Курсовая работа (т): Практичне використання діаграм стану дво- та трикомпонентних систем

Практичне використання діаграм стану дво- та трикомпонентних систем

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ, НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

ДВНЗ «ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ»

Кафедра “Прикладної екології та охорони навколишнього середовища»

КУРСОВА РОБОТА

З фізичної хімії тугоплавких неметалевих і силікатних матеріалів

на тему:«Практичне використання діаграм стану дво- та трикомпонентних систем»

Студентки 4 курсу ТТМ-09 групи

Піряник М.С.

м. Донецьк, 2012 р.

Реферат

Пояснювальна записка - 44 сторінок, рисунків -15 , посилань - 8.

Метою курсової роботи: є розуміння необхідності використання теоретичного курсу в практичній роботі. Використання знання про будову речовин, природу хімічного зв'язку в різних силікатних сполуках і матеріалах для розуміння властивостей матеріалів і механізмів, що протікають в склі, кераміці і в'яжучих. В роботі розглянуто особливості будови діаграм стану двокомпонентних систем: Na₂O - P₂O₅, В₂O₃ - ZnO та трикомпонентної системи MgO-Al₂O₃-SiO₂. Показано особливості будови двокомпонентних та трикомпонентних діаграм, розглянуто шляхи первинної кристалізації, приведено точки хімічних сполук, описано поля первинної кристалізації, точки евтектики та перитектики, показано правила роботи з діаграмами. Наведено практичне використання діаграм станів дво- та трикомпонентних систем шляхом рішення задач.

ДІАГРАМА, ЛІКВАЦЯ, БУДОВА, СТАН, ЛІКВІДУС, СИСТЕМА, ПОЛІМОРФНІ МОДИФІКАЦІЇ, БІНОДАЛЬНА КРИВА, ІЗОТЕРМА, КАНОДА, ПОГРАНИЧНІ КРИВІ, КРИСТАЛІЗАЦІЯ, ТОЧКИ ХІМІЧНИХ СПОЛУК.

Abstract

Note - 44 pages, drawings -15, links - 8. The aim of the course work is to understand the need for a theoretical course in practice. Use knowledge of the structure of matter, the nature of the chemical bond in different silicate compounds and materials for understanding the properties of materials and mechanisms that occur in the glass, ceramics and knitting. The paper deals with the structural features of the phase diagrams of binary systems: Na₂O - P₂O₅, B₂O₃ - ZnO and ternary system MgO-Al₂O₃-SiO₂. The features of the structure of two-component and three-component diagrams, examined ways of primary crystallization, are points of chemical compounds, describes the fields of primary crystallization of the eutectic and peritectic points, shows the rules the chart. The practical use of the phase diagrams of binary and ternary systems by solving problems. , PHASE SEPARATION, STRUCTURE, CONDITION, LIQUIDUS, SYSTEM, POLYMORPHS, BINODAL CURVE, ISOTHERM, KANODA, BOUNDARY CURVES, CRYSTALLIZATION, POINT CHEMICALS.

Зміст

Вступ

. Діаграма стану двокомпонентної системи Na₂O - P₂O₅

.1 Загальна характеристика системи Na₂O - P₂O₅

.2 Елементи будови діаграми стану двокомпонентної системи

.3 Визначення шляхів кристалізації системи

1.4 Застосування правила важеля аналітичним шляхом в двокомпонентних системах

1.5 Практичне застосування двокомпонентної діаграми стану Na₂O - P₂O₅ у промисловості

. Діаграма стану двокомпонентної системи В₂O₃ - ZnO

.1 Загальна характеристика системи В₂O₃ - ZnO

.2 Елементи будови діаграми стану двокомпонентної системи

.3 Визначення шляхів кристалізації в системі

.4 Процес ліквації в системі ZnO - В₂O₃

.5 Процеси поліморфних перетворень в системі

.6 Застосування правила важеля графічним методом в двокомпонентній системі

.7 Застосування правила важеля графічним методом в двокомпонентній системі

.8 Практичне застосування двокомпонентної діаграми стану ZnO - В₂O₃ у промисловості

. Діаграма стану системи MgО - Al₂O₃ - SiO₂

.1 Загальна характеристика системи

.2 Елементи будови дiаграми стану

.3 Визначення вмісту компонентів по трикутнику концентрацій

.4 Визначення шляху кристалізації розплаву при ліквації

.5 Визначення характеру процесу, що відбувається в точці евтектики

.6 Шляхи кристалізації розплаву, визначення температури початку кристалізації розплаву

3.7 Практичне застосування двокомпонентної діаграми стану MgO -Al₂O₃ - SiO₂ у промисловості

4. Практичне застосування діаграм стану, шляхом вирішення задач

4.1 Вирішення задачі по двокомпонентним системам

Задача № 68

Задача № 69

.2 Вирішення задачі по трикомпонентним системам

Задача № 67

Задача № 68

Висновки

Перелік посилань

Вступ

Сучасний курс «Фізична хімія тугоплавких неметалевих та силікатних матеріалів» спрямований на вдосконалення прийомів пізнавальної діяльності студента, розвиток і формування творчого підходу до вирішення професійних завдань. Розділ фізичної хімії, що допомога при вивченні фізичної і хімічної будови, структури, складу, фізичних і хімічних властивостей речовин, в основі яких лежить кремній, в поєднанні з киснем та іншими елементами на 90%, що складає земну кору. Основним завданням цієї науки є дослідження речовин найбільш поширених в природі і, відповідно - в практиці. Останнє зумовлює наступні дослідження або розробку на основі вивчення силікатів аналогів різних мінералів, або - зовсім нових речовин, по тим чи іншим якостям перевершують будь-які існуючі в природі - створення таких найважливіших матеріалів, як цемент, кераміка, скло, вогнетриви, емалі, покриття, барвники, що використовуються в будівництві, металургії, в хімічній, оптичній, радіо- і електротехнічній, авіаційній, медичній, космічній та інших галузях промисловості. В узагальненому сенсі хімія силікатів зайнята дослідженням солей кремнієвих кислот. У природі силікати представлені у вигляді мінералів, входять до складу більшості гірських порід, що складають основну частину земної кори. Хімія силікатів проводить фундаментальні дослідження великого класу хімічних сполук охоплює широке коло питань, які дуже важливі для технологів. Зокрема це - діаграми стану, які представляють собою характеристику певної системи, на якій показані криві солідуса й ліквідусу, коноди, евтектики, що дозволяють заздалегідь впливати на процес синтезу з метою одержання кінцевого продукту з тими або іншими властивостями.

При дослідженні рівноважних систем кінцевою метою фізико-хімічного аналізу є встановлення залежності між параметрами системи, що характеризують її стан, і, зокрема, визначення сполук рівноважних фаз при тих або інших параметрах стану.

Діаграма стану в багатьох випадках дає можливість пояснити й удосконалити процеси, що протікають при утворенні даного матеріалу, установити й пояснити вплив фазової сполуки продукту на його властивості і якість, тобто допомагає вибору правильної технології й сполуки для одержання матеріалів із заздалегідь заданими властивостями.

Діаграма стану сплавів має величезне практичне значення. Користуючись діаграмами стану, можна встановити температури початку і кінця твердіння і плавлення, встановити зони перегріву і перепалу; легко і швидко вибрати правильний режим термічної обробки матеріалу.

Наприклад, система MgO-Al₂O₃-SiO₂ дуже широко використовується в технології термостійких керамічних і склокристалічних матеріалів, а також у якості основи для отримання форстеритових, периклазових, шпінельних, корундових і мулітових вогнетривів. Система Na₂O - P₂O₅ має суттєве значення для хімії фосфатного і силікатофосфатного скла. Діаграма стану системи В₂O₃ - ZnO широко застосовується у виробництві цинково-боратного скла.

Враховуючи все вище сказане - метою роботи є вивчення діаграм стану дво- та трикомпонентної системи, пояснення їх практичного використання.

Задачами курсової роботи є детальний розгляд діаграм стану систем Na₂O - P₂O₅, В₂O₃ - ZnO та MgO-Al₂O₃-SiO₂, а також практичне рішення задач на основі теоретичних знань добутих при вивченні курсу «Фізична хімія тугоплавких неметалевих та силікатних матеріалів».

кристалізація розплав ліквація діаграма

1. Діаграма стану двокомпонентної системи Na₂O - P₂O₅

.1 Загальна характеристика системи Na₂O - P₂O₅

Ця система має суттєве значення для хімії фосфатного і силікатофосфатного скла, та інших матеріалів подібного типу. Морей і Інгерсон вивчили систему в концентраційних межах, які обмежені сполуками NaРО₃ і Na₂P₂O₇ (рис.1.1). В більш широких межах (від 40% до 80% Na₂O) ця система вивчена Туркдоганом і Меддоксом [1].

Рисунок 1.1 - Діаграма стану системи NaРО₃ - Na₂P₂O₇ по (Морею і Інгерсону)

Вихідний компонент, поліфосфат натрію має триполіморфні форми і наступні перетворення, що зображено на рисунку 1.2:

Рисунок 1.2 - Поліморфні перетворення полі фосфату натрію

За даними температури поліморфних перетворенні рівні відповідно 404, 510 і 627 °С. Форми III і II погано розчинні у воді і відповідають солі Мадрелла, форма I розчинна краще і може бути віднесена до триметафосфату Nа₃Р₃O₉. Скло, отримане при охолодженні розплаву, може дати суміші форм II і I при повторному нагріві нижче 300 °С і форму I - вище 300 ° С [1].

Сполуку NaРО₃ отримують кристалізацією відповідного скла, яке існує у двох формах. Перша форма, відрізняється меншими значеннями показника світлопереломлення, яке отримують кристалізацією скла поблизу температури плавлення. Друга форма отримана кристалізацією скла при температурі приблизно 550°С [1].

Сполуку Na₅P₃O₁₀ також отримано у двох формах. Першу високотемпературну форму отримують швидким охолоджуванням від 600°С до кімнатної температури, другу форму - шляхом охолодження закристалізованого розплаву в печі, що супроводжується розсипанням в порошок. Сполука NaРО₃ має поліморфне перетворення при 1474°С. Сполука Na₅P₃O₁₀ плавиться при 622°С з розкладанням на Na₂P₄O₇ і рідину, яка містить 49,5 мас.% Na₂P₄O₇. Евтектика (між NaРО₃ і Na₃P₃O₁₀) плавиться при 552 °С і містить 31 мас.% Na₄P₂O₇.

Розглянемо двокомпонентну систему з евтектикою, на прикладі двокомпонентної діаграми стану Na₂O - P₂O₅. На рисунку 1.2 зображена діаграма двокомпонентної системи, до складу якої входять осі температур та осі, що відповідають масовій долі речовини у відсотках, дві точки евтектики, криві ліквідусу, криві солідуса, точки, що характеризують процес, плавлення або кристалізації, які описують ці процеси (плавлення, кристалізації) речовин у системі [2].

Рисунок 1.2 - Діаграма стану двокомпонентної системи Na₂O - P₂O₅ .

Криві ліквідусу падають до точки перетину Е₁ і Е₂, які мають назву точки евтектики. Всі суміші крім евтектичної, плавляться в інтервалі температур від лінії солідусу і лінії ліквідусу. Вище лінії ліквідусу існує одна фаза - розплав, а нижче лінії солідуса - дві тверді фази. Евтектична суміш плавиться не в інтервалі температур, а при визначеній температурі, мінімальної для даної ділянки діаграми стану. На нашій діаграмі мінімальною температурою, тобто евтектичною температурою, для Е₁ при якій відбувається процес плавлення в системі, є температура 588 °С, а для Е₂ мінімальна температура складатиме 944 °С. Найбільш легкоплавкі суміші двокомпонентної системи розташовуються поблизу евтектики [2].

У вивченій області концентрацій утворюється одна сполука, яка плавиться інконгруентно - триполіфосфат натрію Na₅Р₃О₁₀ (5:3), для якого знайдені дві поліморфні форми. За даними, форма I виходить в умовах повільного охолоджування розплаву не нижче 500 °С, так як при цій температурі вона переходить у форму II. Повторне нагрівання в інтервалі 500 - 620 °С викликає перетворення у форму I, яка вже не переходить в форму II при охолодженні. Таким чином, при кімнатній температурі можна одержати тільки одну з цих форм. За даними, β-форма Na₅Р₃О₁₀ переходить в α-форму близько 529 °С. Евтектика між NaРО₃ і Na₅Р₃О₁₀ утворюється при 550 °С і 33 мас.% Na₄Р₂О₇ та 546 °С і 36.5 мас.% Na₂О; перитектика - при 620 °С і 50 мас.% Na₄Р₂О₇ і 620 °С і 38.5 мас.% Na₂О. Розглянемо діаграму плавкості частини системи, обмеженою сполуками NaРО₃ і Na₃РО₄. (рис. 1.3).

Сполуки утворюють евтектику при 952 °С і 67.6 мол.% Na₄Р₂О₇. Ортофосфат натрію 3Na₂О×Р₂О₅ має оборотне поліморфне перетворення при 340 °С і плавиться при 1512 °С. У пірофосфату натрію встановлено кілька поліморфних переходів при: 409 °С (V ®IV), 522 °С (III® II), 565 °С (II®I ).

Сполука Na₄P₂O₇ плавиться при 998 °С. Незважаючи на те що зафіксовано велику кількість поліморфних форм Na₃PO₄, частіше спостерігаються тільки дві форми з температурою перетворення близько 300-330 °С. Це зворотній перехід, і високотемпературна кубічна фаза може бути стабілізована домішками Na₂SO₄. Пірофосфат натрію Na₃PO₄ також відрізняється великою кількістю оборотних фазових перетворень, але структурні дані отримані тільки для низькотемпературної форми [2].

Рисунок 1.3 - Діаграма стану плавкості системи NaPO₃ - Na₃PO₄

Розглянемо схему перетворення сполуки складу NaO₂×Р₂О₅, що зображено на рисунку 1.4

Рисунок 1.4 - схема перетворення сполуки складу NaO₂×Р₂О₅

Форми ІІ і I є нестійкими, оскільки при тривалих ізотермічних витримках переходять у форму I. Багато фазові переходи в системі залежать від тиску парів води і навіть від механічної обробки [1].

В області, збагаченої P₂O₅, крива ліквідусу не простежується через труднощі експерименту - високої стійкості скла до кристалізації і надзвичайно високій гігроскопічності (рис. 1.2). На діаграмі видно утворення хімічних сполук - метафосфату (1:1), пірофосфату (2:1) і ортофосфату (3:1). Всі хімічні сполуки мають по декілька поліморфних модифікацій. Області склоутворення починаються від чистої сполуки P₂O₅.

Найбільш важливі сполуки які плавляться конгруентно, містять P₂O₅ і оксид Na₂O в співвідношенні 1:1 (це - метафосфати, наприклад, NaPO₃,). Межі областей склоутворення близькі за складом до складу цих сполук, тому саме вони й повинні визначати структуру фосфатного скла [2].

Найбільш легкоплавкі суміші двокомпонентної системи розташовуються поблизу евтектики, це суміш 2Na₂O×P₂O₅ і Na₂O×P₂O₅ - для точки евтектики Е₁, а для Е₂ - β3Na₂O×P₂O₅ і 2Na₂O×P₂O₅.

Діаграма стану що зображена на рисунку 1.2, є двокомпонентна система з хімічною сполукою, що плавиться без розкладання (конгруентно).

На рис. 1.2 показана діаграма стану подвійної системи, в якій компоненти Р₂О₅ і NaO₂ утворюють між собою хімічну сполуку складу d₁. У цьому випадку на кривій ліквідусу з'являється максимум, що відповідає плавленню даної сполуки. Речовина Р₂О₅ з хімічною сполукою складу d₁ утворюють евтектику Е₁, речовина NaO₂ з хімічною сполукою складу d₁ - евтектику Е₂. Всю діаграму можна розглядати як систему, що складається з двох найпростіших, з одною евтектикою кожна: одна - між речовинами Р₂О₅ і d₁ та друга - між NaO₂ з d₁. Фазові перетворення при охолодженні будуть визначатися положенням точки заданого складу суміші на лінії концентрацій. Склади, розташовані вліво від точки складу d₁, закінчать кристалізацію при температурі евтектики Е₁ з виділенням кристалів Р₂О₅ і хімічною сполукою складу d₁ а склади, що знаходяться праворуч від цієї точки, - при температурі евтектики Е₂ з виділенням кристалів NaO₂ і d₁. Вертикаль проведена відточення складу хімічної сполуки d₁ до лінії ліквідусу, характеризує плавлення суміші, що відповідає складу d₁. Суміш буде плавитися при певній температурі, що відповідає максимуму на кривій ліквідусу. При цьому розплав буде мати той же хімічний склад, що і вихідна хімічна сполука. Таке плавлення називається конгруентним. Вертикаль хімічної сполуки ділить діаграму на дві самостійні подвійні системи. Суміш складу С при охолодженні від точки А почне виділяти по досягненні кривої ліквідусу кристали сполуки d₁ і повністю почне кристалізуватися при температурі евтектики Е₂ з виділенням кристалів d₁ і NaO₂. Співвідношення між цими фазами визначиться із співідношння відрізків NaO₂-С і NaO₂ - d₁.