Phasediagramm von Diphenyl und Naphtalin

Phasediagramm von Diphenyl und Naphtalin
Versuch 6
Versuchsteilnehmer:
Damian Hodel,Jan Rys
eMail:
[email protected], [email protected]
Versuchsdatum:
3.1.07
Assistent:
Toni Ivas
eMail:
[email protected]
Praktikum 1, Phasendiagramm
1.
Zusammenfassung
2.
Einführung
Jan Rys, Damian Hodel
2.1. Ziel
Das Ziel war es, ein Phasendiagramm für Diphenyl und Naphtalin aus
experimentellen Werten zu erstellen.
2.2. Leitsubstanzen
Für den Versuch wurden verwendet:
Diphenyl: C12H10
M = 154.21 g/mol
Smp = 69°C
Naphtalin: C10H8
M = 128.17 g/mol
Smp = 78.2°C
Beide Stoffe sind in Ethanol, Diethylether, Benzol löslich.
Die eutekische Mischung hat eine Zusammensetzung von 45.5 mol-% Naphtalin und
54.5 mol-% Diphenyl.
2.3. Theorie
2.3.1. Phasendiagramm
Aus einem Phasendiagramm kann man die Phasen (im Gleichgewichtszustand)
einer bestimmten prozentualen Zusammensetzung und Temperatur zweier oder
mehrerer Stoffe ablesen. Bei den Parametern handelt es sich um intensive und
extrensive Zustandsvariablen. Die intensiven Parameter, wie z.B. Druck, Dichte,
Temperatur sind unabhängig von der Grösse des betrachteten Systems. Im
Gegensatz dazu sehen die extensiven Zustandsgrösse, wie z.B. innere Energie,
Volumen, Entropie und die freie Energie, die systemunabhängig sind.
Abbildung 1 zeigt ein binäres isobares Phasendiagramm. Das Diagramm wird durch
zwei Grenzlinien in drei Bereiche aufgeteilt. Oben befindet sich der Stabilitätsbereich
der Schmelze. Der Bereich ganz unten ist der Stabilitätsbereich der Mischkristalle.
Dazwischen liegen die 2-Phasen-Felder (Kristalle und Schmelze). Die Grenzlinie
zwischen Schmelze und Schmelze/Kristall wird Liquidus und die zwischen Kristall
und Schmelze/Kristall wird Solidus genannt. Der Punkt an dem alle Linien zusammen
treffen wird Eutektikum genannt. Die eutektische Zusammensetzung stellt diejenige
Zusammsetzung dar, welche die niederigste Schmelztemperatur aufweist. Beim
Aufschmelzen oder Erstarren durchläuft das eutektische Gemisch kein 2-PhasenGebiet.
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Praktikum 1, Phasendiagramm
Jan Rys, Damian Hodel
2.3.2. Thermisches Verhalten von Gemischen
Für die Bestimmung eines Phasendiagramms verwendet man in der thermischen
Analyse die Abkühlungskurven. Dabei wird die gemessene Temperatur über der Zeit
aufgetragen.
Festkörper bzw. Schmelzen kühlen sich bei konstantem Temperatur (Energie) –
entzug gemäss ihrer spezifischen Wärmekapazität ab (vgl. Abb. 1). Bei reinen
Komponenten (Kurve A und B) und beim Eutektikum (Kurve xE) zeigt sich ein
Haltepunkt der Temperatur. Dabei beginnt die Kristallisation und die freigesetzte
Kristallisationswärme verhindert eine weitere Abkühlung bis das gesamte System
kristallisiert ist. Mischungen dagegen weisen beim Erreichen der Liquiduslinie einen
Knickpunkt auf (Kurve X1). Da dabei eine Substanz beginnt auszukristllisieren
kommt es zu einer verlangsamten Abkühlung wegen der freigesetzten
Erstarrungswärme. Im 2-Phasen-Gebiet existiert kein definierter Schmelzpunkt. Die
Schmelze verarmt beim Abkühlen an der Substanz mit dem höheren Schmelzpunkt.
Beim erreichen der eutektischen Linie bleibt die Temperatur konstant und der Rest
kristallisiert aus.
Abbildung 1: Abkühlungskurven
2.4. Hypothese
Ist es möglich die Abkühlungskurven eines Gemisches mit verschiedenen
Zusammensetzungen zu messen, so kann man daraus ein binäres Phasendiagramm
für das Gemisch erzeugen.
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Praktikum 1, Phasendiagramm
3.
Jan Rys, Damian Hodel
Material und Methoden
3.1. Chemikalien
Für das binäre Gemisch wurden Naphtalin und Diphenyl in verschieden molaren
Zusammensetzungen verwendet.
3.2. Messung der Abkühlungskurven
Wir führten den Versuch anhand von 5 verschiedenen molaren Zusammensetzungen
durch.
Die Proben wurden in ein Reagenzglas gegeben. Danach erwärmten wir das
Gemisch unter Rühren im Wasserbad auf ca. 80°C. Das Reagenzglas wurde in einen
kleinen Zylinder gemäss Versuchsanordnung (Abb. 2) in ein Eisbad gestellt. Von
diesem Zeitpunkt an wurde die Temperatur der Probe alle 10 s mit einem
Thermometer gemessen. Es wurde solange gemessen bis das ganze Gemisch
kristallisiert war. Danach wurden die gemessenen Temperaturen gegen die Zeit
aufgetragen.
Abbildung 2: Versuchsanordnung
Es wurden folgende Gemische verwendet:
Tabelle 1: Verwendete Gemische zur Bestimmung der Abkühlungskurven
Probe
1. Substanz
Masse in [g] ± 0.001 [g]
1
2
3
4
5
Diphenyl
Diphenyl
Diphenyl
Diphenyl
Diphenyl
3
3
3
3
3
Anzahl [mol] ± 0.001
[mol]
0.019
0.019
0.019
0.019
0.019
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2. Substanz
Masse in [g] ± 0.001 [g]
Naphtalin
Naphtalin
Naphtalin
Naphtalin
Naphtalin
0.609
1.282
2.179
4.522
9.741
Anzahl [mol] ± 0.001
[mol]
0.005
0.010
0.017
0.035
0.076
Praktikum 1, Phasendiagramm
4.
Jan Rys, Damian Hodel
Resultate
Die Tabellen mit den Messdaten sind dem Anhang zu entnehmen.
Die Kurven wurde in kleine charakteristische Abschnitte unterteilt (vgl. Kap. 2.3.2)
und eine Regressionsgerade darüber gelegt.
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T [ЎC ]
56
54
52
50
48
70
120
170
220
270
320
t [s]
Abbildung 3: Ausschnitt der Abkühlungskurve für die 1. Probe
Abbildung 3 zeigt einen typischen Verlauf einer Abkühlungskurve für den
Phasenübergang zwischen flüssig und fest.
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Praktikum 1, Phasendiagramm
Jan Rys, Damian Hodel
Danach wurden die Phasenübergänge (Knick in der Geraden, Anstieg der
Temperatur) in ein neues Diagramm umgewandelt.
Dabei entstand folgendes binäres Phasendiagramm:
90
80
70
T [ЎC]
60
L
50
α +L
40
β +L
30
20
α+β
10
0
0
10
20
30
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Naphtalin [mol-% ]
Abbildung 4: Phasendiagramm Diphenyl / Naphtalin
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Praktikum 1, Phasendiagramm
5.
Jan Rys, Damian Hodel
Diskussion
5.1. Ziel/Hypothese
Das Ziel wurde erreicht. Es ist uns gelungen für verschiedene Zusammensetzungen
von Diphenyl und Naphtalin Abkühlungskurven zu messen und daraus ein
Phasendiagramm für das Gemisch zu ermitteln.
5.2. Phasendiagramm
Das erhaltene Phasendiagramm macht Sinn. Das Eutektikum liegt auf der Seite der
höheren Diphenyl-Konzentration, was auch zu erwarten war, da die
Schmelztemperatur von reinem Dyphenyl tiefer ist als der von reinem Naphtalin.
Die Bestimmung der Temperaturen für die Umwandlungen aus den
Abkühlungskurven war nicht immer einfach. Vor allem bei der Umwandlung von der
Schmelze zu einem 2-Phasen-Gemisch konnte die Temperatur nicht immer klar
abgelesen werden. Die Soliduslinie konnte nur über das eutektische Gemisch
eindeutig bestimmt werden.
Ein Grund für die Schwierigkeit zur Bestimmung der Liquiduslinie liegt
möglicherweise darin, dass der Thermometer zwischenzeitlich die Glaswand des
Reagenzglases berührt hat.
Zudem können ebenfalls Ungenauigkeiten beim Einwägen der Stoffe zu einem
Fehler führen.
Um die Genauigkeit zu erhöhen sollte es möglich sein mehr Messpunkte in kürzeren
Zeitabständen zu bestimmen. Je kleiner das Intervall umso genauer wird die
Abkühlungskurve dargestellt.
6.
[1]
Referenzen
Departement Materialwissenschaft ETH Zürich (Herbst 2005).
Phasendiagramm. Versuch Nummer 6.
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Praktikum 1, Phasendiagramm
7.
Jan Rys, Damian Hodel
Anhang
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T [ЎC ]
60
55
50
45
40
35
0
100
200
300
400
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t [s]
Abbildung 5: Abkühlungskurve der 1. Probe
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T [ЎC]
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t [s]
Abbildung 6: Abkühlungskurve der 2. Probe
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Praktikum 1, Phasendiagramm
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T [ЎC]
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1100
t [s]
Abbildung 7: Abkühlungskurve der 3. Probe
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T [ЎC]
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t [s]
Abbildung 8: Abkühlungskurve der 4. Probe
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Praktikum 1, Phasendiagramm
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T [ЎC]
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300
400
500
600
t [s]
Abbildung 9: Abkühlungskurve der 5. Probe
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800
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Praktikum 1, Phasendiagramm
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Tabelle 2: Messwerte für die 1. Probe
Probe 1
Verhältnis Diphenyl/Naphtalin
in [mol-%]
80/20
T [°C]
t [s]
73
72.8
72.4
70.6
68.8
67
65.6
63.9
61.8
59.8
58.4
56.8
55.8
54.6
54.6
53.8
53.2
52.6
52.9
53.3
53.5
53.4
53.3
53.1
52.7
52.4
52.1
51.3
50.9
50.4
50.2
49.7
49.2
48.9
48.6
48.4
48
T [°C]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
210
220
230
240
250
260
270
280
290
300
310
320
330
340
350
360
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t [s]
47.6
47.3
46.6
46.2
45.8
45
44.5
44.2
43.8
43.6
43.3
42.9
42.5
42.1
41.9
41.5
41.1
40.9
40.6
40.1
39.8
39.4
39.2
38.9
370
380
390
400
410
420
430
440
450
460
470
480
490
500
510
520
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540
550
560
570
580
590
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Praktikum 1, Phasendiagramm
Jan Rys, Damian Hodel
Tabelle 3: Messwerte für die 2. Probe
Probe 2
Verhältnis Diphenyl/Naphtalin
in [mol-%]
65/35
T [°C]
t [s]
70.4
69
67.5
66.4
65.2
64.1
62
61.3
60
59
58
57
56.2
55
54.1
53.2
52.2
51.5
50.6
49.7
49
48
47.5
46.7
45.9
45.2
44.5
43.9
43.3
42.7
42
41.4
41
40.3
39.7
39.3
38.9
T [°C]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
210
220
230
240
250
260
270
280
290
300
310
320
330
340
350
360
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t [s]
38.4
37.9
37.7
37.3
37.1
36.9
36.8
36.8
37.3
37.8
38.2
38.5
38.9
39
39.2
39.2
39.3
39.3
39.2
39.2
39.2
39
38.9
38.8
38.8
38.5
38.5
38.4
38.3
38.3
38.1
38.1
38
38
38
37.9
370
380
390
400
410
420
430
440
450
460
470
480
490
500
510
520
530
540
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570
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670
680
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Praktikum 1, Phasendiagramm
Jan Rys, Damian Hodel
Tabelle 4: Messwerte für die 3. Probe
Probe 3
Verhältnis Diphenyl/Naphtalin
in [mol-%]
54.5/45.5
T [°C]
t [s]
82.2
80.8
79.3
77
75.2
73.8
72.5
71.2
70.1
69
67.7
66.5
65.3
64.2
63.3
62.2
61.2
60.3
59.2
58.3
57.5
56.6
55.8
54.6
53.9
53.3
52.4
51.6
50.8
50.3
49.3
48.9
48
47.4
46.8
46.1
45.5
44.8
44.2
43.6
43
42.6
T [°C]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
210
220
230
240
250
260
270
280
290
300
310
320
330
340
350
360
370
380
390
400
410
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t [s]
42
41.5
40.9
40.5
40
39.6
39
38.5
38.1
37.5
37.2
36.8
36.5
36
35.7
35.3
35
34.7
34.4
34.2
33.9
33.8
33.6
33.3
33
32.9
32.7
32.6
32.7
32.9
33
33.6
34
34.5
34.9
35.3
35.7
35.8
36
36.3
36.4
36.5
T [°C]
420
430
440
450
460
470
480
490
500
510
520
530
540
550
560
570
580
590
600
610
620
630
640
650
660
670
680
690
700
710
720
730
740
750
760
770
780
790
800
810
820
830
Zeit [s]
36.6
36.6
36.6
36.7
36.7
36.7
36.8
36.8
36.8
36.8
36.8
36.8
36.8
36.8
36.7
36.7
36.7
36.6
36.5
36.5
36.4
36.4
36.4
36.4
36.3
36.3
36.2
36.2
36.2
36.2
36.2
36
36
35.9
35.9
35.9
35.9
840
850
860
870
880
890
900
910
920
930
940
950
960
970
980
990
1000
1010
1020
1030
1040
1050
1060
1070
1080
1090
1100
1110
1120
1130
1140
1150
1160
1170
1180
1190
1200
Praktikum 1, Phasendiagramm
Jan Rys, Damian Hodel
Tabelle 5: Messwerte für die 4. Probe
Probe 4
Verhältnis Diphenyl/Naphtalin
in [mol-%]
35/65
T [°C]
t [s]
76.9
72.2
67
64.6
63.5
61.6
60.8
59.4
58
57
55.7
54.7
53.5
52.8
52
51.4
51
50.7
50.4
50
49.6
49.2
48.8
48.4
48.2
47.8
47.5
47.1
46.8
46.6
46.3
46
45.7
45.5
45.1
44.9
44.6
T [°C]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
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100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
210
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230
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330
340
350
360
370
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t [s]
44.3
44
43.7
43.4
43.1
43
42.6
42.3
41.9
41.7
41.3
41.1
40.8
40.6
40.3
39.9
39.8
39.5
39
39
38.8
38.8
38.5
380
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430
440
450
460
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480
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520
530
540
550
560
570
580
590
600
Praktikum 1, Phasendiagramm
Jan Rys, Damian Hodel
Tabelle 6: Messwerte für die 5. Probe
Probe 5
Verhältnis Diphenyl/Naphtalin
in [mol-%]
20/80
T [°C]
t [s]
72.1
71
69.8
68.4
67.3
66.3
65.8
65.7
65.6
65.5
65.3
65
64.7
64.4
64.1
63.7
63.4
63.1
62.7
62.4
62
61.6
61.3
60.9
60.5
60.2
59.9
59.5
59.2
58.9
58.4
58.2
57.8
57.5
57.1
56.8
56.5
T [°C]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
210
220
230
240
250
260
270
280
290
300
310
320
330
340
350
360
370
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t [s]
56.1
55.8
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T [°C]
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