SPRAWOZDANIE

Z WYKONANIA ĆWICZENIA NR 10

TERMOGRAFIA

CEL ĆWICZENIA:

Sporządzenie wykresu równowagi ciecz - ciało stałe dla układu dwuskładnikowego naftalen - dwufenyl.

Aparatura i urządzenia:

Termopara pomiarowa

Rejestrator kompensacyjny

Łaźnia wodna

Regulator napięcia

Odczynniki:

Probówki z mieszaninami o składzie (w % mas.)

1. 100 % naftalenu -

2. 90 % naftalenu 10 % dwufenylu

3. 80 % naftalenu 20% dwufenylu

4. 70 % naftalenu 30% dwufenylu

5. 60 % naftalenu 40% dwufenylu

6. 50 % naftalenu 50% dwufenylu

7. 40 % naftalenu 60% dwufenylu

8. 20 % naftalenu 80% dwufenylu

9. 10 % naftalenu 90% dwufenylu

10. - 100% dwufenylu

- 1 -

WSTĘP:

Układ ciecz -ciało stałe możemy spotkać podczas prowadzenia procesu krystalizacji, rozpuszczania i otrzymywania stopów innych materiałów.

Faza jest to część rozpatrywanego układu ograniczonego wyraźną powierzchnią od jego reszty, jednolita w swym wnętrzu, różniąca się właściwościami od materii z drugiej strony powierzchni rozdziału ( tzw. granicy faz ).

Reguła faz określa warunki w jakich współistnieją w stanie równowagi.

Reguła Gibbsa mówi : liczbę stopni swobodnych układu, tzn. liczbę parametrów wyznaczających równowagę, które można zmienić w dowolnych granicach i nadal mieć do czynienie z układem fazowym.

z = s - f - r - R + 2 [1]

z- liczba stopni swobody

s- liczba składników

f- liczba faz

R- liczba niezależnych reakcji chemicznych zachodzących w układzie

r- liczba równań wyrażających zależności funkcjonalne między ułamkami molowymi wynikającymi z identyczności składu faz lub z góry określonego składu.

Przyjmując stałość ciśnienia, liczbę stopni swobody można wyznaczyć z równania

z = s - f ' - r - R +1 [2]

Na podstawie wzoru 2 wnioskujemy, że w układzie dwuskładnikowym mogą współistnieć najwyżej trzy fazy skondensowane. Maksymalna ilość stopni swobody wynosi 2, dlatego wykres równowagi fazowej dla układów dwuskładnikowych podaje się w układzie współrzędnych temperatura - skład roztworu wyrażony w ułamkach molowych lub masowych.

Można wyróżnić szereg podstawowych typów układów dwuskładnikowych. Najczęściej złożone wykresy równowagi fazowej stanowią kombinację podstawowych typów układu :

- którego składniki w stanie ciekłym mieszają się bez ograniczeń, a nie mieszają się zupełnie w stanie stałym

• którego składniki w stanie ciekłym mieszają się bez ograniczeń, nie mieszają się zupełnie w stanie stałym, a jeden z nich posiada odmienny układ krystalograficzny

• którego składniki mieszają się bez ograniczeń w stanie ciekłym, a w stałym tworzą trwały związek

• którego składniki w stanie ciekłym mieszają się bez ograniczeń, a w stanie stałym tworzą związek nietrwały

• którego składniki w stanie ciekłym mieszają się całkowicie, natomiast w stanie stałym nie mieszają się wcale

• którego składniki mieszają się całkowicie w stanie ciekłym, natomiast w stanie stałym wykazują ograniczoną rozpuszczalność

- 2 -

• którego składniki mieszają się całkowicie w stanie stałym i ciekłym

• którego krzywe krzepnięcia i topnienia tworzą minimum

• którego krzywe krzepnięcia i topnienia tworzą maksimum

Różnorodność typów tych układów wynika z:

1. odchylenia w fazie ciekłej i stałej powoduje istotne zmiany w mieszalności składników w każdej z faz

2. tworzenie w fazie stałej jednej lub kilka związków o różnej stechiometrii

3. tworzenie stałych metastabilnych faz

Stosując metodę Aleksejewa możemy stosunkowo skutecznie dla układów eutektycznych, w których jeden ze składników jest rozpuszczalnikiem.

Mając szereg krzywych studzenia dla różnych składników badanej cieczy mieszaniny można wykreślić krzywe krzepnięcia i topnienie.

Metoda analizy termicznej polega na ogrzewaniu próbek aż do całkowitego stopienia ma przebieg identyczny.

W układzie naftalen - dwufenyl mamy całkowitą mieszalność składników w fazie ciekłej a w fazie stałej zupełną niemieszalność . Układ taki w stanie równowagi może zawierać :

• jedną fazę ciekłą

• fazę ciekłą w równowadze z naftalenem

• fazę ciekłą z dwufenylem

• fazę ciekłą z dwiema fazami stałymi ( skład fazy ciekłej i temperatura są ściśle określone - eutektyk)

• dwie odrębne fazy stałe: kryształy naftalenu i dwufenylu.

Opracowanie wyników pomiarów do wykresu równowagi faz ciało stałe - ciecz dla układu dwuskładnikowego naftalenu i dwufenylu.

- 3 -

Rys.1 Wykres równowagi ciecz - ciało stałe dla układu dwuskładnikowego naftalen - dwufenyl.

Wnioski:

Omawiany wykres równowagi fazowej pozwala przewidzieć przebieg procesów krzepnięcia, skład fazy występującej w zakrzepłym związku.

W miarę zmiany składu mieszaniny w probówkach wyraźnie widać, że czas krzepnięcia i stygnięcia mieszaniny wydłuża się .

Ciecz o składzie eutektycznym krzepnie cała w stałej temperaturze, a przed osiągnięciem tej temperatury nie wydzielają się z cieczy żadne fazy stałe. Eutektyk topi się nie zmieniając składu, a jego temperatura topnienia jest najniższą temperaturą, w jakiej faza ciekła może współistnieć z fazami stałymi.

Metodą wykrywania eutektyków jest analiza termiczna. Jak wynika z niżej podanego wykresu ciecz stygnie z prawie jednakową szybkością tak długo, aż temperatura obniży się do wartości odpowiadającej punktowi a₂. Od tego momentu ciecz stygnie wolniej, gdyż zaczyna wytrącać się A, co jest związane z wydzieleniem ciepła, które opóźnia przebieg chłodzenia.

Gdy skład pozostałego jeszcze ciekłego stopu osiągnie punkt e , temperatura przestanie się zmieniać, dopóki cała ciecz nie skrzepnie. 1

temperatura

1. 
   
   stygnięcie mieszaniny

2- z cieczy wydziela się substancja A

3- krzepnięcie eutektyczne 3

4- stygnięcie ciała stałego

4

czas

- 4 -