Laboratorium specjalizacyjne A Otrzymywanie polikrystalicznych

Uniwersytet Śląski - Instytut Chemii –Zakładu Krystalografii
ul. Bankowa 14, pok. 133, 40-006 Katowice tel. 0323591503,
e-mail: [email protected], opracowanie: dr hab. Izabela Jendrzejewska
Laboratorium specjalizacyjne A
Specjalność: chemia sądowa
Otrzymywanie polikrystalicznych substancji AB2O4 metodą
ceramiczną.
5 godz.
Cel ćwiczenia: poznanie i wykorzystanie reakcji w fazie stałej do otrzymywania związków
ceramicznych, obsługa pieców wysokotemperaturowych, tworzenie charakterystyki spiekania
oraz programowanie pieca
Wstęp teoretyczny
Spiekanie
Spiekanie, czyli tzw. metoda ceramiczna jest jednym z ważniejszych i lepiej poznanych
procesów technologicznych: zbiór stykających się ze sobą ziaren wiąże się ze sobą wzajemnie
po ogrzaniu do odpowiedniej temperatury
(zwykle zachodzi w temperaturze niższej od temperatury topnienia podstawowego składnika
proszku). Wiązaniu towarzyszy skurcz całego układu i przemiana sypkiego proszku w lity
polikryształ.
Spiekanie jest procesem samorzutnym, gdyż wiąże się z obniżeniem nadmiarowej energii
powierzchniowej układu, tj. sumaryczna energia powierzchni swobodnej proszku jest większa
niż energia powstających polikrysztale granic miedzyziarnowych.
W czasie spiekania zachodzą jednocześnie przemiany fazowe, reakcje chemiczne i przemiany
mikrostruktury [1, 2].
W czasie spiekania może nastąpić:
 powstanie fazy szklistej, dzięki czemu materiał staje się mniej porowaty
 może powstać faza ciekła, spiekanie polega wtedy na reakcji fazy ciekłej z materiałem
stałym
 może nie tworzyć się żadna faza ciekła
Makroskopowe etapy spiekania:
1. wzrasta adhezja sypkich proszków drogą wzrostu krystalitów i przegrupowania ziaren
w proszku – powstaje gęstsze upakowanie ziaren
2. zbliżenie środków ziaren i powiększenie powierzchni kontaktu
Rys. 1. Etapy spiekania
Mikroskopowe procesy spiekania:
1. odparowanie i kondensacja
2. dyfuzja
Rys 2. Procesy dyfuzji zachodzące podczas spiekania
Wyróżnia się sześć etapów, występujących w czasie spiekania mieszaniny tlenków:
a) zmieszanie tlenków w normalnej temperaturze, powodujące wzajemny styk ziaren
reagentów w wielu miejscach. W etapie tym następuje wzajemne pokrywanie
powierzchni, wskutek czego zmniejsza się np. powierzchnia czynna dla adsorbcji i maleje
zdolność adsorbcji,
b) zaadsorbowane cząstki znajdujące się w polu działania sił na granicy faz wykazują bardzo
dużą aktywność. W miarę podnoszenia temperatury cząstki bardziej ruchliwego składnika
dyfundują z miejsc styku po powierzchni mniej ruchliwego składnika i zaczynają
pokrywać ją warstwą monomolekularną, o dużej aktywności. Mieszanina tlenków w tym
etapie wykazuje silne właściwości katalityczne.
c) dalsze podniesienie temperatury powoduje silniejsze związanie ruchliwych i aktywnych
cząstek warstwy monomolekularnej oraz ich uporządkowanie w trwałą sieć przestrzenną.
Wskutek tego zmniejszają się w tym etapie zdolności sorpcyjne i katalityczne tlenków.
d) cząstki bardziej ruchliwego składnika na skutek podwyższenia temperatury zaczynają
dyfundować w głąb sieci przestrzennej składnika mniej ruchliwego. Następuje
rozluźnienie sieci przestrzennej składnika, w głąb którego zachodzi dyfuzja i wzrost
aktywności składnika. Szybkość rozpuszczania składnika pokrywanego zmniejsza się, a
składnika pokrywającego zwiększa.
e) Stężenie składnika dyfundującego w głąb kryształu przekracza wartość graniczną i
następuje zniszczenie jego sieci przestrzennej. Tworzy się produkt reakcji – spinel
tlenkowy
f) Znikanie defektów krystalograficznych sieci przestrzennej powstałego spinelu.
Powyższe przemiany dotyczą układów tlenkowych takich jak :
ZnO + Cr2O3  ZnCr2O4
ZnO + Fe2O3  ZnFe2O4
MgO + Fe2O3  MgFe2O4
MgO + Al2O3  MgAl2O4
NiO + Al2O3  NiAl2O4
Sprzęt i odczynniki: waga analityczna, naczynka wagowe, moździerz porcelanowy, łódeczka
ceramiczna, piec komorowy, tlenek magnezu MgO, tlenek chromu (III) Cr2O3, tlenek cynku
ZnO, tlenek żelaza (III) Fe2O3.
Wykonanie ćwiczenia:
Część I. Przygotowanie pieca komorowego do pracy.
1.1. Opracowanie charakterystyki wygrzewania próbki.
- dobranie odpowiedniej temperatury i czasu wygrzewania i chłodzenia próbki
1.2. Wprowadzenie odpowiedniego programu do programatora pieca.
Część II. Przygotowanie substratów reakcji.
2.1. Zapisać równanie reakcji otrzymywania spinelu MgCr2O4 z następujących tlenków:
MgO i Cr2O3.
MgO
Cr2O3
2.2. Ze stechiometrii reakcji obliczyć odpowiednie naważki tlenków, przyjmując masę
spinelu MgCr2O4 jako 3g.
Część III. Przygotowanie naważek MgO i Cr2O3 i synteza spinelu MgCr2O4.
3.1.Naważyć obliczone ilości MgO i Cr2O3 w naczynkach wagowych
Naczynka wagowe
na wadze analitycznej o dokładności 0.0001g .
Waga analityczna
3.2. Naważone tlenki przenieść ilościowo do moździerza porcelanowego.
Moździerz porcelanowy
3.3. Substraty rozetrzeć w celu uzyskania lepszego kontaktu pomiędzy substratami.
3.4. Dobrze roztarte próbki umieścić w łódeczce ceramicznej.
Łódeczki ceramiczne
3.5. Umieścić łódeczkę w piecu komorowym, ustawić wpisany wcześniej program i
uruchomić piec. Obserwować przez chwilę wzrost temperatury w piecu.
Piec komorowy
3.6. Po pierwszym spieku próbki należy dokładnie rozetrzeć i ponownie spiec w tych
samych warunkach.
3.7. Po zakończeniu spiekania i schłodzeniu, próbki rozetrzeć, a następnie wykonać
rentgenowską analizę strukturalną w celu identyfikacji faz.
3.8. Powtórzyć powyższą procedurę w celu przygotowania procesu syntezy spinelu
ZnFe2O4.
Literatura.
1. J.Dereń, J.Haber, R.Pampuch, “Chemia ciała stałego”, PWN Warszawa 1977
2. S.Szarras, “Chemia ciała stałego”, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa
1974.