ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ КРИСТАЛІЗАЦІЇ

Мета роботи - вивчити процес кристалізації солей із перенасичених розчинів. На підставі спостережень процесу кристалізації солей одержати уявлення про кристалізацію металів і вивчити чинники, що впливають на характер кристалізації.

2.1. Прилади, устаткування та матеріали

 

1. Біологічний мікроскоп.

2. Перенасичені водяні розчини солей Pb(NO₃)₂, CuSO₄, NaCl, NH₄Cl, K₂Cr₂O₇

3. Предметні скельця.

4. Водяна лазня для підігріву розчинів.

2.2. Короткі теоретичні відомості

Рис.2.1.

Механізм процесу кристалізації. Більше 100 років тому було висловлене припущення, що процес кристалізації полягає в утворенні центрів (зародків) кристалізації і у їх рості. Перед тим, як роздивитися, як це відбувається, необхідно розібратися, у чому принципове розход-

ження в будові рідкої і кристалічної фаз. Установлено, що це розходження полягає у ступені порядку в розташуванні часток. Розміщення атомів у кристалі й у рідині щодо якогось конкретного атома наведене на рис. 2.1. У випадку кристалічної укладки атомів (рис. 2.1, а) існує порядок у їх розташуванні як поблизу атома А, так і на відстані від нього. Тому говорять про наявність у кристалі як ближнього, так і далекого порядку упаковування. Для рідкої фази (мал. 2.1, б) поблизу атома А також спостерігається порядок (шість атомів своїми центрами розташовуються близько від кола, проведеного з центра атома А). З віддаленням від атома А порядок усе більше порушується. Тому можна говорити про наявність у рідини близького і відсутності далекого порядку.

Щоб зрозуміти механізм процесу кристалізації, як і інших перетворень, пов'язаних із переміщенням атомів, необхідно в думках проекспериментувати з використанням категоріального апарату діалектичної логіки. Варто нагадати, що категорії діалектичної логіки не є тільки прийомами мислення, а відбивають при мисленні найбільш загальні закони природи.

Як відзначалося, процес кристалізації складається з утворення центрів кристалізації і росту цих центрів. Кількість цих центрів залежить від параметрів і ступеня переохолодження системи.

На рис. 2.2 показана залежність числа центрів (Ч. Ц.) і швидкості росту кристалів (С. Р.) від ступеня переохолодження DТ. Із рис. 2.2. видно, що центри кристалізації утворюються тільки при температурі нижче від Тs. При Т< Тs, кристалічні утворення стають стійкими і будуть рости, оскільки їх ріст буде супроводжуватися зменшенням термодинамічного потенціалу.

Використовуючи метод уявного моделювання фізичних процесів для вивчення механізму кристалізації речовини, проаналізуємо процес структуроутворення при різноманітних ступенях переохолодження.

Припустимо, що кристалізація йде при малому ступені переохолодження (див. рис. 2.3.). Уявимо собі, що за цих умов число центрів (Ч. Ц.) складає чотири кристали в секунду.

Рис. 2.3, 2 с, відбиває систему в перший момент спостереження. Через секунду ці кристали виросли згідно зі значенням швидкості росту (С. Р.), утворилися нові чотири центри і т.д. Вчасно, до кінця спостереження (7 с) кристалізація закінчилася (рідкої фази більше немає). З малюнка бачимо, що спочатку, коли кристали малі, вони мають багатогранну форму. В міру збільшення числа кристалів (4...6 с) у процесі росту вони зіштовхуються один з одним і втрачають правильну форму. Такі кристали називаються кристалітами або зернами. Оскільки ці кристали випадково зорієнтовані один до одного, то, очевидно, що в місцях стику зерен (меж зерен) утворилась сильно перекручена кристалічна гратка.

При вивченні матеріалу, пов'язаного з кристалізацією, вдалося з'ясувати, звідки беруться центри кристалізації і що рідкий стан не можна абсолютизувати: у рідині є утворення, подібні до кристалічних. Після кристалізації також виникає не тільки впорядкований стан - розташування часток біля меж зерен, але і невпорядкований, тобто подібний рідкому. Процеси, що відбуваються при охолодженні речовини з рідкого стану, підтверджують дієвість таких категорій, як кількість і якість, та перехід кількості в нову якість. Справді, при зниженні температури до температур стійкого стану рідкої фази ‑ рідина. При подальшому зниженні температури стійким стає кристалічний стан. Кристалізація є наслідком зменшення термодинамічного потенціалу речовини за рахунок зниження температури.

 

2.3. Порядок виконання роботи

1. Приступаючи до виконання роботи, необхідно усвідомити, що кристалізація - це процес утворення кристалів із рідкої (первинна кристалізація) або твердої фази (повторна кристалізація).

2. Перед виконанням експериментальної частини настроїти мікроскоп.

3. Розігріти на водяній лазні перенасичені розчини солей.

4. Завдати на предметне скло по краплі перенасиченого розчину трьох солей і провести спостереження під мікроскопом процесу їх кристалізації, що можна умовно розділити на 3 періоди. В міру охолодження рідини ступінь насиченості розчину підвищується, і розчин приходить у стан перенасичення. Найбільше охолодження випар буде з країв краплі, відкіля і почнеться кристалізація. У першому періоді з країв краплі утвориться шкірка з дрібних кристалів правильної форми, тому що сильне переохолодження викликає велике число центрів кристалізації. В другий період ростуть значні, так звані стовпчасті кристали. Напрямок їх перпендикулярний краям краплі. Тут ми маємо обмежене число зародків і велику швидкість кристалізації. В третій період у центрі краплі виникають кристали, безладно орієнтовані, які мають яскраво виражену форму дендритів (розчин Pb(NO₃)₂).

Описаний процес кристалізації солі дуже схожий із процесом затвердіння металевого злитка.

5. Замалювати через визначені проміжки часу видимі під мікроскопом стадії кристалізації.

6. Звернути увагу на те, що зростаючі кристали, зіштовхуючись один з одним, зберігають правильну внутрішню будову, але набувають неправильної зовнішньої форми, перетворюючись у зерна.

7.Спостерігаючи за ростом кристалів, необхідно відмітити, що кристали солі ростуть у вигляді так званих дендритів (деревоподібні кристали), що утворяться в силу різноманітної швидкості росту в різних напрямках.

8. Засвоїти, що процесом кристалізації можна керувати, змінюючи швидкість охолодження або вводячи в розплав додаткові центри кристалізації (модифікуючи сплав)

2.4 Оформлення звіту про лабораторну роботу

Виконавши роботу, студент зобов'язаний до даного заняття надати звіт, у котрому необхідно:

- викласти мету роботи і сутність процесу кристалізації;

- дати стислий опис виконаної роботи;

- замалювати стадії кристалізації кожної солі, відобразивши зародження центрів кристалізації, ріст кристалів із цих центрів і кінець кристалізації;

- зробити висновки про вплив швидкості охолодження та модифікування на структуру й властивості металів і сплавів.

Питання для самоперевірки

1. Що таке кристалізація?

2. Які стадії має процес кристалізації?

3. Що таке ступінь переохолодження і як він впливає на швидкість зародження центрів кристалізації та ріст кристалів?

4. Чим відрізняється зерно від кристалу?

5. Що таке дендрит і як він утворюється?

6. У чому сутність модифікування?

7. Що таке ліквація, які вона має вади та як утворюється?

8. Як можна керувати процесом кристалізації виливків?