ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΛΙΚΩΝ ΟΜΑΔΑ O 11-2017 Προφορικές εξετάσεις: Κάθε ομάδα ετοιμάζει μία παρουσίαση στο πρόγραμμα Power Point για ~60 λεπτά. 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 11 2017 SHB 20/10/2017 1
Πρόβλημα 1: Διάγραμμα φάσεων P-Τ ενός συστατικού (ΝΗ 3 ) - Η εξίσωση Clapeyron 1) Ποια είναι η κινητήρια δύναμη για την αλλαγή φάσεων; Εξηγείστε συνοπτικά. 2) Κατασκευάστε το διάγραμμα φάσεων της ΝΗ 3 με τα δεδομένα τα οποία θα βρείτε στον παρακάτω πίνακα. a) Θα πρέπει να επιλέξετε ένα ημιλογαριθμικό διάγραμμα (lοg P T, Εξηγείστε γιατί). b) Εφαρμόστε την εξίσωση Clapeyron για την περίπτωση της εξάχνωσης και υπολογίστε την καμπύλη στερεού-αερίου στη γειτονία του τριπλού σημείου ( 70 60 C). c) Συμπληρώστε το δικό σας διάγραμμα με αυτά τα αποτελέσματα. 3) Μπορεί η αμμωνία να υγροποιείται στους 155 C; Εξηγείστε την απάντησή σας. 4) Γιατί το τριπλό σημείο και το κανονικό σημείο τήξης είναι πολύ κοντά στη θερμοκρασία; 5) Ο 2 ο νόμος της θερμοδυναμικής υπαγορεύει ότι η εντροπία του σύμπαντος αυξάνει σε όλες τις πραγματικές διεργασίες. Όταν υγρή αμμωνία πήξει στους 77,74 C η εντροπία της ελαττώνεται. Εξηγείστε πως αυτό είναι συμβατό με τον νόμο της θερμοδυναμικής. Θερμοκρασία, T/ o C Πίεση, P/bar Τριπλό σημείο -77,9 0,061 Σημείο τήξης -77,74 1,013 Σημείο βρασμού -33,4 1,013 Κρίσιμο σημείο 132,4 112,8 τάση ατμών -18,7 2,027 4,7 5,066 20,0 8,574 25,7 10,13 30,0 11,70 50,0 20,30 Ενθαλπία τήξης (1,013 bar, Σημείο τήξης) 5,652 kj/mol Ενθαλπία εξάτμισης: (1,013 bar Σημείο 23,35 kj/mol βρασμού) OMADA 11 2017 SHB 20/10/2017 2
Πρόβλημα 2: Τυπικό διάγραμμα φάσεων P-Τ ενός συστατικού (C) - Το θεώρημα του Le Chatelier Διάγραμμα φάσεων P-Τ ενός συστατικού (C) Κατάσταση ΔG o f (kj/mol) V o 298 (cm 3 /mol) S o 298 (J/mol K) Cδιαμάντι 2.900 3.417 2.38 C γραφίτη 0 5.298 5.74 1) Εξηγείστε τις φάσεις-περιοχές, τις καμπύλες..., Ποια είναι τα βασικά χαρακτηριστικά ενός διαγράμματος φάσεων για ένα συστατικό; 2) Γιατί ο C έχει διαφορετικές στερεές φάσεις, αλλά μόνο μια υγρή και μια αέρια; 3) Εξετάστε την αντίδραση Cδιαμάντι Cγραφίτη. Χρησιμοποιήστε το θεώρημα του Le Chatelier να συζητήστε τις απαντήσεις σας. Ποια φάση είναι σταθερή σε θερμοκρασία T = 25 C και πίεση p = 1 atm; Ποια φάση είναι η πιο σταθερή σε υψηλή πίεση; Ποια φάση είναι η πιο σταθερή σε υψηλή θερμοκρασία; 4) Το διάγραμμα φάσεων του C δείχνει ότι το διαμάντι δεν είναι η σταθερή φάση υπό κανονικές συνθήκες. Γιατί, λοιπόν, υπάρχει διαμάντι; 5) Εκτός από γραφίτη και διαμάντια υπάρχουν περισσότερες πολυμορφικές φάσεις του άνθρακα, οι οποίες βρέθηκαν πρόσφατα. Βρείτε πληροφορίες, επιλέξτε μια από αυτές και δείξτε τα κύρια χαρακτηριστικά της. OMADA 11 2017 SHB 20/10/2017 3
Πρόβλημα 3: Δυαδικά ισόμορφα συστήματα 1) Ποιο από τα παρακάτω οξείδια έχει τη μεγαλύτερη διαλυτότητα σε FeO; Εξηγείστε. CoO SnO PbO 2) Από τις ιδανικές καμπύλες ψύξης (διάγραμμα Τ vs t) προκύπτουν οι ακόλουθες τιμές στον παρακάτω πίνακα. Σχεδιάστε το διάγραμμα ισορροπίας διμερούς κράματος FeO-MgO. Ονομάστε τις φάσειςπεριοχές και τις καμπύλες. Mol% MgO T Liquidus/ o C T Solidus/ o C 0 1327 1327 20 1877 1427 40 2127 1527 60 2377 1627 80 2602 2077 100 2720 2720 3) Παρουσιάστε το ίδιο διάγραμμα φάσεων αλλά σε πιο μεγάλη μεγέθυνση στην περιοχή όπου εντοπίζεται η σύσταση για ένα μίγμα αρχικής περιεκτικότητας 25 mole% MgO. 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 ψύξης. Εξετάστε τη χημική σύνθεση της στερεής και ρευστής φάσης στη θερμοκρασία Liquidus και Solidus και για μία θερμοκρασία στο εύρος ψύξης. Δείξτε τα αποτελέσματά σας σε μονάδες wt% (κατά βάρος) και υπολογίστε την μάζα του τήγματος και του στερεού για τις ίδιες θερμοκρασίες. Εφαρμόστε τον κανόνα του μοχλού. Παρουσιάστε τα αποτελέσματα b) σε ένα πίνακα. δεδομένα σε σελίδα http://environmentalchemistry.com/yogi/periodic/ OMADA 11 2017 SHB 20/10/2017 4
Πρόβλημα 4: Δυαδικά ευτηκτικά συστήματα 1) Υπολογίστε τη μεταβολή της γραμμής Liquidus με τη θερμοκρασία για τα δυο συστατικά A και B 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 της βιβλιογραφίας. Βρείτε τα ευτηκτικά σημεία στα δυο διαγράμματα και εξηγείστε τη διαφορά με βάση τις παραδοχές που έχετε κάνει στον υπολογισμό της Liquidus. Υπολογίστε και την σχετική απόκλιση (θερμοκρασία και σύσταση) 3) Γιατί χρειαζόμαστε ευτηκτικά κράματα αντί ένα καθαρό μέταλλο/κεραμικό; Παρουσιάστε μια σύντομη εισαγωγή στη διαδικασία της κασσιτεροκόλλησης ηλεκτρονικών κυκλωμάτων. Αναφέρετε τα πιο σημαντικά κράματα με βάση τον Sn. Βασικές Οδηγίες Κασσιτεροκόλλησης, Κ. Πίτρης, http://www.eng.ucy.ac.cy/ece203/notes/soldering%20guide.pdf Properties of Solders MultiCore Solders MSL Ref.: 747 08/00, http://www.farnell.com/datasheets/315929.pdf Διάγραμμα φάσεων διμερούς κράματος Ag-Ru http://www.himikatus.ru/art/phase-diagr1/diagrams.php OMADA 11 2017 SHB 20/10/2017 5
Πρόβλημα 5: Διάγραμμα ισορροπίας διμερούς κράματος 1) Εξηγείστε τους όρους: ατομική δομή, κράμα, πολυκρυσταλλικό υλικό. 2) Πώς ψύχεται μια ποσότητα ρευστού μετάλλου μέσα σε ένα ψυχρό καλούπι; 3) Σχεδιάστε σε ένα πρόχειρο διάγραμμα την θερμοκρασιακή μεταβολή της ενθαλπίας H για ένα συστατικό (στερεά-ρευστά-αέρια). Εξηγείστε συνοπτικά. Τι σημαίνει λανθάνουσα θερμότητα; 4) Παρουσιάστε το παρακάτω διάγραμμα φάσεων TiO 2-ZrO 2. a) Ονομάστε τις φάσεις-περιοχές, τις καμπύλες στο διάγραμμα. b) Αναφέρετε τα σημεία τήξης για τα καθαρά οξείδια TiO 2 και ZrO 2, τα σημεία θερμοκρασίαςσύστασης στα οποία λαμβάνουν χώρα όλοι οι ευτηκτικοί, ευτηκτοειδείς και περιτηκτικοί μετασχηματισμοί. Συμπληρώστε τον παρακάτω πίνακα με τα ευρήματα σας (για κάθε μετασχηματισμός ένα παράδειγμα, αν υπάρχει). c) Σχηματίζουν τα οξείδια ένα στερεό διάλυμα; Αν ναι, πού βρίσκετε στο διάγραμμα την μέγιστη διαλυτότητα του Α στο Β (και του Β στο Α). Χαρακτηριστικά σημεία διαγραμμάτων φάσεων δύο συστατικών. Θερμοκρασία τήξης Α Θερμοκρασία τήξης Β Ευτηκτικό (eutectic) Ευτηκτοειδές (eutectoid) Περιτηκτικό (peritectic) μέγιστη διαλυτότητα του Α στο Β μέγιστη διαλυτότητα του Β στο Α Γενική αντίδραση / / / / Ειδική αντίδραση Θερμοκρασία, T/ o C Παράδειγμα Σύσταση, x/wt% OMADA 11 2017 SHB 20/10/2017 6
Διάγραμμα φάσεων διμερούς κράματος TiO 2-ZrO 2 http://www.crct.polymtl.ca/fact/documentation/ OMADA 11 2017 SHB 20/10/2017 7