Практичне використання діаграм стану двокомпонентних та трикомпонентних систем

Міністерство  освіти і науки України

Вищий навчальний заклад

Донецький національний технічний університет

Кафедра: «Прикладна екологія та охорона навколишнього  середовища» 
 
 
 

Курсова робота

з дисципліни: «Фізична хімія тугоплавких неметалевих 
і силікатних матеріалів»

на тему «Практичне використання діаграм стану  двокомпонентних та трикомпонентних  систем» 
 
 

          Виконав:                                                                     

ст. гр.ТТМ пр - 08                __________________________  Бприжан М.Л.

          (підпис, дата) 
 

       Прийняв: 

професор  каф. ПЕ та ОНС      __________________________  Прилипко Ю.С.  

            (підпис, дата) 
 
 
 
 

Донецьк, 2010

 

РЕФЕРАТ 

       К.р.  34 сторінок, 12 рисунків,  13 джерел з переліку посилань.

       Мета  роботи: навчитись визначати будову та хімічні перетворення речовин  за різних зовнішніх умов; досліджувати хімічні явища за допомогою теоретичних  і експериментальних методів  фізики.

       В роботі розглянені: фазові рівноваги  та кристалічні структури сполук в системах TiО₂ – SіО₂, Na₂О − CaО − SіО₂; шляхи кристалізації розплаву в системі Na₂О − CaО − SіО₂; для всіх систем побудовані діаграми стану.  

       ДІАГРАМА  СТАНУ, ЕВТЕКТИКА, ПЕРИТЕКТИКА, КРИСТАЛІЗАЦІЯ, СИЛІКАТИ, ПРАВИЛО ВАЖЕЛЯ 

       ABSTRACT 

       K.R. 34 p., 12 drawings, 13 references to the literature.

       Objective: To learn how to define the structure and chemical transformations of substances under different external conditions, to investigate chemical phenomena by means of theoretical and experimental methods of physics.

Purpose of the work: phase equilibria and crystal structures of compounds in the TiO₂ − SiO₂, Na₂О − CaО − SіО₂; path of melt crystallization in the system Na₂О − CaО − SіО₂;  for all systems built diagram. 

CHART STATE, EVTEKTIKA, PERITEKTIKA, CRYSTALLIZATION, SILICATE, USUALLY A LEVER,  
 
 
 
 
 
 

ЗМІСТ

Вступ ……………………………………………………………………………    4

1 Двокомпонентна система SiO₂ – TiO₂ ………………………...……………     8

1.1 Опис діаграми стану SiO₂ – TiO₂ ……………………………………….    8

 1.2 Ліквація в системі SiO₂ – TiO₂ ………………………………………….    9

   1.3 Практичне використання системи …………………………………….... 10

2 Трикомпонентна система Na₂О – СаО – SiО₂ ……………………………… 13

2.1 Опис діаграми стану ……………………………………………………...13

2.2 Конструктивні елементи діаграми стану ………………………………..14

             2.2.1 Прикордонні криві на діаграмі …………………………………..14

     2.2.2 Потрійні точки …...…………….………………………………....17

  2.3 Шляхи  кристалізації …………….………………………………………..20

  2.4 Ліквація в системі Na₂О – СаО – SiО₂ …..…………………………….. 21

   2.5 Практичне застосування системи …….…...…………………………… 23

3 Практичне завдання …………………………………………………………...25

3.1 Приклади по діаграмі стану SiO₂ – TiO₂ ………………………………..25

3.2 Приклади по діаграмі стану Na₂О – СаО – SiО₂ …...…………………  29

Висновки  …………………………………………..……………………………31

Перелік посилань ………………………………..……………………………  33 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВСТУП 

      Вітчизняна  наука о силікатах з самого започаткування, з часів Ломоносова з успіхом займалась вивченням  хімії силікатів, будовою силікатів  та реакціями, що протікають в силікатних системах. Дослідницьким криголамом з успіхом розроблені найважливіші розділи фізичної хімії силікатів, вдосконалюється технологія силікатної промисловості, створюється ряд  цілковито нових технологічних  процесів, опановується виробництво нових видів матеріалів та виробів.

      Для розуміння основних властивостей силікатних матеріалів, які можуть перебувати як в кристалічному, рідкому, склоподібному  станах виключне значення має теорія будови та основні характеристики силікатів. Вивчення основних закономірностей, що визначають перебіг реакцій в  твердих фазах, має виключне значення для силікатної технології. Вирішення  надає змогу встановлення оптимальних  умов дозування компонентів сировинних сумішей, необхідної тонкості помелу матеріалів, вплив мінералізаторів на швидкість  реакцій, вплив швидкості нагрівання та температур випалу та ряду інших  важливих факторів на перебіг основних технологічних процесів.

      Велика  частина технологічних процесів в силікатній промисловості протікає при високих температурах; експериментальне вивчення силікатних фазових рівноваг при цих температурах набуває  першочергового значення, внаслідок  якого виникають діаграми стану  силікатних систем. Використання діаграм  стану силікатних систем надає змогу  визначати кількість фаз, їх склад  та співвідношення в рівноважному стані  при заданих параметрах та складах  сумішей, а також зміни цих  характеристик при нагріванні чи охолодженні.

     Вивчення  загальних теоретичних положень фізичної хімії силікатів та основних методів дослідження силікатів  в різних країнах надає можливість детально та систематично вивчати численний експериментальний матеріал по силікатним системам. Промисловість базується на дослідженнях науки, упроваджує наукові розробки в технології виробництва новітніх матеріалів та більш досконалих схемах проведення технологічного процесу, що підтверджує взаємну підтримку, тандем співпраці.

     Діаграми  стану є узагальненням матеріалу: фазові перетворення в системі, зміна температур кристалізації для сумішей різного хімічного складу; можливі хімічні сполуки між компонентами; стан системи в певних теплофізичних умовах та кількісні співвідношення між фазами в будь-який момент охолодження чи нагрівання. Стрімка хімізація усіх галузей виробництва, яку ми нині спостерігаємо в усьому світі, змушує по-новому розуміти соціальне значення хімії. У зв’язку зі швидким розвитком промисловості, транспорту, енергетики перед людством постала проблема їх шкідливого впливу на навколишнє середовище. Відходами виробництва забруднюються вода й атмосфера і як наслідок – вимирають цілі види рослин, тварин, погіршується здоров’я людей і кардинально змінюється клімат Землі. Виробництво хімічної зброї, непомірне використання консервантів, барвників тощо у продуктах харчування й забруднення планети – все це сумні приклади безвідповідальності у використанні досягнень хімії. Винна в них не хімія сама по собі, а люди з недостатньою хімічною освітою або хімічні знання яких не набули чи вже втратили свою функціональність. Такі люди, як правило, нехтують знаннями про речовини і хімічні процеси, легко порушують норми і правила їх використання, проектують виробництва без очисних споруд, закопують відходи в землю або викидають їх у водойми, розпилюють хімікати тощо. Своєю діяльністю вони завдають шкоди здоров’ю людей і навколишньому середовищу.

     Тільки  від нас залежить, добром чи злом для людства і природи обернуться могутні та надзвичайно тонкі  хімічні процеси. І тільки неуцтво  та егоїзм можуть спричинити планетарну катастрофу.

     Фізична хімія — наука про загальні закони, які визначають будову та хімічні  перетворення речовин за різних зовнішніх  умов. Досліджує хімічні явища за допомогою теоретичних і експериментальних методів фізики. Для розвитку фізичної хімії надзвичайне значення мали роботи Д.І. Менделєєва і, перш за все, відкриття періодичного закону (1869), який став основою для вивчення будови атома, атомних спектрів, систематизації властивостей хімічних елементів та їх сполук. Д.І. Менделєєв створив гідратну теорію розчинів, увів універсальну газову сталу, встановив існування критичної температури (абсолютної Ткип рідини). Наприкінці ХІХ ст. фізична хімія бурхливо розвивається й остаточно формується в самостійну дисципліну. Цьому сприяли видатні роботи Дж. Гіббса (термодинаміка рівноваги), Я.Х. Вант-Гоффа (фізична теорія розчинів), С.А. Арреніуса (теорія електролітичної дисоціації), В.Г. Нернста (електрохімія). У 1887 р. в Лейпцизькому уні­верситеті була створена перша кафедра фізичної хімії на чолі з Оствальдом, на якій працювали Я.Х. Вант-Гофф, С.А. Арреніус, В.Г. Нернст. У ХХ ст. Ф.х. швидко розвивається завдяки створенню нових експериментальних методів, одержанню глибокого вакууму, високих тисків і низьких температур, застосуванню електроніки, радіотехніки і автоматики. На початку ХХ ст. створені ядерна модель атома (Е. Резерфорд, 1911), кількісна теорія атома водню (Н.Х.Д. Бор, 1913), сформульована теплова теорема (В.Г. Нернст, 1906). До великих досягнень ХХ ст. належать теорія розчинів сильних електролітів (П.Й.В. Дебай і В. Гюккель, 1923) і теорія ланцюгових реакцій (М.М. Семенов, 1934).

     Фізичну хімію  підрозділяють на декілька основних розділів. Будова речовини. У  цьому розділі узагальнюють експериментальний  матеріал, одержаний при використанні таких фізичних методів, як молекулярна  спектроскопія, електронографія, нейтронографія, методи на основі магнітооптичних ефектів  тощо. Ці методи дозволяють одержати дані про структуру сполук. Структура  сполуки визначає її біологічну активність. Тому встановлення структури БАР  зазначеними методами має важливе  значення для фармації. Важливим джерелом інформації про будову молекул є  квантовохімічні розрахунки. Вони дозволяють не тільки встановити кореляцію між характеристиками молекул, які утворюють речовину, і властивостями цієї речовини, але й прогнозувати будову сполук з певними властивостями, що має велике значення для пошуку БАР. Хімічна термодинаміка. На основі законів загальної термодинаміки вивчається взаємоперетворення різних видів енергії в хімічних та фізико-хімічних процесах, а також вплив зовнішніх умов на напрямок і межу перебігу самодовільних процесів. Хімічна термодинаміка має важливе значення для теорії та практики технології.

            В курсовій роботі буде розглянуто діаграми стану SiO₂ – TiO₂ з поширеною областю ліквації та Na₂О – СаО – SiО₂, яка займає важливе значення для технології виробництва стекол та налічує багато хімічних сполук та поліморфних перетворень.

     Мета  курсової роботи – вивчення елементів діаграм станів дво- та трикомпонентних систем, як найбільш поширених, на базі яких опановуються й багатокомпонентні системи; правил проходження кристалізації чи топлення, визначення кількісних співвідношень фаз за допомогою правила важеля, а також вивчення областей, в яких проходять поліморфні перетворення або ліквація, та закріплення теоретичних знань на практиці – розв’язання задач по діаграмах стану.

       
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1 ДВОКОМПОНЕНТНА СИСТЕМА SiO₂ – TiO₂ 

      1.1 Опис діаграми стану SiO₂ – TiO₂ 

     В [4] вказано про відсутність в системі TiO₂ – SiO₂ хімічних сполук, що вказує на існування лише двох індивідуальних хімічних сполук TiO₂ та SiO₂. Для даної системи число незалежних компонентів К = 2, тобто система двокомпонентна. Звідки можна порахувати за правилом фаз Гіббса число ступенів свободи ( f ): 

                                                f = K + m – P,                                             (1.1.1) 

де m – число зовнішніх параметрів, зміна яких за умов розглянутої системи викликає зміну стану системи; m = 1, тобто лише вплив температури враховується при зміні стану системи;

     P – число фаз.

Звідки,      

                                                        f = 3 – P.                                                   (1.1.2) 

Число ступенів свободи вказує на незалежні  параметри системи, що знаходиться  в рівновазі, зміна яких в певних межах не буде викликати порушення  фазової рівноваги. Відтак, обираючи фігуративну точку на діаграмі, можна  з’ясувати варіативність системи. Наприклад, для точки евтектики (89,5% SiO₂ та 10,5% TiO₂) система інваріантна (f = 0), тобто всі параметри системи фіксовані ті жоден з них не може змінитись без зміни рівноваги. На лінії ліквідус система моноваріантна (f = 1), що вказує на можливість коливання в деяких межах одного параметра без зміни числа та природи фаз.