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

Рішення

Як видно з діаграми стану системи Na₂O - P₂O₅ (рисунок 4.1) при повній кристалізації суміші, яка містить 60% Na₂O та 40% P₂O₅, система буде являти собою суміш кристалів Na₂O×P₂O₅ та 2Na₂O×P₂O_5.

Кількість рівноважних фаз за діаграмою стану можна розрахувати аналітичним способом за допомогою рівняння:

де Р₁ - кількість кристалів Na₂O×P₂O₅, %;

Х - вміст Na₂O у вихідній суміші, Х = 60%;

х - вміст Na₂O у твердій фазі Na₂O×P₂O₅, дорівнює 50%, що витікає з діаграми (рис. 1.3);

х^' - вміст Na₂O у твердій фазі 2Na₂O×P₂O₅, дорівнює 66,6% (рис.1.3);

Р₂ - кількість кристалів 2Na₂O×P₂O₅, %;

Тоді маємо:

Р₁= 40%

Р₂ = 100 - 40 = 60%

Отже, при повній кристалізації суміші, яка містить 60% Na₂O та 40% P₂O₅, отримуємо суміш кристалів 40% Na₂O×P₂O₅ та 60% 2Na₂O×P₂O₅.

Рисунок 4.1 - Діаграма стану двокомпонентної системи Na₂O - P₂O₅ .

Завдання №69

Визначити при 1100 °С склад рідини, що не змішується, яка отримана при плавленні суміші, що містить 60% В₂O₃ та 40% ZnO [3]

Рішення

На діаграмі стану системи ZnO-В₂O₃ (рис.4.2) знайдемо точку вихідної суміші - це точка а, і від неї підіймемо перпендикуляр до коноди 1100 °С (точка а^').

Рисунок 4.2 - Діаграма стану системи ZnO - В₂O₃

Точки перетину коноди з кривою ліквації (точки в та с) відповідають складу рідинам, що не змішуються, які утворені в процесі плавлення вихідної суміші при 1100 °С.

Від точок перетину опустимо перпендикуляри на вісь складу та знайдемо рідини, що не змішуються:

Р1: 47% В₂O₃ та 53% ZnO;

Р2: 96% В₂O₃ та 4% ZnO;

Кількість кожної з рівноважних фаз можна розрахувати по коноді в - с за допомогою правила важеля:

де  - кількість рідкої фази, яка відповідає фігуративній точці в (Р₁).

Отже, 

Кількість рідкої фази, яка відповідає фігуративній точці с (Р₂):

.2 Вирішення задачі по трикомпонентним системам

Завдання №67

Описати шлях кристалізації розплаву, який містить 30% MgO, 40% Al₂O₃, 30% SiO₂. Визначити від якої температури необхідно загартовувати склад, щоб у продуктах містилось 60% скла [3]

Рішення

Знайдемо точку заданого складу на діаграмі системи MgO - Al₂O₃ - SiO₂ - це точка А (рис 4.3). Точка А потрапляє у елементарний фазовий трикутник: 2MgO×SiO₂ - MgO×Al₂O₃ - 2MgO × 2Al₂O₃ × 5SiO₂. Тому кінцевою точкою кристалізації розплаву А буде потрійна точка К, у якій сходяться поля первинної кристалізації сполук 2MgO×SiO₂, MgO×Al₂O₃, 2MgO × 2Al₂O₃ × 5SiO₂.Оскільки точка А лежить у полі первинної кристалізації шпінелі (MgO×Al₂O₃), то шлях кристалізації точки А піде по продовженню прямої, яка з’єднує точку А з точкою шпінелі (MgO×Al₂O₃) - це відрізок А-В до перетину з конгруентною прикордонною кривою 2MgO×SiO₂ - MgO×Al₂O₃ в точці В.

Далі шлях кристалізації піде по ділянці прикордонної кривої (В-К) і по мірі просування по ній буде відбуватися спільна кристалізація двох фаз: шпінелі (MgO×Al₂O₃) та форстериту (2MgO×SiO₂). При досягненні евтектичної точки К залишковий розплав повністю кристалізується з утворенням трьох фаз 2MgO×SiO₂, MgO×Al₂O₃, 2MgO × 2Al₂O₃ × 5SiO₂.

Вміст у продуктах 60% скла можливий у тому випадку, коли у даній точці шляху кристалізації вміст рідкої фази буде складати 60%.

Спочатку знайдемо кількість рідкої фази до початку спільної кристалізації MgO×Al₂O₃ та 2MgO×SiO₂ в точці В. Кількість рідкої фази Р знаходимо за допомогою правила важеля:

 ×100 % =

Умові Р = 60 % на прикордонній кривій ВК буде відповідати точка В', Кількість рідкої фази Р1 знаходимо за допомогою правила важеля:

Рисунок 4.3 - Діаграма стану MgO-Al₂O₃-SiO₂

Точка В' відповідає температурі ~ 1460 °С. Тоді загартування розплаву, якій містить 30 % МgO, 40 % А1₂O₃, 30 % SіO₂, у продуктах якого містилось би 60 % скла, необхідно починати від температури ~ 1460 °С

Завдання № 68

Вихідний розплав, який містить 35 % МgO, 40 % Аl₂O₃, 25 % SіO₂, охолоджений до температури при якій залишається 55 % рідкої фази. Визначити склад і співвідношення кристалічних фаз, а також рівноважну температуру, до якої охолоджується розплав [3].

Рішення

Спочатку знаходимо місце положення точки заданого складу (35 % МgO, 40 % Аl₂O₃, 25 % SіO₂, ) - це точка М на діаграмі стану системи МgO - А1₂O₃ - SiO₂ (рис. 4.4).

Щоб визначити склад і співвідношення кристалічних фаз, а також рівноважну температуру, при якій залишається 55 % рідкої фази, побудуємо шлях кристалізації вказаного розплаву. Шляху кристалізації даного розплаву буде відповідати крива М - Н - К.

Спочатку визначимо кількість рідкої фази до початку спільної кристалізації МgO × А1₂O₃ та 2МgO×SiO₂ у точці Н, при цьому першим буде кристалізуватися шпінель (МgO × А1₂O₃). Кількість рідкої фази для точки Н знайдемо за правилом важеля:

 ×100 % =

Знайдемо кількість рідкої фази при температурі 1550 °С (точка Д), при якій у рівновазі з рідкою фазою буде знаходитися кристали МgO×А1₂0₃ та 2МgO × SiO₂.

Для цього проводимо пряму, яка проходить через точки М та Д до перетину зі з'єднувальною прямою МgO × А1₂O₃ ×2МgO ×SiO₂ в точці В. Тоді знаходимо:

 ×100 % =

Отже 55 % рідкої фази буде знаходиться в інтервалі температур (1600- 1550) °С. Умові Р = 55 % буде відповідати точка О (рис. 3.5). Для точки О:

 ×100 % =

З діаграми стану видно, що точки О відповідає температура 1590 °С.

Рисунок 4.4 - Діаграма стану MgO-Al₂O₃-SiO₂

Склади рівноважних кристалічних фаз:

1) шпінель (МgO × А1₂O₃) - 28 % МgO та 72 % А1₂O₃;

2) форстерит (2МgO × SiO₂) - 57 % МgO та 43 % SiO₂.

Вміст кожної з кристалічних фаз розраховуємо по місце положенню точки Р на з'єднувальній прямій МgO × А1₂O₃ - 2МgO × SiO₂:

 ×100 % = (100-55)×  

Вміст кристалів форстериту (2МgO × SiO₂) при температурі 1590 °С буде: 100 - 38 - 55 = 7%.

Висновки

На основі аналітичного аналізу літератури та проведеної роботи по вивченню та ознайомленню з фазовими діаграмами двокомпонентних систем Na₂O - P₂O₅, ZnO - B₂O₃ та трикомпонентної системи MgO - Al₂O₃ - SiO₂ можна зробити наступні висновки:

1. Фізична хімія як наука та її розділ про фазові діаграми має важливе значення в наш час. Вивчення діаграм стану дає можливість спостерігати за фазовими перетвореннями, процесами кристалізації, плавлення, розкладення вихідних компонентів, надає знання відносно того, які сполуки можуть утворюватися у системі, в яких поліморфних модифікаціях вони знаходяться, при якій температурі, з яким складом. Саме завдяки цьому можливо отримувати якісні кінцеві матеріали з гарними заздалегідь заданими властивостями.

. Вивчення фазових діаграм дає можливість цілеспрямовано впливати на процеси синтезу, а також обрати оптимальні умови та параметри для його проведення. Так, наприклад, знаючи, що система, яка має евтектичний склад плавиться при найнижчій температурі - евтектичній температурі, у порівнянні з температурами плавлення або кристалізації інших складів даної часної системи, можна забезпечити економію паливно-енергетичних ресурсів без негативного впливу на вихідні продукти, проводячи процеси синтезу при пониженій температурі.

. Вивчення діаграми стану Na₂O-P₂O₅ є дуже важливим, оскільки результати досліджень використовуються у багатьох галузях будівельної промисловості. Головний інтерес обумовлений важливістю вивчення сполук оксиду натрію та пентаксиду фтору при виготовленні деяких видів скла спеціального складу - оптичного скла, що використовується при конструюванні різноманітних оптичних приборів. Діаграма стану Na₂O - P₂O₅ грає важливу роль у виробництві фосфатного лазерного скла. Фосфатне скло призначене для виготовлення активних елементів твердотільних лазерів.

. Дослідження та аналіз діаграми стану двокомпонентної системи ZnO-B₂O₃ має дуже велику роль у наш час, оскільки сучасна промисловість та прогрес виробництва постійно вимагає нових видів матеріалів з особливими властивостями. Так дана діаграма має суттєве значення у виробництві оптичного стекла, а саме у виробництві боратного скла.

Боратне скло-найбільш перспективне, так як відрізняється низькою електропровідністю і малими діелектричними втратами, високою механічною міцністю, а також термічної і кліматичної стійкістю. Боратне скло має структуру, відмінну від структури силікатного скла, і здатне витримувати помірні концентрації катіонів, не збільшуючи електропровідність.

. Система оксид магнію - оксид алюмінію - оксид кремнію має велике практичне значення. Без силікатних матеріалів - різних видів цементу, бетону, шлакобетону, кераміки, скла, вогнетривів навряд чи можна уявити собі наше повсякденне життя. Виробництво саме цих матеріалів пояснює та доводить важність вивчення діаграми та її практичне використання.

. Таким чином, значення науки хімія силікатів та її внесок у сучасне виробництво має глобальний характер. Оскільки створення нових видів матеріалів з наперед заданими особливими властивостями: надміцність, надпластичність, надпровідність, вогнетривкість неможливе без глибоких знань про структуру і властивості матеріалів. Всіма цими питаннями займається фізична хімія силікатів, що і є неспростовним доказом важливості вивчення даної галузі науки і актуальність даних питань у наш час.

Перелік посилань

1.  А.С. Бережной - Многокомпонентные системы окислов. - К.:Наукова думка, 1970.-535с.

2.      В.С. Горшков, В.Г. Савельев, Н.Ф. Федоров - Физическая химия силикатов и других тугоплавких соединений. - М.:Высшая школа,1988.-400с.

.        Н.М. Бобкова, Л.М. Силич, И.М. Терещенко - Сборник задач по физической химии силикатов и тугоплавких соединений.-М.: Университетское, 1990. -176с.

.        Торопов Н.А. и др. Диаграммы состояния силикатных систем. Справочник.- . - М.: Высшая школа, 1969. - 826с.

.        А.А. Пащенко - Физическая химия силикатов.-М.:Высшая школа, 1986.-368с.

.        К.К. Стрелов - Теоретические основы технологии огнеупорных материалов. - М.: Металлургия, 1985.-480с.

.        В. Эйтель - Физическая химия силикатов. - М.: Издательство иностранной литературы, 1962. - 1056с.

.        А.С. Бережной, Я.Н. Питак, А.Д. Пономаренко, Н.П. Соболь - Физико-химические системы тугоплавких, неметаллических и силикатных материалов: Учеб. пособие - К.: УМК ВО,1992. - 72 с.