file:C:Userspc1DocumentsBandicamDownloadsМетодическое Матерьялка. Методическое Матерьялка. В. И. Ульянова (Ленина) В. И. Альмяшев с. А. Кириллова диаграммы состояния научная основа физикохимического конструирования новых материалов учебное пособие
 Скачать 0.88 Mb.
|
|
3. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ 3.1. Термический анализ. Построение диаграммы плавкости двухкомпонентной системы Цель работы. Построение диаграммы плавкости системы дифениламин – нафталин методом термического анализа. Для достижения цели необходимо решить следующие задачи – построить кривые охлаждения для смесей дифениламина и нафталина с различным соотношением компонентов – провести анализ построенных кривых охлаждения и определеить температуры фазовых переходов для исследованных смесей – построить фазовую диаграмму системы дифениламин – нафталин по полученным экспериментальным данным – провести полный анализ построенной диаграммы определить характер всех полей, линий и точек на диаграмме, определить тип равновесия между тремя фазами (инвариантного состояния. Оборудование и реактивы. Универсальный контроллер модуль Термический анализ комплект из 11 ампул, содержащих смеси дифениламина и нафталина различного состава (от 10 до 90 %), а также ампулы с чистым дифениламином и чистым нафталином. Порядок выполнения работы. Выполнение лабораторной работы осуществляется с использованием учебно-лабораторного комплекса Химия, состоящего из универсального контроллера (рис. 3.1) и модуля Термический анализ (рис. 3.2, 3.3). Для построения диаграммы состояния двухкомпонентной системы дифениламин – нафталин методом термического анализа необходимо построить кривые охлаждения как чистых компонентов (дифениламина и нафталина, таки их смесей в различных соотношениях. Для построения этой диаграммы вполне достаточно использование нескольких смесей, составленных через 10 % во всем диапазоне изменения концентраций. Смеси для выполнения работы приготовлены заранее и находятся в пронумерованных герметичных ампулах из нержавеющей стали. Номер ампулы, умноженный на 10, соответствует содержанию дифениламина в смеси, выраженному в массовых долях [%]. 56 Переключатель СЕТЬ I II III 1 2 4 3 Измерение Хранение Нагрев Вкл 5 6 Рис. 3.1. Универсальный контроллер Рис. 3.2. Модуль Термический анализ» Рис. 3.3. Модуль Термический анализ вид сверху Модуль Термический анализ имеет три группы гнезд для размещения ампул (рис. 3.2, 3.3). Первая группа (I), предназначена для нагревания ампул, имеет четыре гнезда (два из которых снабжены термодатчиками для фиксирования температуры входе нагревания) и снабжена нагревательным элементом. Вторая группа (II) (расположена посередине) имеет семь гнезд и предназначена для хранения ампул, незадействованных в текущем опыте. Третья группа (III) – измерительный блок – имеет четыре гнезда, предназначенных для охлаждения предварительно нагретых ампул с фиксированием температуры в каждой ампуле входе охлаждения. Измерительный блок снабжен вентилятором для обдува ампул воздухом. Центральный контроллер позволяет управлять включением и выключением нагревательного элемента и вентилятора модуля. Каждую смесь необходимо нагреть до температуры, превышающей температуру полного плавления смеси на несколько градусов (выше 80 °C), чтобы исследуемая система находилась в расплавленном состоянии. Далее необходимо провести постепенное охлаждение каждой ампулы с фиксированием значения температуры через определенные интервалы времени (от 10 до 30 с. Для создания условий равномерного охлаждения ампулы обдуваются 57 потоком воздуха. Скорость охлаждения ампул зависит от температуры воздуха в лаборатории, поэтому охлаждение до некоторой определенной температуры может занимать различное время. В связи с достаточно низкой температурой эвтектики изучаемой системы охлаждение следует проводить до температуры 20 СВ некоторых случаях возможно переохлаждение расплава. При этом происходит временное понижение температуры (ниже температуры фазового перехода) с последующим ее повышением до температуры, отвечающей наблюдаемому фазовому переходу. Особенно сильно явление переохлаждения проявляется при исследовании чистых веществ и смесей эвтектического состава. Подключение установки 1. Соедините модуль Термический анализ и универсальный контроллер между собой соединительным кабелем. 2. Подключите модуль Термический анализ и универсальный контроллер к источнику питания (розетка. 3. Включите контроллер переключателем СЕТЬ, расположенным на левой боковой панели универсального контроллера. После подключения нажмите любую клавишу. На дисплее контроллера появится следующее изображение Меню 1. Выбор установки (↑↓) (вход ) 4. Выбор установки. Нажмите клавишу На дисплее контроллера появится следующее изображение Выбор установки 3 . Термостат + электрохимия (↑↓) Меню - М (вход ) Нажмите клавишу несколько раз, чтобы выбрать пункт 6, Сброс настроек каналов и памяти. На дисплее контроллера появится следующее изображение Выбор установки 6. Сброс настроек каналов и памяти (↑↓) Меню - М (вход ) Нажмите клавишу На дисплее контроллера появится следующее изображение Выбор установки 1 . Термический анализ (↑↓) Меню - М (вход ) 58 Нажмите 2 раза клавишу , на дисплее контроллера появится следующее изображение Меню 1. Выбор установки (↑↓) (вход ) 5. Настройка каналов измерения. Нажмите клавишу , на дисплее появится следующее изображение Меню 2. Каналы измерения (↑↓) (вход ) Нажмите клавишу на дисплее контроллера, появится следующее изображение 1- й канал 0. Канал отключен (↑↓) (<>) Меню - М Нажмите клавишу , на дисплее контроллера появится следующее изображение 1- й канал 0 . Канал отключен (↑↓) (<>) Меню - М Нажмите клавишу , на дисплее контроллера появится следующее изображение 1- й канал 1. Термодатчик (↑↓) (<>) Меню - М Нажмите клавишу , на дисплее контроллера появится следующее изображение 1- й канал 1. Термодатчик (↑↓) (<>) Меню - М Нажмите клавишу , на дисплее контроллера появится следующее изображение 2- й канал 0. Канал отключен (↑↓) (<>) Меню - М Нажмите последовательно клавиши , , на дисплее контроллера появится следующее изображение 2- й канал 1. Термодатчик (↑↓) (<>) Меню - М Нажмите последовательно клавиши , , на дисплее контроллера появится следующее изображение 3- й канал 0. Канал отключен (↑↓) (<>) Меню - М Нажмите последовательно клавиши , , на дисплее контроллера появится следующее изображение 3- й канал 1. Термодатчик (↑↓) (<>) Меню - М 59 Нажмите последовательно клавиши , , на дисплее контроллера появится следующее изображение 4- й канал 0. Канал отключен (↑↓) (<>) Меню - М Нажмите последовательно клавиши , , на дисплее контроллера появится следующее изображение 4- й канал 1. Термодатчик (↑↓) (<>) Меню - М Нажмите последовательно клавиши , , на дисплее контроллера появится следующее изображение 5- й канал 0. Канал отключен (↑↓) (<>) Меню - М Нажмите последовательно клавиши , , на дисплее контроллера появится следующее изображение 5- й канал 1. Термодатчик (↑↓) (<>) Меню - М Нажмите последовательно клавиши , , на дисплее контроллера появится следующее изображение 6- й канал 0. Канал отключен (↑↓) (<>) Меню - М Нажмите последовательно клавиши , , на дисплее контроллера появится следующее изображение 6- й канал 1. Термодатчик (↑↓) (<>) Меню - М Нажмите клавишу М , на дисплее контроллера появится следующее изображение Меню 2. Каналы измерения (↑↓) (вход ) Проведение эксперимента Поместите 4 ампулы в зону нагрева, которая на рис. 3.3 обозначена цифрой I. Неиспользуемые в данный момент ампулы должны находиться в зоне хранения обозначенной на рис. 3.3 цифрой II. Каждая ампула обозначена цифрой (порядок проб. 7. Подключение исполнительных устройств. Нажмите клавишу , на дисплее контроллера появится следующее изображение Меню 3. Исполнительные устройства (↑↓) (вход ) 60 Подключение вентилятора. Нажмите клавишу , на дисплее контроллера появится следующее изображение 1 . Магнитная мешалка Скорость (0-9): 0 (↑↓) (<>) Меню - М Нажмите клавишу 4 раза, на дисплее контроллера появится следующее изображение 5. Вентилятор Выкл. (↑↓) (<>) Меню - М Нажмите последовательно клавиши , , на дисплее контроллера появится следующее изображение 5. Вентилятор Вкл. (↑↓) (<>) Меню - М Нажмите клавишу , на дисплее контроллера появится следующее изображение 5. Вентилятор Вкл. (↑↓) (<>) Меню - М Подключение нагревателя Нажмите клавишу , на дисплее контроллера появится следующее изображение 6. Нагреватель Выкл. t = 000 °C (↑↓) (<>) Меню - М Нажмите последовательно клавиши , , на дисплее контроллера появится следующее изображение 6. Нагреватель Вкл. t = 000 °C (↑↓) (<>) Меню - М Нажмите последовательно клавиши , , , , на дисплее контроллера появится следующее изображение 6. Нагреватель Вкл. t = 110 °C (↑↓) (<>) Меню - М Нажмите клавишу М , на дисплее контроллера появится следующее изображение Меню 3. Исполнительные устройства (↑↓) (вход ) 10. Установка режима записи контроллера. Нажмите клавишу , на дисплее контроллера появится следующее изображение Меню 4. Мониторинг текущей работы (↑↓) (вход ) 61 Нажмите клавишу , на дисплее контроллера появится следующее изображение 26.036 С 28.075 С 25.086 С 24.077 С 26.236 С 21.036 С Нажмите клавишу , на дисплее контроллера появится следующее изображение Режим записи Авто Банк 0 ячейка 000 Интервал 00:10 стоп Усреднение Выкл Нажмите клавишу , на дисплее контроллера появится следующее изображение Режим записи Авто Банк 0 ячейка 000 Интервал 00:10 стоп Усреднение Выкл Если необходимо, установите значение банка равным 0, нажимая несколько раз клавишу Нажмите клавишу 4 раза, на дисплее контроллера появится следующее изображение Режим записи Авто Банк 0 ячейка 000 Интервал 00:10 стоп Усреднение Выкл Если необходимо, установите значение подчеркнутого курсора равным 0, нажимая несколько раз клавишу Нажмите клавишу , на дисплее контроллера появится следующее изображение Режим записи Авто Банк 0 ячейка 000 Интервал 00:10 стоп Усреднение Выкл Если необходимо, установите значение подчеркнутого курсора равным 0, нажимая несколько раз клавишу Нажмите клавишу , на дисплее контроллера появится следующее изображение Режим записи Авто Банк 0 ячейка 000 Интервал 00:10 стоп Усреднение Выкл Если необходимо, установите значение подчеркнутого курсора равным 2, нажимая несколько раз клавишу , если текущее значение больше 2, или клавишу , если текущее значение меньше Нажмите клавишу , на дисплее контроллера появится следующее изображение Режим записи Авто Банк 0 ячейка 000 Интервал 00:20 стоп Усреднение Выкл 62 Нажмите клавишу 2 раза, на дисплее контроллера появится следующее изображение 26.036 С 4 8.075 С 25.086 С 4 4.077 С 26.236 С 21.036 С Температуры ампул в блоке охлаждения отображаются на индикаторе одновременно. Значения величин измеряемых температур отображаются в левой колонке экрана (сверху вниз с первого по четвертый канал. Текущее показание температуры может отличаться от приведенного значения. Выполнение опыта 11. Подождите, пока температура ампул, помещенных в зону нагрева, не достигнет 110 С. Температуру необходимо контролировать по показаниям контроллера, расположенным в правом верхнем углу (показания обведены овалом. 12. После того как показания температуры достигнут 110 С, подождите еще пять минут для равномерного прогрева ампул. Далее аккуратно возьмите ампулу за термоизолированный вкладыш (рис. 3.4) и быстро переместите 4 ампулы в зону измерения (см. рис. 3.3, зона III). Нажмите клавишу ПУСК , начнется запись кривой охлаждения. ЗАПИШИТЕ НОМЕР АМПУЛЫ И СООТВЕТСТВУЮЩИЙ ЕЙ НОМЕР ГНЕЗДА ИЗМЕРЕНИЯ. 13. Возьмите следующие 4 ампулы находящиеся в зоне хранения и переместите их в зону нагрева. 14. Ампулы, помещенные в измерительную зону, необходимо охладить до 20 С, как только температура достигнет 20 С, нажмите клавишу СТОП 15. Перенесите ампулы из зоны охлаждения в зону хранения. Проведите опыт со следующими ампулами согласно пп. 11–15. 16. Отключение нагревателя. Нажмите клавишу М , на дисплее контроллера появится следующее изображение Меню 4. Мониторинг текущей работы (↑↓) (вход ) 1 Брать здесь Рис. 3.4. Внешний вид ампулы 63 Нажмите клавишу , на дисплее контроллера появится следующее изображение Меню 3. Исполнительные устройства (↑↓) (вход ) Нажмите клавишу , на дисплее контроллера появится следующее изображение 6. Нагреватель Вкл. t = 110 C (↑↓) (<>) Меню - М Нажмите последовательно клавиши , , на дисплее контроллера появится следующее изображение 6. Нагреватель Выкл. t = 110 C (↑↓) (<>) Меню - М Нажмите последовательно клавиши , , на дисплее контроллера появится следующее изображение 5. Вентилятор Вкл. (↑↓) (<>) Меню - М Нажмите последовательно клавиши , , на дисплее контроллера появится следующее изображение 5. Вентилятор Выкл. (↑↓) (<>) Меню - М Нажмите клавишу М , на дисплее контроллера появится следующее изображение Меню 3. Исполнительные устройства (↑↓) (вход ) 17. Перед тем как записать результаты опыта в лист наблюдений, нажмите клавишу М , на дисплее контроллера появится следующее изображение Меню 4. Мониторинг текущей работы (↑↓) (вход ) Нажмите клавишу , на дисплее контроллера появится следующее изображение Меню 5. Просмотр данных (↑↓) (вход ) Нажмите клавишу , на дисплее контроллера появится следующее изображение 45.036 С 45.036 С 48.076 С 45.036 С 48.036 С Банк 0 45.036 С № = 000 18. Если необходимо, нажмите несколько раз клавишу , чтобы установить значение Банка равным 0. 64 Нажмите клавишу несколько раз , на дисплее контроллера появится следующее изображение С 45.036 С 48.076 С 45.036 С 48.036 С Банк 0 45.036 С № = 000 Если необходимо, установите значение подчеркнутого курсора равным 0, нажимая несколько раз на клавишу Нажмите на клавишу , на дисплее контроллера появится следующее изображение 45.036 С 45.036 С 48.076 С 45.036 С 48.036 С Банк 0 45.036 С № = 000 Если необходимо, установите значение подчеркнутого курсора равным 0, нажимая несколько раз на клавишу 19. Перепишите в табл. 3.1 показания контроллера (номер банка, номер ячейки, температуру, нажмите несколько раз клавишу , после каждого нажатия клавиши номер ячейки увеличится на единицу, значение температуры тоже изменится, запишите все показания с дисплея в табл. 3.1. Если после каждого нажатия на клавишу , показания не меняются, перейдите к п. 20. 20. Нажмите клавишу , на дисплее контроллера появится следующее изображение 25.036 С - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Банк 0 - - - - - - - № = 000 Нажмите клавишу , на дисплее контроллера появится следующее изображение 25.036 С - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Банк 1 - - - - - - - № = 000 Нажмите клавишу , на дисплее контроллера появится следующее изображение 25.036 С - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Банк 1 - - - - - - - № = 000 Если необходимо, установите показания № = 000, согласно п. 18. 21. Перепишите в табл. 3.2 показания контроллера (номер банка, номер ячейки, температуру, нажмите несколько раз клавишу , после каждого нажатия клавиши номер ячейки увеличится на единицу, значение температуры тоже изменится, запишите все показания с дисплея в табл. 3.2. 22. Перепишите в табл. 3.3 показания из банка 2. 65 Если после нажатия на клавишу , показания не меняются, нажмите клавишу М , появится следующее изображение Меню 5. Просмотр данных (↑↓) (вход ) Таблица 3.1 № Банк – 0 ГНЕЗДО № 1 Ампула № __ ГНЕЗДО № 2 Ампула № __ ГНЕЗДО № 3 Ампула № __ ГНЕЗДО № 4 Ампула № __ t = … … t = … … t = … … t = … … Таблица 3.2 № Банк – 1 ГНЕЗДО № 1 Ампула № __ ГНЕЗДО № 2 Ампула № __ ГНЕЗДО № 3 Ампула № __ ГНЕЗДО № 4 Ампула № __ t = … … t = … … t = … … t = … … Таблица 3.3 № Банк – 2 ГНЕЗДО № 1 Ампула № __ ГНЕЗДО № 2 Ампула № __ ГНЕЗДО № 3 Ампула № __ ГНЕЗДО № 4 Ампула № __ t = … … t = … … t = … … t = … … Обработка результатов измерений 1. Постройте кривые охлаждения – графики зависимостей температуры в ампуле от времени охлаждения. Следовательно, по оси абсцисс – время, по оси ординат температура (рис. 3.5). Значения температуры фиксировали каждые 20 с. По представленным данным должно получиться кривых охлаждения. Графики следует строить в редакторе Excel или в любом другом графическом редакторе. Допускается построение графиков на миллиметровой бумаге. 2. Проведите анализ кривых охлаждения и по перегибами температурным остановкам на графиках определите температуры фазовых переходов (ф. п) для исследуемых смесей и перенесите их в табл. 3.4. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 80 70 60 50 40 30 τ, мин t, С ф. п Рис. 3.5. Зависимость температуры в ампуле от времени охлаждения – кривая охлаждения 66 Таблица 3.4 Состав, % Температура, С Начало кристаллизации Конец кристаллизации 0 10 … 100 Анализ полученных кривых охлаждения является ответственным этапом выполнения работы. В данной работе кривые охлаждения имеют довольно сложный характер. Это связано стем, что при столь невысоких температурах трудно добиться условий равномерного охлаждения системы и по мере снижения температуры системы скорость охлаждения существенно снижается, так как она зависит от разности между температурами системы и охлаждающего потока воздуха. Поэтому на кривых охлаждения перегибы и температурные остановки могут иметь слабовыраженный характер. Кроме того, обработку кривых затрудняет проявление в той или иной мере переохлаждения системы. Если до охлаждения система находилась в полностью расплавленном состоянии, то первый перегиб указывает на температуру начала кристаллизации системы (этот перегиб виден наиболее отчетливо. Наличие последующих перегибов или температурных остановок будет указывать на появление в системе новых фаз. Любой перегиб или температурная остановка на кривой охлаждения соответствует пересечению линии на фазовой диаграмме см. 1.3. Термический анализ. 3. На основании полученных данных постройте фазовую диаграмму системы дифениламин – нафталин, те. на основании полученных точек начертите линии фазового равновесия. Для построения диаграммы состояния изучаемой системы на нее переносятся все выявленные на кривых охлаждения точки. Для этого строят диаграмму в координатах температура – состав и далее для каждой изученной смеси (состав смеси соответствует определенной координате на оси составов) откладываются температуры фазовых переходов, которые были определены в результате анализа кривых охлаждения. Таким образом, ордината каждой точки соответствует температуре начала выявленного фазового перехода для определенной смеси, а абсцисса – составу этой смеси (например, массовому проценту одного из компонентов. 67 При построении диаграммы следует учесть вариантность системы в тех или иных областях и убедиться, что правило фаз соблюдается для всех областей полученной диаграммы. Следует отметить, что возможен некоторый экспериментальный разброс точек и, кроме того, метод термического анализа является кинетическими, следовательно, полученные данные лишь приближено соответствуют равновесному состоянию системы. Поэтому возможно некоторое отклонение полученных результатов от теоретически ожидаемых. 4. Проведите полный анализ диаграммы определите характер всех полей, линий и точек на диаграмме, определите тип равновесия между тремя фазами (инвариантное состояние. Требования к оформлению отчета Отчет должен включать в себя экспериментальные данные (табл. 3.1–3.3), графики в координатах температура – время, температуры фазовых переходов для исследуемых смесей (табл. 3.4). В отчете должна быть представлена фазовая диаграмма дифениламин – нафталин (диаграмма в координатах температура – состав, где указаны все линии диаграммы и подписаны все поля. В конце работы необходимо сделать выводы о типе фазовой диаграммы, а также сравнить полученную диаграмму с литературными данными. Контрольные вопросы и задания 1. Перечислите типы диаграмм плавкости. 2. Что называется фазой, компонентом, степенью свободы 3. Какие системы называются гомогенными, а какие гетерогенными Приведите примеры таких систем. 4. Сформулируйте правило фаз Гиббса. 5. Что называется эвтектикой, линией ликвидуса, линией солидуса 6. Что такое перитектика 7. В чем разница между конгруэнтными инконгруэнтным плавлением соединений 8. Охарактеризуйте диаграмму плавкости двухкомпонентной системы, не образующей химических соединений и твердых растворов. 9. Начертите кривые охлаждения для нескольких характерных составов простой эвтектической системы с отсутствием растворимости в твердой фазе. Объясните процессы, протекающие на отдельных участках кривых. |