Лабораторна робота № 8. Термічний аналіз

Мета роботи – одержати криві охолодження для нафталіну, дифеніламіну та їх сплавів відомого складу й побудувати діаграму плавкості системи дифеніламін – нафталін.

Вивчення багатокомпонентних систем, які утворюють декілька фаз, проводять за допомогою фізико-хімічного аналізу, основу котрого складає вивчення функціональної залежності між фізичними властивостями (електричними, механічними, оптичними та ін.) хімічної рівноважної системи та факторами, що визначають рівновагу. Дослідні залежності зображують у вигляді діаграм стану склад – властивость. Для двокомпонентних систем склад відкладають звичайно на вісі абцис, а властивості – на вісі ординат.

Одним з найбільш розповсюджених видів фізико-хімічного аналізу є термічний аналіз, котрий являє собою сукупність експериментальних методів визначення температури, при якій в рівноважній системі змінюється число фаз.

На рис. 3.7 подано спосіб побудови діаграми стану (діаграми плавкості). На рис. 3.7а наведені криві охолодження (залежності температура – час), за якими побудована діаграма плавкості (рис. 3.7б) двокомпонентної системи з безмежною розчинністю компонентів у рідкому і взаємною нерозчинністю у твердому станах (системи двох неізоморфних речовин).

Рис. 3.7. Побудова по кривим охолодження діаграми плавкості двокомпонентної системи

Якщо чисті компоненти А або В (криві 1 або 7) нагріти до високої температури, а потім охолоджувати їх, то температура буде рівномірно знижуватись, доки розплав не почне кристалізуватися. При кристалізації буде виділятися теплота, і зниження температури на деякий час припиниться, а на кривих охолодження 1 і 7 спостерігається горізонтальний відрізок, який відповідає температурі кристалізації чистих компонентів. Коли весь розплав стає твердим, спостерігається монотонне зменшення температури. За кривими охолодження 1 та 7 наносять дві фігуративні точки на діаграмі плавкості (рис. 3.7б). Для цього продовжують горизонтальні ділянки кривих 1 та 7 (див. пунктирні линії) та наносять точки a (100 % А) та с (100 % В).

Якщо система складається з двох компонентів, то на кривій охолодження з’являються нові за характером ділянки. Коли при охолодженні такої системи (криві 2, 3, 4 та 6) буде досягнута температура, при якій розчин стає насиченим відносно одного з компонентів, то цей компонент починає кристалізуватися. При цьому виділяється теплота, котра дещо сповільнює охолодження, тому на кривих в цьому місці спостерігається злам. Далі криві йдуть не горизонтально, а монотонно знижуючись, оскільки по мірі кристалізації одного компонента розплав збагачується другим компонентом, тобто склад рідкої фази змінюється, а це зменшує температуру кристалізації. Нарешті розплав стає насиченим відносно обох компонентів, внаслідок чого при охолодженні А та В кристалізуються одночасно. Склад рідкої фази при цьому не змінюється, і суміш кристалізується, як індивідуальна речовина, а на кривих охолодження 2, 3, 4 та 6 спостерігається горизонтальна ділянка. Після завершення кристалізації всього зразку, температура починає різко зменшуватися. За зламами на кривих 2, 3, 4 та 6 на діаграму плавкості наносять фігуративні точки К, L, N та M.

Якщо склад системи такий, що в момент початку затвердіння розплав насичений відносно обох компонентів, то при її охолодженні кристалізуються одночасно А та В, а крива має такий же характер, що й індивідуальна речовина (рис. 3.7а, крива 5). Такий сплав називається евтектичним. Він плавиться або кристалізується при найбільш низький температурі порівняльно з іншими. Твердий евтектичний сплав містить дві твердих фази (кристали А та В). За горізонтальним відрізком кривої 5 на діаграму наносять точку Е.

З’єднуючи на діаграмі плавкості (рис. 3.7б) точки а, К, L, N, Е, M та c, одержують лінію ліквідуса, вище якої система знаходиться в рідкому стані. Через мінімум Е проводять горизонтальну пряму лінію bd – солідус, нижче якої система знаходиться в твердому стані.