
Тип работы:	Предмет:	Язык работы:

Процессы испарения и термодинамические свойства стеклообразующих расплавов системы Bi2O3-P2O5-SiO2

Работа №	125336
Тип работы	Бакалаврская работа
Предмет	химия
Объем работы	105
Год сдачи	2016
Стоимость	4700 руб.
ПУБЛИКУЕТСЯ ВПЕРВЫЕ
Просмотрено	80

Не подходит работа?

Узнай цену на написание

Содержание

Введение 4
1 Обзор литературы 6
1.1 Актуальность изучения стеклообразующих расплавов системы Bi2O3-P2O5-SiO2 6
1.2 Процессы испарения и термодинамические свойства индивидуальных оксидов в системе Bi2O3-P2O5-SiO2 8
1.2.1 Оксид висмута (III) 8
1.2.2 Оксид фосфора (V) 14
1.2.3 Оксид кремния (IV) 18
1.3 Фазовые равновесия в системе Bi2O3-P2O5-SiO2 и особенности её структурного описания 22
1.4 Испарение и термодинамические свойства компонентов бинарных систем: Bi2O3-P2O5, Bi2O3-SiO2, P2O5-SiO2 31
2 Экспериментальная часть 34
2.1 Описание масс-спектрометрического эффузионного метода Кнудсена 34
2.2 Аппаратура 40
2.3 Синтез и химический анализ исследуемых образцов системы Bi2O3-P2O5-SiO2 41
2.4 Определение температур стеклования и температур плавления образцов системы Bi2O3-P2O5-SiO2 50
2.5 Результаты масс-спектрометрического изучения процессов испарения и термодинамических свойств компонентов системы Bi2O3-P2O5-SiO2 54
2.5.1 Процессы испарения образцов системы Bi2O3-P2O5-SiO2 54
2.5.2 Определение термодинамических свойств компонентов в системе Bi2O3-P2O5-SiO2 59
2.6 Оценка термодинамических свойств расплавов системы Bi2O3-P2O5-SiO2 по данным о химических потенциалах Bi2O3 методом Даркена 61
2.7 Расчёт термодинамических свойств расплавов системы Bi2O3-P2O5-SiO2 по данным о свойствах соответствующих бинарных систем полуэмпирическим методом Колера 68
3 Обсуждение результатов 70
3.1 Особенности термодинамического описания расплавов системы Bi2O3-P2O5- SiO2 70
3.2 Связь полученных значений термодинамических и физико-химических свойств системы Bi2O3-P2O5-SiO2 73
3.3 Возможности полуэмпирического метода Колера для расчёта термодинамических свойств трехкомпонентных стеклообразующих расплавов на примере системы Bi2O3-P2O5-SiO2 77
Выводы 88
Благодарности 89
Список литературы 90
Приложение А 96
Приложение Б 98
Приложение В 100
Приложение Г 104

Введение

Информация о процессах испарения и термодинамических свойствах многокомпонентных оксидных систем представляет значительный интерес для развития современных подходов, необходимых для получения и эксплуатации неорганических материалов при высоких температурах. Эти данные играют важнейшую роль в различных высокотемпературных технологиях при производстве стекла и керамики, в металлургии, при напылении пленок и покрытий, при эксплуатации материалов в ядерных технологиях и других. Обладая уникальными высокотемпературными физико-химическими свойствами, оксидные материалы в настоящее время находят широкое применение в современной технике: энергетике, авиации, ракетостроении, разработке систем связи, приборостроении.
В качестве объектов настоящего исследования выбраны расплавы системы Bi2O3-P2O5-SiO2. Это обусловлено рядом причин. Рассматриваемые расплавы являются основой стёкол, керамики, ситаллов, шлаков. Оксид висмута (III) может рассматриваться как безопасный аналог оксида свинца (II), способный заменить последний в составе материалов для проводников, резисторов и других компонентов в электронике и микроэлектронике [1]. Интерес именно к стёклам системы Bi2O3- P2O5-SiO2 возрос в последние годы в связи с открытием явления инфракрасной люминесценции в спектральной области 1300-1500 нм [2], что может позволить создать на основе этих стёкол лазеры, обеспечивающие передачу большего объема информации в единицу времени. Следует подчеркнуть, что указанный спектральный диапазон относится к области минимальных оптических потерь в кварцевых волоконных световодах.
Создание оптоволокна - это высокотемпературный процесс, при протекании которого возможно заметное испарение компонентов системы, приводящее, в частности, к изменению содержания висмута в стёклах системы Bi2O3-P2O5-SiO2, определяющего их люминесцентные свойства. Ряд других материалов на основе рассматриваемой трёхкомпонентной системы, например, фоторезисторы, сцинтилляторы, стёкла для защиты от радиации, как правило, либо синтезируются, либо эксплуатируются при высоких температурах. Именно по этой причине изучение равновесий конденсированная фаза-пар при высоких температурах в системе Bi2O3- P2O5-SiO2 представляет значительный интерес для практических применений.
Процессы испарения и термодинамические свойства расплавов системы Bi2O3- P2O5-SiO2 ранее не изучались. В данной работе для исследования поведения системы Bi2O3-P2O5-SiO2 при высоких температурах был использован метод высокотемпературной масс-спектрометрии (ВТМС), позволяющий идентифицировать состав газовой фазы над изучаемой системой и определять термодинамические свойства как молекулярных форм в паре, так и компонентов конденсированной фазы. С использованием метода ВТМС возможно определить, наблюдается ли селективное испарение какого-либо компонента из изучаемой многокомпонентной системы, а также при каких температурах и в каких формах происходит испарение компонентов. Полученные данные о термодинамических свойствах системы могут представлять интерес при рассмотрении высокотемпературных физико-химических процессов с участием расплавов системы Bi2O3-P2O5-SiO2 при синтезе и использовании материалов на её основе, а также для развития модельных подходов для расчёта термодинамических свойств многокомпонентных оксидных расплавов.
Таким образом, цель настоящего исследования - изучение процессов испарения и термодинамических свойств стеклообразующих расплавов системы Bi2O3-P2O5-SiO2 методом высокотемпературной масс-спектрометрии. Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:
• идентификация газовой фазы над образцами системы Bi2O3-P2O5-SiO2;
• определение парциальных давлений молекулярных форм пара над образцами исследуемой системы;
• определение активностей компонентов в системе Bi2O3-P2O5-SiO2 методом дифференциальной масс-спектрометрии;
• определение скоростей испарения исследуемых образцов при высоких температурах;
• оценка избыточной энергии Гиббса в расплавах системы Bi2O3-P2O5-SiO2 методом Даркена;
• рассмотрение возможностей применения полуэмпирического метода Колера для расчета термодинамических свойств трёхкомпонентных стеклообразующих расплавов на примере системы Bi2O3-P2O5-SiO2.

Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь в написании работ!

ДИПЛОМНЫЕ МАГИСТЕРСКИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Курсовые Статьи Диплом Рязань

Заключение

В результате изучения процессов испарения и термодинамических свойств образцов системы Bi2O3-P2O5-SiO2 масс-спектрометрическим эффузионным методом Кнудсена можно сделать следующие выводы.
1. Показано, что при температуре 950 К наблюдается избирательное испарение Bi2O3 из образцов исследуемой системы с образованием атомарного висмута и кислорода, причём ассоциатов в газовой фазе не найдено.
2. Впервые определены парциальные давления молекулярных форм пара над образцами системы Bi2O3-P2O5-SiO2 и скорости испарения образцов при температуре 950 К. Установлено, что наибольшие скорости испарения образцов рассматриваемой системы соответствуют содержанию Bi2O3, превышающему 70 мол. %.
3. Полученные значения активностей Bi2O3 в образцах рассматриваемой системы при температурах 950 К и 1273 К свидетельствуют о значительных отрицательных отклонениях от идеального поведения.
4. Методом Даркена оценены величины избыточных энергий Гиббса системы Bi2O3-P2O5-SiO2 при температурах 950 К и 1273 К. Показано, что минимальные значения этих величин соответствуют содержанию Bi2O3, равному 70-85 мол. %.
5. Расчёт термодинамических свойств образцов системы Bi2O3-P2O5-SiO2 на основе полуэмпирического метода Колера с использованием данных о равновесиях в соответствующих бинарных системах показал, что указанный подход позволяет оценить значения избыточных энергий Гиббса стеклообразующих расплавов системы Bi2O3-P2O5-SiO2 в пределах погрешности, не превышающей 30 %, несмотря на значительные отклонения от идеальности в этой системе. Это даёт возможность рекомендовать использование этого метода для предсказания термодинамических свойств силикатных материалов (стёкол, керамики, ситаллов) при высоких температурах.

Литература

1. Maeder T. Review of Bi2O3-based glasses for electronics and related applications. // Int. Mater. Rev. 2013. V. 58, N 1. P. 3-40.
2. Дианов Е. М. Новые оптические материалы. Результаты фундаментальных исследований. // Вестн. РАН. 2009. Т. 79. N 12. С. 1059-1081.
3. Nanba T, Tabuchi H., Miura Y. Structure of Bi2O3-SiO2 glasses. Proceedings of XX Int. Congress. Glass. Ceramic Society of Japan. 2004. Kyoto. P. 10-11.
4. Velikanova Е. Yu., Gorashchenko N. G. Effect of phosphorus oxide additives on the colour and production conditions of Bi2O3 - SiO2 - P2O5 glass. // Glass Ceram. 2011. V. 68. N 7. P. 209-210.
5. Kaewkhao J., Kirdsiri K., Limkitjaroenporn P. Interaction of 662 keV Gamma-rays with Bismuth-based Glass Matrices. // J. Kor. Phys. Soc. 2011. V. 59. N 2. P. 661-665.
6. Дианов Е. М. Лазеры и волоконная оптика. // Вестн. РАН. 2011. Т. 81. N 6. С. 514-520.
7. Зленко А. С. Изготовление и спектроскопическое исследование волоконных световоов из кварцевого стекла, легированного висмутом или свинцом. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Москва. 2014. 120 с.
8. Sanz O., Haro-Poniatowski E., Gonzalo J., Fernandez Navarro J. M. Influence of the melting conditions of heavy metal oxide glasses containing bismuth oxide on their optical absorption. // Non-Crystalline Solids. 2006. V. 352. N 8. P. 761-768.
9. Ban V. S., Knox B. E. Mass-spectrometric study of the laser-induced vaporization of compounds of arsenic and antimony with the elements of group Via. // J. Chem. Phys. 1970. V. 52, N 1, P. 248-259.
10. Казенас Е. К., Чижиков Д. М., Цветков Ю. В., Ольшевская М. В. Масс- спектрометрическое изучение испарения оксида висмута. // Докл. АН СССР. 1972. Т. 207. N 2. С. 354-355.
11. Казенас Е. К., Петров А. А. Масс-спектрометрическое исследование процессов испарения и диссоциации оксидов фосфора, мышьяка, сурьмы и висмута. М. 1989. 21 с. Деп. В ВИНИТИ 16.08.89. № 5527-В89.
12. Семёнов Г. А., Франциева К. Е. Термодинамическое исследование испарения и газофазных реакций в парах над окисью висмута. // Тез. докл. Иваново. 1979. С. 310-313.
13. Sidorov L. N., Minayeva I. I., Zasorin E. Z., Sorokin I. D., Borshchevskiy A. Y. Mass- spectrometric investigation of gas phase equilibria over bismuth trioxide. // High temp. sci. 1980. V. 12. N 3. P. 175-196.
14. Минаева И. И. Масс-спектрометрическое исследование термодинамических свойств системы Bi2O3-B2O3. Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата химических наук. Москва. 1981. 20 с.
15. Oniyama E., Wahlbeck P. G. Phase Equilibria in the Bismuth-Oxygen System. // J. Phys. Chem. B. 1998. V. 102. N 22. P. 4418-4425.
...