Нахождение эвтектики бинарной солевой системы NaBr -NaCl

XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Нахождение эвтектики бинарной солевой системы NaBr -NaCl

Бородин А.В. 1
1МБОУ Школа № 129 г.о. Самара
Нуштайкина Е.А. 1
1МБОУ Школа № 129 г.о. Самара


Текст работы размещён без изображений и формул.
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 130C.

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

Просмотров работы: 71