Laboratorium specjalizacyjne A Otrzymywanie polikrystalicznych
Transkrypt
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.