Работа ученицы 9 класса "Полиморфные превращения серы, олова и железа"

Учебно-исследовательская работа:

“Полиморфные превращения серы, олова и железа”

ученицы 9Б класса МБОУ “Лицей №3”Полюшко Татьяны.

Руководитель: Маначинская Людмила Александровна.

( учитель физики МБОУ “Лицей №3”)

Г. Саров

2013 г.

Цель работы:

1) Показать , что явление полиморфизма очень распространено (полиморфизм – это не исключение, а правило).

Задачи:

1. Исследовать некоторые проявления полиморфизма на примере стали, олова, серы.

2. Изучить более подробно условия полиморфных превращений олова и серы.

3. Качественно обнаружить полиморфное превращение стали.

4. Экспериментально определить температуру полиморфного превращения стали.

План работы:

1. Введение. Теоретическая часть.

1. понятие полиморфизма

2. примеры полиморфизма некоторых химических элементов

а) полиморфизм углерода

б) полиморфизм олова

в) полиморфизм серы

1. Практическая часть.

1. практическое обнаружение полиморфных превращений олова и серы .

1. Качественное обнаружение полиморфизма железа

1. теория α-β-γ модификации железа

2. опыт по полиморфному превращению железа

3. лабораторная работа “Определение температуры полиморфного превращения стали”

1. Заключение. Выводы из проведенных исследований.

Список используемой литературы:

1. В.Д. Кузнецов. Кристаллы и кристаллизация. Москва, 1964

2. Научно-академический журнал “Учебная физика” №1, 2001

3. Г.С. Ландсберг. Элементарный учебник физики. Москва, 2001

4. Журнал “Физика для всех” №6, 1998

5. Приложение к журналу “Квант” Москва, 1998

1. Введение. Теоретическая часть.

1. Полиморфизм - это явление, при котором одно и то же вещество кристаллизуется в различных структурах. Явление полиморфизма нельзя путать с аллотропией - химический элемент встречается в нескольких устойчивых разновидностях, причем термин относится к газам, жидкостям и твердым телам (аморфным и кристаллическим); а также с изоморфизмом- различные вещества кристаллизуются в одинаковых формах.

Атомы данного элемента образуют такую кристаллическую решетку, которая при данных условиях обладает наименьшей свободной энергией.

Иногда при изменении этих условий, главным образом температуры и давления, наблюдается изменение кристаллической решетки.

Каждая кристаллическая разновидность устойчива в определенном интервале температур. Вне этого интервала кристаллическая разновидность переходит в другую, устойчивую для новой области температур.

Эти переходы совершаются с определенной скоростью, поэтому вещество в некоторые моменты находится в двух кристаллических разновидностях.

Для всех тел при комнатной температуре устойчива только одна модификация. При нагревании вещество переходит при определенной температуре в другую модификацию. При понижении температуры происходит обратный переход. Эта температура перехода называется точкой превращения.

Если температуру превращения поддерживать достаточно долгое время, то переход совершается полностью.

При температуре превращения свободные энергии двух модификаций одинаковы, то есть могут быть устойчивы обе фазы вещества. Практически при нагревании превращение происходит при более высокой температуре, чем температура превращения, а при охлаждении, наоборот, при некотором переохлаждении.

Из всех существующих элементов в природе 51 являются металлами, но температурный полиморфизм обнаружен только у пяти металлов: железо, кобальт, олово, таллий, марганец.

Превращение из одной модификации в другую происходит аналогично переходу из твердого состояния в жидкое и обратно; разница заключается в том, что в одном случае упорядоченное расположение частиц в кристаллической решетке переходит в менее упорядоченное расположение, а в другом случае пространственный порядок частиц заменяется другим порядком.

Переход вещества из одной модификации в другую совершается обычно с поглощением тепла, и с выделением тепла, если переход совершается при охлаждении.

1) Примеры полиморфизма некоторых элементов

а) Полиморфизм углерода

В природе встречаются две разновидности углерода: алмаз и графит. Оба эти минерала состоят из чистого углерода, т.е. имеют тождественный химический состав, но их свойства, пространственные решетки и внешний вид совершенно различны.

Кристаллы алмаза принадлежат к кубической сингонии. Они состоят из двух гранецентрированных кубических решеток, вставленных одна в другую. Алмаз - самый твердый из всех известных твердых тел. Чистый алмаз прозрачен и бесцветен.

Структура алмаза является не плотно упакованной. В алмазе, хотя все атомы эквивалентны, каждый атом окружен только четырьмя, к которым он присоединяется своими четырьмя валентными связями.

А)Б)

а) Строение кристаллической решетки алмаза.

б) Строение кристаллической решетки графита.

Атомы углерода образуют ряд параллельных плоских сеток, располагаясь в углах плоских правильных шестиугольников. Эти слои накладываются друг на друга так, что только половина атомов в каждом слое расположена вертикально над атомами в нижнем слое; по отношению к соседним атомам все атомы решетки разделяются на два рода и период идентичности по вертикальной оси равен удвоенному расстоянию между слоями. Структуру графита можно считать молекулярной. Каждый слой представляет собой как бы одну молекулу, бесконечно протяженную в двух измерениях. Связь между слоями очень слабая. Графит совершенно не прозрачен, черного цвета и относится к самым мягким минералам.

б) Полиморфизм олова

Оловянная чума:

Ярким примером полиморфизма может служить обыкновенное олово, которое может существовать в двух модификациях: олово обыкновенное, серебряно-белое и α-олово порошкообразное, серое. Эти модификации резко отличаются друг от друга по внешнему виду и по свойствам. Плотность белого олова 7,3 г/см³, плотность серого 5,8 г/см³. При превращении β- в α- фазу происходит увеличение объема на 25,6 %. Серое олово очень хрупкое и легко рассыпается в порошок. Белое олово устойчиво при температурах выше 18 градусов.

Переход обыкновенного олова в серую разновидность назывется оловянной чумой. Это есть одна из “болезней” металлов, которая иногда поражает в зимнее время целые склады олова. Для возникновения оловянной чумы олово должно быть “простужено”. Если олово все время находится при комнатной температуре, то чума не появляется.

Наблюдения над превращением олова в старых церковных органных трубах производились еще в середине прошлого века. Затем наблюдалось даже превращение на складах оловянных пуговиц в рыхлую массу, которая рассыпалась в порошок. Было показано, что превращение олова обратимо. Обливая порошок серого олова горячей водой, можно превратить его в белое порошкообразное олово. Подробные исследования этого явления показали, что белое олово устойчиво при температуре выше 20 градусов. Ниже 20 градусов устойчиво серое олово.

Процесс превращения состоит в том, что на белом олове появляются зародыши, крапинки серого олова, которые имеют вид “бородавок”, затем они растут и постепенно весь рисунок белого олова превращается в серое и рассыпается в порошок. При некоторой температуре ниже нуля скорость перехода имеет максимальное значение. Она уменьшается как при повышении так и при понижении температуры. Если белое олово привести в соприкосновение с серым оловом, то процесс превращения значительно ускоряется. Поэтому говорят о “заражении” олова “оловянную чуму” сравнивают с инфекционной болезнью, для возникновения которой необходимо заражение.

Оловянная чума

Структура серого олова:

Имеет структуру алмаза и принадлежит к кубической системе. Каждый атом окружен четырьмя соседними атомами.

Элементарная ячейка этого олова относится к тетрагональной системе. В белом олове каждый атом имеет четырех соседей, образующих вокруг него сплющенный тетраэдр, и еще двух соседей.

А)б)

А)Структура серого олова ( устойчиво при температуре ниже 20^о)

Б)Структура белого олова (устойчиво при температуре выше 20^о)

в) Полиморфизм серы

При обыкновенных условиях сера может существовать в двух модификациях: в виде ромбической α-серы и моноклинной β-серы. При 95,5^оС происходит переход из ромбической модификации в моноклинную, причем этот переход сопровождается поглощением теплоты и увеличением объема. Точка перехода повышается приблизительно на 0,05^оС при увеличении давления на одну атмосферу. Температуры плавления серы следующие: α-модификация плавится при 112,8^оС, β-модификация- при 119,95^оС, γ-модификация- при 106^оС.

Если расплавить серу и охлаждать ее, то, начиная с точки плавления 119,95^оС до комнатной температуры, может существовать только моноклинная β-сера. Если ромбическую серу, полученную путем испарения раствора в сероуглероде, нагреть выше 95,5^оС, то она, не переходя в моноклинную модификацию, плавится при 112,8^оС. Однако все это удается только в случае, если нагревание и охлаждение ведутся достаточно медленно. При быстром нагревании и охлаждении происходят явления перегревания и переохлаждения.

Кристаллы моноклинной серы при долгом пребывании при комнатной температуре разделяются на множество маленьких кристаллов ромбической серы, а ромбические кристаллы при продолжительном нагревании превращаются в моноклинные.

Если серу расплавить и охладить, то она затвердевает в моноклинных темно янтарных, прозрачных кристаллах. Эта модификация при комнатной температуре постепенно переходит в ромбическую модификацию. Уже через несколько дней, а иногда и часов после охлаждения в некоторых местах появляются светло-жёлтые пятна, которые медленно расширяются, пока все моноклинные кристаллы не превратятся в агрегаты ромбических непрозрачных светло-желтых кристаллов.

1. Практическая часть.

Были исследованы следующие модификации серы:

1. Моноклинная β-сера.

Представляет собой длинные желтые, блестящие иглы.

Для ее получения я насыпала в металлическую чашку 50 г. α- серы. Затем поставила чашку на спиртовку и стала медленно греть. Примерно через 3 минуты сера вся расплавилась.

Греть надо на слабом огне, чтобы сера не перегрелась и не стала темно-коричневой. Чтобы обеспечить медленное охлаждение серы, нужно удачно выбрать сосуд, в котором она будет охлаждаться. В качестве материала для такого сосуда лучше всего подошла толстая бумага из которой были скручены в несколько слоев конусы и поставила чашку для дальнейшего нагревания опять на спиртовку. Через минуту содержимое чашки (желто- коричневого цвета) вылила в конусы и конусы закрыла бумагой для постепенного остывания серы.

Как только поверхность начала затвердевать, проколола в ней две дырочки и вылила из образовавшегося серного конуса не успевшую затвердеть серу. На внутренней поверхности колпака получаются длинные иглы. Кристаллы серы получаются более длинными и толстыми, если бумага плотная и остывание серы происходит в комнате.

Если конусы с остывающей серой охлаждать быстро (на холодном окне и при этом конусы не закрывать), но иглы получаются короткие, толстые и срастаются друг с другом (кристаллизация происходит быстро и поэтому порядок в расположении атомов нарушается).

Опыты по получению моноклинной β-серы проводились 3 раза с интервалом в 3 месяца и 1 месяц. Игольчатые кристаллы β-серы через 3 месяца заметно изменились и разделились на множество кристаллов ромбической серы.

А)Б)

А) Моноклинная β-сера

Б) Ромбическая или α- сера

1. Аморфная сера, состоящая из двух модификаций (µ-серы и λ-серы)

Нагревали не доводя до кипения α-серу, постоянно помешивая ее. В нормальном, не растянутом состоянии эта сера аморфна.

В справочнике написано, что после плавления эту серу необходимо постепенно, но достаточно быстро охладить. Было проведено несколько опытов:

-Сначала пыталась ее лить в снег, но она слишком быстро остывала, и нужного результата не получалось.

-Затем пыталась охладить в теплой воде, но не получалось подобия резиновых нитей.

-Затем с высоты 2 метра вылили ее в таз с холодной водой. Сера стекает тонкими нитями, которые при охлаждении становятся весьма эластичными, напоминая резиновые нити. Через несколько минут нити меняют свою окраску на более темную и становятся хрупкими.

1. Моноклинная γ-сера

Расплавили ту же серу и вылили несколько капель в спирт. Было видно, что при быстром охлаждении стали образовываться плоские кристаллы. Но эта модификация не устойчива.

Еще одну моноклинную модификацию серы получила при плавлении и охлаждении в металлической чашке купленной серы. В результате получились темно-янтарные прозрачные кристаллы. Но эта модификация оказалась не устойчива и , через несколько дней начали появляться желтые пятна.

Кристаллы моноклинной γ-серы

1. Качественное обнаружение полиморфизма железа.

1. Теория α-β-γ модификации железа:

Поскольку при α↔β переходе тип решетки (объемно-центрированный куб) не изменяется, то этот переход не является полиморфным. Это фазовый переход второго рода: β- железо является парамагнитной разновидностью α-железа, ферромагнитного ниже точки Кюри. Поэтому переход β↔γ часто становится переходом α↔γ.

При α↔γ полиморфном превращении железа, лежащем в основе процесса закалки стали и происходящем при 906^оС скачкообразно изменяется структура кристаллической решетки, то есть имеет место фазовый переход первого рода. Решетка α-железа кубическая, объемно центрированная с координационным числом k=8. Решетка γ-железа тоже кубическая, но гранецентрированная с плотнейшей упаковкой, характеризуемой максимальным значением координационного числа k=12.

Макроскопическими проявлениями γ↔α перехода являются скачкообразное увеличение объема образца, уменьшение его электрического сопротивления и выделение скрытой теплоты перехода.

1. Опыт по полиморфному превращению железа:

а) наблюдение увеличения объема стали при переходе от более плотной к менее плотной упаковке атомов железа (переход γ↔α)).

Схема установки:

Использовалась стальная спираль из школьного набора для лабораторных работ по определению жесткости пружины.

- диаметр проволоки d=1,25 мм.

- проволока скручена в спираль диаметром 3 см.

Нагревание спирали производилось переменным током от регулятора напряжения.

По мере нагревания проволока провисала, шаг спирали становился больше. При охлаждении проволока не восстанавливала свою форму и оставалась растянутой.

Таким образом нагревали проволоку несколько раз до тех пор, пока она не перестала при каждом новом нагревании сильно провисать.

Далее отрезали от получившейся очень длинной спирали кусок длинной 1-2 м, шаг спирали стал равным примерно 6 см, и стали проводить над ним опыты.

Спираль, несколько раз нагретая до ярко красного каления и растянувшаяся, при дальнейшем нагревании и последующем охлаждении почти восстанавливает свою форму, и поэтому результаты получаются более достоверными.

Описание опыта:

Нагревали проволоку до ярко красного свечения. Проволока провисала. При этом напряжение между концами проволоки было равно 60В.

Затем охлаждали проволоку, резко уменьшая напряжение до 0В.

Опыт был проведен и в таком варианте:

Напряжение не выключали, а резко уменьшали в 20В. В этом случае процесс охлаждения проволоки длился медленнее, поэтому процесс перехода железа γ-α был более заметен.

Когда спираль нагревалась до красного каления, уменьшали напряжение, и проволока начинала остывать, при этом она темнела, отдавая теплоту в окружающую среду, и восстанавливала свою форму. При определенной температуре проволока вдруг снова краснела и вновь немного провисала.

Объясняется это явление тем, что при переходе стали из γ-α происходит выделение скрытой теплоты перехода, в результате чего и наблюдается кратковременная вспышка свечения стали. Это происходит потому , что в α-модификации атомы стали образуют кристаллическую решетку, обладающую меньшей свободной энергией, чем кристаллическая решетка γ-модификации. Из-за этого происходит выделение лишней энергии (повторное свечение).

б) оценка температуры полиморфного превращения железа с помощью термопары (хромель-аллюмень).

Для измерения температуры полиморфного превращения железа использовалась термопара. Она была не проградуирована (не было соответствия между температурой и величиной термотока). С помощью кипятильника нагревала воду. Спай термопары и резервуар термометра были достаточно медленно, поэтому термопара успевала прогреться к моменту снятия показаний миллиамперметра.

Результаты:

Сила термотока измерялась с помощью микроамперметра с ценой деления 2µА.

Т,оС	50	60	65	70	75	80	85	90
Y,µA	1,5	2,5	2,9	3,5	4	4,5	5,5	6,5

Так как термопара инерционна, то есть показания нужно снимать не раньше чем через 0,5-1 минуту после начала увеличения термотока. Поэтому температура в банке поддерживалась в течении некоторого времени (включала, выключала кипятильник).Воду нагревали до 90^оС. Как получить значения термотока при нагревании термопары до очень высоких температур? Я предположила, что линейная зависимость темотока от температуры сохраняется и при высоких температурах. В результате получился график зависимости термотока от температуры. Этим графиком я пользовалась при определении температуры спирали.

Оценка температуры полиморфного превращения железа:

Схема опыта:

При выключении напряжения проволока сжималась, а при полиморфном превращении вновь повисала и краснела. Я визуально оценила цвет проволоки в момент ее вторичного провисания, а затем подобрали такое напряжение, чтобы цвет был примерно таким же. Измерили температуру проволоки с помощью термопары

(по величине термотока) и оценили температуру полиморфного превращения железа γ-α. Она оказалась равной 848^оС (табличное значение 892^оС).

Абсолютная погрешность ∆t^о=892^oC - 848 ^oC=44

Относительная погрешность ε=44 ^oC/892 ^oC ^. 100%=4,94%

Это означает, что мое предположение относительно зависимости силы термотока оказалось почти правильным.

Второй способ оценки температуры полиморфного превращения железа.

Описание:

На стальном болте диаметром 6-8 мм и длинной 10-12 мм при помощи двух стальных гаек закрепила скрученный конец термопары. Концы термопары подключила к клеммам микроамперметра. Эта термопара позволяет следить за изменением температуры болта.

Болт поместила в пламя газовой горелки и нагрела его до ярко красного свечения. При этом стрелка микроамперметра заметно отклонялась.

Если убрать пламя, можно наблюдать, как отклонение стрелки вначале быстро уменьшается, затем приостанавливается, а потом снова начинает постепенно уменьшаться. Наблюдаемое уменьшение скорости охлаждения стального болта вызвано выделением скрытой теплоты γ-α перехода. С понижением температуры уменьшается термоток, а за счет выделения скрытой теплоты перехода, термопара вновь немного нагревается, тем самым замедляя уменьшение величины термотока (постоен график зависимости термотока от времени).

И знаю ток, возникший в термопаре, по графику градуировки термопары, определила температуру полиморфного превращения стали. Она равна 856 ^oC.

\

Схема установки:

R=R_o(1+αt), где R_o- сопротивление проводника при температуре 0 ^oC; R- сопротивление проводника при температуре t; α=0,006 град^-1- термический коэффициент сопротивления стали.

Зная R_o и R, можно вычислить соответствующую температуру.

Температуру R_o при 0 ^oC рассчитаем, зная сопротивление при комнатной температуре.

Вольт-амперную характеристику стальной спирали в широком диапазоне (чтобы спираль нагрелась до красного каления).

Так как в момент полиморфного превращения стали α(β)-γ выделяется скрытая теплота (проволока вновь становится красной), то в этот момент ее сопротивление возрастает , и на вольт-амперной характеристике должен обнаружится горизонтальный участок, так как ток перестает возрастать при увеличении напряжения.

Заметив этот участок, можно вычислить сопротивление спирали в момент полиморфного превращения стали и из формулы R=R_o(1+αt) вычислить температуру полиморфного превращения стали.

При сильном нагревании стальной проволоки (до ярко красного свечения) ее кристаллическая решетка 2 раза меняет форму:

1)переход α-β – это фазовый переход 2-го рода (тип кристаллической решетки при этом не меняется и остается объемно-центрированным кубом, так как β железо – это лишь парамагнитная разновидность α-железа).

Но при этом переходе также существует скачек электрического сопротивления, и его можно обнаружить если очень тщательно проводить измерения.

При дальнейшем нагревании стали осуществляется переход β-γ. Это фазовый переход 1-го рода, при котором резко меняется структура кристаллической решетки. Решетка α-железа кубическая, объемно-центрированная с координатным числом 8, решетка γ-железа тоже кубическая, но гранецентрированная с более плотной упаковкой атомов и с координационным числом 12.

Таким образом, на вольт – амперной характеристике могут быть обнаружены два горизонтальных участка, соответствующие переходам α-β и β-γ. И по этим скачкам сопротивления можно определить температуру полиморфного превращения стали β-γ и температуру Кюри, при которой исчезают ферромагнитные свойства стали и она становится парамагнитной.

Результаты работы:

U,В	2	4	6	8	10	12	14	16	18	20	20,5	21	21,5	22
Y,А	1,4	3,1	3,9	5,2	5,8	6,25	6,9	7,2	7,5	7,7	7,8	7,9	7,95	7,95

График :

В работе использовалась стальная проволока диаметром d=0,5 мм и длинной

90 см.

Сопротивление проволоки при 20 ^oC:

R=pl/s;

S=πd²/4, таким образом R≈0,55 Ом;

R=R_o(1+αt) ,где R_o- сопротивление проводника при температуре 0 ^oC; α=0,006 град^-1;

Тогда R_о≈0,49 Ом.

Сопротивление проволоки при переходе α-β и β-γ найдем из закона Ома: R=U/Y.

Вольт-амперную характеристику снимали, меняя напряжение вначале через 2В, затем через 1В, а когда спираль разогреется, через 0,5В. Показания амперметра снимали через 0,5 – 1 минуту после изменения напряжения. За это время сопротивление спирали установится, и показания амперметра не будут меняться.

Рабочая схема установки:

Измерительные приборы:

-Амперметр: для измерения действующего значения переменного тока на 10А.

-Вольтметр для измерения действующего значения напряжения на 30В.

-Реостат на 30 Ом включили как делитель напряжения.

Расчет погрешности:

1. Температура Кюри:

Относительная погрешность:

ε=(tк-tтабл)/tк

ε=0,05=5%

Абсолютная погрешность:

∆tк=tк-tтабл, ∆t=44^oC

Таким образом: tкист=tк±∆tк, т.е. t=(814±44) ^oC.

Температура полиморфного превращения:

Относительная погрешность:

ε=(tп-tтабл)/tп тогда, ε=0,06=6%

Абсолютная погрешность: ∆tп=tп-tтабл, ∆t=60^oC

Таким образом: : tпист=tп±∆tп, т.е. . t=(850±60)^oC.

Вывод по определению погрешности:

Результаты достаточно согласуются с табличными данными. Погрешность обусловлена несколькими причинами:

1. Измерительные приборы невысокого класса точности (обычные школьные).

2. Значение α, приведенное в таблице для интервала температур от 0^oC до

100^oC, использовалось для вычислений температур 800-900^oC (ни в одном справочнике не удалось найти значение α в области высоких температур).

1. Расчеты производились без учета внутреннего сопротивления амперметра и вольтметра.

Вывод по всей проделанной работе:

1. Я убедилась в том, что полиморфизм достаточно распространен в природе, что это не исключение, а правило.

2. Опыты по полиморфизму доступны в условиях школьной лаборатории.

3. Результаты опытов дают наглядное представление о полиморфных превращениях олова и железа.

4. Коллекции образцов серы и олова в различных модификациях, оформленные по результатам самостоятельных опытов, представляют собой наглядный иллюстративный материал для уроков физики и химии.