Описание диаграммы состояния и некоторых модификаций SiO2

Національний Технічний  Університет України

«Київський Політехнічний  Інститут»

Хіміко-технологічний факультет

Кафедра хімічної технології тугоплавких неметалевих

 і силікатних матеріалів

 

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему:

 

«Однокомпонентна система  діоксиду кремнію.

Поліморфні модифікації  SiO₂»

 

 

 

 

 

Перевірив:                                                                                    Виконала:                   

Племянніков М.М.                                                                      Студентка ХТФ

                                                                                                      Групи ХМ-81

                                                                                   Голуб В.В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Київ 2012

Зміст:

1. Зміст…………………………………………………………………………2
2. Вступ………………………………………………………………………...3
3. Особливості  однокомпонентної системи SiO₂…………………………...4
4. Діаграма Феннера. Схема 2………………………………………………...5
5. Послідовність фазових переходів в системі SiO₂…………………………8
6. Характеристика деяких  поліморфних модифікацій   SiO₂………..…….11
7. Відхилення в діаграмі Феннера………………………………………...….12
8. Висновок………………………………………………………………...…..14
9. Список використаної літератури……………………………………..……15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вступ:

 В керамічному виробництві, такому як виробництві вогнетривів, важливою є

зміна  густини та об’єму під час поліморфних перетворень діокиду кремнію. Крім того, даний оксид силіцію має важливе значення у виробництві кварцового скла, виробів з тонкої кераміки тощо і відповідно у сферах застосування даних продуктів виробництва.

  Тому вивчення  властивостей  SiO₂ і переходу між алотропними модифікаціями під впливом температури є дуже важливим з практичної точки зору і дозволяють спрогнозувати поведінку діоксиду кремнію під час технологічного процесу та відповідно  дає можливість впливати  на його перебіг.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Особливості  однокомпонентної системи SiO₂

 Єдиним стійким оксидом кремнію є кремнезем - SiO₂.  Діоксид кремнію є однокомпонентною системою з досить  складним поліморфізмом. В природі зустрічаються одинадцять  кристалічних поліморфних модифікацій і дві скловидні форми SiO₂. Кожна з наведених модифікацій термодинамічно стійка в певних інтервалах тиску і температур.

Таблиця 1. Властивості  поліморфних модифікацій SiO₂

 

 

Три головні  поліморфні модифікації діоксиду кремнію( модифікації першогопорядку) – кварц, тридиміт,кристобаліт, які різко відрізняються між собою за структурою і фізичними властивостями – енантіотропні. Кожна з них має низько- і високотемпературну модифікації( модифікації другого порядку).

    Області термодинамічної  стійкості основних кристалічних  форм кремнезему зображені на  діаграмі Феннера.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  Діаграма є умовною, тому що виміряти дуже малі значення тиску насиченої пари діоксиду кремнію в даному інтервалі температур практично неможливо. Кожна з модифікацій має характерну лише для неї область стійкості.    Загальне правило – найбільш стійкою при даній температурі буде та модифікація, для якої тиск насиченої пари буде меншим.

Всі кристалічні форми  SiO₂,  представлені на діаграмі, можна поділити на дві групи. До першої  відносять форми,які при нормальному тиску (де і була побудована діаграма Феннера) мають температурні області стабільного існування( на діаграмі позначені суцільними лініями). До них відноситься

-кварц(стійкий до 575^ОС), α-кварц( 575…870^ОС),

α-тридиміт(870….1470^ОС) і α-кристобаліт(1470-1728^ОС).

  До другої групи відносять форми, які при нормальному тиску існують лише в метастабільному стані(пунктирні лінії на діаграмі): γ-тридиміт(нижче

120 ^ОС), β-тридиміт( 120-163^ОС), і β-кристобаліт (нижче 230 ^ОС).

При нагріванні чистого  SiO₂ головними поліморними перетвореннями являється перехід α-кварцу в аморфну фазу змінної густини і далі  - в розплав,а також перехід α-кварцу в α-кристобаліті потім - в розплав. Аморфний діоксид кремнію, починаючи з 1150-1250^ОС, веде себе аналогічно.

   Області існування  різних кристалічних поліморфних   модифікацій  діокиду кремнію показані на схемі 2. Діаграма фазових перетворень показує, що при високих тисках можливе пряме перетворення: α-кварц↔α-кристобаліт і

α-кварц↔розплав. З діаграми випливаєщо температура одноваріантного рівноважного стану двох модифікацій (β-кварц↔α-кварц, α-кварц↔α-тридиміт,α-кварц↔α-кристобаліт, кварц↔коесит) значно залежить від тиску. З підвищенням тиску температура перетворень вказаних пар поліморфних модифікацій значно зростає. Особливо помітний вплив тиску на зростання температури поліморфних перетворень α -кварц↔α-тридиміт і

α-кварц↔α-кристобаліт. Виняток складає фазове перетворення  α-тридиміт↔α-кристобаліт, за яким із зростанням тиску дещо знижується температура переходу. У відповідності до діаграми фазових рівноваг лінія рівноважного стану кварцу і коеситу в інтервалі температур 700…1700^ОС являє собою пряму.

   На діаграмі фазових  перетворень є три нонваріантні потрійні точки: точка а рівноважного стану α-кварцу, α-тридиміту і α-кристобаліту; точка bрівноважного стану α-кварцу,α-кристобаліту і розтопу; точка с рівноважного стану β-кварцу, α-кварцу і коеситу.

Коесит утворюється при тисках 4…14 ГПа і температурах 700…2000 ^ОС. Метастабільний кварц існує в області тисків 4…14 ГПа  і температурах 700..1000^ОС. Стишовіт утворюється при тисках 10…14 ГПа із метастабільного кварцу за температури близько 1000^ОС. Потрійна точка рівноважного стану трьох модифікацій( на діаграмі 2-а) – коеситу, стишовіту і метастабільного кварцу за тиску 10 ГПа і температурі 1000^ОС.

   В області відносно низьких температур при охолодженні з насичених розчинів випадає гель кремнезему, який поступово перетворюється в метастабільний кристобаліт.Кристобаліт в присутності насиченого кремнеземом розчину поступово перетворюється в кварц. Невелике підвищення температури сприяє швидкій перекристалізації кристобаліту в кварц в присутності води.

  Таким чином, кристаліт  і особливо тридиміт в присутності  води стають нестійкими, а кварц може знаходитися в рівновазі з розплавом при температурах вище 1300^ОС і тиску більше 200 МПа.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Послідовність  фазових переходів в системі  SiO₂

Послідовність фазових переходів  в системі SiO₂схематично можна представити наступним чином:

₈₇₀^о_{С        1470}^о_{С                                      1728}^о_С

α-кварц   ↔ α-тридиміт   ↔   α-кристобаліт   ↔   розплав

      ↕ ₅₇₅^о_С  ↕ ₁₆₃^о_С                        ↕ ₂₃₀^о_С

-кварц        β-тридиміт          β-кристобаліт

                           ↕₁₂₀^о_С

                       γ-тридиміт

 

  Як видно з представленої схеми, всі вказані на ній   перетворення являються енантіотропними. Перетворення в межах кожної форми тобто

α-кварц   ↔  α-тридиміт,     α-тридиміт ↔ β-тридиміт ↔ γ-тридиміт, та