Определение температуры кристаллизации индивидуальных веществ и их смесей

По заданию преподавателя изучают одну из двухкомпонентных систем. Составы смесей приведены в таблице 1. Для исследования могут быть использованы следующие смеси:

1. Нафталин (t_пл=79,7^оС) – фенол (t_пл=40,8 ^оС);

2. Салициловая кислота (t_пл=159^оС) – бензойная кислота (t_пл=124,4^оС);

3. Салициловая кислота– мочевина (t_пл=133^оС)

при следующих массовых долях компонентов смеси:

Таблица 1

№ смеси	№ 1	№ 2	№ 3	№ 4	№ 5	№ 6
масс% 1 ком-та
масс% 2 ком-та

Для построения диаграммы состояния двухкомпонентной системы методом термического анализа необходимо построить кривые охлаждения, как чистых компонентов, так и их смесей в различных соотношениях. Все смеси, необходимые для выполнения работы, приготовлены заранее и находятся в пробирках. В каждую пробирку введен термометр, так чтобы конец термометра находился почти у дна и не касался стенок пробирки. Для обеспечения равномерности теплого нагрева данная конструкция вставлена во вторую пробирку.

В стакан с нагретой на электрической плитке водой или на песчаную баню помещают поочередно пробирки с исследуемой смесью. Когда содержимое пробирки расплавится и температура расплава повысится еще на 5-10°С, пробирку с расплавленной смесью переносят в стакан, в который налита холодная вода. Запись кривой охлаждения проводят по точкам, измеряя температуру через каждые 30 секунд, до тех пор, пока температура смеси не станет на 10-15°С ниже температуры кристаллизации.

Полученные данные наносят на график, где по оси абсцисс откладывается время, а по оси ординат – температура. Анализируя кривые охлаждения, определяют температуру начала кристаллизации, температуру кристаллизации эвтектики и длительность температурной остановки по следующей методике.

В точках фазовых переходов ход кривых охлаждения изменяется: на них появляется излом или горизонтальный участок. Для чистых компонентов по горизонтальному участку определяют температуру кристаллизации компонентов; для смесей излом на кривой показывает температуру начала кристаллизации компонента из смеси, а горизонтальный участок показывает температуру кристаллизации эвтектики, т.е. конец кристаллизации. Если при охлаждении системы наблюдается переохлаждение, то температуру кристаллизации определяют по точке максимального подъема температуры, который наблюдается после того, как в переохлажденной системе возникает кристаллизация.

Результаты измерений занести в таблицу 2.

Таблица 2

Экспериментальные данные термического анализа

Время от начала охлаждения, мин	Температура смеси, 0С
№ 1	№ 2	№ 3	№ 4	№ 5	№ 6
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
и т. д.

Построить кривые охлаждения на миллиметровой бумаге для каждой из смесей и индивидуальных компонентов в координатах температура – время по данным термического анализа (табл. 2). Отметить все нарушения прерывности (перегибы, изломы) на кривых охлаждения (температуры начала и конца кристаллизации) и температурные остановки, соответствующие кристаллизации индивидуальных веществ, эвтектических смесей или образующихся химических соединений. Все отмеченные температуры внесите в табл. 3.

Таблица 3

Экспериментальные данные для исследуемой системы:

А ________________; В _______________

№ смеси	Состав смеси	Температуры перегибов (изломов) на кривых охлаждения; температурные остановки
% (масс.)	%(моль)
А	В	А	В

По кривым охлаждения, строят диаграмму плавкости. На рис.4 показан процесс построения диаграммы плавкости для двухкомпонентной смеси веществ, неограниченно растворимых в жидкой фазе, а в твердом состоянии не образующих ни химических соединений, ни растворов.

Рис 4. Построение диаграммы плавкости двухкомпонентной системы по кривым охлаждения

Дайте название полученной диаграмме плавкости и определите тип диаграммы в зависимости от того:

1) какая фаза выделяется из раствора при кристаллизации: чистые твердые компоненты (неизоморфные смеси); твердые растворы с неограниченной областью взаимной растворимости (изоморфные смеси); твердые растворы, характеризующиеся определенными областями взаимной растворимости;

2) образуются ли химические соединения (устойчивые или неустойчивые).

Охарактеризуйте состояние системы в каждом поле фаз и отметьте на диаграмме. Укажите качественный и количественный составы эвтектик и составы химических соединений, если они образуются. Охарактеризуйте состояние системы в пяти фигуративных точках (по указанию преподавателя): укажите число компонентов; число фаз; состав фаз; число степеней свободы.

Вопросы для самопроверки

1. Каково математическое выражение основного закона фазового равновесия (правила фаз Гиббса)?

2. Что такое компонент, число независимых компонентов, фаза, число степеней свободы (вариантность)?

3. В чем сущность физико-химического (термического) анализа для изучения многокомпонентных систем?

4. Что называют фазовой диаграммой состояния?

5. Как формулируются принципы непрерывности и соответствия? Какова их роль в физико-химическом анализе и построении диаграмм состояния?

6. Какие диаграммы состояния называют диаграммами плавкости?

7. Как получают и строят кривые охлаждения?

8. Чем отличаются кривые охлаждения, полученные для одной и той же системы, при разном содержании компонентов?

9. В каких случаях на кривых охлаждения наблюдаются температурные остановки?

10. Как на основе кривых охлаждения построить диаграмму плавкости?

11. Какие типы диаграмм плавкости выделяют? Как их схематически изобразить?

12. Как охарактеризовать состояние системы в каждом поле фаз и на каждой линии на диаграмме плавкости любого типа?

13. Какие системы называют изоморфными и неизоморфными?

14. Какие соединения называют конгруэнтно и инконгруэнтно плавящимися?

15. Что такое линия ликвидуса, линия солидуса, эвтектическая температура, перитектическая температура, твердая и жидкая эвтектики?

16. Как определить число компонентов, число фаз, состав фаз, число степеней свободы в любой фигуративной точке на диаграмме плавкости?

17. Как построить кривую охлаждения для расплава заданного состава при наличии диаграммы плавкости любого типа?

18. Как формулируется правило рычага? Как с его помощью определить массы (количества) твердой и жидкой фаз, находящихся в равновесии, при наличии диаграммы плавкости?

19. С какой целью применяют диаграммы плавкости?

Литература

1. Киреев В.А. Краткий курс физической химии. -М.: Химия, 1978. -450с.

2. Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия. -М.: Высшая школа,

1974. -321с.

3. Практикум по физической химии / Под ред. Н.К. Воробъева. -М.: Выс-

шая школа, 1974. -389с.

4. Дулицкая Р.А., Фельдман Р.И. Практикум по физической и коллоидной

химии. -М.: Высшая школа, 1978, -296с.