Каталог :: Химия

Курсовая: физхимия

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ
             Магнитогорский государственный технический университет             
                                 Им. Г.И. Носова                                 
                 Кафедра технологии неметаллических материалов и                 
                                физической химии                                
                    РАСЧЕТНО – ГРАФИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ №2                    
                        по дисциплине «Физическая химия»                        
      раздел «Фазовые равновесия в двухкомпонентных металлических системах»      
                                    вариант №                                    
Выполнил:
Студент гр. 1106 ________
Проверил:
Доцент, канд. техн. наук  ____________                     Э.В. Дюльдина
     

Магнитогорск

2003

1. Формулировка задания

Задача 1 Вычертить диаграмму фазового равновесия железа. а) Отметить на диаграмме поля устойчивости фаз. б) Применить правило фаз в системе, находящейся при температуре t и давлении Р 1 (точка «а»). Результат пояснить. г) Изобразить под диаграммой (с таким же масштабом по оси температур и произвольным – по оси времени) схематичный вид кривой в координатах время-температура, пояснив, какие процессы будут происходить при изменении температуры от t1 до t2 в изобарных условиях. Задача 2 б) С помощью диаграммы, построенной в координатах lnN -1/T, определить теплоты плавления чистых веществ А и В и сравнить их со справочными значениями. Для расчета воспользоваться диаграммой фазового равновесия системы А-В, приведенной в прил. 5 (методические указания). На каждой ветви ликвидуса взять значения составов жидкого расплава при 6-8 различных температурах. Считать, что жидкий расплав – идеальный раствор. Задача 3 Вычертить диаграмму состояния системы Д-F в координатах температура-состав (в масс. %). а) Указать, есть ли в системе химические соединения, их число, характер плавления, химический состав и простейшие формулы. б) Отметить линии ликвидуса, солидуса. Определить поля устойчивости фаз. в) Указать, есть ли в системе линии безвариантных равновесий и каким температурам они отвечают? Определить составы равновесных фаз и написать уравнения превращений, протекающих при отводе тепла при каждой из указанных на диаграмме температурах, отвечающих безвариантным равновесиям. г) Проследить за изменением фазового состояния сплавов, содержащих А и Б (%) вещества F соответственно при понижении температуры от t10 до t 11. д) Изобразить (справа о диаграммы с одинаковым масштабом по температуре) схематический вид кривых охлаждения этих сплавов (масштаб по оси времени произволен). е) Рассчитать массу жидкой фазы и количество вещества F в ней, если общая масса системы Nкг, температура t12, а суммарное содержание F в смеси фаз в %. ж) Схематично изобразить вид изотермы в координатах энергия Гиббса – состав при температурах t13 и t14. 2. Исходные данные Задача 1
ВариантТемпература, °СДавление, Па
Т1Т2Р1Р2
331500210010---
Задача 2

Вари-

ант

ВеществаТемпература, °СРисунок
АВТ3Т4Т5Т6Т7Т8Т9
33AlBe---------------------7
Задача 3

Вари-

ант

ВеществаСостав, масс. %Температура, °С

Масса

сплава N

Рису-нок
ДFабвt10t11t12t13t14
33BiPt408080140020080012007308968
3. Решение задания 3.1. Задача 1 а) На поле диаграммы можно выделить αТВ, γТВ δТВ, Ж, Г – каждое из которых является полем устойчивости фаз. αТВ – твердая фаза с объемоцентрированной решеткой (ОЦК) γТВ – твердая фаза с гранецентрированной решеткой (ГЦК) δТВ – твердая фаза с объемоцентрированной решеткой (ОЦК) Ж – жидкая фаза Г- газообразная фаза железа αТВ, γТВ δТВ – отличаются друг от друга лишь модификациями кристаллических решеток. Температура плавления железа равна 1539±5 °С. Железо образует 3 кристаллические модификации: α – железо, γ – железо, δ – железо. α – железо термодинамически устойчиво при температуре ниже 911 °С; γ – железо – от 911 до 1392 °С; δ – железо - от 1392 °С до 1539 °С. Линии на диаграмме показывают условия, при которых в системе в равновесии находятся 2 фазы: АО1 – в равновесии находятся – газообразная и αТВ фазы; О1О2 – в равновесии γТВ и газообразная фаза; О2О3 – в равновесии δТВ и газообразная фаза; О3В – в равновесии жидкая и газообразная фазы; О1С – в равновесии находятся две твердые фазы: αТВ и γТВ; О3Д – в равновесии две твердые фазы γТВ и δТВ; О3Г – в равновесии δТВ фаза и жидкая. Точки на диаграмме (О1, О2, О3) показывают условия, при которых в системе три фазы находятся в равновесии. О1: αТВ, γТВ, Г О2: γТВ, δТВ, Г О3: δТВ, Ж, Г. б) Применим правило фаз в системе, находящейся при температуре t 1 = 1500 °С и давлении Р1 = 10 Па. Lg P1/P° = Lg 10/101325 = - 4,006 (точка «а» на диаграмме). При температуре t1 = 1500 °С и давлении р1 = 10 Па точка «а» находится в гомогенном поле твердой фазы δ – железа. Ф=1; С=2. Система имеет две степени свободы. Это означает, что независимо друг от друга можно изменить в известных пределах значения двух параметров (температуры и давления) и при этом будет существовать одна фаза. Такому условию удовлетворяет поле гомогенности δ – железо. г) Рассмотрим процессы, которые будут происходить в системе при повышении температуры от 1500 °С до 2100 °С в изобарных условиях при Р1 =10 Па = const. При t1 = 1500°С и Р1 = 10 Па точка «а» находится в гомогенном поле твердой фазы δ – железа. Ф=1; С=1. При повышении температуры до пересечения точки «а» с линией FО3 происходит обращение δ – железа в расплав. Повышение температуры приостанавливается. С=0; Ф=2. Все подводимое тепло расходуется на разрушение кристаллической решетки. По завершении перехода все δ – железо обратилось в расплав, вновь появляется степень свободы. Ф=1; С=1. Температура вновь повышается. При повышении температуры до пересечения точки «а» с линией ВО3 происходит обращение расплава железа. С=0; Ф=2. Нагревания системы не происходит. По завершении перехода все расплавленное железо обратилось в пары железа. Вновь появляется степень свободы. Возобновляется нагревание системы. При температуре t2=2100 °С точка «а» находится в гомогенном поле газообразной фазы IIг. Ф=1; С=1. 3.2. Задача 2 Определим графически температуру плавления Be и сравним ее со справочным значением, предположив, что расплав Al-Be является идеальным (рис. 3). На диаграмме фазового состояния системы Al-Be ветвь ликвидуса - АЕ – это линия насыщения расплава кристаллами Ве. Для графического определения теплоты плавления Ве возьмем на линии АЕ несколько точек и найдем для них значения lgNBe и 1/Т (табл.1). Таблица 1. Составы расплавов алюминий-бериллий, насыщенных бериллием при различных температурах.
Содержание в сплавеТемпература

103/T К-1

ат. %N- lgN°СK
950,950,027009731,03
900,90,0585010230,98
700,70,15105013230,76
600,60,22110013730,73
450,450,35115014230,70
250,250,6120014730,68
По данным табл. 1 построим график в координатах LgN -1/T (рис.4). На нем выбранные точки располагаются вблизи прямой линии. Ее угловой коэффициент найдем по координатам точек «а» и «б». tg α = - ∆Нпл.1/ R 2,3 tg α = ((- 0,25 –(-0,05)) / (0,66-1,00))*103 = (-0,2/0,34)*103 = - 588 ∆Нпл Ве = - tg α * R*2,3 = 588 - 8,31 * 2,3 = 12238 (Дж/моль) Справочное значение плавления ∆Нпл Ве = 14700 (Дж/моль), что удовлетворительно совпадает с полученным результатом. 3.3. Задача 3 а) На диаграмме состояния системы Bi-Pt (рис.5) имеются два химических соединения Bi2Pt и BiPt. 1. Химическое соединение Bi2Pt (состав 31,82 масс. % Pt) – плавится инконгруэнтно – на линии ликвидуса нет максимума. Температура плавления Bi 2Pt tпл = 660 °С. 2. Химическое соединение BiPt (состав: 48,28 масс.% Pt) плавится конгруэнтно – на линии ликвидуса есть максимум. Температура плавления BiPt tпл = 770 °С. б) линия ликвидуса ТА0Е1Р1М1Е2ТВ0; линия солидуса ТА0NВСДЕFGТВ0. Выше линии ликвидуса находится гомогенное поле жидкой фазы Iж. Все остальные поля на диаграмме – гетерогенные. 1. Гетерогенные поля смеси жидкой фазы и кристаллов: ж + Bi; ж + М2; ж + М1; ж + М1; ж + Pt 2. Гетерогенные поля смеси твердых фаз Bi + М2; М2 + М1; М1 + Pt в) На диаграмме имеются три линии безвариантных равновесий, соответствующих температурам t1 = 730°С; t2 = 660°С; t3 = 270°С 1. Горизонтальная линия t1 = 730°С – это линия эвтектического превращения, которое сводится к одновременной кристаллизации двух твердых фаз – вещества Pt и вещества М1 (BiPt) из жидкого расплава. Уравнение эвтектического превращения: ЖЕ2 = ТМ1 + ТPt, где ЖЕ2 – жидкость (расплава); ТМ1 , ТPt - твердые фазы М1 и Pt, соответственно. 2. Горизонтальная линия t2 = 660°С – это линия перитектического превращения, при котором жидкость расплава взаимодействует с ранее выпавшей твердой фазой – веществом М1 - и образует новую твердую фазу – вещество М2 (Bi2Pt). Уравнение перитектического превращения: ЖР1 + ТМ1 = ТМ2, где ЖР1 – жидкость (расплава); ТМ2 – твердая фаза М2. 3. Горизонтальная линия t3 = 270°С – это линия эвтектического превращения, которое сводится к одновременной кристаллизации двух твердых фаз – вещества Bi и вещества М2 (Bi2Pt). Из жидкости расплава. Уравнение эвтектического превращения: ЖЕ2 = ТBi + ТМ2 г) Проследим за изменением фазового состояния сплавов, содержащих: сплав «х» - 40 масс.% Pt, сплав «х1» - 80 масс.% Pt – при понижении температуры от 1400 до 200 °С. 1. Сплав «х». При температуре точки «х» 1400°С заданная система, представляющая собой расплав (Ф=1), двухвариантна, и отвод тепла от нее вызовет лишь охлаждение жидкости неизменного состава до температуры Тλ, равной температуре начала кристаллизации Т н.кр.х сплава «х»: Тλ = Т н.кр.х С появлением твердой фазы система становится одновариантной. Поэтому при дальнейшем отводе тепла ее температура падает, но охлаждение замедляется. Одна степень свободы означает, что составы равновесных фаз (жидкой и твердой) зависят от температуры и определяются точками пересечения изотермы с ветвями ликвидуса и солидуса соответственно. Так, при температуре начала кристаллизации Тλ = Т н.кр.х , состав расплава указывает точка «λ», а состав кристаллов – точка «δ». Последняя находится на линии вещества М1, поэтому первичным продуктом кристаллизации сплава «х» является одна твердая фаза – вещество М1. По мере понижения температуры в ходе кристаллизации состав жидкости изменяется по ветви ликвидуса «λ», а состав твердой фазы постоянный – линия «SД», что на рис.5 отмечено стрелками. При понижении температуры до t = 660°С происходит перитектическое превращение, при котором жидкость расплава взаимодействует с ранее выпавшей твердой фазой – веществом М1 – и образуется новая твердая фаза – вещество М2 . Трехфазная система безвариантна. За счет теплоты, выделяющейся в результате превращения, температура в системе сохраняется неизменной. Лишь после исчезновения жидкости появляется степень свободы и возможно дальнейшее понижение температуры. Составы твердых фаз М1 и М2 постоянные. При t = 200°С конечными продуктами кристаллизации сплава «х» являются твердые фазы: М1 и М2; С=1; Ф=2. 2. Сплав «х1». При температуре точки «х1» = 1400°С заданная система, представляющая собой расплав (Ф=1), двухвариантна, и отвод тепла от нее вызовет лишь охлаждение жидкости неизменного состава до температуры Тλ1 , равной температуре начала кристаллизации сплава «х1»: Тλ1 = Т н.кр.х1, С появлением твердой фазы система становится одновариантной. Поэтому при дальнейшем отводе тепла ее температура падает, но охлаждение замедляется. Одна степень свободы означает, что составы равновесных фаз (жидкой и твердой) зависят от температуры и определяются точками пересечения изотермы с ветвями ликвидуса и солидуса соответственно. Так, при температуре начала кристаллизации Тλ1 = Т н.кр.х1, состав расплава указывает точка «λ1», а состав кристаллов – точка «S1». Последняя находится на линии вещества Pt, поэтому первичным продуктом кристаллизации сплава «х1» является одна твердая фаза – вещество Pt. По мере понижения температуры в ходе кристаллизации состав жидкости изменяется по ветви ликвидуса от «λ1» до «Е2», состав твердой фазы Pt постоянный. При снижении температуры до t=730°С происходит эвтектическое превращение, которое сводится к одновременной кристаллизации двух твердых фаз – вещества Pt и вещества М1 – из жидкости расплава.. Трехфазная система безвариантна. За счет теплоты, выделяющейся в результате превращения, температура в системе сохраняется неизменной. Лишь после исчезновения жидкости вновь появляется степень свободы и возможно дальнейшее понижение температуры. Составы твердых фаз - вещества М1 и Pt – постоянные. При температуре t=200°С конечным продуктом кристаллизации сплава «х1» являются две твердые фазы – вещество М1 и вещество Pt. д) На рис. 5 построим схематические кривые охлаждения сплавов «х» и «х1 » в координатах «температура – время». е) Рассчитываем массу жидкой фазы и количество вещества Pt в ней, если общая масса системы N=89 кг, температура t=800°С, а суммарное содержание Pt в системе фаз 80 масс.%. По правилу отрезков, масса жидкой фазы: mж = (ВС/ас) * N = (20/43) * 89 = 41,40 кг Для 80 масс.% Pt: mж(Pt) = 0,8 * 41,40 = 33,12 кг Масса жидкой фазы составляет 41,40 кг, а содержание платины в ней 33,12 кг.

Список используемой литературы

1. Захаров А.М. Диаграммы состояния двойных и тройных систем. М.: - металлургия, 1990. 2. Голиков Г.А. Руководство по физической химии. М.: Высшая школа,1988 3. Диаграммы состояния двухкомпонентных систем. Методические указания. Магнитогорск. 2002.