XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Нахождение эвтектики бинарной солевой системы NaBr -NaCl
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальность работы
Физическая химия — важная составляющая науки, позволяющая использовать результаты ее исследований в теоретической и практической деятельности человека.
Одним из перспективных направлений физической химии является исследование многокомпонентных солевых систем. В последние 15-20 лет расплавы солей являются объектом всесторонних исследований и находят всё более широкое применение во многих областях промышленности: в ядерной, электрометаллургии. Так, например, солевые ионные расплавы широко применяются в качестве электролитов химических источников тока, рабочих тел тепловых аккумуляторов, сред для проведения химических реакций, растворителей в различных технологических процессах.
Солевые системы имеют большое значение для разработки процессов выделения и очистки веществ различными способами: кристаллизацией, экстракцией, ректификацией; способствуют получению материалов с заданными свойствами.
В последнее время учеными ведется активный поиск новых фазопереходных материалов (ФПМ) для решения задач энергетики и производства. ФПМ - это класс материалов, которые используются для накопления и хранения энергии. Накопление энергии происходит в момент, когда вещество меняет свое агрегатное состояние (твердое-жидкое)
В связи со сложной структурой взаимосвязей компонентов, изучение таких систем наиболее рационально проводить с применением инновационных методов, таких как компьютерное моделирование и экспериментальное исследование с использованием возможностей современного аппаратно-программного обеспечения.
Большинство многокомпонентных солевых систем (двойных и тройных) уже исследовались специалистами. Но в настоящее время их исследование является перспективным направлением, поскольку:
1) исследования солевых систем проводились только визуальным методом, что может давать большие погрешности (определить визуально окончание плавления при повышении температуры и начало кристаллизации при понижении температуры очень сложно). Я же выполнял эти исследования на уникальной установке, имеющейся в лаборатории Студенческого научно-исследовательского центра при СамГТУ, и в филиале Центра - лаборатории при школе № 129 г.о. Самара — установке Дифференциального термического анализа с программным сопровождением. Установка позволяет достаточно точно определять начало кристаллизации солевой смеси;
2) в настоящее время специалисты используют справочники по плавкости солей 1961, 1977 года [1,3], поэтому, конечно, результаты требуют перепроверки.
3) Система NaBr - NaCl уже исследовалась, но результаты предыдущих исследований сильно различаются между собой (табл. 1)
Цель: проверка современным методом полученных ранее результатов многокомпонентных солевых систем на примере бинарной солевой системы NaBr-NaCl
Задачи:
1. Изучить литературу по основам физико-химического анализа.
2. Исследовать на установке ДТА бинарную солевую систему NaBr -NaCl.
3. Определить эвтектику солевой системы NaBr -NaCl.
Метод исследования:
Работа выполнена в лаборатории МБОУ Школа № 129 г.о. Самара на откалиброванной установке Дифференциального термического анализа с программным обеспечением.
Установки ДТА позволяют исследовать сплавы металлов, солей, оксидов, полимеров, жидких кристаллов, топлив, лекарственных препаратов и т.д.
Установка представляет собой взаимосвязанную систему, состоящую из электронного блока, термоблока и программного обеспечения для ПК. При протекании эндо- и экзотермических реакций в исследуемом образце на термограмме при соответствующих температурах появляются пики.
Программное обеспечение для ПК позволяет обрабатывать результаты исследований и дает возможность сохранения результатов в графические файлы, совместимые с офисными пактами программ для ПК.
Интерактивное управление ДТА через ПК позволяет автоматически задавать скорость и температуру нагрева. Установка оснащена такими функциями как автоматический контроль нагрева, регулирование параметров нагрева, возможность включения/отключения температурных засечек на термической кривой. Возможность масштабирования полученной кривой, предусмотренная при разработке автоматизированного режима обработки данных, позволяет уловить даже минимальные термические эффекты на кривой. Калибровка прибора происходит в автоматизированном режиме.
Рис.1. Установка ДТА. 1-термоблок, 2-электронный блок
Для исследования были взяты следующие вещества: NaBr («х.ч.») и NaCl («х.ч.»), предварительно обезвоженные в сушильном шкафу при температуре 130⁰C.
Эксперимент проводится 3-4 раза, в разные дни. При этом навески берутся из разных партий. Одна навеска разогревается в ДТА по 4-5 раз. В работу вошли средние показатели (отклонения 0,5°C), наиболее наглядные графики.
II. Основная часть
1. Основные термины, используемые в работе
Физико-химический анализ — геометрический метод исследования химических превращений.
Эвтектика — состав смеси двух и более компонентов, плавящихся при минимальной температуре.
Температура эвтектики — минимальная температура, при которой происходит расплав веществ.
2. Собственные исследования
Система NaBr - NaCl уже исследовалась, но результаты предыдущих исследований сильно различаются между собой (табл. 1).
|
Система |
Содержание 1-го вещества в эвтектике, мол.% |
Содержание 2-го вещества в эвтектике, мол.% |
Т эвт., 0С |
Источник |
|
NaBr - NaCl |
72 |
28 |
731 |
[1, с. 728-729] |
|
72 |
28 |
734 |
[2, с. 136] |
|
|
70 |
30 |
744 |
||
|
50 |
50 |
740 |
Поэтому мы проверили предыдущие результаты, чтобы выбрать наиболее достоверные.
Для исследования использовали установку дифференциального термического анализа ДТА-3.
Для исследования бинарной системы на электронных весах с разрешением погрешности 0,0001 г взвешивалась навеска исследуемых солей 0,1 г.
Я использовал весовые доли веществ (а в справочниках даны мольные доли). Для удобства была использована программа пересчета мольных долей в весовые. При этом используется относительная молекулярная масса веществ с точностью до 0,0001 г.
Таблица 2
Расчет составов
|
Вещество 1 (Мол. Масса) |
Процент % (мол.) |
Масса, г |
Вещество 2 (Мол. Масса) |
Процент % (мол.) |
Масса, г |
|
NaBr(102,8938) |
50 |
0,0638 |
NaCl (58,4425) |
50 |
0,0362 |
|
52 |
0,0656 |
48 |
0,0344 |
||
|
53,8 |
0,0672 |
46,2 |
0,0328 |
||
|
70 |
0,0804 |
30 |
0,0196 |
||
|
72 |
0,0819 |
28 |
0,0181 |
После взвешивания соли были помещены втигель (температура плавления NaCl свыше 800°C) и в установку ДТА, подключенную к персональному компьютеру. Происходило нагревание смеси до 800°C, т.е. до полного расплавления смеси, затем - медленное охлаждение смеси. Расплавление смеси наблюдалось визуально, а начало кристаллизации отражалось на графике.
Рис.1 Термическая кривая охлаждения 50% NaBr – 50% NaCl
Один пик на графике говорит о том, что определена эвтектика бинарной совместной системы, тогда как 2 пика говорят о том, что одно вещество кристаллизовалось раньше, другое позже.
Рис.2 Термическая кривая охлаждения 52% NaBr – 48% NaCl
Рис.3 Термическая кривая охлаждения 53,8% NaBr – 46,2% NaCl
Рис.4 Термическая кривая охлаждения 70% NaBr – 30% NaCl
Рис.5 Термическая кривая охлаждения 72% NaBr – 28% NaCl
Полученные данные представлены в таблице 3.
Данные собственного эксперимента
Таблица 3
|
Система |
NaBr, (мол.%) |
NaCl, (мол.%) |
Ткрист,C |
|
NaBr – NaCl |
50 |
50 |
751,2 |
|
NaBr – NaCl |
52 |
48 |
747,5 |
|
NaBr – NaCl |
53,8 |
46,2 |
748,8 |
|
NaBr – NaCl |
70 |
30 |
743,7 |
|
NaBr – NaCl |
72 |
28 |
749,4 |
Вывод:min твердых растворов наблюдается при 70% NaBr – 30% NaCl(мол.%), что подтверждает данные И.Н.Беляева, А.К.Дорошенко [2]
Ш. Заключение
В ходе работы была изучена литература по основам физико-химического анализа, были приобретены навыки работы с электронными весами, установкой ДТА.
Была исследована бинарная солевая система NaBr-NaCl. В ходе исследования я определил эвтектику данной системы.
Исследования бинарных систем необходимо для подтверждения ранее полученных данных. А данные об элементах огранения двух- и трехкомпонентных систем необходимы для прогнозирования состава и температуры четверной эвтектики. Анализ четверных эвтектик проводится инновационным методом, разработанным учеными СамГТУ при Студенчесом научно-исследовательском центре.
Считаю, что поставленная цель и задачи выполнены.
Список литературы
Справочник по плавкости из безводных неоргпнических солей./Под ред. Н.К.Воскресенской. М.-Л.: АН СССР, 1961. Т.1. Двойные системы. 845с.
Диаграммы плавкости солевых систем: Справочник./Под ред. В.И.Посыпайко, Е.А.Алексеевой, Н.А.Васина. М.: Металлургия, 1979. Ч. III. Двойные системы с общим катионом. 208 с.
3.Физическая химия и физико-химический анализ. Под ред. А.С.Трунина. Самара, СамГТУ, 2015г.
4. А.Г.Бергман. Топология комплексообразования и обменного и обменного разложения в тройных взаимных тройных системах и развитие исследований на область многокомпонентных взаимных систем /Бергман А.Г., Бухалова Г.А., Трунин А.С., Моргунова О.Е. Рукопись восстановлена печати А.С. Труниным и О. Е. Моргуновой. Самарская государственная областная академия Наяновой. г. Самара, 2013. 112с.
5. Термические константы веществ / Под ред. В.П. Глушко и др. М.: АН СССР, 1981. Вып. Х. Ч. 2.
5.window.edu.ru