Лабораторная работа 5. Построение диаграммы состояния бинарной системы фенол-нафталин.

Цель работы – Методом термического анализа построить диаграмму плавкости системы фенол-нафталин.

Аппаратура. Диаграмму состояния бинарного сплава можно построить, сняв кривые охлаждения чистых металлов и соответствующих сплавов. Для измерения температуры сплавов чаще всего пользуются термопарами. Термоэлектрические термометры (термопары) представляют собой два различных проводника, спаянных или сваренных одними концами (так называемый горячий спай), а другими концами соединенных с милливольтметром. Металлические проводники изолированы друг от друга. Места скрепления проводников пары с проводниками цепи называются холодными спаями. Эти спаи поддерживают при постоянной температуре.

Действие термопары основано на термоэлектрическом эффекте (эффект Зеебека). Суть термоэлектрического эффекта состоит в том, что между концами проводника на который наложен градиент температуры возникает разность потенциалов, величина которой зависит от разности температур на концах и природы металлов. Т.к. термопара составлена из двух разнородных проводников, то результирующая ЭДС пропорциональна разности температур между горячим спаем и холодными концами. Это свойство и положено в основу измерения температуры с помощью термопар.

Простейшая схема установки для построения кривых охлаждения рассплавов представлена на рис. 4.4. В запаянных ампулах 1 помещены чистые вещества и их смеси с различным содержанием компонентов. Каждая ампула помещена в непосредственной близости от термопары 4. Ампулы помещены в печь 2, температура в которой задается регулятором 3. Измерение ЭДС соответствующей термопары и расчет температуры производится с помощью измерителя 5. Регистрация показаний может производиться двумя способами: запись экспериментатором вручную или электронный вывод сигнала на компьютер.

 

Рис. 4.4. Установка для проведения термического анализа.

 

Приборы и реактивы

1. Учебно-лабораторный комплекс «Химия» в следующей комплектации: · центральный контроллер; · модуль «Термический анализ».

2. Комплект из 11-ти ампул, содержащих смеси фенола и нафталина различных составов (от 10 до 90 %) и ампулы с чистым фенолом и нафталином;

Для построения диаграммы состояния двухкомпонентной системы фенола и нафталина методом термического анализа необходимо построить кривые охлаждения как чистых компонентов (фенола и нафталина), так и их смесей в различных соотношениях. Для построения этой диаграммы вполне достаточно использование нескольких смесей составленных через 10 % во всем возможном диапазоне изменения концентраций. Все смеси для выполнения работы приготовлены заранее и находятся в герметичных ампулах из нержавеющей стали.

Каждую смесь необходимо нагреть до температуры на несколько градусов превышающую температуру полного плавления смеси, чтобы исследуемая система находилась в виде расплава. Для нагревания ампул со смесями модуль «Термический анализ» имеет нагревательный элемент, предназначенный для одновременного нагревания нескольких ампул. Далее необходимо провести постепенное охлаждение каждой ампулы с фиксированием значения температуры через определенные интервалы времени. Охлаждение ампул происходит в специальном измерительном блоке модуля. Для созданий условий равномерного охлаждения ампулы обдуваются 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 25-26 °С. В некоторых случаях возможно проявление явления переохлаждения расплава. В этом случае происходит временное понижение температуру ниже температуры фазового перехода с последующим некоторым повышением температуры. Особенно сильно явление переохлаждения проявляется в случае чистых веществ и эвтектической смеси.

Наиболее ответственным этапом выполнения работы является анализ полученных кривых охлаждения. В нашем случае кривые охлаждения имеют довольно сложный характер. Это связано с тем, 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 маловыраженный характер. Кроме того, обработку кривых затрудняет проявление в той или иной мере переохлаждения в системе.

Если до охлаждения система находилась в полностью расплавленном состоянии, то первый перегиб указывает на температуру начала кристаллизации системы (этот перегиб в нашем случае 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. Поэтому для построения диаграммы состояния изучаемой системы на нее переносятся все выявленные на кривых охлаждения точки. Для этого стоят 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).

Далее на основании полученных точек следует провести линии диаграммы. При этом 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 кинетическим, и следовательно, полученные данные лишь приближено соответствуют равновесному состоянию системы. Поэтому возможно некоторое отклонение полученных результатов от теоретически ожидаемых.

Порядок выполнения работы

1. Ампулы со смесями нагревают выше температуры плавления смесей (100 °С).

2. Затем начинают охлаждение ампул с фиксированием через равные промежутки времени (от 10 до 30 с) значений температуры в каждой ампуле.

3. Строят кривые охлаждения — графики зависимостей температуры в ампуле от времени охлаждения.

4. Проводят анализ кривых охлаждения и по перегибам и температурным остановкам на графиках определяют температуры фазовых переходов для исследуемых смесей.

5. На основании полученных данных строят фазовую диаграмму системы

фенол-нафталин.

6. Проводят полный анализ диаграммы, при этом необходимо: определить

смысл всех полей, линий и точек на диаграмме, определить тип равновесия между тремя фазами (инвариантное состояние).

Работа с установкой.

1. Универсальный контроллер подключается к персональному компьютеру через СОМ-порт с помощью специального соединительного кабеля.

2. При включенном контроллере необходимо запустить программу управления УЛК «Химия» elsms.exe

3. В появившемся окне инициализации («Добро пожаловать в УЛК») необходимо выбрать вариант работы с УЛК — «Работа с контроллером». При правильно подсоединенном модуле и контроллере справа должны быть надписи: «Контроллер активен» и ниже «Модуль: Термический анализ». Затем необходимо войти в программу управления УЛК путем нажатия кнопки «Вход».

4. Далее попадаем в окно управления программой. Соответствие между измерительными каналами и датчиками происходит автоматически, необходимо лишь включить используемые в работе датчики. В нашем случае необходимо включить все шесть термодатчиков.

5. Установка температуры нагревателя (120 °С) его включение и включение вентилятора модуля производится в группе элементов «Исполнительные устройства».

6. После этого необходимо настроить параметры измерения. Для этого в группе элементов «Параметры измерений» устанавливаем пункт «Автоматический режим» и указываем интервал между измерениями в соответствующем поле. Число измерений рекомендуется указать — 100. Далее необходимо следить за температурой в нагреваемых ампулах (каналы 5 и 6). Ампулы нагревать до температуры 100 °С.

7. В ходе проведения работы кривые охлаждения одновременно строятся для нескольких ампул, поэтому для каждой ампулы указывается ее состав. Для этого в группе элементов «Дополнительный параметр» необходимо установить пункт «Использовать дополнительный параметр», убрать «галочку» в поле «Общий» и в соответствующих полях «Дополнительный параметр» для каждого канала указать процентную концентрацию одного из компонентов в ампуле. Размерность указывается в поле «Размерность». (Размерность необходимо указывать только один раз.) (Прим.: при редактировании последнего значения параметра необходимо подтвердить окончание редактирования нажатием клавиши «Enter» на клавиатуре компьютера.)

8. Когда температура в ампулах приблизится к требуемой, можно начинать измерения. Нагретые ампулы переставляем в измерительный блок и производим запуск измерений нажатием кнопки «Измерение». Появится окно состояния измерения — «Обмен данными с контроллером», где будут отображаться результаты текущих измерений. 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». Измерения необходимо проводить до температуры 25 °С во всех ампулах.

9. Когда температура в ампулах примет требуемое значение, необходимо остановить измерения путем нажатия в окне состояния измерения («Обмен данными с контроллером») кнопки «Стоп».

10. После проведения первого эксперимента следует продолжить проведение работы с очередными ампулами. Для этого необходимо перейти в окно «Управление» и нажать кнопку «Текущее состояние». Далее можно продолжить выполнение работы, начиная с п. 7.

Таблица 4.1. Составы исследуемых смесей.

№	Фенол	Нафталин

 

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Поделиться: