آلیاژها - جلسه سوم

عنوان
• آلیاژ های سبک

اهداف جلسه:
· آشنایی با فلزات قلیایی و آلیاژ سدیم-پتاسیم
· آشنایی با روش ساخت آلیاژ سدیم-پتاسیم

وسایل مورد نیاز:
· دسترسی به اینترنت
· شیشه ساعت
· هاون چینی
· پنس و قیچی
· پنبه

مقدمه:
یافتن آلیاژی فوق سبک و ضدزنگ از منیزیم آغازی برای تولید آلیاژهای فوق سبک است. اعتقاد براین است که چنین آلیاژی می‌تواند مقدار قابل توجه از وزن کامیون‌ها را کاهش دهد. این مطالعه اولین گام به سوی تولید انبوه فلزی سبک با مقاومت بالا موسوم به "منیزیم ضد زنگ" است که می‌تواند در ساخت ماشین‌ها، کامیون‌ها و هواپیماها مورد استفاده قرار گیرد.
وزن آلیاژ منیزیم- لیتیوم نصف آلومینیوم و 30 درصد سبک‌تر از منیزم است. این ویژگی، این آلیاژ را به عنوان جایگزین مناسبی برای فلزات رایج مورد استفاده در وسایل نقلیه مطرح می‌سازد که استفاده از آن می‌تواند بازده سوخت را افزایش داده و کاهش گازهای گلخانه‌ای را سبب شود.
تاکنون آلیاژهای مشابهی توسط دانشمندان دیگر ساخته شده تا ترکیب سبکی لیتیوم با قدرت و پایداری منیزم به طور همزمان استفاده شود. چنین فلزی می‌تواند با ارتقای بازده سوخت، مسافتی را که هواپیماها، ماشین‌ها و فضاپیماها می‌توانند با یک بار سوخت‌گیری طی کنند را افزایش دهد. ولی "منیزیم ضدزنگ" اولین آلیاژ مقاوم در برابر خوردگی و زنگ است.
این آلیاژ شامل یک نانوساختار منحصر به فرد است که شکل‌گیری یک لایه سطحی محافظ را ممکن می‌سازد. تحقیق بر روی ساختار مولکولی این آلیاژ و چگونگی مقاومت آن در برابر خوردگی ادامه دارد.
سالیان بسیاری است دانشمندان به دنبال راهی برای کشف محکم ترین ماده که در عین حال وزن کمی نسبت به مواد مشابه داشته باشد، آلیاژهای مختلفی را مورد بررسی قرار داده اند. پیش از این کربن به عنوان سخت ترین ماده شناخته می شد اما اکنون دانشمندان موفق به کشف ماده جایگزین شده اند.
دانشمندان تا کنون بسیاری از مواد را به روش های مختلف مورد آزمایش قرار داده اند تا آلیاژی محکم و در عین حال با وزنی سبک و ایده آل را کشف کنند. تا کنون در بسیاری از آزمایش ها کربن به ویژه گرافین به عنوان محکم ترین ماده شناخته شده است. گرافین، ماده ای متشکل از اتم های کربن است که به حالت دو بعدی ایجاد شده است.
تاکنون متخصصان در انجام عملیات های الکترونیکی، با استفاده از گرافین (لایه سبک و مستحکم) موفق به انجام امور مورد نظر شده اند. اما این لایه مستحکم متشکل از اتم های کربن، تنها تا زمانی عملکرد مطلوبی داشته اند که ابعاد پروژه تنها در سطح ۲ بعدی انجام شوند.
لایه های گرافین پس از ترکیب به حالت موج دار تبدیل خواهند شد که خود حالتی ۳ بعدی را بوجود می آورد. این ترکیب به اعتقاد کارشناسان علاوه بر شکل هندسی سه بعدی، استحکامی ۳ برابر فراتر از لایه های گرافین، ۱۰ برابر مقاوم تر از استیل با تنها ۳ درصد از حجم و ضخامت را داراست.
تحقیقات در مورد کشف آلیاژها و مواد مقاوم با حجم و وزن بسیار کم هم چنان ادامه دارد. چرا که در پروژه های ساختمانی و یا صنعتی مدرن، دستیابی به چنین موادی بسیار سودمند خواهد بود. به گفته مدیر ارشد موسسه تحقیقات تکنولوژی ماساچوست، در هر حالتی می توان ماده ای نظیر گرافین و یا کربن را به تنهایی مورد استفاده قرار داد و این در حالی ست که ابعاد سه بعدی تعریف شده از این مواد نیز کمک بسیاری در این زمینه داشته است.
دنیای صنعت مدرن این روزها به سمت مستحکم تر شدن و در عین حال سبک شدن پیش می رود. تحقیقات در مورد این فرایند نیز هم چنان ادامه دارد تا دستیابی علم مدرن به بهره گیری از مواد این چنینی بیش از پیش آسان شود.
پتاسیم (K) یک فلز قلیایی است و عدد اتمی آن ۱۹ می‌باشد. عنصر پتاسیم نرم و رنگی سفید با درخشش نقره ای دارد که در هوا به آسانی اکسید می‌شود و با آب به شدت واکنش می‌دهد و تولید گرما می‌کند و درنتیجه باعث شعله‌ور شدن هیدروژن و واکنش آن می‌گردد.
سُدیم یا ناتریم (Na) یک فلز قلیایی و عدد اتمی آن ۱۱ است. عنصر سدیم یک فلز واکنش‌ پذیر نرم و مومی‌شکل است که رنگی نقره ای دارد. این عنصر بسیار واکنش‌دهنده‌است و با شعله زرد رنگی می‌سوزد. در آزمایش‌های مربوط به هوا اکسید می‌شود و به شدت با آب واکنش می‌دهد از این رو باید همیشه در زیر نفت یا روغن نگهداری شود. پتاسیم و سدیم از نظر شیمیایی بسیار شبیه‌ اند.
آلیاژ سدیم-پتاسیم در حرارت محیط به صورت مایعی سفید نقره ای است که در معرض هوا به رنگ زرد متمایل به نارنجی تبدیل می شود. این الیاژ به عنوان یک جسم انتقال دهنده حرارت استفاده می شود.  در تماس با رطوبت آب و هوا فوق العاده خطرناک بوده و در هوا مشتعل می گردد. این ماده در واکنش با آب هیدروژن و حرارت کافی جهت اشتعال آن تولید می کند. آلیاژهای سدیم و پتاسیم با کربن تتراکلراید و دی اکسید کربن شدیداً وارد واکنش می شود و همچنین می تواند تولید پراکسید پتاسیم نماید که در صورت تماس پراکسید حاصل با هیدروکربن هایی هم چون نفت و بنزین و .... احتمال انفجار وجود دارد.  این آلیاژ مایع سبب سوختگی شدید پوست و چشم ها شده و بخار حاصل از سوختن این ماده سبب سوزش و تحریک مجاری فوقانی و میانی دستگاه تنفسی می شود. به هنگام مواجهه با آن باید از لباس کاملاً ایمن و دستگاه محافظ سیستم تنفسی استفاده کرد.
روش کار
1- تمام ظروف را با پنبه خشک پاک کنید. یک  شیشه ساعت بردارید. یک قطعه پتاسیم و یک قطعه سدیم را ببرید.
2- پتاسیم و سدیم را داخل یک هاون چینی بریزید و به آرامی بسابید.
3- آن ها را تا جایی با هم مخلوط کنید که ترکیب فلزی مایع به دست اید.
4- مقداری از مایع به دست آمده را در معرض هوا قرار دهید و تغییر رنگ آن را یادداشت کنید.

سوالات
1- آلیاژ مایع بعد از تغییر رنگ به چه ماده ای تبدیل می شود؟



بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان

- تهیه: مینا رزقی و شایان فروزنده دل
تنظیم: زینب شاه مرادی