Органические соединения. Классы органических соединений

К d-блоку относятся 32 элемента периодической системы. d-Элементы входят в 4--7-й большие периоды. У атомов IIIБ-группы появляется первый электрон на d-орбитали. В последующих Б-группах происходит заполнение d-подуровня до 10 электронов (отсюда название d-элементы). Строение внешних электронных оболочек атомов d-блока описывается общей формулой (n-1)d a ns b , где а = 1--10, b = 1--2.

Особенностью элементов этих периодов является непропорционально медленное возрастание атомного радиуса с возрастанием числа электронов. Такое относительно медленное изменение радиусов объясняется так называемым лантаноидным сжатием вследствие проникновения ns-электронов под d-электронный слой. В результате наблюдается незначительное изменение атомных и химических свойств d-элементов с увеличением атомного номера. Сходство химических свойств проявляется в характерной особенности d-элементов образовывать комплексные соединения с разнообразными лигандами.

Важным свойством d-элементов является переменная валентность и, соответственно, разнообразие степеней окисления. Эта особенность связана главным образом с незавершенностью предвнешнего d-электронного слоя (кроме элементов IБ- и IIБ-групп). Возможность существования d-элементов в разных степенях окисления определяет широкий диапазон окислительно-восстановительных свойств элементов. В низших степенях окисления d-элементы проявляют свойства металлов. С увеличением атомного номера в группах Б металлические свойства закономерно уменьшаются.

В растворах кислородсодержащие анионы d-элементов с высшей степенью окисления проявляют кислотные и окислительные свойства. Катионные формы низших степеней окисления характеризуются основными и восстановительными свойствами.

d-элементы в промежуточной степени окисления проявляют амфотерные свойства. Эти закономерности можно рассмотреть на примере соединений молибдена:

С изменением свойств меняется окраска комплексов молибдена в различных степенях окисления (VI -- II):

В периоде с увеличением заряда ядра наблюдается уменьшение устойчивости соединений элементов в высших степенях окисления. Параллельно возрастают окислительно-восстановительные потенциалы этих соединений. Наибольшая окислительная способность наблюдается у феррат-ионов и перманганат-ионов. Следует отметить, что у d-элементов при нарастании относительной электроотрицательности усиливаются кислотные и неметаллические свойства.

С увеличением устойчивости соединений при движении сверху вниз в Б-группах одновременно уменьшаются их окислительные свойства.

Можно предположить, что в ходе биологической эволюции отбирались соединения элементов в промежуточных степенях окисления, которые характеризуются мягкими окислительно-восстановительными свойствами. Преимущества такого отбора очевидны: они способствуют плавному протеканию биохимических реакций. Уменьшение ОВ потенциала создает предпосылки для более тонкой «регулировки» биологических процессов, что обеспечивает выигрыш энергии. Функционирование организма становится менее энергоемким, а значит более экономичным по потреблению пищевых продуктов.

С точки зрения эволюции для организма становится оправданным существование d-элементов в низших степенях окисления. Известно, что ионы Мn 2+ , Fе 2+ , Со 2+ при физиологических условиях не являются сильными восстановителями, а ионы Сu 2+ и Fе 2+ практически не проявляют в организме восстановительных свойств. Дополнительное снижение реакционной способности происходит при взаимодействии этих ионов с биоорганическими лигандами.

Может показаться, что вышесказанному противоречит важная роль биоорганических комплексов молибдена(V) и (VI) в различных организмах. Однако и это согласуется с общей закономерностью. Несмотря на высшую степень окисления такие соединения проявляют слабые окислительные свойства.

Необходимо отметить высокие комплексообразующие способности d-элементов, которые обычно значительно выше, чем у s- и p-элементов. Это прежде всего объясняется возможностями d-элементов быть как донорами, так и акцепторами пары электронов, образующих координационное соединение.

В случае гидроксокомплекса хрома [Сr(ОН) 6 ] 3- ион металла является акцептором пары электронов. Гибридизация 3d 2 4sp 3 -орбиталей хрома обеспечивает более устойчивое энергетическое состояние, чем при расположении электронов хрома на орбиталях гидроксогрупп.

Соединение [СrСl 4 ] 2- образуется, наоборот, в результате того, что неподеленные d-электроны металла занимают свободные d-орбитали лигандов, поскольку в данном случае энергия этих орбиталей ниже.

Свойства катиона Сr 3+ показывают непостоянство координационных чисел d-элементов. Чаще всего, это четные числа от 4 до 8, реже встречаются числа 10 и 12. Необходимо отметить, что существуют не только одноядерные комплексы. Известны многочисленные ди-, три- и тетра-ядерные координационные соединения d-элементов.

Примером может служить биядерный комплекс кобальта [Со 2 (NН 3) 10 (О 2)](NО 3) 5 , который может служить моделью переносчика кислорода.

Более 1/3 всех микроэлементов организма составляют d-элементы. В организмах они существуют в виде комплексных соединений или гидратированных ионов со среднем временем обмена гидратной оболочки от 10 -1 до 10 -10 с. Поэтому можно утверждать, что «свободные» ионы металлов в организме не существуют: это либо их гидраты, либо продукты гидролиза.

В биохимических реакциях d-элементы наиболее часто проявляют себя как металлы-комплексообразователи. Лигандами при этом выступают биологически активные вещества, как правило, органического характера или анионы неорганических кислот.

Белковые молекулы образуют с d-элементами бионеорганические комплексы -- кластеры или биокластеры. Ион металла (металл-комплексо-образователь) располагается внутри полости кластера, взаимодействуя с электроотрицательными атомами связывающих групп белка: гидроксильных (--ОН), сульфгидрильных (--SН), карбоксильных (--СООН) и аминогрупп белков (Н 2 N -). Для проникновения иона металла в полость кластера необходимо, чтобы диаметр иона был соизмерим с размером полости. Таким образом, природа регулирует формирование биокластеров с ионами d-элементов определенных размеров.

Наиболее известные металлоферменты: карбоангидраза, ксантиноксидаза, сукцинатдегидрогеназа, цитохромы, рубредоксин. Они представляют собой биокластеры, полости которых образуют центры связывания субстратов с ионами металла.

Биокластеры (белковые комплексы) выполняют различные функции.

Транспортные белковые комплексы доставляют к органам кислород и необходимые элементы. Координация металла идет через кислород карбоксильных групп и азот аминогрупп белка. При этом образуется устойчивое хелатное соединение.

В качестве координирующего металла выступают d-элементы (кобальт, никель, железо). Пример железосодержащего транспортного белкового комплекса -- трансферрин.

Другие биокластеры могут выполнять аккумуляторную (накопительную) роль -- это железосодержащие белки: гемоглобин, миоглобин, ферритин. Они будут рассмотрены при описании свойства группы VIIIБ.

Элементы Zn, Fе, Со, Мо, Сu -- жизненно необходимы, входят в состав металлоферментов. Они катализируют реакции, которые можно разделить на три группы:

Кислотно-основные взаимодействия. Участвует ион цинка, входящий в состав фермента карбоангидразы, катализирующего обратимую гидратацию СО 2 в биосистемах.

Окислительно-восстановительные взаимодействия. Участвуют ионы Fе, Со, Сr, Мо. Железо входит в состав цито-хрома, в ходе процесса происходит перенос электрона:

Fе 3+ > Fе 2+ + е -

3. Перенос кислорода. Участвуют Fе, Сu. Железо входит в состав гемоглобина, медь -- в состав гемоцианина. Предполагается, что эти элементы связываются с кислородом, но не окисляются им.

Соединения d-элементов избирательно поглощают свет с разными длинами волн. Это приводит к появлению окраски. Квантовая теория объясняет избирательность поглощения расщеплением d-подуровней ионов металлов под действием поля лигандов.

Хорошо известны следующие цветные реакции на d-элементы:

Мn 2+ + S 2- = МnSv (осадок телесного цвета)

Нg 2+ + 2I - = НgI 2 v(желтый или красный осадок)

К 2 Сr 2 О 7 + Н 2 SО 4 (конц.) = К 2 SО 4 + Н 2 О + 2СrО 3 v

(кристаллы оранжевого цвета)

Приведенные выше реакции используются в аналитической химии для качественного определения соответствующих ионов. Уравнение реакции с дихроматом показывает, что происходит при приготовлении «хромовой смеси» для мытья химической посуды. Эта смесь необходима для удаления как неорганических, так и органических отложений с поверхности химических склянок. Например, жировых загрязнений, которые всегда остаются на стекле после прикосновения пальцев.

Необходимо обратить внимание на то, что d-элементы в организме обеспечивают запуск большинства биохимических процессов, обеспечивающих нормальную жизнедеятельность.

Природные, искусственные и синтетические высокомолекулярные соединения
Высокомолекулярными соединениями называются соединения с большим молекулярным весом, выражающимся в десятках, сотнях тысяч и миллионах к. е.; другое название их, широко сейчас применяемое, хотя и менее точное, — полимеры.
Молекулы высокомолекулярных соединений, имеющие значительно большие размеры, чем молекулы веществ с небольшим молекулярным весом, называются поэтому макромолекулами. Они содержат большое число чаще всего одних и тех же групп атомов, называемых элементарными звеньями. Звенья соединены друг с другом в определенном порядке ковалентными связями. Число звеньев в макромолекуле называется степенью полимеризации. Например, у природных высокомолекулярных соединений элементарными звеньями являются: у целлюлозы и крахмала — остатки глюкозы С6Н10О6 (С6Н10Ов) или целлюлоза (где п. — степень полимеризации, доходящая здесь до 10—20 тыс. у целлюлозы, а черточками обозначены связи, соединяющие звенья в макромолекулу), у природного или натурального каучука это — остатки изопрена (—СН—С = СН—СН2—)я, где п. = 2000—5000, натуральный каучук СН3 И т. д.
У некоторых высокомолекулярных соединений в макромолекулах содержатся различные по составу или структуре элементарные звенья; например, у белков — остатки различных аминокислот.
Характерное отличие высокомолекулярных соединений от веществ с небольшим молекулярным весом заключается в том, что у любого из высокомолекулярных соединений макромолекулы неодинаковы, так как содержат различное число элементарных звеньев. Следовательно, полимеры представляют собой сложнейшие смеси так называемых полимергомологов, отличающихся друг от друга величиной степени полимеризации, но близких по свойствам вследствие сходства строения; определяемый для полимеров молекулярный вес является, следовательно, лишь средним молекулярным весом для всех полимергомологов.
С древнейших времен люди использовали для своих нужд природные высокомолекулярные соединения, содержащиеся в различных продуктах. Белки и крахмал пищевых продуктов составляли основу питания людей и домашних животных. Целлюлоза хлопка и льна, белки — фиброин шелка и кератин шерсти — применялись для изготовления тканей, а коллаген кожи —для пошива обуви. Из древесины, состоящей из целлюлозы, гемицеллюлоз и лигнина, сооружались жилища, мосты и т. д. В середине XIX в. началось изготовление резиновых плащей и обуви из натурального каучука. В конце XIX в. переработкой природных полимеров — причем в процессе переработки вся структура макромолекулы в целом изменяется мало, а происходит лишь превращение некоторых функциональных групп — начинают получать искусственные высокомолекулярные соединения. Такой переработке стала подвергаться прежде всего целлюлоза в ее сложные эфиры: в тринитроцеллюлозу для изготовления бездымного пороха; динитроцеллюлозу для получения пластмасс — целлулоида и др.; ацетилцеллюлозу для получения ацетатного шелка, пластмасс; получение ксантогената и регенерация из него целлюлозы лежат в основе получения вискозного волокна. Создается промышленность искусственных волокон и пластмасс.
В 10-х годах XX в. впервые возникает производство синтетических высокомолекулярных соединений — синтетических феноло-формальдегидных смол для изготовления пластмасс. Синтетические высокомолекулярные соединения в отличие от искусственных получаются не путем переработки природных, а синтезом из соединений с небольшими молекулярными весами, при котором из сотен или тысяч молекул последних возникает одна макромолекула. Позже в 30-х годах под руководством С. В. Лебедева создается впервые в большом масштабе производство синтетического каучука, а в 40-х годах — производство синтетических волокон: сперва — найлона, затем — капрона и др. В последние годы вырабатывается большое число различных синтетических смол — для изготовления пластмасс и синтетических волокон — и синтетических каучуков. В настоящее время мировое производство синтетических и искусственных высокомолекулярных соединений получило большое развитие и темпы его роста в несколько раз выше, чем для производств цветных (кроме А1) и черных металлов, а также и природных полимерных продуктов.
Синтетические и искусственные продукты в мировом производстве каучуков составляли в 1959 г. уже 44%, а для волокон 19,5%. Значительное увеличение выработки синтетических полимеров объясняется их ценными свойствами и связанным с этим быстрым возрастанием областей их применения, что будет рассмотрено подробнее ниже.

Если спросить ученых, какие из открытий XX в. важнейшие, то едва ли кто-нибудь забудет назвать искусственный синтез химических элементов. За короткий срок - менее 40 лет- список известных химических элементов увеличился на 18 названий. И все 18 были синтезированы, приготовлены искусственным путем.

Слово "синтез" обычно обозначает процесс получения из простого сложного. Например, взаимодействие серы с кислородом есть химический синтез двуокиси серы SO 2 из элементов.

Синтез элементов молено понимать таким лее образом: искусственное получение из элемента с меньшим зарядом ядра, меньшим порядковым номером элемента с большим порядковым номером. А сам процесс получения называется ядерной реакцией. Ее уравнение записывается так же, как и уравнение обыкновенной химической реакции. В левой части реагирующие вещества, в правой - получающиеся продукты. Реагирующие вещества в ядерной реакции - это мишень и бомбардирующая частица.

Мишенью может служить любой элемент периодической системы (в свободном виде или в виде химического соединения).

Роль бомбардирующих частиц играют α-частицы, нейтроны, протоны, дейтроны (ядра тяжелого изотопа водорода), а также так называемые многозарядные тяжелые ионы различных элементов - бора, углерода, азота, кислорода, неона, аргона и других элементов периодической системы.

Чтобы произошла ядерная реакция, необходимо столкновение бомбардирующей частицы с ядром атома мишени. Если частица обладает достаточно большой энергией, то она может настолько глубоко проникнуть к ядру, что сольется с ним. Так как все перечисленные выше частицы, кроме нейтрона, несут положительные заряды, то, сливаясь с ядром, они увеличивают его заряд. А изменение значения Z и означает превращение элементов: синтез элемента с новым значением заряда ядра.

Чтобы найти способ ускорять бомбардирующие частицы, придавать им большую энергию, достаточную для их слияния с ядрами, изобрели и сконструировали специальный ускоритель частиц- циклотрон. Затем построили специальную фабрику новых элементов - ядерный реактор. Его прямое назначение- вырабатывать ядерную энергию. Но поскольку в нем всегда существуют интенсивные потоки нейтронов, то их легко использовать для целей искусственного синтеза. Нейтрон не имеет заряда, и потому его не надо (да и невозможно) ускорять. Напротив, медленные нейтроны оказываются более полезными, чем быстрые.

Химикам пришлось изрядно поломать голову и проявить подлинные чудеса изобретательности, чтобы разработать способы отделения ничтожных количеств новых элементов от вещества мишени. Научиться изучать свойства новых элементов, когда в наличии были считанные количества их атомов...

Трудами сотен и тысяч ученых в периодической системе было заполнено восемнадцать новых клеток.

Четыре - в ее старых границах: между водородом и ураном.

Четырнадцать - за ураном.

Вот как все это происходило...

Технеций, прометий, астат, франций... Четыре места в периодической системе долго оставались пустыми. Это были клетки № 43, 61, 85 и 87. Из четырех элементов, которые должны были занять эти места, три предсказаны Менделеевым: экамарганец - 43, экаиод - 85 и экацезий - 87. Четвертый - № 61 - должен был принадлежать к редкоземельным элементам.

Эти четыре элемента были неуловимы. Усилия ученых, направленные на их поиски в природе, оставались безуспешными. С помощью периодического закона давно уже были заполнены все остальные места в таблице Менделеева - от водорода до урана.

Не один раз в научных журналах появлялись сообщения об открытии этих четырех элементов. Экамарганец "открывали" в Японии, где ему дали имя "ниппоний", в Германии назвали "мазурий". Элемент № 61 "открывали" в разных странах по крайней мере трижды, он получал имена "иллиний", "Флоренции", "цикл оний". Экаиод находили в природе также неоднократно. Ему давали имена "алабамий", "гельвеций". Экацезий, в свою очередь, получал названия "Виргинии", "Молдавии". Некоторые из этих названий попадали в различные справочники и даже проникали в школьные учебники. Но все эти открытия не подтверждались: каждый раз точная проверка показывала, что допущена ошибка, и случайные ничтожные примеси были приняты за новый элемент.

Долгие и трудные поиски привели наконец к открытию в природе одного из неуловимых элементов. Оказалось, что экацезий, который должен занимать в периодической таблице 87-е место, возникает в цепочке распада природного радиоактивного изотопа урана-235. Это короткоживущий радиоактивный элемент.

Элемент № 87 заслуживает того, чтобы о нем рассказать подробнее.

Теперь в любой энциклопедии, в любом учебнике по химии читаем: франций (порядковый № 87) открыт в 1939 г. французским ученым Маргаритой Перей. Кстати сказать, это третий случай, когда честь открытия нового элемента принадлежит женщине (раньше Мария Кюри открыла полоний и радий, Ида Ноддак - рений).

Как Перей все лее удалось поймать неуловимый элемент? Вернемся на много лет назад. В 1914 г. три австрийских радиохимика - С. Мейер, В. Гесс и Ф. Панет - занялись изучением радиоактивного распада изотопа актиния с массовым числом 227. Было известно, что он входит в семейство актиноурана и испускает β-частицы; следовательно, продукт его распада торий. Однако у ученых мелькали смутные подозрения, что актиний-227 в редких случаях испускает и α-частицы. Иными словами, здесь наблюдается один из примеров радиоактивной вилки. Легко сообразить: в ходе такого превращения должен образовываться изотоп элемента № 87. Мейер и его коллеги действительно наблюдали α-частицы. Требовались дальнейшие исследования, но они были прерваны первой мировой войной.

Маргарита Перей шла по тому же пути. Но в ее распоряжении были более чувствительные приборы, новые, усовершенствованные методы анализа. Поэтому-то ей и сопутствовал успех.

Франций относят к числу искусственно синтезированных элементов. Но все-таки сначала элемент был обнаружен в природе. Это изотоп франций-223. Его период полураспада составляет всего 22 минуты. Становится понятным, почему франция так мало на Земле. Во-первых, из-за своей недолговечности он не успевает концентрироваться в сколь-либо заметных количествах, во-вторых, сам процесс его образования отличается невысокой вероятностью: всего 1,2% ядер актиния-227 распадается с испусканием α-частиц.

В связи с этим франций выгоднее приготовлять искусственным путем. Уже получено 20 изотопов франция, и самый долгоживущий из них - франций-223. Работая с совершенно ничтожными количествами солей франция, химики сумели доказать, что по своим свойствам он чрезвычайно похож: на цезий.

Элементы № 43, 61 и 85 оставались неуловимыми. В природе их никак не удавалось найти, хотя ученые уже владели могучим методом, безошибочно указывающим путь для поиска новых элементов, - периодическим законом. Все химические свойства неизвестного элемента благодаря этому закону были известны ученым заранее. Так почему же были безуспешны поиски этих трех элементов в природе?

Изучая свойства атомных ядер, физики пришли к выводу: у элементов с атомными номерами 43, 61, 85 и 87 не могут существовать стабильные изотопы. Они могут быть только радиоактивными, с короткими периодами полураспада и должны быстро исчезать. Поэтому все эти элементы были созданы человеком искусственно. Пути для создания новых элементов были указаны периодическим законом. Попробуем с его помощью сами наметить путь синтеза экамарганца. Этот элемент № 43 был первым искусственно созданным.

Химические свойства элемента определяются его электронной оболочкой, а она зависит от заряда атомного ядра. В ядре элемента № 43 должно быть 43 положительных заряда, и вокруг ядра должны вращаться 43 электрона. Как же можно создать элемент с 43 зарядами в атомном ядре? Как можно доказать, что такой элемент создан?

Рассмотрим внимательно, какие элементы в периодической системе располагаются у пустого места, предназначенного для элемента № 43. Оно находится почти в середине пятого периода. На соответствующих местах в четвертом периоде стоит марганец, а в шестом - рений. Поэтому химические свойства 43-го элемента должны быть похожи на свойства марганца и рения. Недаром Д. И. Менделеев, предсказавший этот элемент, назвал его экамарганцем. Слева от 43-ей клетки находится молибден, занимающий клетку 42, справа, в 44-й - рутений.

Следовательно, чтобы создать элемент № 43, необходимо увеличить число зарядов в ядре атома, имеющего 42 заряда, еще на один элементарный заряд. Поэтому для синтеза нового элемента № 43 нужно взять в качестве исходного сырья молибден. У него в ядре как раз 42 заряда. Одним положительным зарядом обладает самый легкий элемент- водород. Итак, можно ожидать, что элемент № 43 может быть получен в результате ядерной реакции между молибденом и водородом.

Свойства элемента № 43 должны быть сходными с химическими свойствами марганца и рения, и, для того чтобы обнаружить и доказать образование этого элемента, нужно воспользоваться химическими реакциями, аналогичными тем, с помощью которых химики определяют присутствие малых количеств марганца и рения. Вот каким образом периодическая система дает возможность наметить путь для создания искусственного элемента.

Точно таким же путем, который мы только что наметили, и был создан в 1937 г. первый искусственный химический элемент. Он получил знаменательное имя- технеций - первый элемент, изготовленный техническим, искусственным путем. Вот как был осуществлен синтез технеция. Пластинка молибдена подвергалась интенсивной бомбардировке ядрами тяжелого изотопа водорода - дейтерия, которые были разогнаны в циклотроне до огромной скорости.

Ядра тяжелого водорода, получившие очень большую энергию, проникли в ядра молибдена. После облучения в циклотроне пластинка молибдена была растворена в кислоте. Из раствора было выделено с помощью тех же реакций, которые необходимы для аналитического определения марганца (аналог элемента № 43), ничтожное количество нового радиоактивного вещества. Это и был новый элемент- технеций. Вскоре были подробно изучены его химические свойства. Они точно соответствуют положению элемента в менделеевской таблице.

Теперь технеций стал вполне доступным: он образуется в довольно больших количествах в атомных реакторах. Технеций хорошо изучен, уже практически используется. С помощью технеция исследуют процесс коррозии металлов.

Метод, каким был создан 61-й элемент, очень похож на метод, которым получают технеций. Элемент №61 должен быть редкоземельным элементом: 61-я клетка находится между неодимом (№ 60) и самарием (№ 62). Новый элемент впервые был получен в 1938 г. в циклотроне бомбардировкой неодима ядрами дейтерия. Химическим путем 61-й элемент был выделен лишь в 1945 г. из осколочных элементов, образующихся в ядерном реакторе в результате деления урана.

Элемент получил символическое имя прометий. Это название было дано ему неспроста. Древнегреческий миф рассказывает о том, что титан Прометей похитил с неба огонь и передал его людям. За это он был наказан богами: его приковали к скале, и громадный орел ежедневно терзал его. Название "прометий" не только символизирует драматический путь похищения наукой у природы энергии ядерного деления и овладения этой энергией, но и предостерегает людей от страшной военной опасности.

Прометий теперь получают в немалых количествах: его используют в атомных батарейках- источниках постоянного тока, способных действовать без перерыва несколько лет.

Аналогичным путем был синтезирован и самый тяжелый галоген- экаиод- элемент № 85. Он впервые был получен бомбардировкой висмута (№ 83) ядрами гелия (№ 2), ускоренными в циклотроне до больших энергий.

Ядра гелия, второго элемента в периодической системе, обладают двумя зарядами. Поэтому для синтеза 85-го элемента был взят висмут - 83-й элемент. Новый элемент назван астатом (неустойчивый). Он радиоактивен, быстро исчезает. Его химические свойства также оказались точно соответствующими периодическому закону. Он похож: на иод.

Трансурановые элементы.

Много труда положили химики, разыскивая в природе элементы тяжелее урана. Не раз в научных журналах появлялись торжествующие извещения о "достоверном" открытии нового "тяжелого" элемента с атомной массой большей, чем у урана. Например, элемент № 93 "открывали" в природе многократно, он получал имена "богемий", "секваний". Но эти "открытия" оказывались следствием ошибок. Они характеризуют трудность точного аналитического определения ничтожных следов нового неизвестного элемента с неизученными свойствами.

Результат этих поисков был отрицательным, потому что элементов, соответствующих тем клеткам таблицы Менделеева, которые должны быть расположены за 92-й клеткой, на Земле практически нет.

Первые попытки искусственно получить новые элементы тяжелее урана связаны с одной из замечательных ошибок в истории развития науки. Было замечено, что под влиянием потока нейтронов многие элементы становятся радиоактивными и начинают испускать β-лучи. Ядро атома, потеряв отрицательный заряд, сдвигается в периодической системе на одну клетку вправо, и его порядковый номер становится на единицу больше - происходит превращение элементов. Так под воздействием нейтронов обычно образуются более тяжелые элементы.

Попытались подействовать нейтронами и на уран. Ученые надеялись, что так же, как и у других элементов, у урана при этом появится β-активность и в результате β-распада возникнет новый элемент с номером, на единицу большим. Он-то и займет 93-ю клетку в системе Менделеева. Высказывали предположение, что этот элемент должен быть похож: на рений, поэтому его заранее назвали экарением.

Первые опыты, казалось, сразу же подтвердили такое предположение. Даже больше- обнаружилось, что при этом возникает не один новый элемент, а несколько. Были опубликованы сообщения о пяти новых элементах тяжелее урана. Кроме экарения были "обнаружены" экаосмий, экаиридий, экаплатина и эказолото. И все открытия оказались ошибкой. Но то была амечательная ошибка. Она привела науку к величайшему из достижений физики за всю историю человечества- к открытию деления урана и овладению энергией атомного ядра.

Никаких трансурановых элементов в действительности не было найдено. У странных новых элементов тщетно пытались найти предполагаемые свойства, которыми должны были обладать элементы от экарения да эказолота. И вдруг среди этих элементов неожиданно были обнаружены радиоактивный барий и лантан. Не трансурановые, а самые обычные, но радиоактивные изотопы элементов, места которых находятся в середине периодической системы Менделеева.

Прошло немного времени, и этот неожиданный и очень странный результат был правильно понят.

Почему из атомных ядер урана, стоящего в конце периодической системы элементов, при действии нейтронов образуются ядра элементов, места которых находятся в ее середине? Например, при действии нейтронов на уран возникают элементы, соответствующие следующим клеткам периодической системы:

Много элементов было найдено в невообразимо сложной смеси радиоактивных изотопов, образующихся в уране, облученном нейтронами. Хотя они оказались старыми, давно знакомыми химикам элементами, в то же время это были новые вещества, впервые созданные человеком.

В природе нет радиоактивных изотопов брома, криптона, стронция и многих других из тридцати четырех элементов - от цинка до гадолиния, возникающих при облучении урана.

В науке часто так бывает: самое загадочное и самое сложное оказывается простым и ясным, когда оно разгадано и понято. Когда нейтрон попадает в ядро урана, оно раскалывается, расщепляется на два осколка - на два атомных ядра меньшей массы. Эти осколки могут быть различного размера, поэтому-то и образуется так много различных радиоактивных изотопов обычных химических элементов.

Одно атомное ядро урана (92) распадается на атомные ядра брома (35) и лантана (57), осколки при расщеплении другого могут оказаться атомными ядрами криптона (36) и бария (56). Сумма атомных номеров образующихся осколочных элементов будет равна 92.

Это было началом цепи великих открытий. Вскоре обнаружили, что под ударом нейтрона возникают из ядра атома урана-235 не только осколки - ядра с меньшей массой, но и вылетают два-три нейтрона. Каждый из них, в свою очередь, способен снова вызвать деление ядра урана. А при каждом таком делении выделяется очень много энергии. Это и стало началом овладения человеком внутриатомной энергией.

Среди огромного множества продуктов, возникающих при облучении ядер урана нейтронами, был впоследствии обнаружен остававшийся долгое время незамеченным первый настоящий трансурановый элемент № 93. Он возникал при действии нейтронов на уран-238. По химическим свойствам он оказался весьма сходным с ураном и совсем не был похож: на рений, как это ожидали при первых попытках синтезировать элементы тяжелее урана. Поэтому его и не могли сразу обнаружить.

Первый созданный человеком элемент, лежащий за пределами "естественной системы химических элементов", был назван нептунием по имени планеты Нептун. Его создание расширило для нас границы, определенные самой природой. Так же и предсказанное открытие планеты Нептун расширило границы наших знаний о Солнечной системе.

Вскоре был синтезирован и 94-й элемент. Он был назван в честь последней планеты. Солнечной системы.

Его назвали плутонием. В периодической системе Менделеева он следует по порядку за нептунием, аналогично "последней планете Солнечной* системы Плутону, орбита которой лежит за орбитой Нептуна. Элемент № 94 возникает из нептуния при его β-распаде.

Плутоний - единственный из трансурановых элементов, который теперь получают в атомных реакторах в очень больших количествах. Так же как и уран-235, он способен делиться под действием нейтронов и применяется как топливо в атомных реакторах.

Элементы № 95 и № 96 носят названия америций и кюрий. Их также получают теперь в атомных реакторах. Оба элемента обладают очень большой радиоактивностью - испускают α-лучи. Радиоактивность этих элементов настолько велика, что концентрированные растворы их солей нагреваются, закипают и очень сильно светятся в темноте.

Все трансурановые элементы - от нептуния до америция и кюрия- были получены в достаточно больших количествах. В чистом виде это металлы серебристого цвета, все они радиоактивны и по химическим свойствам в чем-то похожи друг на друга, а в чем-то заметно различаются.

Был выделен в чистом виде и 97-й элемент - берклий. Для этого пришлось поместить чистый препарат плутония внутрь ядерного реактора, где он целых шесть лет находился под действием мощного потока нейтронов. За это время в нем накопилось несколько микрограммов элемента № 97. Плутоний извлекли из атомного реактора, растворили в кислоте и из смеси выделили наиболее долгоживущий берклий-249. Он сильно радиоактивен - за год распадается наполовину. Пока удалось получить только несколько микрограммов берклия. Но этого количества хватило ученым, чтобы точно изучить его химические свойства.

Очень интересен элемент № 98 - калифорний, шестой после урана. Калифорний впервые был создан посредством бомбардировки мишени из кюрия α-частицами.

Увлекательна история синтеза двух следующих трансурановых элементов: 99-го и 100-го. Впервые они были найдены в облаках и в "грязи". Чтобы изучить, что образуется при термоядерных взрывах, самолет пролетал сквозь взрывное облако, и на бумажные фильтры были собраны пробы осадка. В этом осадке и были найдены следы двух новых элементов. Чтобы получить более точные данные, на месте взрыва собрали большое количество "грязи" - измененной взрывом почвы и горной породы. Эту "грязь" переработали в лаборатории, и из нее выделили два новых элемента. Их назвали эйнштейнием и фермием, в честь ученых А. Эйнштейна и Э. Ферми, которым человечество в первую очередь обязано открытием путей овладения атомной энергией. Эйнштейну принадлежит закон эквивалентности массы и энергии, а Ферми построил первый атомный реактор. Теперь эйнштейний и фермий получают и в лабораториях.

Элементы второй сотни.

Еще не так давно едва ли кто мог поверить, что в таблицу Менделеева будет включен символ сотого элемента.

Искусственный синтез элементов сделал свое дело: на короткое время фермий замкнул список известных химических элементов. Помыслы ученых были теперь устремлены вдаль, к элементам второй сотни.

Но на пути оказался барьер, преодолеть который было нелегко.

До сих пор физики синтезировали новые трансурановые элементы в основном двумя способами. Либо они обстреливали мишени из трансурановых элементов, уже синтезированных, α-частицами и дейтронами. Либо они бомбардировали уран или плутоний мощными потоками нейтронов. В результате образовывались очень богатые нейтронами изотопы этих элементов, которые после нескольких последовательных β-распадов превращались в изотопы новых трансуранов.

Однако в середине 50-х годов обе эти возможности себя исчерпали. В ядерных реакциях удавалось получить невесомые количества эйнштейния и фермия, и потому из них нельзя было изготовить мишени. Нейтронный метод синтеза также не позволял продвинуться дальше фермия, так как изотопы этого элемента подвергались спонтанному делению с гораздо большей вероятностью, чем β-распаду. Понятно, что в таких условиях не имело смысла говорить о синтезе нового элемента.

Поэтому очередной шаг физики сделали только тогда, когда им удалось накопить минимально необходимое для мишени количество элемента № 99. Это случилось в 1955 г.

Одним из самых примечательных достижений, которым по справедливости может гордиться наука, следует назвать создание 101-го элемента.

Этот элемент получил имя великого творца периодической системы химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева.

Менделевий был получен следующим образом. На листочек тончайшей золотой фольги нанесли невидимое покрытие, состоящее приблизительно из одного миллиарда атомов эйнштейния. Альфа-частицы с очень большой энергией, пробивая золотую фольгу с обратной стороны, при соударении с атомами эйнштейния могли вступать в ядерную реакцию. В результате образовались атомы 101-го элемента. При таком соударении атомы менделевия вылетали с поверхности золотой фольги и собирались на другом, расположенном рядом тончайшем золотом листочке. Таким остроумным путем удалось выделить в чистом виде атомы 101-го элемента из сложной смеси эйнштейния и продуктов его распада. Невидимый налет смывался кислотой и подвергался радиохимическому исследованию.

Поистине это было чудом. Исходным материалом для создания 101-го элемента в каждом отдельном опыте служил приблизительно один миллиард атомов эйнштейния. Это очень малозначительно меньше одной миллиардной доли миллиграмма, а получить эйнштейний в большем количестве было невозможно. Заранее подсчитали, что из миллиарда атомов эйнштейния при многочасовой бомбардировке α-частицами может прореагировать всего только один-единственный атом эйнштейния и, следовательно, может образоваться только один атом нового элемента. Нужно было не только суметь его обнаружить, но и сделать это так, чтобы выяснить по одному лишь атому химическую природу элемента.

И это было сделано. Успех опыта превзошел расчеты и ожидания. Удалось заметить при одном эксперименте не один, а даже два атома нового элемента. Всего в первой серии опытов было получено семнадцать атомов менделевия. Этого оказалось достаточно, чтобы установить и факт образования нового элемента, и его место в периодической системе и определить его основные химические и радиоактивные свойства. Оказалось, что это α-активный элемент с периодом полураспада около получаса.

Менделевий - первый элемент второй сотни - оказался своеобразной вехой на пути синтеза трансурановых элементов. До сих пор он остается последним из тех, которые были синтезированы старыми методами - облучением α-частицами. Теперь на сцену вышли более могучие снаряды - ускоренные многозарядные ионы различных элементов. Определение химической природы менделевия по считанному числу его атомов положило начало совершенно новой научной дисциплине - физикохимии единичных атомов.

Символ элемента № 102 No - в периодической системе взят в скобки. И в скобках этих заключена долгая и сложная история этого элемента.

О синтезе нобелия сообщила в 1957 г. интернациональная группа физиков, работавших в Нобелевском институте (Стокгольм). Впервые для синтеза нового элемента были применены тяжелые ускоренные ионы. В их качестве выступили ионы 13 С, поток которых направлялся на кюриевую мишень. Исследователи пришли к выводу, что им удалось синтезировать изотоп 102-го элемента. Ему дали название в честь основателя Нобелевского института изобретателя динамита Альфреда Нобеля.

Прошел год, и опыты стокгольмских физиков были воспроизведены почти одновременно в Советском Союзе и США. И выяснилась удивительная вещь: результаты советских и американских ученых не имели ничего общего ни с работами Нобелевского института, ни между собой. Никому и нигде более не удалось повторить эксперименты, проведенные в Швеции. Такая ситуация породила довольно грустную шутку: "От нобелия остался один No" (No - в переводе с английского означает "нет"). Символ, поспешно помещенный в менделеевскую таблицу, не отражал действительного открытия элемента.

Достоверный синтез элемента № 102 совершила группа физиков из Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований. В 1962-1967 гг. советские ученые синтезировали несколько изотопов элемента № 102 и изучили его свойства. Подтверждение этих данных было получено в США. Однако символ No, не имея на то никакого права, до сих пор находится в 102-й клетке таблицы.

Лоуренсий, элемент № 103 с символом Lw, названный так в честь изобретателя циклотрона Э. Лоуренса, был синтезирован в 1961 г. в США. Но здесь не меньшая заслуга и советских физиков. Они получили несколько новых изотопов лоуренсия и впервые изучили свойства этого элемента. Лоуренсий также появился на свет благодаря использованию тяжелых ионов. Мишень из калифорния облучалась ионами бора (или америциевая мишень - ионами кислорода).

Элемент № 104 впервые был получен советскими физиками в 1964 г. К его синтезу приводила бомбардировка плутония ионами неона. 104-й элемент получил название курчатовия (символ Ки) в честь выдающегося советского физика Игоря Васильевича Курчатова.

105-й и 106-й элементы также впервые удалось синтезировать советским ученым - в 1970 и в 1974 гг. Первый из них- продукт бомбардировки америция ионами неона- был назван нильсборием (Ns) в честь Нильса Бора. Синтез другого осуществлялся следующим образом: мишень из свинца бомбардировалась ионами хрома. Синтезы 105-го и 106-го элементов были осуществлены также и в США.

Вы узнаете об этом в следующей главе, а настоящую мы завершим кратким рассказом о том,

как изучают свойства элементов второй сотни.

Фантастически трудная задача стоит перед экспериментаторами.

Вот ее исходные условия: даны считанные количества (десятки, в лучшем случае сотни) атомов нового элемента, причем атомов весьма короткоживущих (периоды полураспада измеряются секундами, а то и долями секунды). Требуется доказать, что эти атомы - атомы действительно нового элемента (т. е. определить значение Z, а также величину массового числа А, чтобы знать, о каком изотопе нового трансурана идет речь), и изучить его важнейшие химические свойства.

Считанные атомы, ничтожная продолжительность жизни...

На помощь ученым приходят быстрота и высочайшая изобретательность. Но современный исследователь - специалист по синтезу новых элементов - должен не только уметь "подковать блоху". Он должен и в совершенстве владеть теорией.

Проследим за теми основными шагами, посредством которых производят идентификацию нового элемента.

Важнейшей визитной карточкой в первую очередь служат радиоактивные свойства- это может быть испускание α-частиц или спонтанное деление. Каждое α-активное ядро характеризуется специфическими величинами энергии α-частиц. Это обстоятельство позволяет либо опознать известные ядра, либо сделать вывод о том, что обнаружены новые. Например, изучая особенности α-частиц, ученые сумели получить достоверное доказательство синтеза 102-го и 103-го элементов.

Энергичные осколочные ядра, образующиеся в результате деления, обнаружить значительно легче, чем α-частицы, вследствие гораздо большей энергии осколков. Для их регистрации употребляются пластинки, сделанные из стекла специального сорта. Осколки оставляют на поверхности пластинок чуть заметные следы. Затем пластинки проходят химическую обработку (травление), и их внимательно рассматривают под микроскопом. Стекло растворяется в плавиковой кислоте.

Если стеклянную пластинку, обстрелянную осколками, поместить в раствор плавиковой кислоты, то в местах, куда попали осколки, стекло будет растворяться быстрее и там образуются лунки. Их размеры в сотни раз больше первоначального следа, оставленного осколком. Лунки можно наблюдать в микроскоп со слабым увеличением. Другие радиоактивные излучения наносят поверхности стекла меньшие повреждения и не просматриваются после травления.

Вот что рассказывают авторы синтеза курчатовия о том, как происходил процесс опознания нового элемента: "Идет опыт. Сорок часов беспрерывно бомбардируют ядра неона плутониевую мишень. Сорок часов лента несет синтетические ядра к стеклянным пластинкам. Наконец циклотрон выключен. Стеклянные пластинки переданы на обработку в лабораторию. С нетерпением ждем результата. Проходит несколько часов. Под микроскопом обнаружено шесть треков. По их положению вычислили период полураспада. Он оказался в интервале времени от 0,1 до 0,5 с.

А вот как те же исследователи рассказывают об оценке химической природы курчатовия и нильсбория. "Схема исследования химических свойств элемента № 104 такова. Атомы отдачи выходят из мишени в струю азота, тормозятся в ней, а затем хлорируются. Соединения 104-го элемента с хлором легко проникают через специальный фильтр, а все актиноиды не проходят. Если 104-й принадлежал бы к актиноидному ряду, то и он бы задержался фильтром. Однако исследования показали, что 104-й элемент - это химический аналог гафния. Это важнейший шаг к заполнению таблицы Менделеева новыми элементами.

Затем в Дубне были изучены химические свойства 105-го элемента. Оказалось, что его хлориды адсорбируются на поверхности трубки, по которой они движутся от мишени при температуре более низкой, чем хлориды гафния, но более высокой, чем хлориды ниобия. Так могли бы вести себя только атомы элемента, близкого по химическим свойствам к танталу. Посмотрите на таблицу Менделеева: химический аналог тантала - элемент № 105! Поэтому опыты по адсорбции на поверхности атомов 105-го элемента подтвердили, что его свойства совпадают с предсказанными на основе периодической системы".

«Искусственные спутники Земли» - Есть ли у Земли естественный спутник? Вечер. Соедините два круга длиной планкой. Наблюдают за состоянием лесов, полей, за пожарами. Полученные результаты заносятся в тетрадь. Спутники-наблюдатели. Взаимное притяжение Солнца и Земли. Люди научились выводить спутники на орбиту. Какова тема урока? Спутники-исследователи.

«Органическая шерсть» - Размеры: Рост 44, недоношенные, маловесные Рост 50, 0-3 мес. Рост 86, 1-2 года Чепчик и шапочка-шлем. Содержите малыша в комфортном тепле и не сковывает движения. Конверт для автокресла. Рост 44, недоношенные, маловеные Рост 50, 0-3 мес. Наружный шов не раздражает детскую кожу. Энергетика шерсти похожа на энергетику мамы.

«Шиповые соединения» - Проушины и гнезда получают с помощью долот и стамесок. Для упрочнения соединений применяют нагели. Размечают шипы и проушины с обеих сторон заготовки. Из клеевых соединений наиболее распространены шиповые. Диаметр сверла должен быть равен диаметру шканта. Детали и шканты там изготовляют станочники, а соединяют сборщики.

«Органические вещества» - Предмет органической химии. Сравните данное понятие с понятием «степень окисления». Строение молекулы пропана С3 Н8 отражают формулы: Приведите конкретные примеры. Валентность. Например, химическое строение метана: 3.Теория химического строения. 4. Вопросы и задания. Структурная формула. Сокращённая структурная формула.

«Развитие органической химии» - Азимов А.Н. Краткая история химии. Лекции. Проследить эволюцию химических идей и представлений в период от предыстории до настоящего времени. Тенденции развития органической химии. Презентация. Познакомиться с достижениями, современным состоянием и перспективами развития химии. Ремесленная органическая химия: пивоварение, виноделие, изготовление лекарств, красителей.

«Искусственный отбор Дарвин» - Выведение селекционерами 150 пород голубей, множества пород собак, сортов капусты… Учение Ч. Дарвина об искусственном отборе. Методы селекции. Лабораторная работа «Сравнение пород животных». Изучение Ч. Дарвином практики сельского хозяйства Англии. Искусственный отбор – процесс создания новых пород животных и сортов культурных растений путём систематического отбора и размножения особей с определёнными, ценными для человека признаками и свойствами.

Вследствие ограниченности размеров дерева создание из него строительных конструкций больших пролетов или высоты невозможно без соединения отдельных элементов. Соединения деревянных элементов для увеличения поперечного сечения конструкции называют сплачиванием , а для увеличения их продольной длины - сращиванием, под углом и прикрепление к опорам – анкеровкой.

По характеру работы все основные соединения делятся на:

Без специальных связей (лобовые упоры, врубки);

Со связями, работающими на сжатие (шпонки колодки);

Со связями, работающими на изгиб (болты, стержни, гвозди, винты, пластинки);

Со связями, работающими на растяжение (болты, винты, хомуты);

Со связями, работающими на сдвиг-скалывание (клеевые швы).

По характеру работы соединений деревянных конструкций делятся на податливые и жесткие. Податливые изготавливаются без применения клеев. Деформации в них образуются в результате неплотностей.

Соединения элементов деревянных конструкций по способу передачи усилий разделяются на следующие виды:

1) соединения, в которых усилия передаются непосредственным упором контактных поверхностей соединяемых элементов, например примыканием в опорных частях элементов, врубкой и т.д.;

2) соединения на механических связях;

3) соединения на клеях.

Механическими в соединениях деревянных конструкций называют рабочие связи различных видов из твердых пород древесины, стали, различных сплавов или пластмасс, которые могут вставляться, врезаться, ввинчиваться или запрессовываться в тело древесины соединяемых элементов. К механическим связям, наиболее широко применяемым в современных деревянных конструкциях, относятся шпонки, нагели, болты глухари, гвозди, шурупы, шайбы шпоночного типа, нагельные пластинки и металлические зубчатые пластинки.

Несущая способность и деформативность деревянных конструкций зависит в большей мере от способа соединения их отдельных элементов. Соединения растянутых деревянных элементов как правило связано с их местным ослаблением. В ослабленном сечении растянутых деревянных элементов наблюдается концентрация опасных, не учитываемых расчетом местных напряжений. Наибольшую опасность в стыковых и узловых соединениях растянутых деревянных элементов представляют сдвигающие и раскалывающие напряжения. Она усугубляется в случае наложения этих напряжений на напряжения, которые возникают в древесине вследствие ее усушки.

Скалывание и разрыв вдоль и поперек волокон относятся к хрупким видам работы древесины. В отличие от работы строительной стали в древесине не происходит в этих случаях пластического выравнивания напряжений. Для того, чтобы уменьшить опасность последовательного, по частям, хрупкого разрушения от скалывания или разрыва в растянутых элементах деревянных конструкций, приходится обезвреживать природную хрупкость древесины вязкой податливостью работы их соединений. К наиболее вязким видам работы древесины, характеризуемой наибольшим количеством работы прочного сопротивления, относится смятие. Другими словами, требование вязкости, предъявляемое к соединениям всех видов элементов деревянных конструкций, сводится к требованию обеспечения выравнивания напряжений в параллельно работающих брусьях или досках, использованием вязкой податливости работы древесины на смятие, прежде чем могло бы произойти хрупкое разрушение от разрыва или скалывания.

Для придания вязкости соединениям растянутых деревянных элементов как правило используют принцип дробности, позволяющий избежать опасности скалывания древесины увеличением площади скалывания (нарисовать соединение с одним болтом и с несколькими меньшего диаметра).

Контактные соединения деревянных элементов. Лобовая врубка.

При контактных соединениях деревянных элементов подразумевают соединения, в которых усилия от одного элемента к другому передаются через их обработанные и опиленные контактные поверхности. Дополнительно поставленные в таких соединениях рабочие связи несут функцию фиксации отдельных элементов и служат аварийными связями. При контактных соединениях решающим оказывается работа древесины на смятие. Преимуществом соединения простым опиранием является незначительное влияние на их работу деформаций древесины при колебаниях температурно-влажностного режима, особенно если силы сжатия соединенных элементов направлены вдоль волокон. Контактные соединения с сжатием перпендикулярно к волокнам встречаются в соединениях стоек в местах примыкания к горизонтальным ригелям, опираний прогонов, балок, ферм на стены. В этих случаях расчет сводится к определению проверки напряжений смятия по контактным поверхностям и сравнению их с расчетным сопротивлением. Сопротивление древесины поперек волокон мало, то при действии больших усилий приходится увеличивать опорные площади или контактные поверхности соединяемых элементов. Способы показаны на рисунке.

При отсутствии возможности увеличения площади контакта, применяют накладки с боковых сторон из фанеры на нагелях или клею, которые распределяют нагрузку на большую глубину элемента. Ещё один метод усиления клееных балок в опорной части, разработанный в нашей стране, заключается в выпиливании угла опирания под углом 45º, его разворот на 90º и его вклеивания. Этим достигается максимальное сопротивление древесины смятию (вдоль волокон).

Контактные соединения деревянных элементов с действием сил вдоль волокон встречаются при наращивании стоек по длине. В этом случае сопротивление смятию максимально, но возникает опасность взаимопроникновения деревянных элементов из-за того, что более плотные слои одного элемента могут совпасть с менее плотными другого. Чтобы предотвратить смещение концов устанавливают цилиндрические нагели в торцах или боковые накладки. Расчет на смятие в этом случае не проводят, ограничиваясь расчетом на продольный изгиб.

Работа древесины на смятие под углом возникает при соединении наклонных элементов (см рис. верхний пояс ферм). Проверяют на смятие под углом.

Лобовая врубка. Врубка – соединение, в котором усилие элемента, работающего на сжатие, передается другому элементу непосредственно без вкладышей или рабочих связей. Основной областью применения являются узловые соединения в брусчатых и бревенчатых фермах, в том числе в опорных узлах примыкания сжатого верхнего пояса растянутому нижнему. Соединяемые элементы должны быть скреплены вспомогательными связями – болтами, хомутами, скобами, которые рассчитывают на монтажные нагрузки.

Лобовая врубка может утратить несущую способность при достижении одного из 3 предельных состояний:1) по смятию площадки упора,2) по скалыванию площадки упора,3) по разрыву ослабленного врубкой нижнего пояса.

Площадь смятия определяется глубиной врубки, которая может быть не более1/3 высоты растянутого элемента. Решающее значение, как правило, имеет несущая способность врубки из условия скалывания. Согласно СНиП II-25-80,лобовую врубку на скалывание для угла 45º рассчитывают определением среднего по длине площадки скалывания напряжения сдвига по формуле: , где - расчетное сопротивление древесины скалыванию, - расчетная длина площади скалывания, е –плечо сил сдвига, -=0,25 коэффициент. Для угла в 30º: .

Соединения на шпонках и шайбах шпоночного типа.

Шпонки – это вкладыши из твердых пород древесины, стали или из пластмасс, которые устанавливаются между сплачиваемыми элементами и препятствуют сдвигу. Различают призматические деревянные продольные шпонки, когда направления волокон древесины шпонок и соединяемых элементов совпадают, и поперечные, когда направление волокон перпендикулярны. Призматические шпонки работают на смятие и скалывание. Возможно применение металлических тавровых шпонок. Отличительный признак шпонок – появление опрокидывающего момента и как результат этого возникновение распора между соединяемыми элементами. Для восприятия распора необходимо устанавливать стяжные болты. Длину шпонки принимают не менее . Глубину врезки шпонок в брусья следует принимать не менее 2 см и не более 1/5 высоты бруса, а бревна – не менее 3 см и не более ¼ диаметра бревна.

Расчет соединений на шпонках сводится к проверке несущей способности по смятию и скалыванию. При расчете в многорядовых соединениях вводят коэффициент 0,7, из-за неравномерного распределения усилий.

Для соединения деревянных конструкций под различными углами в узлах ставят круглые центровые шпонки со стяжным болтом в центре.

Наибольшее распространение нашли шайбы шпоночного типа. Соединения на зубчатых шпонках характеризуются высокой несущей способностью и вязкостью. Их вдавливают в тело древесины ударным способом или специальными зажимами. К недостаткам относится: образование трещин в сопрягаемых элементах, уменьшение несущей способности из-за неравномерности запрессовки шпонок в многорядовых соединениях.

Соединения на нагелях цилиндрических (стальные, дубовые, пластиковые, алюминиевые, гвозди, шурупы, глухари) и пластинчатых.

Нагельные соединения со вставками в узлах и на металлических зубчатых (гвоздевых) пластинках.

Нагельные соединения со вставками в узлах

Когда в узлах действуют большие усилия или соединяются несколько элементов, обеспечить передачу усилий через контактные поверхности всех сопрягаемых элементов сложно. В таких случаях целесообразно использовать различные вставки в виде узловых пластин, которые увеличивают площадь узла и одновременно создают многосрезность рабочих связей. В качестве узловых вставок чаще всего применяют пластинки из стали и фанеры. Они могут располагаться снаружи (накладки) и присоединяться снаружи к древесине соединяемых элементов с помощью односрезных нагелей или располагаться внутри деревянного элемента (прокладки) в специальных разрезах с тем, чтобы рабочие связи могли работать как многосрезные нагели.

Соединения с накладками и прокладками на болтах или глухих цилиндрических нагелях допускаются в тех случаях, когда обеспечена необходимая плотность постановки нагелей. Глухие стальные цилиндрические нагели должны иметь заглубление не менее 5 диаметров нагеля. Передача усилий от одного деревянного элемента другому происходит последовательно через нагели, пластинку и нагели другого деревянного элемента. Сечение пластинок назначают из условия расчета на растяжение по ослабленному сечению и обеспечения прочности на смятие в гнезде под нагелем. В нагельных соединениях обычно применяют стальные пластинки толщиной не менее 5 мм. Отверстия гнезда под нагели сверлят как правило одновременно в дереве и в пластинке. При этом если прокладки стальные, первый раз делают отверстие сверлом с d, соответствующим гнезду нагеля в деревянном элементе (на 0.2 –0.5 мм меньше d нагеля), затем металлическую пластинку вынимают из разреза и отверстия в ней рассверливают до размера диаметра нагеля.

Технология изготовления этих соединений относительно трудоемка, но оправдана тем, что при размещении металлических элементов внутри древесины (концы нагеля и болтов оставляют ниже поверхности элемента на 2 см и заклеивают сверху деревянной вставкой) повышается огнестойкость деревянных конструкций и их стойкость к действию химически агрессивных сред. Как правило, нагельные соединения со стальными прокладками применяют в узлах клееных элементов большого сечения.

На много проще изготовление соединений на узловых пластинках толщиной не более 2 мм, которые без предварительного просверливания могут быть пробиты на сквозь гвоздями. К таким соединениям относится система «Грейм». Здесь в тонкие прорези вставляются металлические пластики толщиной 1-1.75 мм и пробиваются на сквозь гвоздями.

Соединения деревянных элементов на тонких пластинках системы «Грейм»: а – с трапециевидными пластинками; б – с треугольными пластинками.

Пластинка, находящаяся в разрезе внутри деревянного элемента, при восприятии узловых сжимающих усилий работает на продольный изгиб со свободной длиной, равной расстоянию между рабочими связями, которые скрепляют пластинки с деревянным элементом. Чтобы предупредить выпучивание пластинки, необходимо обеспечить ее плотное прилегание к боковым граням разреза и установить рабочие связи с шагом, при котором не происходит выпучивания пластинки.

Нагельные соединения со стальными накладками и прокладками следует рассматривать также, как и обычные нагельные соединения деревянных элементов, определяя несущую способность нагелей из условия изгиба нагеля и смятия древесины в нагельном гнезде. При этом в расчете из условия изгиба следует принимать наибольшее значение несущей способности нагеля. Стальные накладки и прокладки надо проверять на растяжение по ослабленному сечению и на смятие под нагелем.

Узловые пластинки можно изготавливать и из других, в частности, слоистых материалов. Наибольшее распространение получили соединения деревянных элементов на пластинках из бакелизированной фанеры. Их преимущественно применяют для связевых и других соединений, которые изготавливают непосредственно на строительной площадке. Соединения на фанерных накладках и прокладках осуществляют на цилиндрических нагелях из твердых пород древесины, стали и др., на гвоздях или шурупах. Если фанерные пластинки располагаются снаружи деревянных элементов, то они соединяются односрезными нагелями.

Возможны также многосрезные соединения, если пластинки устанавливают в прорези в деревянных элементах или между их отдельными ветвями. Клеем на основе синтетических смол обрабатывают кромки фанерных листов. Толщину их выбирают в зависимости от диаметра нагеля и из условий работы фанеры на смятие в гнезде. Последние располагают обычно так, чтобы направление волокон наружных слоев фанеры совпадало с направлением волокон соединяемого элемента, в котором действуют большие усилия, или этот угол составляет 45°.

Развитие нагельных соединений с пластинками в узлах привело к появлению нагельных пластин. Одними из первых стали применяться для узловых соединений конструкций с одной или двумя ветвями нагельные пластинки системы «Мениг». Пластинки этой системы изготавливают из пенопласта толщиной 3 мм и слоя синтетической смолы, усиленной стекловолокном толщиной 2 мм. В этой пластинке закреплены сквозные обоюдоострые нагели диаметром от 1.6 мм и длиной по каждую сторону пластинки о 25 мм и более. Толщина соединяемых деревянных элементов может достигать 80 мм.

Нагельные пластинки устанавливают между соединяемыми деревянными элементами. При запрессовке слой пенопласта сжимается и служит контролем для равномерной запрессовки нагелей в оба соединяемых элемента.

По своей работе соединения на нагельных пластинах могут быть сравнены с работой гвоздевых соединений. Несущая способность соединений на пластинах типа «Мениг» составляет 0.75-1.5 Н на 1 мм 2 контактной поверхности.

Соединения для брусчатых деревянных элементов большого сечения на нагельных пластинках большой несущей способности представляют собой металлические пластины с прикрепленными нагелями диаметром 3-4 мм. Нагели могут быть сквозными, запрессованными в отверстиях пластинки, или состоять из двух половин, прикрепляемых к обеим сторонам пластинки точечной сваркой.

Применение соединений на нагельных пластинах требует тщательности изготовления, отбора материала и запрессовки в специальных гидравлических прессах при строгом контроле качества.

Соединения на металлических зубчатых платстинках.

Наибольшее распространения в зарубежной практике строительства получили МЗП системы «Ганг-Нейл».

МЗП представляют собой стальные пластинки толщиной 1-2 мм, на одной стороне которых после штамповки на специальных прессах получаются зубья различной формы и длины. МЗП ставят попарно по обе стороны соединяемы элементов таким образом, чтобы ряды МЗП располагались в направлении волокон присоединяемого деревянного элемента, в котором действуют наибольшие усилия.

Дощатые конструкции с соединениями на металлических зубчатых пластинках следует применять в зданиях V степени огнестойкости без подвесного подъемно-транспортного оборудования с температурно-влажностными условиями эксплуатации А1, А2, Б1 и Б2. Изготовление конструкций должно производиться на специализированных предприятиях или в деревообрабатывающих цехах, оснащенных оборудованием для сборки конструкций, запрессовки МЗП и контрольных испытаний конструкций. Ручная запрессовка МЗП недопустима.

Несущую способность деревянных конструкций на МЗП определяют по условиям смятия древесины в гнездах и изгиба зубьев пластин, а также по условиям прочности пластин при работе на растяжение, сжатие срез.

Материалом для изготовления конструкций служит древесина сосны и ели шириной 100-200 мм, толщиной 40-60 мм. качество древесины должно удовлетворять требованиям СНиП II-25-80, предъявляемых материалам деревянных конструкций.

МЗП рекомендуется изготавливать из листовой углеродистой стали марок 08кп или 10кп по ГОСТ 1050-74 толщиной 1.2 и 2 мм. Антикоррозионную защту МЗП выполняют оцинковкой по ГОСТ 14623-69 или покрытиями на основе алюминия в соответствие с рекомендациями по антикоррозионной защите стальных закладных деталей и сварных соединений сборных ж.б. и бетонных конструкций.

Деревянные конструкции на соединениях с МЗП рассчитывают на усилия, возникающие в период эксплуатации зданий от постоянных и временных нагрузок, а также на усилия, возникающие при транспортировке и монтаже конструкций. Сквозные конструкции рассчитывают с учетом неразрезности поясов и в предположении шарнирного крепления к ним элементов решетки.

Несущая способность соединения на МЗП N c , кН, по условиям смятия древесины и изгиба зубьев пр растяжении, сдвиге и сжатии, когда элементы воспринимают усилия под углом к волокнам древесины, определяют по формуле:

где R – расчетная несущая способность на 1 см 2 рабочей площади соединения, F p – расчетная площадь поверхности МЗП на стыковом элементе, определяемая за вычетом площадей участков пластины в виде полос шириной 10 мм, примыкающих к линиям сопряжения элементов и участков пластины, которые находятся за пределами зоны рационального расположения МЗП, которая ограничивается линиями, параллельными линии стыка, проходящими по обе стороны от нее на расстоянии половины длины линии стыка.

Учет эксцентриситета приложения усилий к МЗП при расчете опорных узлов треугольных ферм осуществляется снижением расчетной несущей способности соединения умножением на коэффициент h, определяемый в зависимости от величины уклона верхнего пояса. Кроме того проверяют саму пластинку на растяжение и срез.

Несущую способность МЗП N p при растяжении находят по формуле:

где b – размер пластины в направлении, перпендикулярном направлению усилия, см, R p – расчетная несущая способность пластины на растяжение, кН/м.

Несущую способность МЗП Q ср при срезе определяют по формуле:

Q ср = 2l ср R cp ,

где l ср – длина среза сечения пластины без учета ослаблений, см, R ср – расчетная несущая способность пластины на срез, кН/м.

При совместном действии на пластину усилий среза и растяжения должно выполняться условие:

(N p /2bR p) 2 + (Q ср /2l ср R cp) 2 £ 1.

При проектировании конструкций на МЗП следует стремиться к унификации типоразмеров МЗП и сечений пиломатериала в одной конструкции. На обеих сторонах узлового соединения должны располагаться МЗП одного типоразмера. Площадь соединения на каждом элементе (с одной стороны от плоскости соединения) должна быть для конструкций пролетом до 12 м не менее 50 см 2 , а для конструкций пролетом до 18 м не менее 75 см 2 . Минимальное расстояние от плоскости соединения элементов должно быть не менее 60 мм. МЗП следует располагать таким образом, чтобы расстояния от боковых кромок деревянных элементов до крайних зубьев были не менее 10 мм.

Соединения на растянутых связях.

К растянутым связям относят гвозди, винты (шурупы и глухари), работающие на выдергивание, скобы, хомуты, стяжные болты и тяжи. Различают связи натяжные и ненатяжные, временные (монтажные) и постоянные. Все виды связей должны быть защищены от коррозии.

Гвозди сопротивляются выдергиванию только усилиями поверхностного трения между ними и древесиной гнезда. Силы трения могут уменьшиться при образовании в древесине трещин, которые снижают силу сжатия гвоздя, поэтому для гвоздей, работающих на выдергивание, обязательно соблюдение тех же норм расстановки, которые приняты для гвоздей, работающих как нагели на изгиб (S 1 = 15d, S 2,3 = 4d).

При статическом приложении нагрузки расчетную несущую способность на выдергивание одного гвоздя, забитого поперек волокон с соблюдением норм расстановки, определяют по формуле:

Т выд £ R выд pd гв l защ,

где R выд – расчетное сопротивление выдергиванию на единицу поверхности соприкосания гвоздя с древесиной, d гв – диаметр гвоздя, l защ – расчетная длина защемленной, сопротивляющейся выдергиванию части гвоздя, м.

В деревянных конструкциях (для временных сооружений) R выд,. При определении Т выд расчетный диаметр гвоздя принимают не более 5 мм, даже в случае использования гвоздей большей толщины.

Расчетная длина защемления гвоздя l защ (без учета острия 1.5d) должна быть не менее 10d и не менее чем две толщины прибиваемой доски. В свою очередь толщина прибиваемой доски должна быть не менее 4d.

Шурупы (винты, завинчиваемые отверткой) и глухари (винты диаметром 12-20 см, завинчиваемые ключом) удерживаются в древесине не только силами трения, но и упором винтовой нарезки в прорезаемые ею в древесине винтовые желобки.

Расстановка шурупов и глухарей и размеры просверленных гнезд должны обеспечивать плотный обжим стержня глухаря древесиной без ее раскалывания. S 1 = 10d, S 2,3 = 5d. Диаметр прилегающей к шву части гнезда должен точно соответствовать диаметру ненарезной части стержня глухаря. Для надежного упора винтовой нарезки выдергиваемого шурупами глухаря диаметр заглубленной части гнезда по всей длине нарезной части глухаря должен быть на 2-4 мм меньше полного его диаметра.

Если при конструировании можно допустить разреженную расстановку шурупов и глухарей диаметром не более 8-16 мм, то сверлят гнезда уменьшенного на 2-3 мм диаметра на всю длину защемления.

При соблюдении указанных требований расчетную несущую способность на выдергивание шурупа или глухаря определяют по формуле:

Т выд £ R выд pd винт l защ,

где R выд – расчетное сопротивление выдергиванию неразрезной части шурупа или глухаря, d винт – наружный диаметр нарезной части, м, l защ –длина нарезной части шурупа или глухаря, м.

Все поправочные коэффициенты к R выд вводят в соответствии с поправками на сопротивление смятию поперек волокон.

Глухари и шурупы лучше всего использовать для крепления к деревянным брусьям и доскам металлических накладок, хомутов, шайб и т.д. При этом глухари и шурупы заменяют не только нагели, но и стяжные болты. Если с помощью глухарей или шурупов присоединяют деревянные или фанерные элементы, работающие на отрыв, решающее значение приобретает не сопротивление выдергиванию нарезной части, а сопротивление смятию древесины головкой глухаря или шурупа. В таком случае необходимо под головку подкладывать металлическую шайбу размером 3.5d x 3.5d x 0.25d.

Скобы из круглой (или квадратной) стали толщиной 10-18 мм применяют в качестве вспомогательных растянутых или фиксирующих связей в сооружениях из круглого леса или брусьев, в мостовых опорах, лесах, бревенчатых фермах и т.п. В дощатых деревянных конструкциях скобы не применяют, так как они раскалывают доски. Скобы как правило забивают концами в цельную древесину без сверления гнезд. Несущая способность одной скобы, даже при соблюдении увеличенных норм не определенна.

Экспериментальные исследования выявили эффективность забивки без сверления скоб из проката крестового профиля d ск = 15 мм. При достаточной длине шипа (6-7 d ск) несущая способность таких скоб приблизительно равна несущей способности нагеля из круглой стали диаметром 15 мм.

Хомуты , так же, как и скобы относятся к растянутым связям. Отличительной особенностью хомутов является охватывающее их положение по отношению к соединяемым деревянным элементам.

Рабочие болты и тяжи , т.е. растянутые металлические элементы, применяют в качестве анкеров, подвесок, растянутых элементов металлодеревянных конструкций, затяжек арочных и сводчатых конструкций и т.п. Все элементы тяжей и рабочих болтов следует проверять расчетом по нормам для стальных конструкций и принимать диаметром не менее 12 мм.

При определении несущей способности растянутых стальных черных болтов, ослабленных нарезкой учитывают уменьшенную площадь F нт и местную концентрацию напряжений s р; поэтому принимают пониженные расчетные сопротивления. Расчетные сопротивления стали в параллельно работающих двойных и более тяжах и болтах снижают умножением на коэффициент 0.85, учитывая неравномерность распределения усилий. В металлических тяжах следует избегать местного ослабления рабочего сечения.

Рабочие болтовые связи и стяжные муфты применяют лишь в тех случаях, когда требуется монтажное или эксплуатационное регулирование их длины. Располагают их в наиболее доступных местах металлодеревянных арок и ферм. Ненатяжное стыковое соединение затяжки из круглой стали, позволяющее транспортировать ее без разборки.

Необходимые лишь в редких случаях натяжные стыки затяжек из круглой стали осуществляют с помощью натяжных муфт с разносторонней резьбой. При отсутствии муфт заводского производства можно изготовить сварные муфты из двух (или лучше 4-х) квадратных гаек левой и правой резьбы, скрепленных на сварке двумя стальными планками.

Стяжные болты , имеющие преимущественно монтажное значение и не рассчитываемые на восприятие определенного эксплуатационного усилия, применяют почти во всех видах соединений, в том числе в нагельных соединениях и врубках для обеспечения плотного прилегания сплачиваемых досок, брусьев или бревен. Сечение стяжных болтов определяют по монтажным соображениям; оно должно быть тем больше, чем толще элементы соединяемого узла, т.е. чем больше ожидаемое сопротивление спрямляющему выгибу покоробленных или перекошенных досок или брусьев. В случае разбухания древесины плотно стянутого болтом пакета досок стержень болта подвергается большим продольным растягивающим усилиям. Чтобы избежать при этом разрыва болта по сечению, ослабленному нарезкой, шайбы стяжных болтов назначают с уменьшенной площадью смятия древесины. Безопасное для соединения вмятие шайбы в древесину. В случае разбухания должно произойти раньше, чем напряжение стержня болта на разрыв достигнет опасного значения.

Сборно-разборный стык с двойным обжимом для растянутых клееных элементов. Клеевые стыки растянутых деревянных элементов были исследованы В.Г. Михайловым. Разрушение стыков происходило от раскалывания при низких напряжениях сдвига по плоскости разрушения. Наивысшее среднее напряжение сдвига при разрушении, равное 2.4 МПа, было достигнуто в стыке с обжимными клиньями.

Стык с двойным обжимом перекрывается накладками 1 из полосовой стали, к которым приварены уголки 2. Усилия от растянутых деревянных элементов передаются на стальные накладки через перекрестные болты 3 и 4 и коротыши с нарезкой 5. К стыкуемым элементам приклеивают на концах деревянные накладки 7 со скошенными торцами для упора уголков 6 с таким расчетом, чтобы плоскость скалывания, начинающаяся от уголка, не совпадала с клеевым швом.

Анализ испытаний растянутых стыков показывает, что сила, обжимающая элемент у начала плоскости разрушения при скалывании, противодействуя растягивающим напряжениям, одновременно создает дополнительные напряжения сдвига и тем самым увеличивает их концентрацию в опасной зоне. При создании на противоположном конце плоскости скалывания дополнительной силы обжима поперек волокон (как это имеет место в рассматриваемом стыке) напряжения сдвига выравниваются, уменьшаются их концентрация и возможность возникновения растягивающих поперек волокон напряжений.

Стык с двойным обжатием является натяжным сборно-разборным соединением, создающим начальную плотность и позволяющим поддерживать ее в дальнейшем в условиях эксплуатации (если произойдет некоторая усушка соединяемых элементов).

Стык на скалывание по древесине рассчитывают из условия:

Среднее значение расчетного сопротивления сдвигу определяют по формуле:

где b = 0.125; e = 0.125h.

Соединения на вклеенных стальных стержнях, работающих на выдергивание или продавливание. Применение соединений на вклеенных стержнях из арматуры периодического профиля диаметром 12-25 мм, работающих на выдергивание и продавливание, допускается в условиях эксплуатации конструкций при температуре окружающего воздуха, не более 35°С.

Предварительно очищенные и обезжиренные стержни вклеивают составми на основе эпоксидных смол в просверленные отверстия или в профрезерованные пазы. Диаметры отверстий или размеры пазов следует принимать на 5 мм больше диаметов вклеиваемых стержней.

Расчетную несущую способность такого стержня на выдергивание или продавливание вдоль и поперек волокон в растянутых и сжатых стыках элементов деревянных конструкций из сосны и ели следует определять по формуле:

Т = R ск ×p×(d + 0.005)×l×k с,

где d – диаметр вклеиваемого стержня, м; l – длина заделываемой части стержня, м, которую следует принимать по расчету, но не менее 10d и не более 30d; k с – коэффициент, учитывающий неравномерность распределения напряжений сдвига в зависимости от длины заделываемой части стержня, который определяют по формуле: k с = 1.2 – 0.02×(l/d); R ск – расчетное сопротивление древесины скалыванию.

Расстояние между осями вклеенных стержней, вдоль волокон принимать не менее S 2 = 3d, а до наружных граней – не менее S 3 = 2d.

Соединения элементов ДК на клеях.

Требования, предъявляемые к клеям для несущих конструкций.

Равнопрочность, монолитность и долговечность клеевых соединений в деревянных конструкциях могут быть достигнуты только применением водостойких конструкционных клеев. Долговечность и надежность клеевого соединения зависят от устойчивости адгезионных связей, вида клея, его качества, технологии склеивания, эксплуатационных условий и поверхностной обработки досок.

Клеевой шов должен обеспечивать прочность соединения, не уступающую прочности древесины, на скалывание вдоль волокон и на растяжение поперек волокон. Прочность клеевого шва, соответствующую прочности древесины на растяжение вдоль волокон, пока еще не удается получить, поэтому в растянутых стыках площадь склеиваемых поверхностей приходится увеличивать примерно в 10 раз косой срезкой торца на ус или на зубчатый шип.

Плотность контакта клеящего вещества со склеиваемыми поверхностями должна создаваться еще в вязкожидкой фазе конструкционного клея, заполняющего все углубления и шероховатости, благодаря способности смачивать склеиваемую поверхность. Чем ровнее и чище остроганы склеиваемые поверхности и чем плотнее они прилегают друг к другу, тем полнее монолитность склеивания, тем равномернее и тоньше клеевой шов. Деревянная конструкция, монолитно склеенная из сухих тонких досок, обладает значительным преимуществом перед брусом, вырезанным из цельного бревна, но для реализации этих преимуществ необходимо строгое соблюдение всех условий технологии индустриального производства клееных деревянных конструкций.

После отверждения конструкционного клея от сформировавшегося клеевого шва требуется не только равнопрочность и монолитность, но и водостойкость, теплостойкость и биостойкость. При испытаниях разрушение опытных образцов клеевых соединений должно происходить в основном по склеиваемой древесине, а не по клеевому шву (с разрушением внутренних, когезионных связей) и не в пограничном слое между клеевым швом и склеиваемым материалом (с разрушением пограничных, адгезионных связей).

Виды клеев.

Клеевые соединения применялись давно, главным образом в столярных изделиях. В начале XX века в Швейцарии, Швеции и Германии стали применять несущие деревянные конструкции на казеиновом клее. Однако белковые клеи животного происхождения и тем более растительного не удовлетворяли в полной мере требованиям к соединениям элементов несущих конструкций.

Большое значение имеет развитие химии полимерных материалов и производство синтетических клеев. Синтетические полимерные материалы с запланированными свойствами позволяют обеспечить требуемые прочность и долговечность клеевых соединений. Поиск оптимального ассортимента конструкционных клеев и соответствующих режимов поточного производства клееных конструкций продолжается, но уже сейчас имеется набор синтетических клеев, которые позволяют соединять деревянные строительные детали не только с деревом.

В отличие от казеиновых и других белковых клеев синтетические конструкционные клеи образуют прочный водостойкий клеевой шов в результате реакции полимеризации или поликонденсации. В настоящее время в основном применяют резорциновые, фенольно-резорциновые, алкилрезорциновые, фенольные клеи. Согласно СНиП II-22-80, выбор типа клея зависит от температурно-влажностных условий эксплуатации клееных конструкций.

Эластичность и вязкость клеевого шва особенно важна при соединении деревянных элементов с металлическими, фанерными, пластмассовыми и другими конструкционными элементами, имеющими температурные, усадочные и упругие характеристики. Однако использование эластичных каучуковых клеев в напряженных соединениях как правило недопустимо из-за недостаточной прочности таких соединений и чрезмерной ползучести их при длительном нагружении.

Чем суше и тоньше склеиваемые доски тем меньше опасность образования в них трещин. Если усушечное коробление недосушенных досок произойдет еще до отверждения клеевого шва, но после прекращения давления пресса, то склеивание будет необратимо нарушено.

Виды соединений на клею.

Растянутый стык клееных элементов в заводских условиях изготовляют на зубчатый шип с уклоном склеиваемых поверхностей примерно 1:10. Это унифицированное решение, по прочности не уступает решению стыка на ус (при том же уклоне), более экономично по затрате древесины и более технологично в производстве; поэтому оно должно полностью заменить при заводском изготовлении все остальные виды стыков.

Зубчатый шип одинаково хорошо работает на растяжение, изгиб, кручение и сжатие. Согласно испытаниям прочность такого стыка КБ_3 даже на разрыв не ниже прочности цельного бруска, ослабленного нормальным для 1 категории сучком размером ¼-1/6 ширины соответствующей стороны элемента.

На практике рекомендуется использовать наиболее технологичный вариант с нарезкой шипов перпендикулярно пласти. Этот вариант применим при любой ширине склеиваемых элементов, даже слегка покоробленных. При стыковании клееных блоков больших сечений приходится применять склеивание холодным (или теплым) способом.

Для сращивания фанерных листов в заводском производстве таким же унифицированным неразборным видом соединения служит стыковое соединение на ус; его применение в напряженных элементах конструкций требует соблюдения следующих условий длину уса принимают равной 10-12 толщинам фанеры, а направление волокон наружных шпонов (рубашек) должно совпадать с направлением действующих усилий. Ослабление обычной фанеры стыком на ус учитывают коэффициентом К осл = 0.6, а бакелизированной фанеры коэффициентом 0.8.

Клеевые и клеемеханические соединения элементов в конструкциях с применением пластмасс и принципы их расчета.

Клеевые соединения являются наиболее эффективными, универсальными и распространенными соединениями пластмасс. Дают возможность склеивать любые материалы си пластмассы. Недостаток клеевого соединения: малая прочность на поперечное растяжение – отрыв и ограниченная теплостойкость. Применяются термореактивные и термопластичные клеи.

Клееметаллические соединения являются комбинированными, состоящими из точечных металлических соединений и клеевой прослойки, располагающейся вдоль всего шва. Различают клеесварные, клеевинтовые, клеезаклепочные. Они имеют более высокую прочность при неравномерном отрыве. При сдвиге более прочны, чем металлические соединения. Прочность клееметаллических соединений при сдвиге определяется как прочность заклепки, винта или сварной точки, умноженной на коэффициент 1,25-2, учитывающий работу клея. Прочность заклепки, винта определяется из условия смятия или среза, а прочность сварной точки из условия среза.

Сварные соединения элементов из пластмасс и принципы их расчета.

Сварные соединения пластмасс используются для соединения элементов из одного и того же термопластичного материала. Сварка осуществляется за счет одновременного действия высокой температуры и давления. Достоинства: высокая плотность шва, быстрота их осуществления, простота технологических операций. Различают два способа сварки: сварка в струе горячего воздуха (подобно газовой сварке металлов) и контактный способ (применяется при сварке оргстекла, винипласта, полиэтилена). 1) Материал и присадочный пруток размягчают в струе горячего воздуха, нагретого до 250º. В качестве источника теплого воздуха используют тепловой пистолет. 2) Для устройства сварного шва по одному из вариантов контактного способа места соприкосновения двух соединяемых деталей срезают на ус с уклоном 1:3…1:5, совмещают по площади контакта и в таком положении закрепляют. Затем шов сжимают и нагревают. Прочность сварного шва ниже прочности материала. Для винипласта снижение прочности 15-35% при сжатии, растяжении и изгибе, а при испытании на удельную ударную вязкость прочность уменьшается на 90%.

Типы составных стержней и учет податливости связей при их расчете на центральное сжатие.

Податливость – способность связей при деформации конструкций давать возможность соединяемым брусьям или доскам сдвинуться один относительно другого.

Типы составных стержней: стержни-пакеты; стержни с короткими прокладками; стержни, часть ветвей которых не оперта по концам.

Стержни-пакеты. Все ветви таких стержней оперты по концам и воспринимают сжимающее усилие, а расстояния между связями по длине стержня малы и не превышают семи толщин ветви. Расчет относительно оси х-х, перпендикулярной швам между ветвями, производят как для цельного сечения, так как в этом случае гибкость составного стержня равна гибкости отдельной ветви. Расчет относительно оси у-у, параллельной швам, выполняют с учетом податливости связей. При малом расстоянии между связями по длине стержня, равном свободной длине ветви- площадь опертых ветвей;

Податливость связей ухудшает работу составного элемента по сравнению с таким же элементом цельного сечения. У составного элемента на податливых связях уменьшается несущая способность, увеличивается деформативность, изменяется характер распределения сдвигающих усилий по его длине, поэтому при расчете и проектировании составных элементов необходимо учитывать податливость связей.

Рассмотрим три деревянные балки, у которых нагрузки, пролеты и поперечные сечения одинаковы. Пусть нагрузка этих балок равномерно распределенная. Первая балка цельного сечения, т.е. состоит из одного бруса. Назовем эту балку Ц. Момент инерции поперечного сечения балки I ц = bh 3 /12; момент сопротивления W ц = bh 2 /6; прогиб

f ц = 5q н l 4 /384EI ц.

Вторая балка П составного сечения состоит из двух брусьев, соединенных с помощью податливых связей, например болтов. Моменты инерции и сопротивления ее соответственно будут I п и W п; прогиб f п.

Третья балка О составного сечения состоит их таких же брусьев, как вторая балка, но здесь связей не поставлено и поэтому оба бруса будут работать самостоятельно. Момент инерции третьей балки I о = bh 3 /48, что в 4 раза меньше, чем балки цельного сечения. Момент сопротивления W о = bh 2 /12, что в 2 раза меньше, чем балки цельного сечения. Прогиб f о = 5q н l 4 /384EI о, что в 4 раза больше, чем прогиб балки цельного сечения.

Рассмотрим, что будет происходить на левой опоре балки при деформации ее под нагрузкой. Левая опора балки цельного сечения повернется на угол j, а у балки составного сечения без связей кроме поворота на левой опоре произойдет сдвиг d о верхнего бруса относительно нижнего.

В составной балке на податливых связях сдвигу брусьев будут препятствовать болты, поэтому он здесь меньше, чем в балке без связей. Следовательно, составная балка на податливых связях занимает промежуточное положение между балкой цельного сечения и составной балкой без связей. Поэтому можно написать: I ц > I п > I о; W ц > W п > W о; f ц

Из этих неравенств следует, что геометрические характеристики составной балки на податливых связях I ц, W п можно выразить через геометрические характеристики балки цельного сечения, умноженные на коэффициенты меньше единицы, которые учитывают податливость связей: I п = k ж I ц и W п = k w W ц, где k ж и k w меняются в пределах соответственно от 1 до I о /I ц и от 1 до W о /W ц (при двух брусьях I о /I ц = 0,25, а W о /W ц = 0,5.

Прогиб балки увеличивается соответственно уменьшению момента инерции f п = f ц / k ж.

Расчет составной балки на податливых связях сводится, таким образом, к расчету балки цельного сечения с введением коэффициентов, учитывающих податливость связей. Нормальные напряжения определяют по формуле: s и = M/W ц k w £ R и, где W ц – момент сопротивления составной балки как цельной; k w – коэффициент, меньший единицы, учитывающий податливость связей.

Прогиб составной балки на податливых связях определяют по формуле: f п = 5q н l 4 /384EI ц k ж £ f пр, где I ц – момент сопротивления балки как цельной; k ж - коэффициент, меньший единицы, учитывающий податливость связей.

Значение коэффициентов k w и k ж приводятся в СНиП II-25-80 “Деревянные конструкции. Нормы проектирования”.

Количество связей определяют расчетом на сдвигающее усилия. Сдвигающее усилие Т по всей ширине балки, равное tb, вычисляют по формуле: Т = QS/I.

Распределение сдвигающих усилий по длине аналогично распределению касательных напряжений в виде прямой, проходящей под углом по горизонтали. Полное сдвигающее усилие балки на участке от опоры до точки, где Т = 0, будет геометрически равно площади треугольника. В нашем случае при равномерно распределенной нагрузке Т = 0, если x = l/2, и тогда полное сдвигающее усилие H = M max S/I.

В составной балке на податливых связях значение полного сдвигающего усилия остается постоянным. Однако из-за податливости связей изменится характер распределения сдвигающих усилий по длине балки. В результате сдвига брусьев треугольная эпюра превратится в криволинейную, близкую к косинусоиде. Если связи размещать по длине балки равномерно, то каждая связь может воспринимать сдвигающее усилие, равное ее несущей способности Т с, а все они должны воспринять полное сдвигающее усилие. Таким образом, n c T c = M max S/I.

Работа такого количества связей будет соответствовать прямоугольнику ADEC, т.е. связи, находящихся около опор, будут перегружены. Следовательно, при расчете количества связей должны быть соблюдены два условия:

· число равномерно поставленных связей на участке балки от опоры до сечения с максимальным моментом должно воспринять полное сдвигающее усилие

n c = M max S/IT c ;

· связи, поставленные около опор, не должны быть перегружены.

Связи около опор перегружены в 1,5 раза, поэтому для соблюдения второго условия надо увеличивать их число в 1,5 раза. Таким образом, требуемое количество связей на участке балки от опор до сечения с максимальным моментом будет n c = 1,5M max S/I бр T c .

Метод расчета сжато-изгибаемых элементов составного сечения на податливых связях остается таким же, как и элементов цельного сечения, но в формулах дополнительно учитывается податливость связей.

При расчете в плоскости изгиба составной элемент испытывает сложное сопротивление, и податливость связей учитывается дважды:

· введением коэффициента k w , такого же как при расчете составных элементов на поперечный изгиб;

· вычислением коэффициента x с учетом приведенной гибкости элемента.

Нормальное напряжение определяют по формуле:

s c = N/F нт + M д /W нт k w £ R c , где M д = M q /x и x = 1 - l п 2 N/3000F бр R c ; l п = ml ц;

где k c – коэффициент податливости соединений, полученный по опытным данным сдвиг связей; b – ширина составной части поперечного сечения, см; h – полная высота поперечного сечения, см; l расч - расчетная длина элемента, м; n ш - число швов сдвига; n c – число срезов связей в 1 м одного шва, при нескольких швах с различным числом срезов связей принимают среднее число связей.

Прогиб f п = 5q н l 4 /384EIk ж x £ f пр.

При определении количества связей, которое надо поставить на участке от опоры до сечения с максимальным моментом, учитывают возрастание поперечной силы при сжато-изгибаемом элементе n c = 1,5M max S/IT c x..

Сжато-изгибаемые элементы рассчитывают из плоскости изгиба приближенно без учета изгибающего момента, т.е. как центрально-сжатые составные стержни.