научная статья по теме ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЭВТЕКТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ БЕНЗОЙНАЯ КИСЛОТА – НАФТАЛИН В ИНТЕРВАЛЕ 300–400 К Химия

Текст научной статьи на тему «ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЭВТЕКТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ БЕНЗОЙНАЯ КИСЛОТА – НАФТАЛИН В ИНТЕРВАЛЕ 300–400 К»

ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2014, том 88, № 7-8, с. 1153-1157

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ РАСТВОРОВ

УДК 541.64:542.62:546.23

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЭВТЕКТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ БЕНЗОЙНАЯ КИСЛОТА - НАФТАЛИН В ИНТЕРВАЛЕ 300-400 К © 2014 г. В. А. Постников

Донбасская национальная академия строительства и архитектуры, Донецкая область, г. Макеевка, Украина

E-mail: postva@yandex.ru Поступила в редакцию 13.06.2013 г.

В эвтектической системе бензойная кислота — нафталин методами термического анализа (ДТА, ЦТА) изучены фазовые равновесия "жидкость — твердая фаза", на основание чего определены линия ликвидуса и эвтектическая точка (xe « 50 мол. %, Те ± 340 К), и построена диаграмма состояния.

Установлены средние предкристаллизационные переохлаждения ДТ- жидкой фазы относительно температуры ликвидуса TL, что позволило выделить на диаграмме состояния область метастабиль-ности растворов. С помощью термодинамического моделирования в рамках уравнения Маргулеса с учетом экспериментальных данных найдены избыточные функции компонент в жидкой фазе. Из термодинамического условия устойчивости растворов проведена оценка границы области мета-стабильности жидких растворов.

Ключевые слова: бензойная кислота, нафталин, термический анализ, эвтектика, раствор, диаграмма состояния, ликвидус, солидус, избыточная энергия Гиббса, химический потенциал, активность, предкристаллизационное переохлаждение.

DOI: 10.7868/S004445371408024X

Исследование процессов плавления и кристаллизации в органических эвтектических системах представляет большой интерес как для фундаментальных основ физики и химии конденсированного состояния, так и для прикладных задач материаловедения и химической технологии. Однако, в работах данного направления авторы, как правило, основное внимание фокусируют на фазовых равновесиях и практически не затрагивают вопросы неравновесных состояний переохлажденной ниже температуры ликвидуса Ть жидкой фазы, за исключением небольшого числа работ [1—4], в которых исследуется также и кинетика кристаллизации в зависимости от величины

предкристаллизационного переохлаждения ДТ-(ДТ- = Т- — Тт1п, Тт1п — минимальная температура переохлажденной жидкой фазы). Как известно,

величина ДТ- является ключевым термодинамическим и кинетическим параметром кристаллизации жидкостей, в связи с чем исследование переохлаждений с целью определения областей мета-стабильности растворов на диаграмме состояния является важной научной задачей. Ранее нами при исследовании кристаллизации растворов в бинарных органических эвтектических системах уже установлены определенные закономерности, связанные с влиянием концентрации компонент

х на предкристаллизационные переохлаждения ДТ- [5-7].

Настоящая работа посвящена исследованию фазовых равновесий "жидкость — твердая фаза" и определению области метастабильности переохлажденных относительно линии ликвидуса растворов в эвтектической системе бензойная кислота — нафталин методами термического анализа и термодинамического моделирования.

В литературе имеются некоторые разногласия по поводу данной системы. Так, в [8] указывается, что эвтектической является температура Те = 342 К, а концентрация эвтектики хе не приводится. В монографии Уэндландта [9] приводится диаграмма состояния, согласно которой координаты эвтектики имеют значения хе = 50 мас. % нафталина и Те ~ 341.5 К. В работе [10] сообщается, что хе = 67.1 мас. % нафталина, Те = 340 К и удельная теплота плавления эвтектики ДНе = 123.4 кДж/кг. В этой связи еще одной задачей данной работы являлось уточнение этих параметров в условиях наших экспериментов.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Методика. Исследования проводились методами дифференциально-термического (ДТА) и циклического термического (ЦТА) анализов [5—7, 9].

1154

ПОСТНИКОВ

Температуры ликвидуса Ть, солидуса Те и средние пе-

реохлаждения Д Ть жидкой фазы относительно Ть в системе бензойная кислота — нафталин

№ х, мол. % С10Н8 Ть, К Те, К АТЬ, К

I 0 395.5 - 27.5

II 10 389.5 339.0 17.5

III 20 382.5 340.0 13.5

IV 30 373.5 340.0 11.5

V 40 360.5 340.5 8.5

VI 50 341.0 339.5 6.0

VII 60 342.0 340.0 8.0

VIII 70 344.0 340.5 10.0

IX 80 346.0 341.0 14.0

X 90 349.0 340.0 13.5

XI 100 353.5 - 12.0

Использовались бензойная кислота С6Н5СООН (БК) и нафталин С10Н8 (Н) марки ЧДА. Согласно литературным данным, температуры и энтальпии плавления чистых бензойной кислоты и нафталина соответственно Т1 = 395.5 К, ЛН1 = 17.32 кДж/моль и Т2 = 353.5 К, ДН2 = 19.3 кДж/моль [11].

Изучены составы с концентрацией х нафталина: 0 (I), 10 (II), 20 (III), 30 (IV), 40 (V), 50 (VI), 60

Т, К

x, мол. доли С10Н8

Рис. 1. Диаграмма состояния в системе бензойная кислота — нафталин: "1" и "2" экспериментальные точки по температурам ликвидуса и солидуса соответственно; "3" — средние значения минимальных температур переохлажденных жидких растворов; пунктирная кривая — линия ликвидуса в приближении идеальных растворов; и S2 — расчетные кривые, отделяющие области метастабильных и лабильных состояний.

(VII), 70 (VIII), 80 (IX), 90 (X) и 100 (XI) мол. % массами по 200 мг. Взвешивание образцов проводилось на аналитических весах ТесИшрго1 WT-T5. Составы получали сплавлением веществ при температуре ~130°С. Гомогенизация сплавов проводилась путем многократной перекристаллизации в режиме быстрого водяного охлаждения. Образцы герметизировались в стеклянных пробирках диаметром 8 мм и высотой 90 мм.

Измерение температуры осуществлялось с помощью ХА-термопар диаметром 0.5 мм. Термо-циклирование образцов осуществлялось в диапазоне температур с фиксированной нижней границей (50°С), а верхняя граница устанавливалась выше температуры плавления и постепенно изменялась от цикла к циклу, либо также оставалась фиксированной. Нагрев и охлаждение образцов проводился со скоростями 3—4 К/мин. Запись температуры осуществлялась с помощью цифрового двухканального термоизмерителя и№-1 иТ 325 на ПК (через интерфейс RS-232). Максимальная приборная погрешность измерения ±0.6 К.

Калибрование термоизмерительной системы проводилось по реперным значениям температуры плавления чистых бензойной кислоты и нафталина. Достоверность полученных данных подтверждалась их воспроизводимостью в ходе многократного термоциклирования (не менее 10 последовательных термоциклов нагрева—охлаждения на каждом образце) при использовании трех образцов в каждом составе. Для дифференциально-термического анализа использовалась алюминиевая ячейка-держатель цилиндрической формы диаметром 50 мм и высотой 40 мм. Пробирки с исследуемым образцом и эталоном вплотную располагались в соответствующих цилиндрических отверстиях в ячейке глубиной 30 мм. Полностью подготовленная ячейка-держатель с образцом и эталоном размещались в малоинерционной цилиндрической печи сопротивления. В качестве эталонного вещества использовалось маловязкое техническое масло в объеме эквивалентном объему образца.

Термоаналитические исследования. На первом этапе в системе БК — Н методом ДТА в фазе плавления по пикам эндотермических эффектов определены температуры ликвидуса Ть и солидуса Те, значения которых для соответствующих сплавов приведены в таблице. Как видно из таблицы, наиболее близки к эвтектической точке данные для состава VI (50 мол. % нафталина), что согласуется с результатами, представленными в работе [9], а средняя эвтектическая температура (Те) = 340 К совпадает с данными авторов [10]. На рис. 1 приведена диаграмма состояния в координатах температура Т — концентрация х нафталина, построенная по данным таблицы. Методом последовательного термоциклирования для каж-

дого из исследуемых составов определены максимальные средние переохлаждения АТ— жидких растворов относительно установленных температур ликвидуса TL.

В качестве примера рассмотрим приведенную на рис. 2 экспериментальную кривую нагревания и охлаждения Т(т) образца состава "X", характеризующую его плавление и кристаллизацию. На данном рисунке для удобства температуры ликвидуса TL и солидуса Те обозначены пунктирными горизонтальными линиями. На этапе нагревания (линия a—b—c—d—e) на кривой Т(т) можно выделить характерные участки: a—b — нагрев твердой фазы образца, b—c — эвтектическое плавление в районе температуры Те, c—d — нагрев двухфазной смеси "раствор + кристаллы нафталина" до температуры ТL, окрестность точки d — переход системы в жидкое состояние, d—e — перегрев жидкой фазы до температуры Т+.

Далее следует этап охлаждения образца (линия e—e—f—g—g—h—k). Участок e—e—f характеризует охлаждение жидкой фазы, причем на линии e—f раствор находится в переохлажденном метаста-бильном состоянии (переохлаждение относительно Т—). При температуре ТLm (точка f ) происходит резкий (~20 К/с) прогрев образца до температуры ниже (точка g), что свидетельствует о начале кристаллизации. На линии g—g—h вещество охлаждается, при этом на участке g—h оставшаяся жидкая фаза переохлаждается теперь уже по отношению к температуре солидуса Те. При температуре Тет (точка h) наблюдается небольшая ступенька, характеризующая эвтектическую кристаллизацию. Далее система охлаждается в твердом состоянии до точки k (окончание термоцикла).

При охлаждении бинарного раствора наблюдаются переохлаждения жидкой фазы как относительно температуры ликвидуса — АТ— (АТ— = = Т— — Т-т), так и относительно эвтектической

температуры Те — АТ- (АТ- = Те — Тет). В данном примере АТL « 9.0 К и АТ- « 2.0 К. Значения средних величин АТ— для исследуемых составов приведены в таблице, а минимальные температуры Т-т переохлажденных растворов нанесены на диаграмму состояния в виде точек "А".

Таким образом, линия abc (точечная кривая), соединяющая точки "А" на диаграмме состояния (рис. 1), является границей метастабильности жидких растворов в условиях проведенных экспериментов. Как видно из рис. 1, при движении по концентрационной оси к эвтектической точке справа и слева область метастабильности сужается до минимального значения (АТ—} = 6 К. В доэв-тектической части диаграммы состояния наблю-

T, °C 80

70 -

60 -

50

10

20

30

т, мин

Рис. 2. Экспериментальная температурная кривая, характеризующая плавление и кристаллизацию сплава со

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком