Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология
Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии


Модуль 1. Особенности силикатных материалов



Содержание

Общие методические указания ………………………………………………….

Модуль 1. Особенности силикатных материалов и процессов их синтеза ……

Задание 1. Термодинамика реакций в силикатных системах …………………..

Лабораторная работа №1 …………………………………………………………

Лабораторная работа №2 …………………………………………………………

Модуль 2. Фазовые равновесия в силикатных системах и

диаграммы состояния ……………………………………………………………..

Задание 2. Диаграммы со стояния двухкомпонентных систем ………………...

Задание 3. Диаграммы со стояния трехкомпонентных систем ………………...

Лабораторная работа №3 …………………………………………………………

Список литературы ………………………………………………………………..

 

 

Общие методические указания

 

Дисциплина «Основы физической химии силикатов»относится к вариативной части общенаучного цикла и является дисциплиной по выбору при освоении ООП по направлению 08.04.01 (270800.68) «Строительство», магистерской программы «Строительные материалы и изделия».

Целью дисциплины является формирование системных знаний в области физической химии силикатов, являющейся теоретической базой процессов производства силикатных строительных материалов и изделий; формирование навыков самостоятельной работы при проведении исследований силикатных систем.

В процессе изучения данной дисциплины студент осваивает следующие компетенции:

– способность к самостоятельному обучению новым методам исследования, к изменению научного и научно-производственного профиля своей профессиональной деятельности, к изменению социокультурных и социальных условий деятельности (ОК – 2);

– способность демонстрировать знания фундаментальных и прикладных дисциплин ООП магистратуры (ПК – 1);

– способность оформлять, представлять и докладывать результаты выполненной работы (ПК – 12).

Предметом освоения дисциплины являются следующие объекты:

· силикаты в различных состояниях;

· процессы образования силикатных продуктов;

· фазовые равновесия и диаграммы состояния силикатных систем;

· основные методы физической химии;

· законы термодинамики и кинетики.

В результате изучения дисциплины обучающийся должен демонстрировать следующие результаты:

· знать:

– теории и закономерности процессов, лежащих в основе получения силикатных строительных материалов и изделий;

– законы термодинамики и кинетики; основы учения о фазовых равновесиях.

· уметь:

анализировать научную и техническую литературу, посвященную теоретическим и экспериментальным исследованиям в области физической химии силикатов;

– проводить теоретические расчеты, анализировать и обобщать результаты физико-химических исследований.

· владеть:

– навыками самостоятельной работы при проведении физико-химических исследований.

Модуль 1. Особенности силикатных материалов

И процессов их синтеза

Силикаты и другие тугоплавкие соединения в кристаллическом состоянии.Химическая связь в силикатах. Структура силикатов. Структура простых и сложных оксидов металлов, боридов, карбидов, нитридов, силицидов. Полиморфизм. Методы изучения структуры силикатов.

Силикаты и другие соединения в стеклообразном состоянии.Особенности стеклообразного состояния и его роль в технологии силикатных материалов. Условия стеклообразования, разновидности стекол. Строение и свойства стекла.

Силикаты в высокодисперсном состоянии.Электрокинетические явления в высокодисперсных силикатных системах. Устойчивость и коагуляция коллоидных силикатных систем. Поверхностно-активные вещества в силикатных системах. Структурно-механические свойства силикатных высокодисперсных систем. Кремнезем в высокодисперсном состоянии. Коллоидные свойства системы глина – вода.

Термодинамика и кинетика процессов в силикатных системах. Процессы синтеза силикатных материалов и их кинетические особенности.Процессы твердофазного взаимодействия. Диффузия в твердых телах. Механизм и последовательность превращений при твердофазном взаимодействии. Кинетика твердофазных реакций. Спекание и рекристаллизация. Кристаллизация расплавов и стекол. Кристаллизация из растворов. Кристаллизация из газовой фазы.

Термодинамика процессов в силикатных системах.Основные понятия термодинамики. Законы термодинамики. Химическое равновесие. Термодинамический метод исследования процессов. Особенности применения методов термодинамики к силикатным системам. Термодинамика твердофазных реакций.

Задание 1. Термодинамика реакций в силикатных системах

Выполните следующие девять заданий для данной реакции (табл. 1) (справочные величины, необходимые для расчетов, возьмите в табл. 2).

1. По значениям стандартных энтальпий образования участвующих в реакции веществ ( ) вычислите тепловой эффект реакции при стандартных условиях ( ). Выделяется или поглощается тепло при протекании реакции? Эндо - или экзотермической является данная реакция?

2. Выведите функциональную зависимость изменения молярной изобарной теплоемкости для реакции от температуры: DC0p = f(T).

3. Пользуясь законом Кирхгофа и установленной функциональной зависимостью DC0p = f (T) вычислите тепловой эффект реакции при температуре T и стандартном давлении ( ). Как влияет увеличение температуры на величину теплового эффекта реакции?

4. Что характеризует энтропия системы? Качественно оцените знак изменения энтропии (DS) при протекании реакции. Объясните полученный результат.

5. По значениям стандартных энтропий участвующих в реакции веществ ( ) вычислите изменение энтропии реакции при стандартных условиях ( ).

6. Используя функциональную зависимость DC0P = f (T) вычислите изменение энтропии реакции при температуре T и стандартном давлении ( ). Как влияет повышение температуры на величину DS0?

7. Вычислите изменение энергии Гиббса реакции, протекающей при стандартных условиях ( ). Возможно ли самопроизвольное протекание процесса при стандартных условиях? Определите температуру (T0) (если такая имеется), выше которой реакция меняет свое направление.

8. Вычислите изменение энергии Гиббса реакции, протекающей при стандартном давлении и температуре T ( ), считая, что и не зависят от температуры (метод Улиха). Постройте график зависимости от температуры. Сделайте вывод о влиянии температуры на вероятность самопроизвольного протекания процесса в прямом направлении.

9. Вычислите изменение энергии Гиббса реакции ( ) при температуре T и стандартном давлении, учитывая зависимость и от температуры. Сравните полученные значения с величиной изменения энергии Гиббса, рассчитанной по методу Улиха, и оцените их расхождение.

 

Таблица 1

Номер варианта Реакция Т, К
СаО(т) + SiO2(кварц) = СаО·SiO2(т)
3СаО(т) + 2SiO2(кварц) = 3СаО·2SiO2(т)
MgO(т) + Al2O3(корунд) = MgO·Al2O3(т)
MgO(т) + SiO2(кварц) = MgO·SiO2(т)
2MgO(т) + SiO2(кварц) = 2MgO·SiO2(т)
СаО(т) + Al2O3(корунд) = СаO·Al2O3(т)
3СаО(т) + Al2O3(корунд) = 3СаO·Al2O3(т)
СаО(т) + 2Al2O3(корунд) = СаO·2Al2O3(т)
FeО(т) + SiO2(кварц) = FeО·SiO2(т)
2FeО(т) + SiO2(кварц) = 2FeО·SiO2(т)
2СаО(т) + SiO2(кварц) = 2СаО·SiO2(т)
Na2О(т) + SiO2(кварц) = Na2О·SiO2(т)

Таблица 2

    Вещество   DН0f,298, S0298,   Коэффициенты уравнения С0P = f (T),
а b×103 с1×10–5
Al2O3(корунд) 1670,69 50,92 114,55 12,89 –34,31
СаО(т) –635,10 38,07 49,62 4,52 –6,95
SiO2(кварц) –910,94 41,84 46,99 34,31 –11,30
Na2О(т) –417,98 75,06 77,11 19,33 –12,59
FeО(т) –264,85 60,75 50,80 8,61 –3,31
MgO(т) –601,49 27,07 48,98 3,14 –11,44
СаО· SiO2(т) –1636,52 82,04 111,51 15,07 –27,29
2СаО·SiO2(т) –2309,58 127,67 151,74 36,96 –30,31
3СаО· 2SiO2(т) –3826,17 210,97 267,90 37,88 –69,49
СаO·Al2O3(т) –2322,39 114,21 150,74 41,78 –33,33
3СаO·Al2O3(т) –3558,10 205,53 260,70 19,17 –50,11
СаO·2Al2O3(т) –3994,70 177,91 276,66 22,94 –74,51
MgO·SiO2(т) –1549,87 67,81 102,77 19,84 –26,08
2MgO·SiO2(т) –2178,94 95,02 140,90 27,38 –35,66
MgO·Al2O3(т) –2299,30 80,70 154,19 26,81 40,98
Na2О·SiO2(т) –1559,70 113,86 130,35 40,18 –27,08
FeО·SiO2(т) –1207,03 96,28 158,40 17,00 –27,30
2FeО·SiO2(т) –1500,05 145,25 152,83 39,18 –28,04

Пример 1.1. Выведите функциональную зависимость изменения молярной изобарной теплоемкости от температуры (DC0p = f(T)) для реакции С(графит) + CO2(г) = 2CO(г). Вычислите тепловой эффект реакции при 500 К, если при стандартных условиях он равен 172,5 кДж.

Решение. Зависимость Cp реагирующих веществ от температуры представлена для неорганических веществ уравнениями вида

Cp = a + bT + c1T –2,

поэтому величину DСP рассчитывают по уравнению

DCP = Da + DbT +Dc1T –2 .

Выпишем из справочника [9] температурные коэффициенты в уравнениях теплоемкости для веществ, участвующих в реакции.

 

Вещество Коэффициенты уравнения С0P = f (T),
а b×103 с1×10–5
С(графит) 16,86 4,77 –8,54
СО(г) 28,41 4,10 –0,46
СО2(г) 44,14 9,04 –8,53

Вычислим их изменения:

Da = 2. 28,41 – 44,14 – 16,86 = -4,18;

Db = (2. 4,10 – 9,04 – 4,77).10–3 = -5,61.103;

Dc1 = [2. (–0,46) – (-8,53) – (-8,54)] .105 = 16,15.105.

Функциональная зависимость изменения молярной изобарной теплоемкости от температуры для данной реакции имеет вид:

DCP = -4,18 -5,61.10–3T + 16,15.105T –2 .

Для расчета теплового эффекта реакции воспользуемся уравнением Кирхгофа в интегральной форме:

.

После подстановки зависимости DCP от T в уравнение Кирхгофа и интегрирования получим:

Пример 1.2. Изменение энтропии реакции С(графит) + CO2(г) = 2CO(г) при стандартных условиях ( ) равно 175,46 . Используя функциональную зависимость теплоемкостей реагирующих веществ от температуры (см. пример 1), вычислите изменение энтропии при температуре 500 К ( ).

Решение. Изменение энтропии реакции при заданной температуре находим по уравнению

После подстановки DCP = Da + DbT +Dc1T –2 и интегрирования получим:

Значения Da, Db и Dc1 рассчитаны в примере 1. Величина равна:

= 178,03 .

Пример 1.3.Рассчитать изменение энергии Гиббса реакции при температуре 500 К и стандартном давлении ( ): а) по уравнению Улиха, считая, что и не зависят от температуры; б) учитывая зависимость и от температуры.

Решение.

а) Рассчитаем изменение энергии Гиббса реакции по уравнению Улиха (приближенный расчет):

.

Значения и возьмем в примерах 1 и 2.

84770 Дж.

б) Более точно величину рассчитаем по уравнению:

.

Значения и возьмем в примерах 1 и 2.

84385 Дж.

Лабораторная работа № 1

Приборы и реактивы

1. Печь трубчатая.

2. Вакууметр.

3. Милливольтметр.

4. Карбонат кальция.

 

Порядок выполнения работы

1. В кварцевую трубку печи заранее помещена навеска карбоната кальция, конец трубки плотно закрыт пробкой. В присутствии преподавателя в системе откачивают воздух. Для этого включают масляный ротационный насос. Вакуумный кран при этом открыт, а кран для впуска воздуха закрыт. Открывать вакуумный кран следует очень осторожно, поддерживаяего левой рукой, а правой плавно поворачивая пробку крана. Систему откачивают до предельного разряжения. Закрывают вакуумный кран, включают насос и открываюткран для впуска воздуха. При использовании только трехходового крана впуск воздуха и подсоединение вакуума производятся с его помощью.

 

Рис.2. Схема установки: 1 – образец; 2 – термопара; 3 – милливольтметр;

4 – печь; 5 – кварцевая трубка; 6 – вакуумметр; 7 – двухходовой кран.

 

2. Систему выдерживают под вакуумом, проверяя ее надежность в течение 5 – 10 минут. Затем включают печь и доводят температуру до первой заданной. Поддерживая температуру постоянной в течение 10 минут, достигают установления постоянного давления, определяемого вакууметром. Показание вакууметра при данной температуре позволяет рассчитать упругость диссоциации карбоната кальция. При высоких температурах выдержку можно делать меньше, чем при низких, так как скорость реакции с ростом температуры возрастает. При достижении постоянного давления записывают его величину и повышают температуру печи до следующей заданной. Таким образом, производят измерения разновесных давлений CO2 при нескольких температурах в диапазоне 500 – 800°С с шагом в 25 – 50°С (по заданию преподавателя).

3. По опытным данным строят график в координатах ln , из которого определяют тепловой эффект реакции по уравнению 1.8.

4. Теоретические значения рассчитывают по уравнению 1.6. Величины и находят с помощью справочных данных (табл. 2).

5. Сопоставляют теоретические и опытные значения и и делают вывод о влиянии температуры на химическое равновесие.

6. Рассчитывают величину ΔG при каждой температуре опыта по уравнению (1.5) и делают вывод о направлении процесса.

 

 

Рекомендуемый вид таблицы

 

Опытные данные Теоретические данные
температура, T показания вакууметра   ln   , K–1 , ,   ln
°С K n , Па атм Па
                     

Таблица 3

Справочные термодинамические данные

    Вещество   DН0f,298, S0298,   Коэффициенты уравнения С0P = f (T),
а b×103 с1×10–5
СаСО3 (т) –1206,83 91,71 104,52 21,92 –25,94
СаО (т) –635,10 38,07 49,63 4,52 –6,95
СО2 (г) –393,51 213,66 44,14 9,04 –8,53

 

 

Лабораторная работа № 2

Приборы и реактивы

1. Печь трубчатая.

2. Реометр.

3. Керамические лодочки.

4. Карбонат кальция.

 

Порядок выполнения работы

1. По заданию преподавателя отбирают навеску карбоната кальция определенной крупности, засыпают ее в керамическую лодочку. Разогревают печьдо заданной температуры.

2. Лодочку толкателем помещают в реактор из кварца, закрывают реактор резиновой пробкой со вставленной в нее стеклянной трубкой и таким образом соединяют реактор с реометром. Отмечают, на какую глубину нужно поместить реактор в печь, чтобы лодочка находилась в средней зоне печи и соединительная пробка была достаточно удалена от нагревателя. При достижении заданной температуры в печи реактор вводят в печь до отметки и включают секундомер.

3. Скорость разложения карбоната кальция определяют по скорости выделения двуокиси углерода. Для этого через каждые 20 с записывают время и показания уровня жидкости в реометре (∆h, мм вод. ст.). По окончании опыта реактор открывают и частично вытаскивают из печи. Берут в одну руку "толкатель", в другую керамическую плитку, подставленную под самый конец реактора, и извлекают толкателем лодочку из реактора на эту плитку.

4. Результаты опытов заносят в таблицу и строят график , ( – скорость выделения CO2). На графикевыбирают во всем диапазоне 6 – 8 точек и рассчитывают степень превращения карбоната (α) за различные промежутки времени как отношение (St – площадь под кривой , ограниченная координатой t). Строят график зависимости .

5. Рассчитывают ln [–ln (1 – α)], строят график зависимости ln [–ln (1 – α)] = f (ln t), находят константы в уравнении Б.В.Ерофеева.

6. Проводят опыт при другой температуре (согласно п. 1 – 3). Рассчитывают энергию активации.

7. Для оценки влияния размера зерна CaCO3 на скорость его разложения проводят аналогичные опыты с образцами другой крупности (по заданию преподавателя).

Рекомендуемый вид таблицы

 

Температура опыта, ºС: ______________

Фракция CaCO3: ____________________

Навеска CaCO3, г: __________________

 

t, c h, мм , Па моль ω, моль∙с–1 α ln [–ln (1 – α)] ln t
               

 

Задание 2. Диаграммы состояния двухкомпонентных систем

Вариант 1

С помощью диаграммы состояния системы MgO – SiO2 (рис. 3) выполните следующие задания:

1. Опишите процесс кристаллизации расплавов следующих составов: а) 35% MgO и 65% SiO2; б) 55% MgO и 45% SiO2.

2. Определите содержание жидкой фазы в огнеупоре состава 75% MgO и 25% SiO2 при температурах 1900 и 1850 °С.

3. При какой температуре появится жидкая фаза в огнеупорах, имеющих следующий состав: а) 75% MgO и 25% форстерита Mg2SiO4; б) 80% форстерита и 20% энстатита MgSiO3?

4. Какое количество форстерита Mg2SiO4 выделится из расплава, содержащего 50% MgO и 50% SiO2, при охлаждении до температуры 1600°С?

5. Каким должен быть состав исходной смеси в системе MgO – SiO2, чтобы при полном охлаждении получить огнеупор состава 80% MgO и 20% форстерита Mg2SiO4?

 

Вариант 2

С помощью диаграммы состояния системы Li2O – SiO2 (рис. 4) выполните следующие задания:

1. Опишите процесс кристаллизации расплавов следующих составов: а) 40% Li2O и 60% SiO2; б) 25% Li2O и 75% SiO2.

2. Определите содержание жидкой и твердой фазы при 1100°С в смесях состава: а) 15% Li2O и 85% SiO2; б) 70% Li2O и 30% SiO2.

3. Как изменится температура полного плавления смеси при замене 10% Li2O на SiO2 в составе 7% SiO2 и 30% Li2O?

4. При какой температуре появится жидкая фаза в огнеупорах, имеющих следующий состав: а) 15% Li2O и 85% SiO2; б) 50% Li2O и 50% SiO2?

5. Определите составы равновесных фаз, соответствующих эвтектическим точкам.

 

Вариант 3

С помощью диаграммы состояния системы Na2O – SiO2 (рис.5) выполните следующие задания:

1. Опишите процесс кристаллизации расплавов следующих составов: а) 40% Na2O и 60% SiO2; б) 15% Na2O и 85% SiO2.

2. Как изменится температура полного плавления смесей в данной системе при увеличении содержания SiO2 с 50 до 60%?

3. Натриевое растворимое стекло имеет состав Na2O·3SiO2. Определите температуру его полного плавления.

4. Исходная смесь содержит 72% SiO2 и 28% Na2O. Определите содержание жидкой фазы при 800°С и соотношение между фазами при полной кристаллизации.

5. Определите соотношение между фазами при полной кристаллизации расплава, содержащего 40% SiO2 и 60% Na2O.

 

Вариант 4

С помощью диаграммы состояния системы Al2O3 – SiO2 (рис.6) выполните следующие задания:

1. Определите соотношение между муллитом 3Al2O3·2SiO2 и SiO2 в огнеупоре состава 40% Al2O3 и 60% SiO2, эсплуатирующемся при 1500°С.

2. Жидкая фаза, образовавшаяся в огнеупоре в количестве 20%, содержит 30% Al2O3 и 70% SiO2. Определите состав огнеупора.

3. Определите соотношение между муллитом и Al2O3 в смеси состава 80% Al2O3 и 20% SiO2 при полной кристаллизации.

4. Какое количество жидкой фазы образуется при 1600°С в огнеупорах состава: а) 40% Al2O3 и 60% SiO2; б) 28% Al2O3 и 72% SiO2; в) 60% Al2O3 и 40% SiO2? Определите фазовый состав этих огнеупоров.

5. Определите составы равновесных фаз, соответствующих эвтектическим точкам.

 

Вариант 5

С помощью диаграммы состояния системы ZnO – SiO2 (рис. 7) выполните следующие задания:

1. Опишите процесс кристаллизации расплавов следующих составов: а) 25% ZnO и 75% SiO2; б) 70% ZnO и 30% SiO2.

2. Какие фазы будут находиться в равновесии в смеси состава 20% ZnO и 80% SiO2 при 1695°С? Сколько степеней свободы имеет система в этом состоянии? При какой температуре исчезнет жидкая фаза при охлаждении указанного состава?

3. Определите состав исходной смеси, который при полном охлаждении будет иметь следующий фазовый состав: 30% ZnO и 70% Zn2SiO4; б) 30% Zn2SiO4 и 30% тридимита.

4. При какой температуре в системе ZnO – SiO2 смесь, содержащая 60% ZnO и 40% SiO2, будет образовывать при плавлении 40% жидкой фазы?

5. Определите составы равновесных фаз, соответствующих эвтектическим точкам.

Вариант 6

С помощью диаграммы состояния системы CaO – Fe2O3 (рис. 8) выполните следующие задания:

1. Опишите процесс кристаллизации расплавов следующих составов: а) 85% Fe2O3 и 15% CaO; б) 75% Fe2O3 и 25% CaO; в) 60% Fe2O3 и 40% CaO.

2. Определите фазовый состав продуктов кристаллизации расплава 87% Fe2O3 и 13% CaO при 1200°С.

3. Смесь состоит из 70% Fe2O3 и 30% CaO. Каким будет соотношение между фазами, образовавшимися при 1200°С?

4. Какие фазы будут находиться в равновесии в смеси состава 65% Fe2O3 и 35% CaO при 1350°С? Сколько степеней свободы имеет система в этом состоянии? При какой температуре исчезнет жидкая фаза при охлаждении указанного состава?

5. Исходная смесь содержит 90% Fe2O3 и 10% CaO. Определите соотношение между фазами при полной кристаллизации.

Вариант 7

С помощью диаграммы состояния системы K2O – SiO2 (рис. 9) выполните следующие задания:

1. Опишите процесс кристаллизации расплавов следующих составов: а) 10% K2O и 90% SiO2; б) 40% K2O и 60% SiO2.

2. Определите составы равновесных фаз, соответствующих эвтектическим точкам.

3. Как изменится температура полного плавления смеси при снижении содержания SiO2 с 80 до 72%?

4. Определите соотношение между фазами, образующимися при полном охлаждении расплава, имеющего состав 50% K2O и 50% SiO2.

5. Определите область наиболее легкоплавких составов и фазовый состав продуктов их кристаллизации.

 

Вариант 8

С помощью диаграммы состояния системы CaO – Al2O3 (рис. 10) выполните следующие задания:

1. Опишите процесс кристаллизации расплавов следующих составов: а) 20% CaO и 80% Al2O3; б) 40% CaO и 60% Al2O3.

2. Определите составы равновесных фаз, соответствующих наиболее легкоплавкой эвтектике.

3. Определите состав исходной смеси, дающей при полной кристаллизации 50% фазы 5CaO·3Al2O3 и 50% CaO·Al2O3.

4. Определите соотношение между фазами (в мас. %), образовавшимися при охлаждении расплава, содержащего 40% CaO и 60% Al2O3, до температуры 1500°С и при полной кристаллизации после завершения всех фазовых превращений.

5. Какие фазы будут находиться в равновесии в смеси состава 80% CaO и 20% Al2O3 при 1700°С? Сколько степеней свободы имеет система в этом состоянии? При какой температуре исчезнет жидкая фаза при охлаждении указанного состава?

 

Вариант 9

С помощью диаграммы состояния системы Na2O – B2O3 (рис. 11) выполните следующие задания:

1. Опишите процесс кристаллизации расплавов следующих составов: а) 80% B2O3 и 20% Na2O; б) 60% B2O3 и 40% Na2O.

2. Определите составы равновесных фаз, соответствующих эвтектическим точкам.

3. Определите соотношение между фазами, полученными при полной кристаллизации расплава состава 60% B2O3 и 40% Na2O.

4. При какой температуре в смеси состава 55% B2O3 и 45% Na2O образуется 30% жидкой фазы?

5. Сколько химических соединений образуется в данной системе? Какое из соединений плавится инконгруэнтно? Опишите процесс плавления данного соединения.

 

Вариант 10

С помощью диаграммы состояния системы BaTiO3 – SiO2 (рис. 12) выполните следующие задания:

1. Опишите процесс кристаллизации расплавов следующих составов: а) 20% BaTiO3 и 80% SiO2; б) 5% BaTiO3 и 95% SiO2.

2. Определите, каким должен быть состав исходной смеси для получения керамики, состоящей из 60% BaTiO3 и 40% BaTiSiO5 .

3. Определите составы равновесных фаз, соответствующих эвтектическим точкам.

4. Определите соотношение между фазами (в мас. %), образовавшимися при охлаждении расплава, содержащего 60% BaTiO3 и 40% SiO2, до температуры 1300°С и при полной кристаллизации после завершения всех фазовых превращений.

5. Какие фазы будут находиться в равновесии в смеси состава 10% BaTiO3 и 90% SiO2 при 1600°С? Сколько степеней свободы имеет система в этом состоянии? При какой температуре исчезнет жидкая фаза при охлаждении указанного состава?

 

Вариант 11

С помощью диаграммы состояния системы BeF2 – LiF (рис. 13) выполните следующие задания:

1. Опишите процесс кристаллизации расплавов следующих составов: а) 20% LiF и 80% BeF2; б) 40% LiF и 60% BeF2.

2. Определите количество фаз, образовавшихся в смеси состава 30% LiF и 70% BeF2 при 300°С.

3. Смесь содержит 60% BeF2 и 40% LiBe2F5. При какой температуре в процессе нагревания смеси образуется 50% жидкой фазы? Какое количество жидкости появится при нагревании до температуры эвтектики?

4. Определите составы равновесных фаз, соответствующих эвтектическим точкам.

5. Исходная смесь содержит 90% LiF и 10% BeF2. Определите соотношение между фазами при полной кристаллизации.

 

Вариант 12

С помощью диаграммы состояния системы CaO·SiO2 – ВaO·SiO2 (рис. 14) выполните следующие задания:

1. Опишите процесс кристаллизации расплавов следующих составов: а) 50% ВaO·SiO2 и 50% CaO·SiO2; б) 80% ВaO·SiO2 и 20% CaO·SiO2.

2. Определите температуру, при которой в смеси, имеющей состав 20% ВaO·SiO2 и 80% CaO·SiO2, соотношение жидкой и твердой фаз будет составлять 2 : 1.

3. Определите состав исходной смеси, из которой при охлаждении выделится 30% ВaO·SiO2 и 70% 2CaO·ВaO·3SiO2.

4. Определите составы равновесных фаз, соответствующих эвтектической и перитектической точкам.

5. Опишите процесс плавления химического соединения 2CaO·ВaO·3SiO2.

 

 

Рис. 3 Диаграмма состояния системы MgO – SiO2

Обозначения: Ф – форстерит; Кл – клиноэнстатит

 

Рис. 4 Диаграмма состояния системы Li2O – SiO2

Рис. 5 Диаграмма состояния системы Na2O – SiO2.

Обозначения: I, II, III –полиморфные формы дисиликата натрия

 

 

Рис. 6 Диаграмма состояния системы Al2O3 – SiO2

 

Рис. 7 Диаграмма состояния системы ZnO – SiO2

Обозначения: К – кристобаллит; Т – тридимит

 

Рис. 8 Диаграмма состояния системы CaO – Fe2O3

Обозначения: М – магнетитовый твердый раствор;

Г1 – гематит; Г2 – гематитовый твердый раствор

 

Рис. 9 Диаграмма состояния системы K2O – SiO2

 

Рис. 10 Диаграмма состояния системы CaO – Al2O3

 

Рис. 11 Диаграмма состояния системы Na2O – B2O3

Рис. 12 Диаграмма состояния системы BaTiO3 – SiO2.

Обозначения: BaTiO3(I); BaTiO3(II) – кубическая и гексагональная

формы твердого раствора соответственно

Рис. 13 Диаграмма состояния системы BeF2 – LiF.

Обозначения: BeF2(I); BeF2(II) – высоко- и низкотемпературные

формы соответственно

Рис. 14 Диаграмма состояния системы CaO·SiO2 – ВaO·SiO2

Пример 2.1.На рис. 15 изображена диаграмма состояния системыCaO – SiO2. Опишите процесс кристаллизации расплава состава 15% CaO и 85% SiO2.

Рис. 15 Диаграмма состояния системы CaO – SiO2.

Обозначения: К – кристобалит; Т – тридимит;

Р – ранкинит; В – волластонит

Решение.Расположим фигуративную точку заданного состава в области однофазного состояния (точка 1). Химический состав исходной смеси относится к области составов, проявляющих стабильную ликвацию, т.е. расслоение в жидкой фазе. При охлаждении до купола ликвации начнется распад однофазного расплава на две несмешивающиеся жидкости. На линии ликвидуса появятся кристаллы α-кристобаллита в равновесии с жидкостью. При 1470 ºС произойдет полиморфное превращение кристобаллита в тридимит. При температуре примерно 1420 ºС жидкая фаза полностью исчезнет с образованием кристаллов α-тридимита и псевдоволластонита α-CaSiO3. При 1125 ºС произойдет переход α-CaSiO3 → β-CaSiO3, а при 870 ºС – переход α-тридимит → α-кварц. Фазовые превращения закончатся при температуре 573 ºС переходом α-кварц → β-кварц.

Полная схема фазовых превращении следующая: расплав → две несмешивающиеся жидкости → α-кристобаллит + Ж → α-тридимит + Ж → α- тридимит + α-CaSiO3 → α-тридимит + β-CaSiO3 → α-кварц + β-CaSiO3 → β-кварц + β-CaSiO3.

Пример 2.2.Опишите процесс кристаллизации расплава состава 70% CaO и 30% SiO2.

Решение.Расположим фигуративную точку заданного состава в области однофазного состояния (точка 2). На кривой ликвидуса при охлаждении такого расплава начнут выделяться кристаллы соединения 3CaO·SiO2 (Ca3SiO5) в присутствии остаточной жидкой фазы. По достижении линии солидуса жидкая фаза исчезнет и в равновесии будут находиться две фазы: α-2CaO·SiO2(Ca2SiO4) и 3CaO·SiO2(Ca3SiO5). При температуре выше 1400 ºС происходит полиморфное превращение α-Ca2SiO4 → α-Ca2SiO4. При 1250 ºС соединение Ca3SiO5 разлагается с образованием Ca2SiO4 и CaO, поэтому ниже 1250 ºС в равновесии будут фазы α-Ca2SiO4 и CaO. В процессе дальнейшего охлаждения при температуре примерно 650 ºС α-Ca2SiO4 переходит в γ-форму.






Читайте также:

Последнее изменение этой страницы: 2016-03-15; Просмотров: 83; Нарушение авторского права страницы


lektsia.com 2007 - 2017 год. Все права принадлежат их авторам! (0.208 с.) Главная | Обратная связь