VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование стабильного тетраэдра LiF-LiNO3-NaCl-NaNO3 четверной взаимной системы Li, Na // F, Cl, NO3

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Аксенова  С.А. 1

---

1МБОУ Школа № 129 г.о. Самара

Моргунова  О.Е. 1Нуштайкина  Е.А. 2

---

1СамГТУ

2МБОУ Школа № 129 г.о. Самара

Работа в формате PDF

116.2 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

В данный момент одним из перспективных направлений ФХА является изучение многокомпонентных солевых систем (МКС) [12]. Многокомпонентные физико-химические системы - основа современного материаловедения. Солевые ионные расплавы широко применяются в современных технологических процессах. Они используются в качестве электролитов для химических источников тока или теплоаккумулирующих веществ, сред для проведения химических реакций, растворителей в различных технологических процессах [3].

Исследование МКС - очень трудоёмкий процесс, поэтому сейчас идёт работа по оптимизации исследований. В данный момент развивается инновационный метод исследования, который основан на моделировании характеристик эвтектик и дальнейшей проверке состава на установке дифференциального термического анализа [10].

Это направление сегодня активно развивает Студенческий научно-исследовательский центр при СамГТУ. Эвтектические составы моделируются инновационным авторским методом МЕТА по данным об элементах огранения систем низшей мерности [1]. Экспериментальная часть исследования проводится на установках дифференциального термического анализа (ДТА) с программным обеспечением.

Цель: Расчёт эвтектического состава системы LiF-LiNO₃-NaCl-NaNO₃ и экспериментальное его подтверждение методом ДТА.

Задачи:

Изучить литературу по физико-химическому анализу, ознакомится с методом МЕТА.

Выполнить обзор литературы о элементах огранения данной системы и сделать экспериментальную проверку тройных систем с самой низкой температурой плавления.

Провести моделирование эвтектики методом МЕТА.

Выполнить экспериментальную проверку расчётного состава.

Построить геометрический образ фазовой диаграммы четверной взаимной системы Li, Na // F, Cl, NO_3.

Исследования проводились в СНИЦ СамГТУ на установке дифференциального термического анализа. Использовались реактивы класса «х.ч.» - LiF, NaCl, NaNO₃, LiNO₃. Все соли предварительно были обезвожены в муфельной печи при температуре 130⁰С, а установка откалибрована.

Основные термины и понятия:

Физическая химия изучает связь между физической и химической формами движения. Она объясняет химические явления и их закономерности на основе законов физики.

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.

Элементы огранения — системы, входящие в состав многокомпонентной системы высшей мерности.

Основная часть

1. Теоретическая и расчётная часть

Система LiF-LiNO₃-NaCl-NaNO₃ является стабильным тетраэдром четверной взаимной системы Li, Na // F, Cl, NO₃.

Расчёт был выполнен методом МЕТА. Он заключается в прогнозировании состава и температуры четверной эвтектики по данным об элементах огранения системы. Алгоритм расчёта приведён ниже:

1. Для n-компонентной системы из её n-1-мерных элементов огранения выбирается система с самой низкоплавкой эвтектикой

2. Образующие её вещества сортируются в порядке возрастания температур плавления, обозначения от T₁ до Т_n-1 присваиваются в порядке уменьшения доли компонента в n-1-мерной эвтектике.

3. Вычисления состава и температуры эвтектики n-компонентной системы производятся по формулам:

Температуры плавления исходных солей: LiF – 848,9⁰C; LiNO₃– 253⁰C; NaCl– 801⁰C; NaNO₃ – 306,5⁰C [2].

Данные по характеристикам двойных систем представлены в таблице 1.

Таблица 1

Двухкомпонентныесистемы

Для выбора тройной системы с самой низкоплавкой эвтектикой проанализируем и проверим имеющиеся данные:

В системе LiF-LiNO₃-NaNO₃ в соответствии с данными [4] наблюдается эвтектика при 1LiF-54,5LiNO₃-44,5NaNO₃ (мол.%) при температуре 177⁰C. Но по расчёту характеристики эвтектики составляют 0,6LiF-55,9LiNO₃-43,5NaNO₃ (мол.%) при температуре 194⁰С.

Была проведена экспериментальная проверка представленных составов на установке ДТА. В результате оба состава закристаллизовались при 191,6⁰C. (Рис.1, Рис.2)

Рис.1. Термограмма кристаллизации литературного состава 1LiF-54,5LiNO₃-44,5NaNO₃ (мол.%)

Рис.2. Термограмма кристаллизации расчётного состава 0,6LiF-55,9LiNO₃-43,5NaNO₃ (мол.%)

В системе LiNO₃-NaCl-NaNO₃ в соответствии с данными [9] наблюдается эвтектика при 52,5LiNO₃-2,5NaCl-45NaNO₃ (мол.%) при температуре 180⁰С. Но по расчёту характеристики эвтектики составляют 51,5LiNO₃-8,4NaCl-40,1NaNO₃ (мол.%) при 190⁰C.

В результате экспериментальной проверки состав 52,5LiNO₃-2,5NaCl-45NaNO₃ (мол.%) закристаллизовался при 188,5⁰C (Рис.3), а состав 51,5LiNO₃-8,4NaCl-40,1NaNO₃ (мол.%) при 190⁰C (Рис.4).

Рис.3. Термограмма кристаллизации литературного состава 52,5LiNO₃-2,5NaCl-45NaNO₃ (мол.%)

Рис.4. Термограмма кристаллизации расчётного состава 51,5LiNO₃-8,4NaCl-40,1NaNO₃ (мол.%)

В результате тройной системой с самой низкотемпературной эвтектикой является состав 52,5LiNO₃-2,5NaCl-45NaNO₃ при температуре 188,5⁰C.

Проведём расчёт состава и температуры четверной эвтектики LiF-LiNO₃-NaCl-NaNO₃ методом МЕТА:

Тройной системой с минимальной температурой эвтектики 188,5⁰C является LiNO₃-NaCl-NaNO₃.

Проводим ранжировку солей: LiNO₃(T₁)-NaNO₃(T₂)-NaCl(T₃)-LiF(T₄).

Выполним расчётпоформулам 1-5.

По расчёту эвтектика системы LiF-LiNO₃-NaCl-NaNO₃ наблюдается при 8,2LiF-49,7LiNO₃-3,4NaCl-38,7NaNO₃ (мол.%) и 185⁰C.

2. Основной эксперимент

После взвешивания состав был помещён в тигель. Он был исследован на установке ДТА (Рис.5). На графике имеется единичный пик, что говорит об эвтектическом характере данной системы, температура эвтектики – 181,4⁰C.

Рис.5. Термическая кривая охлаждения расчётного состава 8,2LiF-49,7LiNO₃-3,4NaCl-38,7NaNO₃ (мол.%)

3. Вывод

Эвтектические характеристики стабильного тетраэдра LiF-LiNO₃-NaCl-NaNO₃ четверной взаимной системы Li, Na // F, Cl, NO₃ составляют 8,2% LiF, 49,7% LiNO₃, 3,4% NaCl, 38,7%NaNO₃ при 181,4⁰C. Исходя из литературных и полученных данных, был построен геометрический образ фазовой диаграммы четверной взаимной системы Li, Na // F,Cl,NO₃(рис.6).

Рис.6. Геометрический образ фазовой диаграммы четверной взаимной системы Li, Na // F, Cl, NO₃

Заключение

При выполнении своего исследования я освоила прогнозирование эвтектики методом МЕТА и усовершенствовала свои навыки взвешивания и работы на установке ДТА. Также была изучена литература по основам физико-химического анализа.

В итоге было проведено моделирование эвтектики стабильного тетраэдра LiF-LiNO₃-NaCl-NaNO₃ четверной взаимной системы Li, Na // F, Cl, NO₃. Расчётный состав - 8,2LiF-49,7LiNO₃-3,4NaCl-38,7NaNO₃ – был экспериментально исследован методом дифференциального термического анализа. Была обнаружена эвтектика при температуре 181,4⁰C.

Полученные данные имеют научную и практическую ценность. Четверной эвтектический состав может быть использован в качестве электролита, теплоносителя, теплоаккумулятора, фазопереходного материала во многих отраслях промышленности, например в энергетике, металлургии и др. А также выявленные данные о фазовом взаимодействии в четверной системе LiF-LiNO3-NaCl-NaNO3 представляют ценность в качестве справочной информации, т.к. были получены впервые.

Результаты работы внесены в «Электронную базу данных многокомпонентных солевых систем» СНИЦ СамГТУ. Результаты исследования опубликованы в сборнике Трудов 15-й Международной конференции «Актуальные проблемы современной науки». Самара, Самарский технический университет, 2018. С.92 - 96.

Список литературы

Афанасьева О.С., Егорова Г.Ф., Моргунова О.Е., Трунин А.С. Методика расчёта тройных эвтектик по данным об элементах огранения систем низшей мерности. // Вестник Самарского гос. Техн. Ун-та. Сер. Физико-математические науки. Самара, 2007. Вып. 1 (14). – С. 182-183.

Термические константы веществ. Справочник под ред. Глушко В.П. // М.:ВИНИТИ, 1981.- Вып. Х.Ч. 1- С. 16-19, 42-43, 122-125, 170

Делимарский Ю.К., Барчук Л.П. Прикладная химия ионных расплавов - Киев: Наук. Думка, 1988. – 192 с.

Мальцева А.В., Губанова Т.В., Гаркушин И.К. Трехкомпонентная взаимная система из фторидов и нитратов лития и натрия // Сб. трудов XIV Междун. Конф. По термическому анализу и калориметрии в России (RTAC-2013). СПб.: СПб гос. техн. ун-т, 2013. С. 223-225.

Моргунова О.Е., Катасонова Е.А., Трунин А.С., Лосева М.А. Дифференциация четырёхкомпонентной взаимной системы Li, Na // F, Br, NO₃ с использованием инновационной методологии // Вестник СамГУ, 2015. № 3 (125). С. 174-180.

Моргунова О.Е., Трунин А.С., Алпанова Р.Р. Исследование системы LiNO₃-NaCl // Актуальные проблемы современной науки. Самара, Самарский технический университет, 2015 – С. 208-213.

Моргунова О.Е., Трунин А.С., Катасонова Е.А., Лосева М.А. Двухкомпонентные системы комплекса Li, Na, K // F, Cl, Br, NO₃ // Актуальные проблемы современной науки. Самара, Самарский технический университет, 2015 – С. 91, 94, 99

Моргунова О.Е., Уханов А.С. Исследование четверной взаимной системы Li, Na, K // F, Cl с применением инновационной методологии // Расплавы, 2015. №3 (15). С. 42-52.

Диаграммы плавкости солевых систем. Тройные взаимные системы. Под ред. В.И. Посыпайко и Е.А. Алексеевой. М., «Химия»,1977 С. 302-303.

Трунин А.С., Моргунова О.Е., Мешалкин А.В. Современный дифференциальный термический анализ: Учебное пособие. Самара: ФГБОУ ВО «СамГТУ», РосМАН, 2015. – 52 с.

Трунин А.С., Моргунова О.Е. Введение в физико-химический анализ: учебное пособие - Самара: ФГБОУ ВО «СамГТУ», РосМАН, 2015. - 76 с.

Трунин А.С., Моргунова О.Е. Многокомпонентные солевые системы: методология исследования, достижения, перспективы (по материалам доклада на 68-х Курнаковских чтениях) // Журн. неорган. химии, 2012. Т. 57. № 8. С. 1243-1250.