Гетерогенное равновесие ЛР. Гетерогенное равновесие_ЛР3. Лабораторная работа 3 Термический анализ Цель работы с Оборудование и реактивы

• Название: Лабораторная работа 3 Термический анализ Цель работы с Оборудование и реактивы
• Анкор: Гетерогенное равновесие ЛР
• Дата: 02.05.2022
• Размер: 1.3 Mb.
• Имя файла: Гетерогенное равновесие_ЛР3.docx
• Тип: Лабораторная работа; #507835

гетерогенное равновесие
Лабораторная работа №3
Термический анализ
Цель работы: с

Оборудование и реактивы:

1. 
   Модуль «Термический анализ».
   
2. 
   Компьютер.
   
3. 
   Ампулы со смесями фенол – нафталин (8 штук).
   
4. 
   Центральный контроллер.
   

Теоретические основы
Правило фаз Гиббса

 

Если на систему из внешних факторов влияет только два внешних фактора (давление и температура), то в равновесной, многофазной системе число степеней свободы равно числу компонентов минус число фаз плюс два:

 

                                                   С = к – ф + 2,                                            (1)

 

где    С – число степеней свободы;

к – число компонентов;

ф – число фаз. 

 

Для конденсированных систем:

 

                                                   С = к – ф + 1.                                            (2)

 

Общий случай:  

 

                                                   С = к – ф + п,                                            (3)

 

где    п – число постоянных внешних факторов (1 ÷ 3).

 

Числом степеней свободы или вариантностью системы называется число независимых переменных, величину которых можно произвольно изменять, не меняя числа фаз.

Компоненты – химически однородные вещества, являющиеся независимыми составными частями системы.

В качестве компонентов выбираются те вещества, наименьшее число которых достаточно для образования как всей системы, так и любой ее части.

Фаза – гомогенная часть системы, с одинаковым химическим составом и физическими свойствами и отделяемая от других фаз видимой поверхностью раздела.

Фазовые равновесия в двухкомпонентных системах

 

Для двухкомпонентной системы, на которую оказывают воздействие толь­ко температура и давление, правило фаз запишется как:

 

                                             С = 2 – ф + 2 = 4 – ф.                                     (4)

 

Таким образом максимальное число фаз, одновременно находящихся в равновесии, в данном случае может быть равно четырем. Если рассматривать систему при постоянном давлении, то вариантность системы уменьшится на единицу:

 

                                                      С = 3 – ф.                                               (5)

 

Этот случай наиболее важен в практическом плане, так как обычно равно­весие в двухкомпонентных системах описывают при стандартном давлении (1 атм).
Термический анализ

Наиболее общим современным способом определения равновесия меж­ду твердыми и жидкими фазами при некоторых температурах является метод термического анализа (термография), который представляет собой совокуп­ность экспериментальных методов определения температуры, при которой в равновесной системе изменяется число фаз.

Различают визуальный термический анализ и термический анализ, осно­ванный на построении кривых охлаждения (простая термография и диффе­ренциальная). Первый метод сводится к тому, что производится медленное охлаждение прозрачного раствора известной концентрации и отмечается тем­пература, при которой появляются заметные на глаз кристаллы или раствор мутнеет. Проведя ряд подобных опытов с серией растворов различной кон­центрации можно построить кривые зависимости температуры начала крис­таллизации от состава раствора.

Метод построения кривых охлаждения является наиболее ценным методом термического анализа, так как применим к любым системам и позволяет исследовать системы практически при любых температурах.

Метод кривых охлаждения основан на том, что пока в охлаждаемой систе­ме не происходит никаких превращений, температура падает практически равномерно. Появление или исчезновение фаз сопровождается тепловыми эффектами и на кривой охлаждения появляются перегибы или изменение тем­пературы временно прекращается (происходит температурная остановка). Таким образом, по изломам на кривых охлаждения и температурным оста­новкам можно судить об изменении фазового состава исследуемой смеси.

На рисунке 1 показан способ построения диаграммы плавления двухкомпо­нентной системы при помощи термического анализа.


В+Е

В+Ж

Ж

А+Е

А+Ж


Рисунок 1 - Построение по кривым охлаждения диаграммы плавкости двухкомпонентной системы

На рис.1а представле­ны кривые охлаждения смесей различного состава (кривые 1—4) и кривые охлаждения чистых веществ (кривые А и В). Как видно из рисунка, начало и окончание кристаллизации расплава сопровождается изломами на кривых охлаждения, что позволяет построить диаграмму состояния двухкомпонентной системы (рис.1б).

Очень важно отметить, что в случае двухкомпонентных систем излом на кривой охлаждения соответствует переходу системы через наклонную линию (на фазовой диаграмме). При этом происходит появление новой фазы или исчезновение одной из двух фаз, составляющих систему. Температурная оста­новка на кривой охлаждения соответствует переходу системы через горизон­тальную линию на фазовой диаграмме (во время температурной остановки в равновесии находятся три фазы и система находится в инвариантном состоя­нии). При этом происходит исчезновение одной фазы и появление другой.

Равновесное состояние в гетерогенной системе для механических смесей в соответствии со вторым принципом Н.С. Курнакова характеризуется особыми линиями на диаграмме состояния: линией ликвидуса, характеризующей равновесие жидкого расплава с кристаллической фазой компонента А или В, и отвечающей началу кристаллизации компонента из расплава; и линией солидуса, отвечающей концу кристаллизации обоих компонентов.

Характерной точкой на диаграмме является точка Е (эвтектика) на пересечении линий ликвидуса и солидуса и отвечающей температуре, при которой в системе в равновесии одновременно находятся три фазы: жидкий расплав (Ж), кристаллы А и кристаллы В.
Последовательность выполнения опыта
1.       Выбрать из 8 ампул 4 штуки и поставить по очереди их в первую группу гнезд модуля «Термический анализ» (нагревательный блок).

2.       Включить контроллер тумблером «Сеть».

3.       После включения контроллера на экране компьютера появляется окно приветствия («Добро пожаловать в УЛК»). В появившемся окне  по умолчанию выбрана «Работа с контроллером». Нажать кнопку “Вход”, после чего откроется окно управления программой (рис. 2).

 



 

Рисунок 2 -  Окно инициализации

 


 

Рисунок  3 - Окно управления программой

 

4.       В окне управления программой (рис. 3) необходимо настроить параметры измерения. В груп­пе элементов «Параметры измерений» установлен пункт «Автоматический режим». Далее необходимо убрать «галочку» в поле «Общий» и установить пункт «Использовать дополнительный параметр», после  чего в соответствующих полях «Дополнительный параметр» для каждого канала появится процентная концентрация фенола в ампуле (в соответсвии с номером гнезда, в котором находится ампула). В поле «Размерность» указывается %.

5.       Выключить вентилятор и включить нагреватель (в группе элементов «Исполнительные уст­ройства»). По умолчанию температура нагревателя 90 °С.

6.        Далее необходимо следить за температурой в нагреваемых ампулах, следя за показаниями термодатчиков в группе «Изме­рительные каналы» (каналы 1-4 отображают температуру в ампулах, каналы 5 и 6 отображают температуру самих термодатчиков).

7.        Когда температура в ампулах приблизится к 90°С, выключить нагреватель и включить вентилятор. Нагретые ампулы переставляются в измерительный блок (ставят в гнездо с тем же номером, что и в нагревательном блоке, номер гнезда – это номер термодатчика в группе «Измерительные каналы»).

8.       Нажать кнопку «Измерение». Появится окно «Обмен данными с контроллером», где будут отображаться результаты текущих измерений (рис. 4).
 



Рисунок 4 - Окно «Обмен данными с контроллером»

 

В ходе проведения измерений в окне будет отображаться кривая охлаждения в одной из ампул. Наблюдение за текущей температурой в остальных ампулах следует производить, переключая каналы в группе элементов «Отображение каналов».

9.       После окончания опыта (измерения 100 точек) нажать на кнопку «Стоп». В появившемся окне управления вызвать вкладку  “Графики” (рис. 5).


 

Рисунок 5 - Построение графиков

10.  На появившемся окне нажать кнопку «Добавить график» после чего появится окно выбора каналов (рис. 6). По умолчанию для оси абсцисс (X) выбрано «Время», а для оси ординат (Y) — требуемый канал. Нажать кнопку «Принять».

 



 

Рисунок 6 - Окно выбора каналов

 

11.  Повторить п.10 для следующих трех графиков. В результате получаются первичные графики зависимости температуры в ампулах от времени охлаждения. Графики отображаются по одному в окне «Графики».

12.  Для вывода графиков на печать нажать кнопку «Отчет» (после нажатия кнопки «Отчет» возврат к проведенному опыту невозможен).

13.  По распечатанным графикам построить диаграмму плавкости двухкомпонентной системы (см. рис. 1) и по диаграмме определить  температуру кристаллизации эвтектики (см. Т_Е на рис. 1).
Построение диаграммы состояния двухкомпонентной системы по кривым охлаждения.

Вывод.

Построена диаграмма состояния фенол - нафталин на основании кривых охлаждения. Рассчитана температура кристаллизации эвтектики, которая составляет 25 ⁰С. Определили, что при данной температуре расплав насыщен обоими компонентами, и происходит их одновременная кристаллизация при постоянном соотношении компонентов в жидкой фазе (расплаве) и в твердом состоянии.