Определение фазового состава силикатов по диаграммам состояния двухкомпонентных систем

Цель работы: изучить основные элементы диаграмм двухкомпонентных систем; овладеть практическими навыками построения диаграмм равновесия двухкомпонентных систем; овладеть методикой определения фазового равновесия двухкомпонентных систем.

Задачи работы

1. Практически отработать построение по фигуративным точкам двухкомпонентных систем диаграммы равновесия.

2. Овладеть навыками практического решения задач по определению фазового равновесия системы при заданных термодинамических параметрах.

Общие сведения

Диаграмма равновесия двухкомпонентных систем представляет собой графическое изображение последовательных равновесных состояний при бесконечно малых изменениях температуры или иных термодинамических параметров состояния системы.

Диаграмма равновесия представляет собой координатную сетку, на которой по оси абсцисс откладываются значения концентрации компонентов системы (в весовых или молярных долях), а на оси ординат – температура системы.

Такие графические изображения устанавливают строгую функциональную зависимость между термодинамическими параметрами системы при изменении фазового равновесия.

Особенностью диаграмм подобного рода является то, что любая ее точка характеризует определенное фазовое равновесие и числовые значения этого состояния.

Исходя из вышесказанного, по диаграмме состояния для любых заданных параметров системы можно определить количество фаз, находящихся в равновесии в данный момент времени; состав равновесных фаз; количественное соотношение равновесных фаз, и, зная свойства образовавшихся фаз, предсказать свойства материала, полученного в результате термической обработки данной системы в процессе изготовления обжиговых строительных материалов. Обратной задачей является разработка такого технологического процесса (количественная оценка его параметров), который позволил бы получить изделия с заданными нормативными значениями и свойствами данного материала.

Порядок выполнения контрольной работы

Контрольная работа проводится каждым студентом группы индивидуально по заданию преподавателя.

В отчете по работе должны быть четко отражены:

• формулировка заданий;

• ответы на контрольные вопросы задания;

• таблица фигуративных точек;

• графическое изображение диаграммы равновесия;

• решение практических задач работы;

• описание практической значимости заданной диаграммы в производстве строительных материалов.

Варианты заданий

1. По фигуративным точкам (табл.1) построить диаграмму состояния заданной системы.

2. На диаграмме состояния отметить области фазовых равновесий.

3. Получить у преподавателя исходные данные для решения задач (таблица 2). Номер варианта соответствует порядковому номеру студента в списке группы. Совпадения не допускаются.

4. По диаграмме определить:

   1. состав и количество фаз, образовавшихся при охлаждении исходного состава системы до температуры T₁;

   2. количество эвтектических кристаллов и их состав для заданного исходного состава;

   3. температуру, при которой количество кристаллов и расплава находятся в заданном соотношении (2:1, 1:1, 1:2, 1:3).

Методика определения

Практическое выполнение контрольной работы начинается с построения диаграммы заданной системы. На плоскость диаграммы наносят фигуративные точки системы в координатах "концентрация компонентов – температура", затем их соединяют между собой линиями, руководствуясь следующими правилами.

1. Сплошными вертикальными линиями наносят составы химических соединений.

Для соединений, плавящихся конгруэнтно, состав соединения соответствует составу расплава и указывается в таблице фигуративных точек.

Для химических соединений, плавящихся инконгруэнтно, состав соединения рассчитывается, исходя из молекулярных масс компонентов, слагающих данное соединение и их стехиометрического соотношения в составе соединения.

Например, соотношение компонентов CaO и Al₂O₃ в трехкальциевом силикате 3CaO∙Al₂O₃ (С₃A) определяется следующим образом:

• молекулярная масса минерала составляет 3∙(40+16))+(2∙27+3∙16) =270 массовых единиц

• Доля глинозема в составе минерала составляет (2∙27+3∙16)=102 массовых единиц или 100∙(102/270)=37,9 %. Таким образом, точка состава трехкальциевого силиката имеет координаты 61,2 % CaO и 37,9 % Al₂O₃.

2. Через точки эвтектики проводятся сплошные горизонтальные линии до составов эвтектических кристаллических фаз (компоненты, химические соединения).

3. Сплошными горизонтальными линиями проводятся линии полиморфных превращений химических соединений по обе стороны от вертикальной линии состава химического соединения до ближайших вертикальных линий или линий ликвидуса.

4. Сплошными горизонтальными линиями проводятся линии полиморфных превращений компонентов внутрь диаграммы до ближайшей вертикальной линий или линии ликвидуса.

Определение фазового равновесия системы при заданных условиях предполагает ответы на три вопроса:

1. какие фазы находятся в равновесии при заданных термодинамических параметрах;

2. состав равновесных фаз (соотношение компонентов системы в расплаве или твердом растворе или состав химического соединения (компонента). При этом следует помнить, что состав расплава определяется точкой пересечения соответствующей изотермы с линий ликвидуса;

3. количество равновесных фаз.

Количественные расчеты фазового равновесия в системе проводятся с помощью правила рычага:

если одна из фаз разлагается на две, то количество образовавшихся фаз обратно пропорционально отрезкам, заключенным между точкой исходного состава и точками составов образовавшихся фаз.

Контрольные вопросы

1. Дать определение основным элементам диаграммы двухкомпонентной системы.

2. В каких случаях для диаграмм двухкомпонентных систем наблюдается нонвариантное состояние?

3. Как графически на диаграмме изображаются: химические соединения, полиморфные превращения компонентов и химических соединений, ликвация, твердые растворы?

4. При каких условиях кристаллизация расплава системы заканчивается в точке перитектики?

5. Сформулируйте правило рычага. Для каких целей оно используется?

6. Дайте характеристику минералов в системах SiO₂ – CaO. При производстве каких строительных материалов используется сырье подобного состава?

Таблица 1

Фигуративные точки системы CaO-SiO₂

№	Равновесные фазы	Характер равновесия	Температура, оС	Содержание SiO2,%
1	 - кристобалит+расплав	Плавление	1728	100
2	 - кристобалит+  - тридимит	Полиморфное превращение	1470	100
3	 - тридимит+ - кварц	Полиморфное превращение	870	100
4	 - кварц + - кварц	Полиморфное превращение	573	100
5,6	 - кристобалит + Расплав 1+ Расплав 2	ликвация	1698	99,4 – 72,0
7	 - тридимит+  - CS + расплав	эвтектика	1436	63.0
8	 - CS + расплав	плавление	1544	51.8
9	 - CS + - CS	Полиморфное превращение	1125	51.8
10	 - CS + C3S2+ расплав	эвтектика	1460	45.5
11	 - C2S + C3S2+ расплав	Инконгруентное плавление	1464	44,5
12	 - C2S + расплав	плавление	2130	35.0
13	 - C2S +ά - C2S	Полиморфное превращение	1420	35,0
14	 - C2S +ά - C2S	Полиморфное превращение	850	35,0
15	 - C2S + C3S + расплав	эвтектика	2050	30.5
16	CaO + C3S + расплав	Инконгруентное плавление	2070	28.5
17	ά - C2S + CaO + C3S	разложение в твердой фазе	1250	26.4
18	CaO + расплав	Плавление	2572	0

Таблица 2

Варианты контрольных заданий

№	Индивидуальные задания для задач
	4.1		4.2	4.3
	SiO2, %	T, oC	SiO2, %	SiO2, %	Соотношение: расплав:кристаллы
1	5	1500	95	15	1:1
2	9	1800	90	15	1:2
3	13	1300	86	15	1:3
4	17	960	80	43	1:1
5	21	1720	74	43	1:2
6	25	1550	71	43	1:3
7	29	870	67	63	1:1
8	33	950	63	63	1:2
9	37	750	58	63	1:3
10	41	1450	54	85	3:1
11	45	1400	50	85	2:2
12	49	1300	45	85	1:3
13	53	980	41	45	1:1
14	57	1350	39	45	2:1
15	61	1480	36	67	1:1
16	65	1000	27	25	1:4
17	69	1900	21	40	1:1
18	73	1870	17	20	1:2
19	77	1910	12	63	1:1
20	82	1500	9	10	4:1
21	89	2100	5	45	1:1
22	95	870	3	63	2:1

6