Методы иследования селикатных материалов

1. ТЕРМІЧНИЙ МЕТОД АНАЛІЗУ СИЛІКАТНИХ МАТЕРІАЛІВ

 

  При нагріванні (або охолодженні) речовини в ній відбуваються фізико-хімічні  процеси перетворення; при цьому  енергія у вигляді теплоти  може поглинатися або виділятися з неї. Реєстрацію зміни теплоємкості речовини, тобто ентальпії, можна здійснювати за допомогою простої термопари. Але внаслідок того, що відхилення, які з’являються на кривій температура-час, незначні, М. С. Курнаковим була запропонована диференційна термопара спеціальної конструкції, за допомогою якої зміна теплоємкості на диференційній кривій фіксується у вигляді більш глибоких піків, тобто чутливість методу різко підвищилась. Такий метод називається диференційно-термічним аналізом речовин (ДТА).

  Крім  того, при нагріванні (або охолодженні) речовини у ній відбуваються фізико-хімічні  перетворення, які у більшості  випадків супроводжуються зміною маси речовини. Метод безперервної реєстрації зміни маси речовини при її нагріванні (або охолодженні) називається  термоваговим або термогравіметричним (TG). Методом графічного диференціювання, термогравіметричної кривої (TG) одержують криву (DTG), яка дозволяє визначити початок та кінець процесу розкладання.

  При виконанні аналізу на деривотографі (рис. 1.1) речовину, що досліджують та еталонну попередньо готують (розтирають, зважують до четвертого знаку; еталонну речовину, в якості якої частіше всього використовують глинозем γ-Al₂O₃, прожарюють при 1550°С). Проби розташовують у корундові тигельки спеціальної конструкції з заглибленням у дні. У цьому заглибленні розташовують гарячий спай термопари (в еталонну речовину – просту термопару, досліджувану – диференціальну термопару).

  

1-провід  токовідводу, 2-інертний термоелемент, 3-електропіч, 4-тигель для еталонної речовини, 5-опора зразка, 7-тигель, для речовини, що досліджується, 8-аналітичні терези, 9-нить термоелемента, 10-папір фотореєстраціонний, 11-барабан самописця, 12-освітлювачі, 13, 14 і 15-гальванометри, 16-постійний магніт, 17-катушка магніту, 18-плече терезів, 19-щіль ТГ, 20-освітлювальна лампа

  Рисунок 1.1 Схематична будова деривотографа

  

  Обидва  тигельки розміщують у електропечі. Крім того, тигельок з досліджуваною речовиною через фарфорову трубку прикріплений до коромисла терезів. Задаються швидкість піднімання температури - 10° за хвилину, кінцева температура – 1000 - 1500°С. Виконується нагрівання зразка до заданої температури протягом 100 хв. Запис кривих здійснюється автоматично на папір, закріплений на обертовому барабані.

  На  деривотографі (рис. 1.2) крива DTAреєструється у системі координат: ордината – різниця температур (ΔТ) між досліджуваною речовиною та термічним еталоном (інертна речовина), абсциса – час (τ).

а) нульова  лінія; б) базисна лінія

Рисунок 1.2 Геометричні елементи кривої DTA

1. Якісний фазовий аналіз полімінеральних сумішей виконуються шляхом порівняння одержаної кривої DTAз еталонними.

Мета:продіагностувати невідомі мінерали за дериватограмою та заповнити таблицю.

  Таблиця 1.1 - Розшифровка дериватограми

 

Продовження таблиці 1.1

 

  Висновок: в ході лабораторної роботи за допомогою кривої DTAна деривотограмі з’ясував назви мінералів за їх температурними інтервалами екзо- и ендоефектів, та заповнив таблицю «Розшифровка дериватограми».

  1.2 Кількісний фазовий  аналіз полімінеральних сумішей.По кривій TG можна кількісно визначити зміну маси, що відбувається в тому чи іншому інтервалі температур; разом з кривою DTA вона дозволяє визначити вміст у відсотках окремих, компонентів складної полі мінеральної суміші.

  

  Мета:за допомогою кількісного аналізу визначити склад мінералів.

  КальцитCaCO₃

1. Визначте вологість проби кальциту (по ТG).

2. Розрахувати втрату маси проби при дисоціації (по кривій TG): а) в мг  б) в %

3. Визначити теоретичну втрату маси кальциту при дисоціації (за допомогою графіка-номограми)

44 –  теоретично

4. За допомогою графіка-номограми визначити %  вміст кальциту в пробі

77%

КаолінітAl₂O₃∙2SiO₂∙2H₂O

1. Підрахувати теоретичну кількість конституційної води в каолініті (за хімічною реакцією)

Al₂O₃∙2SiO₂∙2H₂O = 27 ∙ 2 + 16 ∙ 3 +28 ∙ 2 + 16 ∙ 4 + 1 ∙ 4 + 16 ∙ 2 = 54 + 48 + 56 + 64 + 4 + 32 = 258; кількість конституційної води - ; х = 13,95 %

2. Розрахувати по кривій TG кількість конституційної води, яка виділилась з проби каоліну:   а) в мг  б) в %

3. Зробити висновок про мінеральний склад дослідної проби.

Так як теоретична маса видаленої води більша розрахункової 13,95% > 5,16%, то це означає що в пробі каолініту є домішки.

4. Підрахувати початкову вологість проби в % по кривій TG

4 мм ∙ 0,8 мг = 3,2 мг

; х = 1,03 %

МонтморілонітAl₂O₃∙4SiO₂∙H₂O

1. Поясніть роздвоєння першого ендоефекту на кривій DTA

Роздвоєння  спостерігається в результаті того що близько температур 200 – 230 °С входять катіони Са²⁺ и Mg²⁺в міжпакетну відстань, це роздвоєння пов’язане з видаленням води з основи даних компонентів

2. Розрахувати кількість гігроскопічної та між пакетної води в пробі монтморилоніту (по кривій TG):  а) в мг  б) в %

3. Яка кількість конституційної води в монтморилоніті теоретично? Розрахувати за хімічною реакцією.

Al₂O₃∙ 4SiO₂∙H₂O = 27 ∙ 2 + 4 ∙ 28 + 16 ∙ 8 + 1∙ 2 + 16 = 54 + 48 + 112 +128 + 2 +16 = 360; кількість конституційної води:  ; х = 5 %

4. Розрахувати кількість конституційної (структурної) води в пробі монтморілоніту по кривій TG:  а) в мг  б) в %

СклоNa₂O∙CaO∙6SiO₂

1. Визначте температурний інтервал розм’якшення скла.

440°С - 725°С

2. За геометрією піків встановити процеси, які супроводжуються  екзо- та ендонфектами при температурі вище температури розм’якшення скла.

Після розм’якшення скла йде два піки екзоефекту – кристалізації та один пік єндоефекту – розплаву.

3. При кристалізації 2-х фаз по відношенню площ екзоефектів провести кількісні розрахунки співвідношення кристалічних фаз:

Кількість речовини А: g_A = x мас. доля;

Кількість речовини В: g_B = (1 – х), мас. доля;

g_A/g_B = К ∙ х/(1-х) = S_A/S_B,

де  S_A, S_B – площі термоефектів, які відповідають кристалізації А та В кристалічних фаз;

К –  константа для кожної суміші (прийняти 1);

g_A,g_B – долі кристалічних фаз А та В які виділились.

S_□ = 6,25 мм²

S_A/S_B = 743,75/193,75 = 3,839

3,839 – 3,839х = х

4,839х = 3,839

х = 0,793

А = 0,793; В = 1 – 0,8 = 0,207

МагнезитMgCO₃

1. Розрахувати втрату маси проби при дисоціації магнезиту в % по кривій TG: а) в мг  б) в %

а) 132 мм ∙ 2 мг = 264 мг

б) ; х = 46,31 %

2) Якщо  в пробі містилося би 100% магнезиту,  то чому рівнялась би маса  втрати при дисоціації, в %

52,4 %

3. За допомогою графіка-номограми визначте % вміст магнезиту в пробі.

90 %

ГіпсCaSO₄∙2H₂O

1. Розрахувати теоретичний вміст структурної води в гіпсі

CaSO₄∙2H₂O = 40 + 32 + 16 ∙ 4 + 1 ∙ 4 + 16 ∙ 2 = 40 + 32 + 64 + 4 + 32 = 172; кількість структурної води: ; х = 20,93 %