Международный школьный научный вестник
Научный журнал для старшеклассников и учителей ISSN 2542-0372

О журнале Выпуски Правила Олимпиады Учительская Поиск Личный портфель

ИССЛЕДОВАНИЕ СТАБИЛЬНОГО ТЕТРАЭДРА LIF-LINO3–NACL-NANO3  ЧЕТВЕРНОЙ ВЗАИМНОЙ СИСТЕМЫ LI, NA // F, CL, NO3

Аксенова С.А. 1
1 г.о. Самара, МБОУ «Школа № 129», 11 «А» класс
Моргунова О.Е. (г.о. Самара, СНИЦ СамГТУ)
Нуштайкина Е.А. (г.о. Самара, МБОУ «Школа № 129»)
1. 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. – 2007. – Вып. 1 (14). – С. 182–183.
2. Термические константы веществ. Справочник под ред. Глушко В.П. – М.: ВИНИТИ, 1981. – Вып. Х.Ч. 1– С. 16–19, 42–43, 122–125, 170.
3. Делимарский Ю.К., Барчук Л.П. Прикладная химия ионных расплавов – Киев: Наук. Думка, 1988. – 192 с.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. 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.
9. Диаграммы плавкости солевых систем. Тройные взаимные системы / под ред. В.И. Посыпайко, Е.А. Алексеевой. – М.: Химия, 1977. – С. 302–303.
10. Трунин А.С., Моргунова О.Е., Мешалкин А.В. Современный дифференциальный термический анализ: Учебное пособие. – Самара: ФГБОУ ВО «СамГТУ», РосМАН, 2015. – 52 с.
11. Трунин А.С., Моргунова О.Е. Введение в физико-химический анализ: учебное пособие. – Самара: ФГБОУ ВО «СамГТУ», РосМАН, 2015. – 76 с.
12. 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.

Физико-химический анализ – это геометрический метод исследования химический превращений. Современные учёные считают эту дисциплину основой современного материаловедения [11].

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:

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

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

3. Провести моделирование эвтектики методом МЕТА.

4. Выполнить экспериментальную проверку расчётного состава.

5. Построить геометрический образ фазовой диаграммы четверной взаимной системы Li, Na // F, Cl, NO3.

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 130°С, 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 Тn-1 присваиваются в порядке уменьшения доли компонента в n-1–мерной эвтектике.

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

aks1.wmf (1)

aks2.wmf (2)

aks3.wmf (3)

aks4.wmf (4)

aks5.wmf (5)

Температуры плавления исходных солей: LiF – 848,9°C; LiNO3– 253°C; NaCl– 801°C; NaNO3 – 306,5°C [2].

Данные по характеристикам двойных систем представлены в табл. 1.

Таблица 1

Двухкомпонентные системы

Система

Тип нонвариантной точки

Содержание 1–го вещ-ва в эвтектике, мол.% / состав соединения

Tэвт., °С

Лит-ра

LiF-LiNO3

e

1

246

[7]

LiF-NaCl

e

40,5

684

[8]

LiF-NaNO3

e

4

299

[9]

LiNO3–NaNO3

e

56,2

196

[7]

NaCl-LiNO3

e

15

220

[10]

NaCl-NaNO3

e

6,5

298

[7]

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 177°C. Но по расчёту характеристики эвтектики составляют 0,6LiF-55,9LiNO3–43,5NaNO3 (мол.%) при температуре 194°С.

Была проведена экспериментальная проверка представленных составов на установке ДТА. В результате оба состава закристаллизовались при 191,6°C (рис. 1, 2).

В системе LiNO3–NaCl-NaNO3 в соответствии с данными [9] наблюдается эвтектика при 52,5LiNO3–2,5NaCl-45NaNO3 (мол.%) при температуре 180°С. Но по расчёту характеристики эвтектики составляют 51,5LiNO3–8,4NaCl-40,1NaNO3 (мол.%) при 190°C.

aksen-1.tif

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

aksen-2.tif

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

В результате экспериментальной проверки состав 52,5LiNO3–2,5NaCl-45NaNO3 (мол.%) закристаллизовался при 188,5°C (рис. 3), а состав 51,5LiNO3–8,4NaCl-40,1NaNO3 (мол.%) при 190°C (рис. 4).

aksen-2a.tif

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

aksen-3.tif

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 188,5°C.

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

Тройной системой с минимальной температурой эвтектики 188,5°C является LiNO3–NaCl-NaNO3.

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

Выполним расчёт по формулам 1–5.

По расчёту эвтектика системы LiF-LiNO3–NaCl-NaNO3 наблюдается при 8,2LiF-49,7LiNO3–3,4NaCl-38,7NaNO3 (мол.%) и 185°C.

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 – 181,4°C.

aksen-4.tif

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

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 181,4°C. Исходя из литературных и полученных данных, был построен геометрический образ фазовой диаграммы четверной взаимной системы Li, Na // F,Cl,NO3(рис.6).

aksen-5.tif

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 181,4°C.

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.


Библиографическая ссылка

Аксенова С.А. ИССЛЕДОВАНИЕ СТАБИЛЬНОГО ТЕТРАЭДРА LIF-LINO3–NACL-NANO3  ЧЕТВЕРНОЙ ВЗАИМНОЙ СИСТЕМЫ LI, NA // F, CL, NO3 // Международный школьный научный вестник. – 2019. – № 1-4. – С. 568-571;
URL: http://school-herald.ru/ru/article/view?id=919 (дата обращения: 11.12.2019).