5.2.3. Работа ф-3. Построение фазовой диаграммы плавкости двухкомпонентной системы kno3–NaNo3.

В данной работе изучается равновесие между расплавом и твердыми фазами смеси KNO₃ и NaNO₃. Известные литературные данные позволяют предположить, что эта система характеризуется фазовой диаграммой показанной на рис. 5.7. Компоненты системы не растворимы или ограниченно растворимы в твердом состоянии, имеется обширная область сосуществования твёрдых растворов KNO₃ в NaNO₃ и NaNO₃ в KNO₃. Целью работы является исследование этой системы методами термического анализа (ТА) и дифференциального термического анализа (ДТА) и построение её фазовой диаграммы.

Устройство экспериментальной установки

Основными элементами установки являются:

– печь,

– регулятор температуры печи,

– датчики температуры,

– ампула с эталоном и пробирки для исследуемых образцов,

– аналого-цифровой преобразователь (АЦП),

– компьютер.

Образец помещается в пробирку, имеющую на дне глубокий карман, одновременно исследуются три образца. Пробирки вставляются в цилиндрические каналы №№ 1, 2, 3 массивного металлического держателя, расположенного в печи, в карманы пробирок вводятся термопары. В канал, обозначенный цифрой 0, помещается эталон – запаянная пробирка с порошком корунда, в котором не происходит фазовых переходов в широкой области температур.

Для нагрева печи используется микропроцессорный регулятор РПН-4м. На его передней панели имеется кнопка переключения между режимами задания температуры и индикации температуры и две кнопки со стрелками вверх/вниз для задания нужной температуры. Для регистрации температуры используются хромель-алюмелевые термопары (ХА), преобразователь аналогового сигнала в цифровой “ADAM”, компьютер. Внешний вид экспериментальной установки показан на рис. 5.13.

Рис. 5.13. Внешний вид установки

Проведение эксперимента

Проведение эксперимента возможно в режиме нагревания и в режиме охлаждения. В том и другом случае на кривых температура—время имеются особенности, позволяющие судить о положении точек начала и конца кристаллизации или плавления

В течение одного занятия можно выполнить три цикла нагревание/охлаждение и исследовать девять образцов. Целесообразно выбрать следующие составы смесей

Щифр образца	A-1	A-2	A-3	B-1	B-2	B-2	C-1	C-2	C-3
Содержание KNO3 в моль-ных долях	1,0	0,85	0,0	0,7	0,6	0,5	0,4	0,3	0,15
Заданная темп. печи	380	380	380	340	340	340	340	340	340

Шифр образца образован буквой – обозначающей цикл и цифрой – обозначающей позицию пробирки с образцом в держателе при установке в печь.

Порядок выполнения работы

– Для проведения термического анализа приготовить три образца весом ~ 4,5 г. Образцы состоят из чистых солей KNO₃ и NaNO₃, либо из их смеси. Для приготовления каждой смеси чистые вещества предварительно растереть в ступках, затем отвесить нужные их количества. Навески KNO₃ и NaNO₃, рассчитанные на 4,5 г смеси, ссыпать в чистую керамическую чашку, тщательно перемешать, ещё раз растереть и заполнить пробирку.

– Вставить три пробирки в гнёзда держателя. Записать расположение пробирок в гнёздах. В гнезде, помеченном цифрой 0, должна быть запаянная ампула с оксидом алюминия.

– Отключить на регуляторе температуры тумблер «нагрев», если он был включен, включить регулятор. Через несколько секунд начнёт индицироваться текущая температура. Нажать на кнопку со звёздочкой, задать нужную конечную температуру нагрева. Снова нажать кнопку со звёздочкой (вернуться в режим индикации температуры), нагрев не включать.

– Включить компьютер. С помощью иконки открыть с рабочего стола программу “DT”, которая служит для отображения температурных кривых.

– В левом окне программы перейти в режим ручного задания диапазона по осям (открыть «замочки»), задать время регистрации: начало – 0, конец – 3600 с, и температуру: минимальное значение – 0, максимальное – 400 ^С. В правом окне оставить автоматическое задание диапазона (замочки закрыты).

– Нажать в окне программы “DT” кнопку «пуск» и включить тумблер «нагрев» на регуляторе РПН-4м. Температура начнёт возрастать. Температура на дисплее регулятора будет опережать температуры в левом окне программы сбора данных.

– Наблюдайте за температурными кривыми в окнах программы. Четыре кривые в левом окне программы – это текущие температуры образцов, три кривые в правом окне программы это разностные (дифференциальные) кривые: (1 – 0), (2 – 0), (3 – 0), где цифры – номера образцов.

– После достижения заданной температуры регулятор перейдёт в режим поддержания изотермы.

– Через 5–10 минут после этого нужно выключить на регуляторе тумблер «нагрев», начнётся охлаждение печи.

– На участке, соответствующему нагреву печи, можно заметить тепловой эффект около 128 ^С, вызванный фазовым переходом (твёрдое–твёрдое) в KNO₃, далее видны тепловые эффекты, связанные с плавлением солей.

– На участке, соответствующему охлаждению печи, видны тепловые эффекты, связанные с затвердеванием расплава.

– После охлаждения печи ниже 180 ^С нужно остановить регистрацию температур, нажав в окне программы “DT” кнопку «стоп» и сохранить изображение на экране в виде картинки. Для этого нажать на клавиатуре кнопку «PrtScr», открыть программу «Paint», вставить скопированное изображение экрана и сохранить изображение обычным образом. Далее его можно просматривать любой программой для просмотра фотографий. Эти данные можно не прилагать к отчёту, но должна быть возможность обратиться к ним в ходе сдачи работы.

– Извлечь из держателя при помощи пинцета пробирки А1–А3.

– Определить и записать температуры, соответствующие началу тепловых эффектов на кривых нагрева и охлаждения. Кривые в окне программы можно масштабировать, проводя мышкой вправо-вниз. Чтобы вернуться к исходному масштабу придётся вновь ввести цифры в крайние позиции на осях X и Y. Время начала теплового эффекта нужно определять по кривым в правом окне, а температуры, соответствующие этим моментам времени – по кривым в левом окне.

– Установить в держатель при помощи пинцета пробирки B1–B3, включить нагрев печи, включить регистрацию на компьютере. Затем повторить все операции с пробирками С1–С3.

Обработка данных

Используя записи, сделанные при просмотре температурных кривых сразу после каждого опыта или просматривая сохранённые в виде рисунков копии экрана постройте фазовую диаграмму исследуемой системы. Температуры начала отверждения для построения кривой ликвидуса нужно определять по кривым охлаждения, а температуры начала плавления или окончания отвердевания – по кривым нагревания и охлаждения. Полностью построить кривую солидуса, вероятно, не удастся, однако, при средних концентрациях это сделать можно. Пользуясь полученным графиком, поясните, какие фазы находятся в равновесии при охлаждении и отвердевании расплавов различного состава.