Ón-ólom rendszer fázisdiagramjának megszerkesztése lehűlési görbék alapján Készítette: Zsélyné Ujvári Mária, Szalma József; 2012 Előadó: Zsély István Gyula, Javított valtozat 2016
Laborelőkészítő előadás, Kémia BSc., 2013.09.09.
Alapfogalmak, összefüggések Többkomponensű egyensúlyi rendszerek Gibbs-féle fázisszabály: Sz+F=K+2 Fázis: a termodinamikai rendszer azonos intenzív paraméter értékekkel rendelkező részeinek összessége. F a fázisok száma. Komponens: azok a kémiailag egységes anyagok (molekula-fajták), amelyek szükségesek és elégségesek a rendszer összes fázisának felépítéséhez. K ezek száma. Szabadsági fok (Sz): a legalább egy szűk intervallumban fázisok létrejötte/eltűnése nélkül szabadon változtatható intenzív paraméterek száma Eutektikus rendszer: két vagy több komponensű rendszer, amelynek komponensei egymással homogén folyadékot (olvadékot vagy oldatot) képeznek, szilárd állapotban azonban nem elegyednek. Ilyenek például Zn + Cd, Sn + Pb, NH4Cl + H2O, NaCl + H2O.
Eutektikummal rendelkező rendszer fázisdiagramja
A lehűlési görbe exponenciális lefutású
T − Tk = (T0 − Tk ) ⋅ e − kt T az aktuális hőmérséklet t az idő Tk a külső hőmérséklet T0 a kezdeti hőmérséklet k konstans
Ha elérjük a likvidusz görbét, elkezdődik a szilárd anyag kiválása, felszabadul a fagyáshő.
Változás a görbe lefutásában, töréspont
A lehülési görbék és a fázisdiagram kapcsolata
A rendszer kísérleti fázisdiagramja
A kísérleti berendezés:
A mintatartó: kvarctégely
Tetején szénpor Védi az oxidációtól Karbidképzők esetén nem jó
A hőmérséklet mérése: termoelemmel
Termoelem működése: Seebeck effektus : Ha két, különböző fémből vagy ötvözetből álló elektromos vezetőt egyik végükön összehegesztenek, és a hegesztési pont, valamint a vezetők másik vége eltérő hőmérsékleten van, akkor feszültség különbséget tudunk mérni a két vezető között (termofeszültség).
Az értékelés menete: Fázisátmeneti helyek megkeresése a Szalma József által írt program segítségével Termofeszültség skála kalibrálása (tiszta anyagok op-ja alapján) A kalibráció segítségével a fázisátmeneti helyek átszámítása hőmérséklet adatokra (°C) Az olvadáspontok és eutektikus hőmérsékletek ábrázolása az összetétel függvényében, a fázisdiagram megszerkesztése A likviduszgörbék metszéspontjából az eutektikus összetétel meghatározása Az eutektikus hőmérséklet megadása
24
termofeszültség / mV
termofeszültség / mV
tiszta ólom lehűlési görbéje
22 20 18 16
20 19 18 17 16
olvadáspont
1000
14
1500
2000
idő / s
12 10 8
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
idő / s
24 termofeszültség / mV
termofeszültség / mV
tiszta ón lehűlési görbéje
22 20 18
13,5 olvadáspont 13,0 12,5 12,0 11,5
16 11,0 2500
14
túlhűlés
3000
3500
4000
4500
idő / s
12 10 8
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
idő / s
24
termofeszültség / mV
termofeszültség / mV
ötvözet minta lehűlési görbéje, töréspont meghatározása
22 20 18 16
18 17 16 15 14
olvadáspont
13 1000
1500
2000
2500
3000
idő / s
14 12 10 8
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
idő / s
24 termofeszültség / mV
termofeszültség / mV
ötvözet minta lehűlési görbéje, eut. hőm. meghatározása
22 20 18 16
12 11 10 eutektikus hőmérséklet
9 8 3000
3750
4500
14
5250
6000
idő / s
12 10 8
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
idő / s
20 termofeszültség / mV
termofeszültség / mV
ötvözet minta lehűlési görbéje, helyi maximummal
18
16
11,5 olvadáspont
11,0
helyi maximum túlhűlés
10,5 10,0
14 9,5 3000
eutektikus hőmérséklet
3750
4500
12
5250
6000
idő / s
10
8
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
idő / s
ÉRTÉKELŐ ADATLAP
File név:
1999-09 -- 2000-04 között mért adatokra
Adatok: 00022201.DAT 00022202.DAT … 00022216.DAT
MINTA sorszáma összetétele Pb % 1
30
Termofeszültség mV op eut.
2
40
op eut.
3
35
op eut.
4
37
op eut.
5
60
op eut.
6
45
Leolvasás 2 tizedesre
op eut.
7
75
op eut.
8
80
op eut.
9
Sn
op
10
Pb
op
11
95
op eut.--------------
Zn
file:010528
op
Termoelem kalibrációs függvénye 500
400
T / °C
300
Linear Regression for Tkalib_B: Y=A+B*X --------------------------------Param Value sd --------------------------------A 1,09648 1,93428 B 17,8425 0,11922 --------------------------------R = 0,99996 SD = 2,08745, N = 4 P = 0,00004
200
Uterm / mV o.p. / °C jég / víz 100
0
0
5
10
0.00
0.0
ón
12.80
231.9
ólom
18.29
327.4
cink
23.55
420.0
15
Uterm. / mV
20
25
Ón-ólom rendszer fázisdiagramja 340 320 300
T / °C
280 260
Eutektikus összetétel leolvasása
240
Eutektikus hőmérsékletek átlagolása
220 200 180 0
20
40
60
wPb%
80
100
Megadandó eredmények: - Eutektikus összetétel (3 értékes jegyre) - Eutektikus hőmérséklet (95%-os megbízhatósági intervallummal) Ha nincs hibaszámítás, akkor a végeredmény pontosságát a legkisebb pontosságú adathoz illesztjük. A statisztikai számítások egy részét az Origin program elvégzi.
A szórás (S*) kiszámítása:
n
2 ( ) x − x ∑ i
s.d. = S * =
i =1
n −1
S* s.e. = n
Statisztikai szabadságfok (f): a mérési adatok számának (n) és a meghatározott paraméterek számának (p) különbsége Átlagolásnál: p=1 Egyenesillesztésnél (y=ax+b): p=2 Másodfokú görbénél (y=ax2+bx+c): p=3 stb.
Megfelelő f értékhez kritikus tα érték kikeresése táblázatból.
ϑeut.
tα S * 2,201 ⋅ 1,6686°C =x± = 180,911°C ± = (180,911 ± 1,0597 )°C n 12
Végeredmény megadása: Hibahatár max. 2 értékes jegyre, az átlag értéke ehhez tizedesben illesztve!
ϑeut. = (180,9 ± 1,1) oC tized
ϑeut. = (180,91 ± 0,82 ) oC század
