Кристаллизация металлов и солей

Цель работы

Исследовать процесс кристаллизации методами моделирования на примере изучения влияния условий кристаллизации на характер и форму роста кристаллов.

Рабочее задание

1. Провести эксперимент по кристаллизации водных растворов солей, зафиксировать движения фронта кристаллизации, графическим дифференцированием по способу нормалей определить скорости кристаллизации для трех моментов времени, объяснить причину изменения скорости кристаллизации;

2. Изучить по излому слитков кристаллизацию металлов в зависимости от скорости ее охлаждения в холодной и горячей формах, зарисовать структуру излома иобъяснить причину изменения характера кристаллизации в зависимости от скорости охлаждения.

Оборудование и реактивы

Микроскоп Levenhuk740, МБС-10, стеклянная палочка, предметное стекло, насыщенный водный раствор соли.

 

Порядок оформления отчёта

 

Каждый студент должен оформлять отчёт индивидуально в следующей последовательности:

Ø номер работы и ее название;

Ø цель работы и задачи, подлежащие решению;

Ø краткое описание используемых установок и приборов;

Ø теоретические основы;

Ø описание экспериментальной части работы;

Ø таблицы результатов измерений;

Ø графики по результатам измерений;

Ø вычисления и анализ результатов измерений;

Ø выводы.

Основные термины и понятия, необходимые для освоения данной работы

Аморфное вещество

Ближний порядок

Дальний порядок

Дендрит

Диффузия

Зародыш

Зональная ликвация

Изложница

Кристалл

Кристаллит

Кристаллическая решетка

Кристаллизация

Кристаллографическая система

Критический размер зародыша

Ковалентная связь

Модификатор

Металлическое стекло

Металлическая связь

Модифицирование

Плотность

Поверхностное натяжение

Примесь

Поверхностно-активное вещество

Пора

Плавление

Транскристаллическая структура

Термодинамический потенциал

Температурный гистерезис

Усадка

Усадочная раковина

Фактическая температура кристаллизации

Шлак

Шлам

Энтропия

Энтальпия

Элементарная ячейка

Энергия связи

Равновесная температура кристаллизации

Сингония

Свободная энергия

Степень переохлаждения

 

Описание метода эксперимента

 

Процесс кристаллизации изучается методом моделирования на прозрачных водных растворах солей.

На рис. 1.1 представлена схема наблюдения за ходом процессакристаллизации в проходящем свете с помощью бинокулярного* искусственного источника света 1, отразившись от зеркала (или матовой пластины) 2, проходят через стеклянную пластину 4 предметного столика 3 и прозрачнуюкаплю раствора соли 5 в объектив 6, освещая ее. Полученное в объективе изображение капли рассматривается через окуляр 7, дополнительно увеличивающий изображение капли, полученное в объективе. Микроскоп настроен на 56-кратное увеличение с диаметром круглого поля зрения 2,9 мм.

Для оценки линейных размеров объекта наблюдения следует пользоваться окуляром «8^х» с диоптрийной наводкой со шкалой. Окуляр вставляется в одну из окулярных трубок микроскопа, вращая диоптрийное кольцо, нужно добиться резкого изображения шкалы. Затем поворотом рукоятки механизма фокусировки микроскопа необходимо добиться резкого изображения объекта. Чтобы определить размер кристалла (в мм), достаточно подсчитать число делений шкалы, которое укладывается в измеряемый участок объекта и это число умножить на 0,014, соответствующее увеличению «7^х» на шкале рукояткиобъектива.

 

Рис. 1.1. Схема наблюдения за ходом процесса кристаллизации: 1 – источник света; 2 – зеркало; 3 – предметный столик; 4 – стеклянная пластина; 5 – капля раствора соли; 6 – объектив: 7 – окуляр; 8 – глаз наблюдателя

 

Процессы кристаллизации солей, а также влияние модификаторов на него исследуются на насыщенных водных растворах: бихромата калия K₂Cr₂O₇ – кристаллы, кубической формы, хлористого аммония NH₄Cl – кристаллы дендритной формы.

Проведение эксперимента

 

Капля раствора наносится на стеклянную пластину, которая помещается на предметный столик микроскопа. Передвигая стеклянную пластину с каплей, следует установить край капли на начало шкалы окуляра, совмещая при этом линию шкалы радиусом капли (рис. 1.2). После настройки начинаем отсчет времени и снимаем показания шкалы с интервалом времени 1 мин. Данные эксперимента записываем в таблицу 1.1. Количество измерений должно быть не менее 10. Опыт считается законченным, если получены три одинаковых значения размера кристалла в течение трех последних измерений.

Таблица 1.1

 

№ измерения	Измеряемые величины	Вычисляемая величина
Время, мин	Положение фронта, кристаллизации, Х ш в делениях шкалы	Истинное положение фронта кристаллизации, Х, мм

 

Чтобы определить размер объекта (в мм), достаточно подсчитать число делений шкалы, которое укладывается в измеряемом участке объекта и это число (Х_ш) разделить на 56:

Х_о=Х_ш / 56

Наблюдения необходимо повторить не менее 3-х раз на каплях одинаковых размеров.

 

Рис. 1.2. Схема измерения положения фронта кристаллизации: 1 – окуляр; 2 – шкала окуляра; 3 – фронт кристаллизации; 4 – капля.