Главная База знаний "Allbest" Химия Фторцирконатные стекла

Фторцирконатные стекла

Краткая характеристика систем ZrF4-BaF2. Физико-химическое обоснование стабилизации стекол путем усложнения химического состава. Методика синтеза образцов системы ZrF4-BaF2-FeF3. Методы определения плотности твердых тел, гидростатическое взвешивание.

Рубрика Химия
Вид курсовая работа
Язык русский
Дата добавления 30.10.2014
Размер файла 112,8 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

26

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Интерес к фторидным стеклам резко возрос с середины 70-х годов. До этого были хорошо известны и детально изучены фторбериллатные стекла на основе аналога кремнезема - ВеF2.

Фторидные стекла по причине технологичности и дешевизны получения по сравнению с кристаллами представляют практический интерес для поиска твердых электролитов - материалов, обладающих большой ионной проводимостью. Физико-химическое изучение многокомпонентных фторидных систем с целью поиска новых материалов и выяснения условий их получения на основе диаграмм состояния является весьма актуальной задачей.

Большой неожиданностью был синтез достаточно устойчивых стекол в системах на основе фторида циркония.

Высокие к. ч. циркония во фторидах (наиболее вероятные - 7 и 8), резко нарушающие кристаллохимические критерии стеклообразования Гольдшмидта и Захариасена [1], сняли определенные психологические барьеры, что способствовало поиску новых нетрадиционных стекол.

В настоящее время известны многие сотни стеклообразующих композиций.

Фторцирконатные стекла на основе тяжелых металлов представляют научный и практический интерес.

Преимущества фторцирконатных стекол - прозрачность в ближнем ИК-диапазоне, низкая температура стеклования - делают их перспективными материалами для волоконной оптики, пригодными для передачи информации. Теоретические потери на поглощение в них в десятки раз меньше, чем в силикатных стеклах.

Найдены весьма устойчивые композиции, допускающие критическую скорость охлаждения порядка нескольких градусов в секунду, что дает возможность получать объемные образцы, представляющие интерес для конструкционной оптики, квантовой электроники, матриц для сцинтилляторов, и т.д.: 53ZrF4 20ВаF2 4LаF3 3А1F3 20NаF (ZBLAN); 10,6ВаF 20,2СаF2 13,2SrF2 3,5МgF2 3,8NаF 10,2ZrF4 8,3YF3 30,2А1F3; 30ВаF2 18InF3 12GаF3 20ZnF2 * 10YbF3 * 6ThF4 * 4ZrF4 * (BIGZYbTZr) (мол.%).

Глава 1. Литературный обзор

1.1 Краткая характеристика систем ZrF4 - BaF2 и BaF2 - FeF3

стекло стабилизация синтез

Система ZrF4 - BaF2

В системе ZrF4 - BaF2 область стеклообразования расположена в интервале 30 - 68 мол. % ZrF4 [2]. При исследовании стекол двойной системы ZrF4 - BaF2, использовались методы рентгеновской дифракции и компьютерного моделирования. Было установлено, что длина связи Zr - F равна 2,1 Е и к. ч. = 7,5. Ba2+ играет роль модификатора [3].

Система BaF2 - FeF3

Таблица 1 - Нонвариантные точки системы BaF2 - FeF3

t, °С

FeF3, %(мол)

Твердые фазы

Характер точек

1355

0

BaF2

Плавление

900

27,5

BaF2, Ba3(FeF6)2

Эвтектика

975 ± 5

40

Ba3(FeF6)2

Дистектика

815

45

Ba3(FeF6)2, BaFeF5

Эвтектика

825 ± 5

50

BaFeF5

Дистектика

775

57,5

BaFeF5

Эвтектика

1355 ± 15

100

FeF3

Плавление

Соединение BaFeF5 имеет плотность при 25°С 4,31 г/см3 и tпл = 800 ± 10°С; Ba3(FeF)6 имеет tпл = 870 ± 12°С.

1.2 Получение и критерии образования фторидных стекол

Основным путем получения фторидных стекол является синтез индивидуальных компонентов (простых фторидов металлов) и их смешение с последующей плавкой в защитной или активной атмосфере. Однако возможен и другой путь: смешение растворов солей-предшественников фторидов и осаждение из смешанного раствора шихты для плавки фторидных стекол. При этом в качестве индивидуальных компонентов вместо простых фторидов или наряду с простыми фторидами выступают комплексные фториды.

К достоинствам этого альтернативного пути относится, прежде всего, меньшая склонность комплексных фторидов к образованию кристаллогидратов, их меньшая гигроскопичность, что позволяет избежать многих трудностей при хранении и при использовании. Этот путь может упростить очистку компонентов фторидных стекол благодаря ее унификации.

Основными компонентами шихты для варки фторидных стекол могут быть фтороцирконаты, и в частности (NH4)3ZrF7, (NH4)2ZrF6, Na7Zr6F31, Na2ZrF6, BaZrF6, Ba2ZrF8, а также фтороалюминаты и аналогичные соединения лантана или (при необходимости) других металлов.

Общепринятой количественной оценкой способности к стеклообразованию для различных соединений служит критерий Сана. Мерой склонности фторида к стеклообразованию служит значение средней энергии единичной связи М - F в координационном полиэдре. Согласно этому критерию фториды разделены на три группы, характеризующие их структурную функцию в стекле.

Первую группу составляют стеклообразователи, имеющие достаточно высокую энергию единичной связи; они и формируют каркас структурной сетки стекла.

Вторая группа, или модификаторы, встраиваясь в пустоты стекольного каркаса, способствуют разупорядочению структуры, препятствуя образованию мостиковых связей M - F - M между цепями сетки, что затрудняет установление дальнего порядка. Ионы модификатора, как правило характеризуются большим ионным радиусом, чем ионы стеклообразователя. Концентрация модификатора в стекле обычно достигает десятков процентов.

В третьей группе представлены фториды, выполняющие функцию стабилизатора сетки стекла. Встраиваясь в сетку стеклообразователя, они способствуют структурному беспорядку. Строение и координационное число этих полиэдров, как правило, отлично от таковых стеклообразователя. Количество стабилизатора в составе стекла обычно невелико и в технологическом плане он способствует увеличению области стеклообразования, повышая устойчивость стекла к кристаллизации.

Наряду с катионами-стеклообразователями и модификаторами существует понятие промежуточных катионов (intermediates), соединения которых не образуют стекла сами по себе, но которые способны встраиваться в неупорядоченную сетку, не давая немостиковых анионов. Существуют соединения, которые образуют стекла только при добавлении модификаторов. Собственно говоря, известен только один фторид, который стеклуется сам по себе при умеренных скоростях охлаждения - фторид бериллия. Остальные фториды-стеклообразователи требуют добавок для получения стекла. В соответствии с этим можно проводить классификацию стеклообразователей и оценку их относительной силы по минимальному числу компонентов в стеклообразующих комбинациях с участием этого фторида. Таким образом, имеется один стеклообразователь первой степени - ВеF2. Стеклообразователями второй степени, образующими стекла в бинарных системах с добавкой одного модификатора, являются, например, ZrF4, ТhF4, FeF3, InF3, СаF3. С другой стороны, фториды скандия и марганца образуют стекла только с двумя добавками в тройных системах, т.е. могут быть классифицированы как стеклообразователи третьей степени.

С учетом обобщенной теории кислот и оснований Льюиса полностью сохраняет свой смысл для фторидных систем отнесение стеклообразователей к кислотам, а модификаторов - к основаниям. При этом очень большое значение приобретает понятие амфотерных фторидов, которые могут выступать или как модификаторы (в комбинации с сильными льюисовыми кислотами - ВеF2, А1F3, ZrF4), или как слабые стеклообразователи, когда модификаторами являются ВаF2, РbF2, МF (М - Nа - Сs). К амфотерным относятся фториды Мg, Сd, Мn, РЗЭ, особенно цериевой группы, Sn2+, возможно, Li и т.д.

Имеющиеся критерии стеклообразования можно несколько условно подразделить на структурные, энергетические, кинетические и физико-химические. Некоторые из них в применении к фторидным стеклам приведены в табл. 2, а численные характеристики катионов и их фторидов - в табл. 3. Необходимость значительных вариаций длин и углов связей в полиэдрах стеклообразующей сетки привела к формулировке условия Смекала - наличия смешанных (ионно-ковалентных) связей. Это в свою очередь отражается в промежуточных значениях электроотрицательности X (критерий Стенворта). Типичные модификаторы характеризуются меньшей электроотрицательностью.

Таблица 2 - Критерии стеклообразования для фторидных систем

Критерий

Примеры

Контрпримеры

Модифицированный критерий Стенворта: электроотрицательность катиона стеклообразователя

Х = 1,2 - 1,8

ВеF2, ZrF4, А1F3, InF3

SnF4, SbF5, PbF2

Критерий Сана: энергия атомизации фторида, деленная на к. ч. катиона; для стеклообразователей Е = = 410-348 кДж/моль

ВеF2, ZrF4, А1F3

GaF3, ZnF2, MnF2

Критерий Паулена: обобщенный

момент катиона Z/r = 1,95 - 7,8 Е-1

ВеF2, А1F3, ZrF4, ТhF4, ZnF2

SnF2

Критерий Портье: отношение стандартной энтальпии образования фторида к ионному радиусу катиона; для стеклообразователей

А = ?Н/r > 1630 кДж/(моль*К)

ВеF2, А1F3, ZrF4

ZnF2, MnF2, CdF2

Критерий Гудмана: развитый

ВеF2, ВаZr(Нf)F6, (SiO2)

КВiF4, (А12О3)

Критерий

Примеры

Контрпримеры

полиморфизм способствует стеклообразованию

Критерий Роусона: область стеклообразования соответствует составам с низкими температурами ликвидуса; для стеклообразователей R = Е/Т = 0,21 - 0,55 кДж/(моль*К)

ВаF2 - LаF3 - НrF4

LiF - NаF - YF3

Критерий Чен Нья-ни: способность к стеклообразованию коррелирует с наличием перитектического равновесия в системе

ВаZrF6, ВаInF5, РЬGaF5, КВеDуF6, Ва2СdF6

КВе2F5

Таблица 3 - Классификация фторидов металлов МFn по критерию Сана Есв и другим параметрам другим параметрам

М

n, валентность

к. ч.

ЕM - F, кДж/моль

X

А,

кДж/( мольЕ)

Tпл, К

Е/Тпл, кДж/(мольК)

А/Тпл,

кДж/(мольЕК)

Стеклообразователи

Тl

4

6

410

1.5

2320

699

0.587

3.312

Sc

3

6

317

1.0

1770

1823

0.207

0.967

Ве

2

4

373

1.2

2020

1073

0.347

1.880

Нf

4

8

360

1.4

1318

0.273

Zr

4

8

356

1.4

1900

1181

0.301

1.608

А1

3

6

348

1.4

2020

2000

0.174

1.01

U

4

8

343

1.4

1630

1768

0.194

0.921

Тh

4

8

1.3

1393

Промежуточные

Сr

3

6

301

1.4

1470

1677

0.180

0.875

Sn

4

6

301

2.0

1240

>978

<0.308

< 1.264

Y

3

8

297

0.9

1260

1425

0.209

0.883

В

3

4

289

1.7

145

1.99

Fе

3

6

285

1.7

1250

1628

0.175

0.762

Gа

3

6

281

1.5

1930

1373

0.204

1.71

Мg

3

8

281

0.9

1260

1645

0.170

0.766

In

3

6

276

1.6

1280

1593

0.173

0.800

Рb

4

6

243

Мg

2

б

239

0.8

1280

1543

0.154

0.829

Sb

3

6

239

1.9

1000

565

0.422

1.763

Модификаторы

Со

2

6

214

1.5

754

1400

0.152

0.540

Ni

2

6

209

1.5

787

1643

0.127

0.477

Мn

2

6

205

1.2

829

1203

0.170

0.691

Са

2

8

193

0.7

963

1691

0.114

0.569

Sr

2

8

193

0.6

875

1737

0.111

0.502

Ва

2

8

193

0.6

770

1627

0.118

0.473

Сu

2

6

176

1.4

703

1128

0.156

0.624

Zn

2

6

176

1.1

1220

0.144

Fе

2

6

1.4

1243

Вi

3

8

172

2.0

1030

0.167

0.682

Сr

2

8

167

1.2

795

1167

0.144

0.620

Li

1

6

142

0.6

645

1121

0.127

0.410

Рb

2

8

130

1.4

452

1098

0.118

0.385

Mg

1

6

126

0.5

490

1270

0.099

0.327

К

1

6

121

0.4

368

1130

0.108

0.427

Сd

2

8

121

1.2

578

1348

0.090

0.322

Rb

1

6

117

0.3

343

1071

0.109

0.297

Cs

1

6

117

0.3

289

976

0.120

Аg

1

6

117

1.1

708

0.165

Тl

1

6

100

0.9

595

0.169

Hg

2

8

92

1.3

918

0.100

1.3 Физико-химическое обоснование стабилизации стекол путем усложнения химического состава

Усложнение химического состава - обычный способ повышения устойчивости стекол. Сложные фтороцирконатные стекла получают при более мягких условиях, тогда как для получения двухкомпонентных стекол требуются высокие скорости охлаждения. Характерно, что наиболее устойчивые стекла получаются при смешении разнородных стеклообразователей, т.е. при создании так называемой "конфликтной ситуации". Примерами, помимо перечисленных во введении практически важных композиций, являются стекла в системах ZrF4 - ТhF4 - AlF3 - ВаF2, ZrF4 - ZnF2 - АlF3 - ВаF2, где смешиваются по три разных стеклообразователя с одним модификатором, и др. Компонентность наиболее устойчивых фторидных стекол, так же как силикатных и металлических, меняется от 5 до 8. Характерно, что для стекла BIGZYbTZr увеличение числа компонентов до 10 не привело к повышению его устойчивости. Это может быть связано с асимптотическим поведением температуры плавления многокомпонентных эвтектик с ростом числа компонентов. Смешивание стекол с резко отличающимися стеклообразователями (различными типами стеклообразуюших сеток) представляет собой мощный способ повышения устойчивости стекол благодаря образованию многокомпонентных эвтектик. Эффект выходит на насыщение при 5 - 7 компонентах. В качестве характеристики силы стеклообразователя можно ввести компонентность фторидной системы. С физико-химической точки зрения прием "конфликтной ситуации" объясняется образованием эвтектик, т.е. резким понижением температуры плавления при смешении разнородных, не изоморфных в кристаллическом состоянии веществ, что соответствует критерию Роусона. Для этого хорошо подходят вещества с различными типами сеток или катионы, сильно отличающиеся по размерам. При этом очень велика вероятность появления в стеклах микронеоднородностей различного масштаба.

Массовое исследование фазовых равновесий в трех- и более компонентных системах - практически невыполнимая задача, т.е. поиск идет эмпирически. Стеклообразующая способность расплавов оценивается по трудоемким определениям критической скорости охлаждения, а устойчивость по отношению к расстекловыванию - посредством различных комбинаций температур.

Глава 2. Экспериментальная часть

2.1 Методика синтеза образцов системы ZrF4 - FeF3 - ВаF2

В качестве химических реагентов использовали ZrF4 (х. ч.), FeF3 (х. ч.), ВаF2 (х. ч.). Образцы системы ZrF4 - FeF3 - ВаF2 получали сплавлением исходных компонентов во фторирующей атмосфере и последующим литьем расплава на медную пластину с одновременным прижимом сверху другой медной пластиной. Фторирующую атмосферу создавали термическим разложением фторида аммония NH4F с целью предотвращения пирогидролиза образца при нагревании. Время сплавления 10 минут при температуре 1010єС.

Синтез образцов системы ZrF4 - FeF3 - ВаF2

В работе были синтезированы кристаллические и стеклообразные образцы системы (60 - х)ZrF4 - хFeF3 - 40ВаF2 при 0 < x < 25 и х = 0 с шагом 5 мол. %. Образцы получали по методике, приведенной выше. В табл. 4 приведены массы исходных реагентов и краткая характеристика полученных образцов.

Таблица 4 - Краткая характеристика полученных образцов

Состав образца

Масса ZrF4, г

Масса FeF3, г

Масса ВаF2, г

Результат

60FeF3 - 40ВаF2

2,45601

2,54399

Вещество темно-коричневого цвета без прозрачных включений

35ZrF4 - 25FeF3 - 40ВаF2

1,86547

0,89918

2,23535

Вещество темно-коричневого цвета с прозрачными

Состав образца

Масса ZrF4, г

Масса FeF3, г

Масса ВаF2, г

Результат

включениями

40ZrF4 - 20FeF3 - 40ВаF2

2,09564

0,70709

2,19727

Хрупкое вещество темно-коричневого цвета с прозрачными включениями

45ZrF4 - 15FeF3 - 40ВаF2

2,3181

0,52144

2,16046

Хрупкое вещество темно-коричневого цвета с прозрачными включениями;

прозрачное вещество темно-коричневого цвета

50ZrF4 - 10FeF3 - 40ВаF2

2,53324

0,3419

2,53324

Вещество темно-коричневого цвета с прозрачными включениями; прозрачное вещество темно-коричневого цвета

55ZrF4 - 5FeF3 - 40ВаF2

2,74139

0,16818

2,09043

Прозрачное вещество темно-коричневого цвета с непрозрачными включениями

57ZrF4 - 3FeF3 - 40ВаF2

2,8228

0,10025

2,07695

Хрупкое вещество темно-коричневого цвета с прозрачными включениями

60ZrF4 - 40ВаF2

2,9429

2,0571

Прозрачное вещество светло-коричневого цвета

Можно предположить, что непрозрачное получающееся вещество представляет собой кристалл, а прозрачное - стекло. Эти предположения сделаны из следующих соображений. Скол кристаллов имеет зубчатые края, а скол стекла - ровные края; стекло менее хрупкое вещество, чем кристалл. Как видно из табл. 4, с увеличением концентрации ZrF4 и уменьшением концентрации FeF3 склонность к стеклообразованию увеличивается. Причиной этого, скорее всего, является недостаточная скорость охлаждения расплава. Скорость охлаждения можно повысить, если при выливании расплава на медную пластину дополнительно охлаждать ее жидким азотом.

2.2 Плотность веществ

Плотностью однородного вещества называется физическая величина, определяемая массой вещества в единице объема.

с = m/v (1)

Размерность плотности [с] можно выразить следующим образом:

[с] = МL-3, (2)

где М - размерность массы, L - размерность длины.

В некоторых отраслях науки и техники в качестве характеристики вещества применяют относительную плотность, которая представляет собой отношение плотности рассматриваемого вещества к плотности другого (условного) вещества при определенных физических условиях. Эта величина является безразмерной.

В качестве условного вещества для определения плотности жидких и твердых веществ обычно принимают дистиллированную воду.

2.3 Методы определения плотности твердых тел

2.3.1 Метод гидростатического взвешивания

Гидростатическое взвешивание производится либо на видоизмененных весах общего назначения, либо на специальных, так называемых гидростатических весах. Для определения плотности твердое тело взвешивают сначала в воздухе, а затем в жидкости, плотность которой известна, и по полученным результатам измерения подсчитывают искомую плотность.

При взвешивании в жидкости тело прикрепляют на проволоке к крючку подвеса весов. Проволока должна быть очень тонкой и прямой, чтобы уменьшить влияние поверхностного натяжения жидкости. Рекомендуется применять платиновую проволоку диаметром 0,1 - 0,2 мм, так как она хорошо выпрямляется путем прокаливания при легком натяжении над племенем горелки. При работе с агрессивной жидкостью материал проволоки должен быть устойчивым против воздействия этой жидкости. Длину проволоки следует рассчитать так, чтобы в жидкость погружалась лишь небольшая ее часть (порядка 15 мм); при этом уменьшение веса проволоки в жидкости сведется к минимуму. При гидростатическом взвешивании необходимо поддерживать постоянную температуру жидкости. Изменение температуры жидкости во время взвешивания приводит к изменению плотности жидкости и объема взвешиваемого тела, что нарушает равновесие весов.

Перед погружением в жидкость испытуемое тело промывают в спирте и просушивают; при взвешивании в нефтяной жидкости для промывки используют бензин. Проволоку, на которой подвешивают тело, также следует промыть и просушить. Платиновую проволоку необходимо прокалить.

После взвешивания погруженного в жидкость тела с проволокой взвешивают отдельно проволоку, подвешенную к крючку весов и погруженную в жидкость; таким образом определяют массу гирь, уравновешивающих тело. При этом если тело имеет сравнительно большой объем, то для взвешивания проволоки его следует оставить в жидкости, чтобы не изменился ее уровень.

Необходимо следить за тем, чтобы на поверхности тела и на погруженной в жидкость части проволоки не оседали пузырьки воздуха.

Для получения надежных результатов гидростатическое взвешивание рекомендуется повторять несколько раз, определяя затем среднее арифметическое из найденных значений.

Искомая плотность при температуре t определится делением массы на объем при той же температуре.

сt = (с - D)m1/(m1 - m2) + D, (3)

где m1 - масса гирь, уравновешивающих тело в воздухе;

m2 - масса гирь, уравновешивающих тело в жидкости;

с - плотность жидкости, в которую погружается тело, при температуре t;

D - средняя плотность воздуха во время взвешивания тела в воздухе и в

жидкости;

При весьма точных измерениях плотность воздуха D определяют по формуле

D = [0,001293/(1 + 0,00367t)]*[(Р - 0,375h)/760] г/см3, (4)

где t - температура воздуха, °С;

Р - барометрическое давление, мм рт. ст.;

h - упругость водяных паров, содержащихся в воздухе, мм рт. ст.

(определяется при помощи психрометра).

Обычно оказывается достаточным принимать плотность воздуха равной 0,0012 г/см3.

2.3.2 Пикнометричесий метод

Это наиболее точный и самый трудоемкий метод. Пикнометр представляет собой специальную стеклянную колбу определенной вместимости. Существует много разновидностей пикнометров, и их применение определяется родом испытуемого вещества, его количеством, а также требуемой точностью измерений. Наиболее распространены колбообразные стеклянные пикнометры шаровидной или цилиндрической формы, которые закрываются либо глухой притертой пробкой (эти пикнометры имеют круговую метку на горле - рис. 1, а и в), либо притертой пробкой с капиллярным отверстием (рис. 1, б). Пикнометры с меткой, нанесенной на вставной горловине (рис. 1, в), применяют для определения плотности твердых тел.

Рис. 1 - Стеклянные пикнометры: а, б, в - колбообразные шаровидные; г - U-образный

Пикнометрический метод определения плотности твердого тела основан на взвешивании тела, занимающего в пикнометре известный объем, найденный весовым способом.

При пользовании пикнометром точность измерения плотности в значительной степени зависит от чистоты стекла внутри и снаружи прибора. Поэтому, приступая к измерениям, пикнометр необходимо тщательно промыть последовательно хромовой смесью, дистиллированной водой и ректификованным этиловым спиртом. Промытый пикнометр необходимо хорошо просушить.

Для определения плотности твердого тела необходимо взвесить это тело, затем взвесить пикнометр со вспомогательной жидкостью, налитой в него до требуемого уровня при определенной температуре, опустить тело в пикнометр с жидкостью, установить жидкость до первоначального уровня при той же температуре. Отбирать излишек жидкости следует весьма осторожно, используя для этой цели пипетку с оттянутым капилляром или согнутую в трубку фильтровальную бумагу. После того как уровень жидкости установится против метки, внутреннюю поверхность горла пикнометра вытирают свернутой в трубку фильтровальной бумагой (при этом бумага не должна касаться мениска жидкости). Пикнометр закрывают пробкой и тщательно обтирают снаружи льняной тряпкой, не оставляющей на поверхности пикнометра хлопьев, которые могут изменить массу пикнометра. Далее взвесить пикнометр с телом и жидкостью.

Плотность твердого тела определяют по формуле

сt = [Mс - (m2 - m1)D]/[M - (m2 - m1)], (5)

где M - масса гирь, уравновешивающих тело в воздухе;

m1 - масса гирь, уравновешивающих пикнометр со вспомогательной жидкостью;

m2 - масса гирь, уравновешивающих пикнометр с жидкостью и телом, погруженным в эту жидкость;

D - средняя плотность воздуха во время взвешивания;

с - плотность вспомогательной жидкости.

2.4 Определение плотности образцов системы ZrF4 - FeF3 - ВаF2

Плотность определяли методом гидростатического взвешивания образцов в толуоле (с = 0,866 г/см3). Методика измерения приведена в 2.3.1. Результаты измерений приведены в табл. 5. Плотность образцов рассчитывали по формуле (3); D = 0,0012 г/см3.

Таблица 5 - Результаты измерений плотности полученных образцов

Состав образца

Масса образца в воздухе, m1, мг

Масса образца в толуоле, m2, мг

Плотность образца,

с ± ?с, г/см3

m1, мг

m1ср,мг

m2, мг

m2ср,мг

Кристаллические образцы

60FeF3 - 40ВаF2

190

190

157

157

4,98035 ± 0,09786

190

157

190

157

35ZrF4 - 25FeF3 - 40ВаF2

126

126

105

104,67

5,10892 ± 0,18274

126

104

126

105

40ZrF4 - 20FeF3 - 40ВаF2

76

76

64

63,33

5,19 ± 0,35247

76

63

76

63

45ZrF4 - 15FeF3 - 40ВаF2

60

60

49,5

50,17

5,27795 ± 0,45049

60

50

60

51

50ZrF4 - 10FeF3 - 40ВаF2

56

56

46

47

5,38218 ± 0,56912

56

47

56

48

57ZrF4 - 3FeF3 - 40ВаF2

32

32

27

27

5,53592 ± 0,72416

32

27

32

27

Стеклообразные образцы

35ZrF4 - 25FeF3 - 40ВаF2

77

77

64

63,67

4,87361 ± 0,30451

77

63

77

63

Состав образца

Масса образца в воздухе, m1, мг

Масса образца в толуоле, m2, мг

Плотность образца,

с ± ?с, г/см3

m1, мг

m1ср,мг

m2, мг

m2ср,мг

40ZrF4 - 20FeF3 - 40ВаF2

80,5

80,5

63

4

4,22038 ± 0,24097

80,5

64

80,5

65

50ZrF4 - 10FeF3 - 40ВаF2

43,5

43,5

33

34

3,96107 ± 0,39163

43,5

34

43,5

35

55ZrF4 - 5FeF3 - 40ВаF2

36

36

27

28

3,8928 ± 0,45665

36

28

36

29

57ZrF4 - 3FeF3 - 40ВаF2

11,5

11,516

0,0089

0,00893

3,85656 ± 0,16737

11,6

0,00895

11,45

0,00895

2.5 Расчет погрешности эксперимента

Измеренная плотность представляется в виде

с = с ср + ?с, (5)

где сср = (с - D)*m1ср/(m1ср - m2ср) + D, (6)

?m?2 = ?mсл2 + ?mпр2, (7)

?mсл = ± tу(m) = ± 1,2 ??(mi - mср)2/(n2 - n), (8)

?с = ? (?m1? ?с/?m1)2 + (?m2??с/?m2)2. (9)

Вычисляя частные производные, получаем

?с/?m1 = - m2(с - D)/(m1 - m2)2 (10)

?с/?m2 = m1(с - D)/(m1 - m2)2. (11)

Подставляем (10) и (11) в (9) и получаем формулу

?с = (с - D)/(m1 - m2)2? (m2?m1?)2 + (m1?m2?)2, (12)

а т. к. (с - D) = 0,866 - 0,0012 = 0,8648 г/см3, то

?с = 0,8648/(m1 - m2)2? (m2?m1?)2 + (m1?m2?)2. (13)

Относительная погрешность измерений определяется

дотн = (?с/сср)*100%. (14)

Погрешности измерений плотности всех образцов определяем по формулам (13) и (14). Результаты вычислений заносим в таблицу 6.

Таблица 6 - Погрешности измерений

Состав образца

Плотность кристаллического образца, г/см3

дотн, %

Плотность стеклообразного образца, г/см3

дотн,%

40BaF2 - 60FeF3

4,98035 ± 0,09786

1,97

35ZrF4 - 40BaF2 -25FeF3

5,10892 ± 0,18274

3,58

4,87361 ± 0,30451

6,24

40ZrF4 - 40BaF2 - 20FeF3

5,19 ± 0,35247

6,78

4,22038 ± 0,24097

5,7

45ZrF4 - 40BaF2 - 15FeF3

5,27795 ± 0,45049

8,54

50ZrF4 - 40BaF2 - 10FeF3

5,38218 ± 0,56912

10,57

3,96107 ± 0,39163

9,81

55ZrF4 - 40BaF2 - 5FeF3

3,8928 ± 0,45665

11,7

57ZrF4 - 40BaF2 - 3FeF3

5,53592 ± 0,72416

13,08

3,85656 ± 0,16737

4,34

Зависимость плотности образцов от их состава представлена на рис. 2.

Рис. 2 - Зависимость плотности образцов от их состава

Как видно из рис. 2 плотность кристаллических образцов с возрастанием содержания циркония увеличивается, а плотность стеклообразных образцов - уменьшается.

Полученная зависимость плотности стеклообразных образцов от их состава может быть объяснена следующим образом. Размер ионов Zr4+ равен 0,84 Е (к. ч. = 8), а Fe3+ - 0.55 Е (к. ч. = 6). Поэтому при замещении ионов железа на ионы циркония объем одного и того же количества вещества будет увеличиваться, т. е. плотность образцов будет уменьшаться.

В случае кристаллических образцов для объяснения полученной зависимости необходимо учесть их неоднородность. Возможно на плотность влияют соединения, которые образуются при кристаллизации. Например, в случае состава BaF2 - FeF3 необходимо учесть влияние на плотность образца соединений Ba3(FeF6)2, BaFeF5. Поэтому, для объяснения такой зависимости плотности образцов от их состава нужно точно знать соединения, которые образуются при кристаллизации вещества данного состава. Для этого необходимо провести рентгенофазовый анализ.

Выводы

В ходе работы были синтезированы кристаллические и стеклообразные образцы системы ZrF4 - BaF2 - FeF3. Обнаружено:

Плотность кристаллических образцов при увеличении концентрации ZrF4 возрастает, а плотность стеклообразных образцов - уменьшается.

Концентрационная зависимость плотности стеклообразных образцов определяется соотношением геометрических размеров ионов Fe3+ и Zr4+.

Увеличение плотности кристаллических образцов при возрастании содержания ZrF4 связывается с образованием различных кристаллических соединений.

Список литературы

1. Роусон Г. Неорганические стеклообразующие системы. - М.: Мир, 1970. - 312 с.

2. Стеклообразование в системе ZrF4 - LaF3 - BaF2 - NaF /Федоров В. А., Бабицына А. А., Емельянова Т. А.//Физика и химия стекла. - 2001. - 27, №6. - с. 753 - 758.

3. Halide glasses /J. Lucas//Journal of Non-Cristallin Solids 80. - 1986. - p. 83 - 91.

4. Диаграммы плавкости солевых систем: Справочник: [В 6-и ч./ В. И. Посыпайко, Е. А. Алексеева, Н. А. Васина и др.]; Под ред. В. И. Посыпайко, Е. А. Алексеевой. - М.: «Металлургия», 1977.

5. Ч.1: Двойные системы с общим анионом. - 1977. - 415с.

6. Критерии образования фторидных стекол /Федоров П. П.//Неорган. материалы [Изв. АН СССР. Неорган. матер.]. - 1997. - 33, №12. - с. 1415 - 1424.

7. Фтороцирконатные стекла /Раков Э. Г.//Журнал неорганической химии. - 1991. - 36, вып. 4. - с. 828 - 838.

8. Бахвалов С. Г. Строение фторидных стекол на основе GaF3, InF3 и ZrF3 с позиции теории перколяции/ С. Г. Бахвалов, О. А. Баюков, Е. М. Петрова и др. - Красноярск, 1997. - 36 с.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Стеклообразование в системах NaF – MeF2 – CdSO4 (Me – Ca, Ba)

    Стеклообразное состояние веществ. Кристаллизация оптических стекол. Химические и физико-химические свойства NaF, CaF2, BaF2 и CdSO4. Сущность рентгенофазового, дифференциально-термического и микроструктурного анализа. Оптическая прозрачность стекол.

    дипломная работа [1,8 M], добавлен 11.03.2012

  • Исследование плотности халькогенидных стеклообразных полупроводников систем As-S и As-Se в широком интервале температур

    Синтез стеклообразных полупроводников AsXS1-X и AsXSe1-X, его закономерности, этапы. Устройство для определения плотности расплавов халькогенидных стекол. Зависимость плотности стекол и расплавов системы AsXS1-X и AsXSе1-X от температуры и состава.

    курсовая работа [794,8 K], добавлен 24.02.2012

  • Измерение физико-химического состава веществ

    Особенности измерения состава веществ и материалов. Детальная характеристика приёмов определения неизвестной концентрации в инструментальных методах анализа. Обобщенная трактовка физико-химического анализа как самостоятельной научной дисциплины.

    реферат [58,6 K], добавлен 30.03.2015

  • Основные разделы химического анализа

    Понятие количественного и качественного состава в аналитической химии. Влияние количества вещества на род анализа. Химические, физические, физико-химические, биологические методы определения его состава. Методы и основные этапы химического анализа.

    презентация [59,0 K], добавлен 01.09.2016

  • Получение легкоплавких стекол

    История открытия стекла, методы его промышленного получения и применения; физико-химические свойства. Экспериментальное получение легкоплавкого бор-свинец-силикатного стекла 5 различных окрасок: желто-зеленой, сине-зеленой, синей, голубой и коричневой.

    курсовая работа [29,6 K], добавлен 29.10.2011

  • Синтез и исследование жидкого стекла и белой сажи на основе отхода Карагадинского кремниевого завода

    Анализ механизма и этапов синтеза кремнеземного наполнителя - белой сажи на основе различных жидких стекол для дальнейшего применения в резинотехнической промышленности. Сравнительная характеристика силикатных модулей натриевого и калиевого жидких стекол.

    статья [150,0 K], добавлен 16.03.2016

  • Методы определения активности катализаторов

    Возникновение и развитие катализа, его роль и значение, сферы использования. Факторы, определяющие скорость химического превращения. Методы определения активности катализаторов в определенном каталитическом процессе, их преимущества и недостатки.

    реферат [1,6 M], добавлен 14.04.2011

  • Химические процессы в биологическом организме

    Пути внедрения ферментативных методов синтеза в химическое производство. Способ определения содержания аминокислот триптофана и цистеина в составе белков. Специфика строения и состава структурных белков биологической мембраны. Характеристика видов РНК.

    контрольная работа [522,0 K], добавлен 18.05.2011

  • Аскорбиновая кислота. Синтез (методика)

    Характеристика аскорбиновой кислоты как химического соединения. Разработка методики количественного определения аскорбиновой кислоты в лекарственных формах. Методы синтеза аскорбиновой кислоты. Способы ее качественного анализа в фармакопеях разных стран.

    курсовая работа [1,0 M], добавлен 23.11.2015

  • Хром и методы его определения

    Характеристика твердых отходов процесса хромирования. Титрование сульфатом железа и перманганатом. Теория определения хрома экспериментально. Качественный анализ компонентов твердых отходов процесса хромирования. Колометрические методы определения хрома.

    курсовая работа [23,9 K], добавлен 31.05.2009

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

© 2000 — 2023, ООО «Олбест» Все права защищены