ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΛΙΚΩΝ ΟΜΑΔΑ 10 2018/19 Προφορικές εξετάσεις: Κάθε ομάδα ετοιμάζει μία παρουσίαση στο πρόγραμμα Power Point. Κάθε μέλος της ομάδας παρουσιάζει ένα από τα εξής μέρη: Πρόβλημα 1 - Διάγραμμα φάσεων P Τ ενός συστατικού - Η εξίσωση Clapeyron Πρόβλημα 2- Διάγραμμα φάσεων P Τ ενός συστατικού - Το θεώρημα του Le Chatelier Πρόβλημα 3 - Δυαδικά ισόμορφα συστήματα Πρόβλημα 4 - Δυαδικά ευτηκτικά συστήματα Πρόβλημα 5 - Διάγραμμα φάσεων διμερούς κράματος Η ατομική παρουσίαση δεν θα πρέπει να διαρκέσει περισσότερο από 10 λεπτά και δεν θα πρέπει να περιέχει περισσότερα από 10 διαφάνειες. Μπορείτε να μοιράσετε τα μέρη μεταξύ σας κατά βούληση. OMADA 10 2018_1 SHB 22/10/2018 1
Πρόβλημα 1: Διάγραμμα φάσεων P Τ ενός συστατικού (H 2 O) - μεταβολή της ελεύθερης ενέργειας G 1. Σχεδιάστε σε ένα πρόχειρο διάγραμμα την θερμοκρασιακή μεταβολή της ελεύθερης ενέργειας G για την ρευστή και την στέρεη φάση γύρω από την θερμοκρασία τήξεως ενός συστατικού. Σχολιάστε το διάγραμμα με λεπτομέρεια. 2. Ονομάστε το δεδομένο διάγραμμα φάσεων του H 2O. Εξηγείστε τις φάσεις-περιοχές, τις καμπύλες και τα σημεία Α, Β, Γ και Δ. Γιατί η καμπύλη υγρού-αερίου σε ένα διάγραμμα P T καταλήγει στο σημείο Γ; 3. Εφαρμόστε τoν κανόνα του Gibbs για τα σημεία Α, Β και Ε. 4. Με βάση την πυκνότητα να εξετάσετε την κλίση της καμπύλης τήξεως. Εφαρμόστε την εξίσωση Clapeyron. πυκνότητα πάγου = 915 kg/m πυκνότητα υγρού = 999 kg/m. 5. Πώς λειτουργεί μία χύτρα; Να χρησιμοποιήσετε για την εξήγηση σας την καμπύλη εξάτμισης στο διάγραμμα. Διάγραμμα φάσεων του H2O (not to scale). OMADA 10 2018_1 SHB 22/10/2018 2
Πρόβλημα 2: Τυπικό διάγραμμα φάσεων P-Τ ενός συστατικού (S) - Το θεώρημα του Le Chatelier Διάγραμμα φάσεων P Τ ενός συστατικού (S ) Κατάσταση V (cm /mol) S (J/mol K) S rhombic 15,49 31,73 S monoclinic 16,38 32,55 1. Εξηγείστε σύντομα τις φάσεις-περιοχές και τις καμπύλες. Συμπληρώστε το σημείο τήξεως και βρασμού. 2. Γιατί δεν υπάρχει ούτε ένα σημείο στο P T διάγραμμα που δείχνει το στερεό S rhombic και το στερεό S monoclinic σε ισορροπία με την υγρή και την αέρια φάση του S; 3. Εξετάστε την αντίδραση S rhombic S monoclinic. Χρησιμοποιήστε το θεώρημα του Le Chatelier να συζητήσετε τις απαντήσεις σας. Ποια φάση είναι σταθερή σε θερμοκρασία T = 25 και πίεση P = 1atm; Ποια στερεή φάση είναι η πιο σταθερή σε υψηλή πίεση; Ποια στερεή φάση είναι η πιο σταθερή σε υψηλή θερμοκρασία; 4. Σχηματίστε και περιγράψτε την κρυσταλλική δομή του S rhombic και S monoclinic. OMADA 10 2018_1 SHB 22/10/2018 3
Πρόβλημα 3: Δυαδικά ισόμορφα συστήματα 1. Ποιο από τα παρακάτω οξείδια έχει τη μεγαλύτερη διαλυτότητα σε Y 2O 3; Al 2O 3 Cr 2O 3 ή Fe 2O 3 2. Από τις ιδανικές καμπύλες ψύξης (διάγραμμα Τ t) προκύπτουν οι ακόλουθες τιμές στον παρακάτω πίνακα. Σχεδιάστε το διάγραμμα ισορροπίας διμερούς κράματος MgO-NiO: mol% NiO T / T / 0 2720 2720 20 2702 2577 40 2577 2377 60 2427 2227 80 2252 2052 100 1960 1960 3. Ονομάστε τις φάσεις-περιοχές και τις καμπύλες. 4. Παρουσιάστε το ίδιο διάγραμμα φάσεων αλλά σε πιo μεγάλη μεγέθυνση στην περιοχή όπου εντοπίζεται η σύσταση για ένα μίγμα αρχικής περιεκτικότητας x NiO = 25 mol%. a. Σχεδιάστε και εξετάστε μία καμπύλη ψύξης για αυτή την διφασική περιοχή. Γιατί οι πειραματικές καμπύλες ψύξης δεν είναι ακριβώς ευθείες γραμμές ούτε στις μονοφασικές περιοχές; b. Βρείτε την θερμοκρασία Liquidus και Solidus και το εύρος ψύξεως. Εξετάστε τη χημική σύνθεση της στερεής και ρευστής φάσης κοντά στη θερμοκρασία Liquidus και Solidus και για μία θερμοκρασία στο εύρος ψύξης. Δείξτε τα αποτελέσματά σας σε μονάδες mol% και wt% (κατά βάρος) και υπολογίστε τα κλάσματα της μάζας του στερεού και ρευστού για τις ίδιες θερμοκρασίες. Εφαρμόστε τον κανόνα του μοχλού. Παρουσιάστε τα αποτελέσματα b) σε ένα πίνακα. OMADA 10 2018_1 SHB 22/10/2018 4
Πρόβλημα 4: Δυαδικά ευτηκτικά συστήματα 1. Υπολογίστε τη μεταβολή της γραμμής Liquidus με τη θερμοκρασία για τα δυο συστατικά Au και Si και κατασκευάστε το διάγραμμα φάσεων μόνο με βάση τις δυο καμπύλες Liquidus (τύπος στα παρατήματα στο e-class «ΠΑΡΑΤΗΜΑ 2: Υπολογισμός διαγραμμάτων φάσεων από θερμοδυναμικά δεδομένα», δεδομένα σε σελίδα http://environmentalchemistry.com/yogi/periodic/). 2. Συγκρίνετε το δικό σας διάγραμμα με το παρακάτω διάγραμμα Au-Si της βιβλιογραφίας. Βρείτε τα ευτηκτικά σημεία στα δυο διαγράμματα και εξηγείστε τη διαφορά με βάση τις παραδοχές που έχετε κάνει στον υπολογισμό της Liquidus. 3. Παρουσιάστε την παραγωγή μεταλλικού αλουμινίου. Δώστε μια σύντομη εισαγωγή. Αναφέρετε την διαδικασία Hall Héroult. Εξηγείστε τα κύρια χαρακτηριστικά του διαγράμματος φάσεων Al2O3- Na3AlF6. Διάγραμμα φάσεων διμερούς κράματος Au-Si «Constitution of Binary Alloys», M Hansen and K. Anderko, McGrawe-Hill Book company 1958. OMADA 10 2018_1 SHB 22/10/2018 5
Πρόβλημα 5: Διάγραμμα ισορροπίας διμερούς κράματος 1. Τα διαγράμματα φάσεων δείχνουν τις φάσεις ισορροπίας, τις συνθέσεις και τις αναλογίες τους. Μπορεί κανείς να αναρωτιέται πώς αυτές οι πληροφορίες δημιουργήθηκαν και πώς ξέρουμε εάν μια πειραματική διαδικασία πράγματι ακολουθεί την ισορροπία. Στο εργαστήριο υλικών έχετε γνωρίσει την θερμική ανάλυση, αλλά υπάρχουν πολλές τεχνικές για την θερμοκρασιακή μελέτη του ποσοτικού προσδιορισμό των φάσεων. Να αναφέρετε διάφορες μεθόδους και τη φυσική τους βάση. 2. Παρουσιάστε το παρακάτω διάγραμμα φάσεων Cu-Mg a. Τα δυο μέταλλα σχηματίζουν διαμεταλλικές ενώσεις οι οποίες διαχωρίζουν το πολύπλοκό διάγραμμα φάσεων (κάθετες γραμμές). Εξηγείστε τον όρο ενδιάμεσο στερεό διάλυμα και διαμεταλλική ένωση και αναφέρετε παραδείγματα από το δεδομένο διάγραμμα φάσεων. b. Ονομάστε τις μονοφασικές και διφασικές περιοχές και τις καμπύλες ισορροπίας στο διάγραμμα φάσεων. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε μια διαφορετική εκκόλαψη/χρώμα για τις αντίστοιχες περιοχές. c. Κυκλώνετε τα σημεία τήξεως των καθαρών συστατικών και τα σημεία θερμοκρασίας-σύστασης στα οποία λαμβάνουν χώρα όλοι οι μετασχηματισμοί (ευτηκτικοί και ευτηκτοειδείς). d. Σχηματίζουν τα μέταλλα ένα στερεό διάλυμα; Αν ναι, πού βρίσκετε στο διάγραμμα η μέγιστη διαλυτότητα του Α στο Β (και του Β στο Α). e. Συμπληρώστε τον παρακάτω πίνακα με τα ευρήματά σας από b. και c. (για κάθε μετασχηματισμός ένα παράδειγμα, αν υπάρχει). Χαρακτηριστικά σημεία διαγραμμάτων φάσεων δύο συστατικών. Ειδική αντίδραση Θερμοκρασία τήξεως Α Θερμοκρασία τήξεως Β Ευτηκτικό (eutectic) Ευτηκτοειδές (eutectoid) μέγιστη διαλυτότητα του Α στο Β / μέγιστη διαλυτότητα του Β στο Α / Παράδειγμα Θερμοκρασία T/ Σύσταση x/mol% OMADA 10 2018_1 SHB 22/10/2018 6
Διάγραμμα φάσεων Cu Mg M. Mezbahul-Islam, D. Kevorkov, and M. Medraj, The equilibrium phase diagram of the magnesium-copper-yttrium system, The Journal of Chemical Thermodynamics, vol. 40, no. 7, pp. 1064 1076, 2008. M. Mezbahul-Islam, A. O. Mostafa, and M. Medraj, Essentia Magnesium Alloys Binary Phase Diagrams and Their Thermochemical Data, J of Materials 2014, Article ID 704283, http://dx.doi.org/10.1155/2014/704283 OMADA 10 2018_1 SHB 22/10/2018 7