Модуль 1. Особенности силикатных материалов

Стр 1 из 4Следующая ⇒

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: DC⁰_p = f(T).

3. Пользуясь законом Кирхгофа и установленной функциональной зависимостью DC⁰_p = 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 DC⁰_P = 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) + SiO_{2(кварц)} = СаО·SiO_2(т)
	3СаО_(т) + 2SiO_{2(кварц)} = 3СаО·2SiO_2(т)
	MgO_(т) + Al₂O_{3(корунд)} = MgO·Al₂O_3(т)
	MgO₍_т₎ + SiO₂₍_кварц₎ = MgO·SiO₂₍_т₎
	2MgO_(т) + SiO_{2(кварц)} = 2MgO·SiO_2(т)
	СаО_(т) + Al₂O_{3(корунд)} = СаO·Al₂O_3(т)
	3СаО_(т) + Al₂O_{3(корунд)} = 3СаO·Al₂O_3(т)
	СаО_(т) + 2Al₂O_{3(корунд)} = СаO·2Al₂O_3(т)
	FeО_(т) + SiO_{2(кварц)} = FeО·SiO_2(т)
	2FeО_(т) + SiO_{2(кварц)} = 2FeО·SiO_2(т)
	2СаО_(т) + SiO_{2(кварц)} = 2СаО·SiO_2(т)
	Na₂О_(т) + SiO_{2(кварц)} = Na₂О·SiO_2(т)

Таблица 2

Вещество	DН⁰_f_{, 298},	S⁰₂₉₈,	Коэффициенты уравнения С⁰_P = f (T),
а	b× 10³	с¹× 10^–5
Al₂O_{3(корунд)}	1670, 69	50, 92	114, 55	12, 89	–34, 31
СаО_(т)	–635, 10	38, 07	49, 62	4, 52	–6, 95
SiO_{2(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· SiO_2(т)	–1636, 52	82, 04	111, 51	15, 07	–27, 29
2СаО·SiO_2(т)	–2309, 58	127, 67	151, 74	36, 96	–30, 31
3СаО· 2SiO_2(т)	–3826, 17	210, 97	267, 90	37, 88	–69, 49
СаO·Al₂O_3(т)	–2322, 39	114, 21	150, 74	41, 78	–33, 33
3СаO·Al₂O_3(т)	–3558, 10	205, 53	260, 70	19, 17	–50, 11
СаO·2Al₂O_3(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·SiO_2(т)	–2178, 94	95, 02	140, 90	27, 38	–35, 66
MgO·Al₂O_3(т)	–2299, 30	80, 70	154, 19	26, 81	40, 98
Na₂О·SiO_2(т)	–1559, 70	113, 86	130, 35	40, 18	–27, 08
FeО·SiO_2(т)	–1207, 03	96, 28	158, 40	17, 00	–27, 30
2FeО·SiO_2(т)	–1500, 05	145, 25	152, 83	39, 18	–28, 04

Пример 1.1. Выведите функциональную зависимость изменения молярной изобарной теплоемкости от температуры (DC⁰_p = f(T)) для реакции С_{(графит)}+ CO_2(г) = 2CO_(г). Вычислите тепловой эффект реакции при 500 К, если при стандартных условиях он равен 172, 5 кДж.

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

C_p = a + bT + c¹T ^–2,

поэтому величину DС_P рассчитывают по уравнению

DC_P = Da + DbT +Dc¹T ^–2.

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

Вещество	Коэффициенты уравнения С⁰_P = f (T),
а	b× 10³	с¹× 10^–5
С₍_графит₎	16, 86	4, 77	–8, 54
СО_(г)	28, 41	4, 10	–0, 46
СО_2(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^.10^–³;

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:

DC_P = -4, 18 -5, 61^.10^–3T + 16, 15^.10⁵T ^–2.

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

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

Пример 1.2. Изменение энтропии реакции С_{(графит)}+ CO_2(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 DC_P = 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 Δ G 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	DН⁰_f_{, 298},	S⁰₂₉₈,	Коэффициенты уравнения С⁰_P = 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 (S_t – 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 CaCO₃на скорость его разложения проводят аналогичные опыты с образцами другой крупности (по заданию преподавателя).

Рекомендуемый вид таблицы

Температура опыта, º С: ______________

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 SiO₂в 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% Al₂O₃при 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% B₂O₃и 20% Na₂O; б) 60% B₂O₃и 40% Na₂O.

2. Определите составы равновесных фаз, соответствующих эвтектическим точкам.

3. Определите соотношение между фазами, полученными при полной кристаллизации расплава состава 60% B₂O₃и 40% Na₂O.

4. При какой температуре в смеси состава 55% B₂O₃и 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% BaTiO₃и 80% SiO₂; б) 5% BaTiO₃и 95% SiO₂.

2. Определите, каким должен быть состав исходной смеси для получения керамики, состоящей из 60% BaTiO₃и 40% BaTiSiO₅.

3. Определите составы равновесных фаз, соответствующих эвтектическим точкам.

4. Определите соотношение между фазами (в мас. %), образовавшимися при охлаждении расплава, содержащего 60% BaTiO₃и 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% BaTiO₃и 90% SiO₂при 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 º С произойдет полиморфное превращение кристобаллита в тридимит. При температуре примерно 1420 º С жидкая фаза полностью исчезнет с образованием кристаллов α -тридимита и псевдоволластонита α -CaSiO₃. При 1125 º С произойдет переход α -CaSiO₃ → β -CaSiO₃, а при 870 º С – переход α -тридимит → α -кварц. Фазовые превращения закончатся при температуре 573 º С 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.

12 3 4 Следующая ⇒