Методика выполнения работы и ее обоснование

Построение диаграммы состояния бинарной системы

фенол-нафталин

Цель

Методом термического анализа построить диаграмму плавкости системы фенол-нафталин.

Задачи

— Построить кривые охлаждения смесей фенола и нафталина различных составов;

— Провести анализ кривых охлаждения и определить температуры фазо­вых переходов для различных смесей;

— По полученным данным построить фазовую диаграмму системы фе­нол-нафталин;

— Провести полный анализ диаграммы: определить смысл всех полей, линий и точек на диаграмме, определить тип равновесия между тремя фазами (инвариантное состояние).

Приборы и реактивы

Учебно-лабораторный комплекс «Химия» в следующей комплектации:

— центральный контроллер;

— модуль «Термический анализ» в комплекте с 11 -ю ампулами, содер­жащих смеси фенола и нафталина различных составов (от 10 до 90 %) и ампулы с чистым фенолом и нафталином;

Методика выполнения работы и ее обоснование

Для построения диаграммы состояния двухкомпонентной системы фено­ла и нафталина методом термического анализа необходимо построить кри­вые охлаждения как чистых компонентов (фенола и нафталина), так иих 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. Температуры, до ко­торых необходимо нагревать различные ампулы, указаны в приложении.

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. Примеры обработки кривых охлаждения приведены в приложении.

Если до охлаждения система находилась в полностью расплавленном со­стоянии, то первый перегиб указывает на температуру начала кристаллиза­ции фенола или нафталина (этот перегиб виден наиболее отчетливо). Нали­чие последующих перегибов или температурных остановок будет указывать на появление в системе новых фаз (кристаллизация эвтектики).

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 кристаллизации, а абсцисса — составу этой смеси (например, массовые проценты 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.