусов, что является углом относительно направления прокатки, от которого образец был вырезан. Перед испытанием отметки калибра находятся на расстоянии 2 дюймов друг от друга. Они требуются только для ручного расчета значения r.

Определение коэффициента пластической деформации регулируется стандартным методом испытания коэффициента пластической деформации ASTM E517 для листового металла.Коэффициент пластической деформации рассчитывается, как показано в уравнении 1 :

r = e w / e t

Где:

  • Деформация истинной ширины e w = ln (w f / w o )
  • Истинная деформация толщины e t = ln (t f / t o )
  • w f = Конечная ширина
  • w o = Исходная ширина
  • />
  • t f = Конечная толщина
  • t o = Исходная толщина

Уравнение 1 показывает, что значение r зависит от соотношения ширины и изменения толщины при растяжении образца.Слово пластик в словосочетании коэффициент пластической деформации означает, что вы превысили предел упругости образца и что в расчетах учитывается только деформация, которая вызывает пластическое течение. Поскольку трудно точно измерить изменения толщины, предполагается, что объем образца остается постоянным, а деформация толщины выражается как et = ln (L o w o / L f w f ). После подстановки et в уравнение 1 и его инвертирования, чтобы исключить отрицательные значения, коэффициент пластической деформации определяется формулой Уравнение 2 .

Рис. 2
Этот осевой и усредняющий поперечный экстензометр, прикрепленный к плоскому металлическому образцу для испытаний, является типичным устройством для определения коэффициента пластической деформации. (Фотография любезно предоставлена ​​Epsilon Technology Inc.)
.

r = ln (w o / w f ) / ln (L f w f / L o w o )

Где:

  • L f = Конечная длина
  • L o = Исходная длина

Уравнение 2 позволяет рассчитать коэффициент пластической деформации вручную с помощью штангенциркуля или автоматически с использованием двух экстензометров - один для измерения изменения осевого измерить длину, а другой - для измерения изменения ширины (см. Рисунок 2 ).Если вы используете ручной подход, перед испытанием необходимо измерить штангенциркулем ширину образца и расстояние между метками. Вы вытягиваете образец до напряжения, меньшего максимальной силы (точка D на рис. 3 , ), разгружаете его и измеряете окончательную ширину и расчетную длину.

Рис. 3
Напряжение, нанесенное на ось Y, представляет собой силу, деленную на исходную площадь поперечного сечения образца; Деформация, нанесенная на ось X, показывает, как металл деформируется под действием приложенного напряжения.Небольшое напряжение вызывает упругую деформацию (область от O до A). Как следует из выражения «упругая деформация», деформация не является постоянной; снятие напряжения позволяет материалу вернуться к своей первоначальной форме. Между точками A и F материал подвергается пластической деформации. Материал действительно течет, и когда напряжение снимается, материал может вернуться в исходное состояние, но не вернется к своей первоначальной форме. F - точка перелома.

Если вы используете автоматический метод, вы можете вытянуть образец до разрушения (см. Рисунок 4 ).Это позволяет определить предельную прочность, предел текучести и относительное удлинение за одно и то же усилие, что экономит время и деньги. Для расчета пластических деформаций с использованием автоматического метода необходимо вычислить и вычесть упругие деформации из измеренных деформаций.

Рис. 4
Образец, вытянутый до разрушения, обычно
показывает сужение или утонение. Ширина и
толщина образца заметно уменьшаются на
около точки излома.

Ошибки при определении коэффициента пластической деформации

Если бы вы провели анализ ошибок по уравнению 2, вы бы обнаружили, что значение r гораздо более чувствительно к ошибкам измерения ширины, чем к ошибкам измерения длины. Значения R, которые отличаются более чем на 40 процентов, не являются чем-то необычным. Кроме того, сообщаемые значения всегда больше истинного значения. Два основных источника ошибок при измерении деформации ширины вызваны следующими причинами:

  • Скручивание кромок (кромки образца изгибаются по длине образца при его вытягивании).
  • Концентрированные напряжения (острые ножевидные края экстензометра создают концентрированные напряжения, которые приводят к повышенной локальной деформации в точке измерения). Оба источника ошибок приводят к большей деформации ширины и более высоким значениям r.

После каждого испытания необходимо осматривать образец, чтобы определить, плоский ли он. Ошибки в значении r сохраняются, если вы не компенсируете скручивание. Ошибки, связанные с острыми лезвиями ножей, легко устраняются установкой режущих кромок с закругленными или плоскими поверхностями в месте соприкосновения.

Другие моменты, на которые следует обратить внимание

Для многих материалов значение r остается постоянным в диапазоне пластических деформаций вплоть до максимальной силы, приложенной к образцу. Однако для некоторых листовых материалов значение r зависит от приложенной осевой деформации. Для таких материалов вы должны указать уровень деформации, прошедший испытания.

Поскольку прокатанный листовой металл проявляет плоскую анизотропию (характеристики, которые являются направленными), ориентация образца может иметь значение для измерения коэффициента пластической деформации.Следовательно, вы должны вырезать образцы для испытаний под углом 0 градусов, 45 градусов и 90 градусов относительно направления прокатки, и вы должны указывать направление резки с каждым результатом.

Методы испытаний и спецификации
Свойства материала, которые прямо или косвенно влияют на формуемость и качество продукции, включают предел прочности на разрыв, предел текучести, модуль Юнга, пластичность, показатель деформационного упрочнения и пластическую деформацию. соотношение. Вы можете определить все эти параметры, вырезав образец для испытаний из заготовки и выполнив испытание на растяжение.Следующие спецификации ASTM регулируют эти параметры:
  • ASTM E8 / E8M Стандартные методы испытаний металлических материалов на растяжение. регулирует определение предела прочности на растяжение, предела текучести, удлинения и уменьшения площади. Это меры пластичности.
  • ASTM E111 Стандартный метод испытаний модуля Юнга, модуля упругости и хорды используется для определения модуля Юнга.
  • ASTM E646 Стандартный метод испытаний показателей деформационного упрочнения при растяжении (n-значения) металлических листовых материалов предназначен для определения показателя деформационного упрочнения.
  • ASTM E517 Стандартный метод испытания коэффициента пластической деформации для листового металла. определяет коэффициент пластической деформации. Из всех механических свойств, определяемых испытанием на растяжение, коэффициент пластической деформации является наиболее сложным и требует пристального внимания к деталям.

Ричард Гедни - президент ADMET Inc., 51 Morgan Drive, Norwood, MA 02062, 781-769-0850, факс 781-769-0884, www.admet.com.

.

Как определить плотность металла - Канадский институт охраны природы (CCI) Примечания 9/10

Введение

Плотность объекта - это масса объекта, деленная на его объем. Плотность является характеристикой материала, из которого изготовлен объект, и ее значение может помочь идентифицировать материал.

За исключением объектов простой формы, напрямую определить объем сложно. Простой способ определить плотность металлического объекта - взвесить его в воздухе, а затем снова взвесить, когда он будет погружен в жидкость, как описано в разделе «Наука, лежащая в основе измерений плотности».Вода - самая удобная жидкость для использования, но если объект нельзя погрузить в воду, можно использовать органические растворители, такие как этанол или ацетон. Плотность объекта можно рассчитать по двум измерениям веса и плотности жидкости.

При правильном балансе и контейнере подходящего размера этот метод можно использовать для различных объектов: больших или малых, металлических или неметаллических. Этот метод работает для сложных форм, даже для объектов с отверстиями, если жидкость может проникать и заполнять отверстия.После того, как плотность определена, ее можно сравнить с плотностями известных материалов, чтобы уточнить, из чего может быть сделан объект.

В этом примечании описывается процедура и необходимые материалы для определения плотности металлического объекта. Первым шагом является выполнение процедуры на одном или нескольких металлических объектах известного состава, будь то чистый металл или сплав, чтобы получить опыт использования метода и убедиться, что он используется правильно. Затем можно определить плотность неизвестных металлов.

Методика определения плотности металла

Оборудование и материалы, необходимые для определения плотности

  • Мелкие металлические предметы, которые можно погружать в воду
  • Весы с возможностью взвешивания ниже весов (то есть могут взвешивать предметы, подвешенные под ними) и которые могут измерять с разрешением не менее 0,01 грамма (см. Раздел Весы без возможности взвешивания ниже весов, чтобы узнать, как адаптировать процедуру взвешивания ниже весов. баланс)
  • Металлическая проволока для крепления к крючку внутри баланса (хорошо подойдет изогнутая скрепка)
  • Поддерживающая подставка или платформа для удержания весов, чтобы под них можно было подвешивать предметы на крючке
  • Стаканы, достаточно большие, чтобы предметы можно было полностью погрузить без перелива жидкости
  • Опоры для удержания стаканов на нужной высоте под весами
  • Водопроводная вода
  • Калькулятор
  • Нейлоновая нить (e.г. леска или аналогичный легкий материал) для подвешивания предметов под весами
  • Перчатки нитриловые одноразовые
  • Дополнительно: зажимы для крепления опоры баланса к краю счетчика

Методика определения плотности при взвешивании ниже весов

  1. Снимите крышку с нижней стороны весов, чтобы открыть крючок внутри.
  2. Поместите весы на подставку с отверстием для доступа к внутреннему крючку.
  3. Присоедините проволочный крюк к внутреннему крюку и затем тарируйте весы (установите на ноль).
  4. Подвесьте какой-либо предмет на крючок под весами, используя нейлоновую нить или аналогичный предмет, и взвесьте его в воздухе. Надевайте перчатки при работе с металлическими предметами, особенно с теми, которые предположительно содержат свинец.
  5. Наполните стакан водой и поместите его под весы.
  6. Поднимите стакан до полного погружения объекта. Установите подставку под стакан, чтобы удерживать его на нужной высоте.Убедитесь, что под объектом или в пустотах внутри объекта нет пузырей.
  7. Взвесьте погруженный объект.
  8. Рассчитайте плотность, используя приведенное ниже уравнение.
  9. Сравните рассчитанную плотность с известными значениями плотности металлов и сплавов, используя приведенную ниже таблицу или более полные списки, доступные в справочных материалах.
  10. Повторите шаги 4–9 с остальными объектами.

Расчет плотности

Плотность ρ объекта или материала определяется как масса m, деленная на объем V; в символах ρ = m / V.Если объект взвешивают в воздухе, чтобы определить его фактическую массу, и взвешивают в жидкости, чтобы определить его (кажущуюся) массу в жидкости, то плотность объекта определяется по формуле:

Плотность воды 0,998 г / см 3 при 20 ° C и 0,997 г / см 3 при 25 ° C.

Результаты процедуры

Примеры объектов

На рис. 1 показаны примеры восьми различных металлических образцов, использованных для демонстрации этой процедуры.

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы.CCI 120260-0358
Рис. 1. Металлические предметы, используемые для демонстрации процедуры.

Измеренные плотности металлических образцов на Рисунке 1 представлены ниже.

В верхнем ряду слева направо:

  1. Вероятно, чугун (7,13 г / см 3 )
  2. Алюминий высокой чистоты (2,70 г / см 3 )
  3. Красноватый медный сплав (возможно, 85% меди и 15% цинка, 8,23 г / см 3 )
  4. Медь высокой чистоты (8.88 г / см 3 )

В нижнем ряду слева направо:

  1. Цинковое литье (сплав неизвестен, 7,09 г / см 3 )
  2. Свинец высокой чистоты (11,20 г / см 3 )
  3. Олово высокой чистоты (7,27 г / см 3 )
  4. Желтый картридж, латунь (70% меди и 30% цинка, 8,45 г / см 3 )

В каждом образце плотность определялась по приведенной выше формуле. Например, для алюминиевого объекта (б) масса оказалась равной 110.18 г в воздухе и 69,45 г в воде, что дает плотность 2,70 г / см. 3 . Для чугунного объекта (а) масса составила 209,47 г в воздухе и 180,13 г в воде, что дает 7,13 г / см 3 . Для свинцового объекта (f) масса составила 102,44 г в воздухе и 93,31 г в воде, что дает 11,20 г / см 3 .

Измеренные плотности алюминия, чугуна и свинца (2,70, 7,13 и 11,20 г / см 3 ) близки к известным значениям плотности (2,71, 7,20 и 11,33 г / см 3 из таблицы 1).Таким образом, предметы из алюминия и свинца легко идентифицируются по плотности.

Для изделия из чугуна одной плотности недостаточно, чтобы исключить другие металлы, такие как цинк (известная плотность 7,13 г / см 3 ). Когда плотность неизвестного металла приближается к плотности нескольких металлов и сплавов (например, цинка, железа и олова), тогда необходимо будет определить другие свойства, такие как магнетизм и цвет, чтобы помочь идентифицировать его.

Известная плотность выбранных металлов и сплавов

Известная плотность выбранных металлов и сплавов приведена в таблице 1 в порядке увеличения плотности (ASTM 2006, Lide 1998).

Таблица 1: известная плотность выбранных металлов и сплавов
Металл или сплав Плотность (г / см 3 )
Алюминий 2,71
Алюминиевые сплавы 2,66–2,84
цинк 7,13
Чугун (серое литье) 7,20
Олово 7.30
Сталь (углеродистая) 7,86
Нержавеющая сталь 7,65–8,03
Латунь (картридж: 70% меди, 30% цинка) 8,52
Латунь (красный: 85% меди, 15% цинка) 8,75
Нейзильбер (65% меди, 18% никеля, 17% цинка) 8,75
Бронза (85% меди, 5% олова, 5% цинка, 5% свинца) 8.80
Никель 8,89
Медь 8,94
Серебро 10,49
Свинец 11,33
Золото 19,30
Реквизиты баланса

Весы с возможностью взвешивания под весами обычно поставляются с крышкой под внутренним крючком.На рис. 2 показан пример расположения крышки на дне весов.

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы. CCI 120260-0359
Рис. 2. Весы с возможностью взвешивания под весами.

На рис. 3 показан увеличенный вид с закрытой крышкой; на рис. 4 крышка открыта, чтобы обнажить внутренний крючок.

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы. CCI 120260-0360
Рис. 3. Деталь нижней стороны весов с подвижной металлической крышкой, закрывающей внутренний крюк.

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы. CCI 120260-0361
Рис. 4. Деталь нижней стороны весов, показывающий внутренний крючок после поворота металлической крышки.

На рис. 5 показана металлическая проволока, изогнутая в виде крючков на обоих концах. На рис. 6 показан крючок на одном конце проволоки, прикрепленный к внутреннему крючку внутри весов.

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы. CCI 120260-0363
Рис. 5. Проволока с загнутыми концами в виде крючка.

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы. CCI 120260-0362
Рис. 6. Деталь проволоки, загнутой в крючки с обоих концов. Верхний конец крючка прикреплен к другому крючку внутри весов.

На рис. 7 показаны весы, которые устанавливаются на подставку из оргстекла с прорезью в верхней части. Отверстие обеспечивает доступ к крючку на нижней стороне весов.

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы. CCI 120260-0365
Рисунок 7.Весы устанавливаются на подставку из оргстекла с крюком, который вот-вот пройдет через отверстие в подставке.

На рис. 8 показаны весы на подставке из оргстекла с прямоугольным купоном из чистой меди, взвешиваемым на воздухе. На рисунке 9 показаны весы на стенде из оргстекла с прямоугольным купоном из чистой меди, взвешиваемым в воде. Меньшая подставка из оргстекла используется для поддержки стакана на нужной высоте.

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы.CCI 120260-0366
Рис. 8. Прямоугольный купон чистой меди, взвешиваемой на воздухе.

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы. CCI 120260-0367
Рис. 9. Прямоугольный купон из чистой меди, погруженной в воду.

На рисунке 10 показан пример объекта с отверстием, в котором застряли пузырьки воздуха. Будьте осторожны, чтобы не захватить предметом пузырьки воздуха, так как это приведет к неточному показанию.

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы.CCI 120260-0375
Рис. 10. Три пузырька воздуха застряли в отверстии.

Дополнительная информация

Использование других растворителей, кроме воды

Если погружать объект в воду, например, в железо, нецелесообразно, поскольку он очень подвержен коррозии, можно использовать органический растворитель, например ацетон или безводный этанол. Необходимо использовать надлежащую вентиляцию и соответствующие средства индивидуальной защиты. Обратитесь к паспорту безопасности (SDS) конкретного растворителя для рекомендованного оборудования.Плотность ацетона составляет 0,790 г / см 3 , а плотность безводного этанола составляет 0,789 г / см 3 , оба при 20 ° C. Тем, кому может потребоваться использовать одну из этих жидкостей, попробуйте измерить плотность объекта, используя воду и одну из этих жидкостей, и сравните результаты.

Советы по настройке весов
Альтернативная подставка для весов

Лист фанеры с отверстием можно прижать к краю прилавка, если нет подставки для удержания весов (Рисунок 11).

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы. CCI 120260-0296
Рис. 11. Платформа для весов, сделанная из фанеры и зажимов.

Весы без взвешивания под весами

Весы без крюка для взвешивания можно использовать для определения плотности, но для этого требуется рама, чтобы подвешивать объект под весами и переносить вес объекта на весы. Баланс должен быть установлен на платформе; можно использовать установку, аналогичную показанной на рисунке 11.(В этом случае отверстие в дереве на Рисунке 11 не требуется.) Затем вокруг весов и платформы устанавливают четырехстороннюю рамку (имеющую форму рамки для рисунка), опираясь только на чашу весов и не касаясь ее. другая часть баланса (рисунок 12). Весы тарируют с установленными рамой и крюком, затем объект прикрепляют к крюку на раме и взвешивают в воздухе и в жидкости, как в шагах 4–9 процедуры: определение плотности металла.

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы.CCI 120260-0298
Рис. 12. Вид спереди (левая сторона рисунка) и вид сбоку (правая сторона), показывающие весы без возможности взвешивания ниже весов. Верхний сегмент прямоугольной рамки опирается на чашу весов, а предмет прикрепляется к нижнему сегменту.

Наука, лежащая в основе измерений плотности

Плавучесть и принцип Архимеда

Техника этой процедуры датируется третьим веком до нашей эры. В своей книге «Плавающие тела» Архимед Сиракузский предположил, что если объект погрузить в жидкость и взвесить, он будет легче, чем его истинный вес, на вес жидкости, которую он вытесняет.История гласит, что Архимед использовал эту идею, чтобы показать, что корона не была чистым золотом, а скорее смесью золота и серебра (Heath 1920).

Объект кажется более легким в жидкости, потому что на него действует сила, называемая выталкивающей силой. Сила возникает из-за того, что давление в жидкости увеличивается с глубиной, поэтому давление на нижнюю часть объекта (толкая объект вверх) выше, чем давление сверху (толкающее его вниз). Разница между давлением, направленным вверх и вниз, дает подъемную силу.Выталкивающая сила, толкая объект вверх, действует против силы тяжести, которая тянет объект вниз. Если подъемная сила меньше силы тяжести, объект утонет, но будет казаться, что в жидкости он весит меньше, чем в воздухе. Если выталкивающая сила больше силы тяжести, объект всплывет к поверхности жидкости.

Плотность объекта рассчитывается по формуле, приведенной ранее

Когда плотность известна, ее можно использовать для расчета объема объекта по следующей формуле:

Объем объекта = (масса в воздухе) / (плотность объекта)

Подобно воде, воздух также производит подъемную силу.(Вот почему гелиевые шары плавают вверх.) Выталкивающая сила воздуха слишком мала, чтобы иметь значение в этой процедуре, но ее необходимо учитывать, когда требуется высокая точность взвешивания (Skoog et al. 2014).

Плотность определяется по вытесненному объему

Более простой, но менее точный способ измерения плотности - поместить объект в жидкость и измерить объем вытесненной жидкости. Это можно использовать для небольших объектов, которые помещаются в градуированный цилиндр, например, чтобы решить, сделан ли объект из свинца или менее плотного металла.

Порядок действий следующий. Найдите градуированный цилиндр диаметром не намного больше, чем объект. Определите массу объекта с помощью подходящих весов. Добавьте воду в мерный цилиндр и запишите начальный объем. Полностью погрузите объект в воду, стараясь не образовывать пузырей, а затем запишите объем во второй раз. Объем объекта равен разнице конечного и начального объемов, считываемых с градуированного цилиндра, а плотность - это масса, деленная на объем объекта.

В качестве примера была измерена фигурка лося. Масса 4,088 г. На рис. 13 фигурка показана за пределами градуированного цилиндра, а на рис. 14 - в погруженном состоянии. Вода в градуированном цилиндре увеличилась с 5,0 мл до 5,6 мл при погружении фигурки, что привело к изменению объема на 0,6 мл. Без учета ошибок измерения объема плотность рассчитывается как 4,088 г / 0,6 мл = 6,8 г / см 3 . (Примечание: 1 мл = 1 см 3 .) Это меньше плотности цинка и может указывать на сплав цинка и более легкого металла, возможно, магния или алюминия.Но с учетом небольшого объема измерения есть неточности. Объем может быть измерен только с точностью до 0,1 мл с помощью градуированного цилиндра, поэтому объем может составлять от 0,5 до 0,7 мл. Таким образом, плотность может быть где угодно от 4,088 г / 0,7 мл = 5,8 г / см 3 до 4,088 г / 0,5 мл = 8,2 г / см 3 . В этом диапазоне измерений фигурка может быть из цинка, железа, олова, стали или других сплавов, но не из чистого алюминия или чистого свинца. Фактически анализ показал, что это олово, имеющее плотность 7.30 г / см 3 .

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы. CCI 120260-0373
Рис. 13. Небольшой металлический предмет перед погружением в воду в мерном цилиндре на 25 мл. Обратите внимание на уровень воды.

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы. CCI 120260-0374
Рис. 14. Небольшой металлический предмет после погружения в воду в мерном цилиндре объемом 25 мл. Уровень воды примерно на 0,6 мл больше, чем до погружения объекта.

Другое применение

Вышеуказанные процедуры можно использовать не только для идентификации металлов по их плотности.

Вес для литья металлов

При отливке скульптуры необходимо оценить количество металла, необходимое для заполнения формы модели скульптуры. Если отливаемая модель может быть погружена в воду, объем модели можно определить с помощью описанных выше методов. Тогда необходимую массу металла m можно рассчитать из объема V модели и плотности металла ρ по формуле m = ρV.(Имейте в виду, что обычно требуется дополнительный металл для заполнения каналов, которые направляют расплавленный металл в форму.)

Благодарности

Особая благодарность Миган Уолли, Люси 'т Харт и Кэтрин Мачадо, бывшим стажерам CCI, за их помощь в разработке этой заметки.

Список литературы

ASTM G1-03. «Стандартная практика подготовки, очистки и оценки образцов для испытаний на коррозию». В Ежегодной книге стандартов ASTM, т. 03.02. Вест Коншохокен, Пенсильвания: Американское общество испытаний и материалов, 2006, стр.17–25.

Heath, T.L. Архимед. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Макмиллан, 1920.

Lide, D.R., ed. CRC Справочник по химии и физике, 79-е изд. Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, 1998, стр. 12-191–12-192.

Скуг, Д.А., Д.М. Вест, Ф.Дж. Холлер и С. Присядь. Основы аналитической химии, 9-е изд. Бельмонт, Калифорния: Брукс / Коул, 2014 г., стр. 22–23.

Автор Линдси Селвин

Également publié en version française.

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы, 2016

ISSN 1928-1455

.

Расчет эквивалентной массы - MEL Chemistry

[Депонировать фотографии]

Эквивалент вещества, также известный как эквивалентное количество вещества, относится к количеству вещества, которое взаимодействует с одним моль ионов водорода (в кислотно-основной реакции) или электронов (в окислительно-восстановительной реакции). Эквивалентные массы необходимы для правильного расчета химических реакций между веществами.Используя эквиваленты, мы можем получить правильное значение без длинных формул реакции, потому что нам нужно только знать, что химические вещества взаимодействуют, или что вещество является продуктом химической реакции.

[Депонировать фотографии]

Для начала давайте поговорим о том, что такое эквивалент вещества. Согласно классическому определению, эквивалент вещества - это условная или реальная частица, которая может быть эквивалентна катиону водорода в ионообменных и кислотно-основных реакциях или электрону в окислительно-восстановительных реакциях.

Любое вещество имеет несколько определяющих характеристик, и его эквивалентная масса, обозначенная как M экв, является одной из самых важных из всех. Молярную массу вещества легко определить: просто сложите молярные массы атомов в химической формуле вещества.

Молярная масса вещества - это лишь один из нескольких параметров, необходимых для правильного расчета эквивалентности.

Некоторые рекомендации по поиску эквивалента вещества

Формула для определения эквивалентной массы вещества зависит от класса рассматриваемого соединения.Для оксидов легко найти эквивалентную массу, например: разделив молярную массу соединения на валентность некислородного элемента, умноженную на количество его атомов. Давайте посмотрим на эквивалентную массу оксида золота (III) по формуле Au₂O₃.

[Депонировать фотографии]

Путем несложных вычислений получаем:

(197x2 + 16x3) / 3x2 = 73.7 г / моль.

Чтобы вычислить эквивалентную массу основания, просто разделите молярную массу основания на количество гидроксильных групп. Возьмем, например, гидроксид кальция Ca (OH) ₂. Несколько простых вычислений дают эквивалент 37 г / моль.

Чтобы найти эквивалент кислоты, разделите молярную массу кислоты на количество протонов. Вот простой пример использования серной кислоты:

(1x2 + 32x1 + 16x4) / 2 = 49 г / моль.

[Депонировать фотографии]

Найти эквивалент соли также просто: умножьте количество атомов металла на их степень окисления, а затем разделите его молярную массу на результат.Щелкните здесь, чтобы узнать о некоторых безопасных химических экспериментах, которые углубят этот вопрос.

Эксперименты по определению эквивалентной массы вещества

Этот эксперимент весьма интересен, и его можно использовать для демонстрации того, как вычислить эквивалентную массу вещества. Но делать это нужно с особой осторожностью: перед проведением любого эксперимента обязательно ознакомьтесь с необходимой научной литературой и методиками проведения экспериментов.

Внимание! Не пытайтесь проводить этот эксперимент без профессионального надзора!

Вам понадобится:

  • пробирка;
  • Бюретка
  • ;
  • воронка;
  • пробки;
  • пробирки;
  • Калькулятор
  • ;
  • Периодическая таблица;
  • соляная кислота;
  • пластины цинковые;
  • барометр;
  • Термометр
  • ;
  • перчатки;
  • респиратор химический;
  • защитные очки.Помните, что этот раствор нельзя приготовить дома. Соляная кислота опасна: при попадании на кожу вызывает сильные ожоги. При проведении эксперимента надевайте перчатки. Также используйте химический респиратор и защитные очки, так как пары соляной кислоты вредны для дыхательной системы и глаз.
[Депонировать фотографии]

Если кислота случайно попадает на кожу, промойте пораженный участок проточной водой и используйте пищевую соду для нейтрализации кислоты.

Этот метод основан на измерении объема водорода, выделяемого в результате реакции между металлом и кислотой. Эквивалент цинка определяется с помощью бюретки, соединенной трубкой с воронкой и пробиркой. Аппарат функционирует как система сообщающихся сосудов.

Заполните бюретку водой. С помощью пипетки налейте на дно пробирки несколько миллилитров соляной кислоты. Наклоните пробирку и вставьте кусочек цинка, следя за тем, чтобы он не касался кислоты.Отрегулируйте высоту воронки, чтобы довести уровень воды в бюретке до «0». Закройте пробирку пробкой и выбейте цинк в кислоту. Вы увидите заметное выделение газообразного водорода, который вытеснит часть воды из бюретки. Обратите внимание на разницу в начальном и конечном уровнях воды в бюретке, чтобы измерить, сколько газа было выпущено. Принимая во внимание температуру в лаборатории, атмосферное давление и давление водяного пара в бюретке, вы можете вычислить эквивалентную массу металла, используя правильную формулу с разумной точностью.Кстати, если вас интересует, как на температуру воды можно влиять, растворяя в ней вещества, вы можете попробовать этот эксперимент.

.

масс-спектрометр - как это работает

МАСС-СПЕКТРОМЕТР

 

На этой странице описывается получение масс-спектра с помощью масс-спектрометра. Фактически, существует несколько различных конструкций масс-спектрометров, которые различаются в деталях - на этой странице рассматривается один, который легко понять.

 

Как работает масс-спектрометр

Основной принцип

Если что-то движется и вы подвергаете его воздействию боковой силы, вместо того, чтобы двигаться по прямой линии, оно будет двигаться по кривой - отклоняясь от своего первоначального пути под действием боковой силы.

Предположим, мимо вас летит пушечное ядро, и вы хотите отклонить его, когда оно проходит мимо вас. Все, что у вас есть, - это струя воды из шланга, которую вы можете пролить на нее. Честно говоря, особой разницы это не имеет! Поскольку пушечное ядро ​​настолько тяжелое, оно вряд ли вообще отклонится от первоначального курса.

Но предположим, что вместо этого вы пытаетесь отклонить мяч для настольного тенниса, летящий с той же скоростью, что и пушечное ядро, используя ту же струю воды. Поскольку этот мяч такой легкий, вы получите огромный прогиб.

Величина отклонения, которую вы получите при заданной боковой силе, зависит от массы мяча. Если бы вы знали скорость мяча и величину силы, вы могли бы вычислить массу мяча, если бы знали, по какой изогнутой траектории он отклоняется. Чем меньше прогиб, тем тяжелее мяч.


Примечание: Я не предлагаю, чтобы вам лично приходилось делать вычисления, хотя математика на самом деле не очень сложна - конечно, не выше стандарта A'level!


Точно такой же принцип можно применить к частицам атомного размера.

 

Схема того, что происходит в масс-спектрометре

Атомы и молекулы могут отклоняться магнитными полями при условии, что атом или молекула сначала превращаются в ион. На электрически заряженные частицы действует магнитное поле, а на электрически нейтральные - нет.

Последовательность:

Этап 1: Ионизация

Атом или молекула ионизируются, выбивая один или несколько электронов с образованием положительного иона.Это верно даже для вещей, которые обычно ожидают образования отрицательных ионов (например, хлора) или вообще никогда не образуют ионы (например, аргон). Большинство масс-спектрометров работают с положительными ионами.


Примечание: Все масс-спектрометры , с которыми вы столкнетесь, если будете проводить курс для подростков 16-18 лет, работают с положительными ионами. Даже если бы несколько атомов в образце хлора, например, захватили электрон, а не потеряли его, образовавшиеся отрицательные ионы не смогли бы пройти через обычный масс-спектрометр.Но мне указали, что ведется работа над масс-спектрометрами отрицательных ионов, хотя они используют другую технику ионизации.

Благодарю профессора Джона Тодда из Кентского университета за то, что обратил на это мое внимание.



Этап 2: Разгон

Ионы ускоряются, поэтому все они имеют одинаковую кинетическую энергию.

Этап 3: прогиб

Затем ионы отклоняются магнитным полем в соответствии с их массами.Чем они легче, тем больше отклоняются.

Величина отклонения также зависит от количества положительных зарядов на ионе - другими словами, от того, сколько электронов было сбито на первом этапе. Чем больше заряжен ион, тем сильнее он отклоняется.

Этап 4: Обнаружение

Пучок ионов, проходящий через машину, обнаруживается электрически.

 

Полная схема масс-спектрометра

 

Понимание происходящего

Необходимость вакуума

Важно, чтобы ионы, образующиеся в ионизационной камере, свободно проходили через машину, не сталкиваясь с молекулами воздуха.

Ионизация

Испарившийся образец проходит в ионизационную камеру. Металлическая катушка с электрическим нагревом испускает электроны, которые притягиваются к ловушке для электронов, которая представляет собой положительно заряженную пластину.

Таким образом, частицы в образце (атомы или молекулы) бомбардируются потоком электронов, и некоторые из столкновений достаточно сильны, чтобы выбить один или несколько электронов из частиц образца и образовать положительные ионы.

Большинство образовавшихся положительных ионов будут нести заряд +1, потому что гораздо труднее удалить дальнейшие электроны от уже положительного иона.

Эти положительные ионы вытесняются в остальную часть машины ионным репеллером, который представляет собой другую металлическую пластину, несущую небольшой положительный заряд.


Примечание: Как вы сейчас увидите, вся ионизационная камера находится под положительным напряжением около 10 000 вольт.Когда мы говорим о двух пластинах, имеющих положительный заряд, эти заряды в дополнение к этим 10 000 вольт.


Разгон

Положительные ионы отталкиваются от камеры очень положительной ионизации и проходят через три щели, последняя из которых находится под напряжением 0 вольт. Средняя щель несет некоторое промежуточное напряжение. Все ионы ускоряются в точно сфокусированный пучок.

Прогиб

Разные ионы отклоняются магнитным полем на разную величину. Величина прогиба зависит от:

  • масса иона. Более легкие ионы отклоняются сильнее, чем более тяжелые.

  • заряд на ионе. Ионы с 2 (или более) положительными зарядами отклоняются больше, чем ионы с 1 положительным зарядом.

Эти два фактора объединены в соотношение масса / заряд . Отношение масса / заряд обозначается символом m / z (или иногда m / e).

Например, если ион имеет массу 28 и заряд 1+, его отношение масса / заряд будет 28. Ион с массой 56 и зарядом 2+ также будет иметь отношение масса / заряд 28.

На последней диаграмме поток ионов A наиболее отклонен - ​​он будет содержать ионы с наименьшим соотношением масса / заряд. Ионный поток C отклоняется меньше всего - он содержит ионы с наибольшим соотношением масса / заряд.

Будет проще говорить об этом, если мы предположим, что заряд всех ионов равен 1+.Большинство ионов, проходящих через масс-спектрометр, будут иметь заряд 1+, так что соотношение масса / заряд будет таким же, как масса иона.


Примечание: Вы должны знать о возможности наличия 2+ (и т. Д.) Ионов, но подавляющее большинство вопросов A'-уровня дадут вам масс-спектры, которые включают только ионы 1+. Если в вопросе нет подсказки, вы можете разумно предположить, что ионы, о которых вы говорите, будут иметь заряд 1+.


Предполагая, что ионы 1+, поток A имеет самые легкие ионы, поток B - следующие по легкости, а поток C - самые тяжелые. Более легкие ионы будут отклоняться сильнее, чем тяжелые.

Обнаружение

Только поток ионов B проходит через установку к детектору ионов. Другие ионы сталкиваются со стенками, где они захватывают электроны и нейтрализуются. В конце концов, они удаляются из масс-спектрометра вакуумным насосом.

Когда ион попадает в металлический ящик, его заряд нейтрализуется электроном, перескакивающим с металла на ион (правая диаграмма). Это оставляет пространство между электронами в металле, и электроны в проводе перемещаются, чтобы заполнить его.

Поток электронов в проводе определяется как электрический ток, который можно усилить и записать. Чем больше ионов поступает, тем больше ток.

Обнаружение других ионов

Как могут быть обнаружены другие ионы - те в потоках A и C, которые были потеряны в машине?

Помните, что поток A отклонился больше всего - он имеет наименьшее значение m / z (самые легкие ионы, если заряд 1+).Чтобы направить их к детектору, вам нужно будет меньше их отклонять - используя меньшее магнитное поле (меньшую боковую силу).

Чтобы перенести на детектор те, у которых значение m / z больше (более тяжелые ионы, если заряд равен +1), вам придется больше отклонять их, используя большее магнитное поле.

Если вы изменяете магнитное поле, вы можете направлять каждый поток ионов по очереди к детектору, чтобы произвести ток, пропорциональный количеству поступающих ионов. Масса каждого обнаруживаемого иона связана с величиной магнитного поля, используемого для его попадания в детектор.Устройство может быть откалибровано для записи тока (который является мерой количества ионов) напрямую по отношению к m / z. Масса измеряется по шкале 12 C.


Примечание: Весы 12 C представляют собой весы, на которых изотоп 12 C весит ровно 12 единиц.


 

Как выглядит результат масс-спектрометра

Выходные данные самописца обычно упрощаются в виде «стержневой диаграммы».Это показывает относительный ток, создаваемый ионами с различным соотношением масса / заряд.

Схема для молибдена выглядит примерно так:

Вы можете найти диаграммы, на которых вертикальная ось обозначена как «относительная численность» или «относительная интенсивность». Что бы ни использовалось, это означает одно и то же. Вертикальная шкала связана с током, принимаемым самописцем, и, следовательно, с количеством ионов, поступающих на детектор: чем больше ток, тем больше ионов.

Как видно из диаграммы, самый обычный ион имеет отношение масса / заряд 98. Другие ионы имеют отношение масса / заряд 92, 94, 95, 96, 97 и 100.

Это означает, что молибден состоит из 7 различных изотопов. Предполагая, что все ионы имеют заряд 1+, это означает, что массы 7 изотопов по шкале углерода-12 составляют 92, 94, 95, 96, 97, 98 и 100.


Примечание: Если бы присутствовало также 2+ иона, вы бы знали, потому что каждая из линий на стержневой диаграмме будет иметь другую линию ровно с половиной ее значения m / z (потому что, например, 98/2 = 49 ).Эти линии были бы намного меньше, чем линии ионов 1+, потому что шансы на образование ионов 2+ намного меньше, чем на образование ионов 1+.

Если вы хотите сразу перейти к использованию этих масс-спектров для вычисления относительных атомных масс, вы можете перейти прямо на эту страницу, перейдя по этой ссылке, а не через меню ниже.



 
 

Куда бы вы сейчас хотели пойти?

В меню масс-спектрометрии.. .

В меню инструментального анализа. . .

В главное меню. . .

 

© Джим Кларк 2000 (последнее изменение - март 2019 г.)

.

Смотрите также