Кристаллизация растворов солей различных концентраций. Исследование процесса фазообразования в полученных системах врезультате термической обработки

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

3.1 Кристаллизация растворов  солей различных концентраций

3.1.1 Кристаллизация нитрата висмута-эрбия Bi(NO₃)₃ – Er(NO₃)₃, полученного совместным растворением оксидов в кислоте

Кристаллизацию проводили для растворов концентрацией 0,68 г/мл; 0,60 г/мл; 0,55 г/мл; 0,45 г/мл и 0,40 г/мл. Пересыщение создаётся за счёт увеличения концентрации растворённого вещества при испарении растворителя до значений, превышающих равновесное. Процесс осуществляется при постоянной температуре. Преимущественное испарение растворителя происходит «самопроизвольно», так как обеспечивается контакт раствора с атмосферой. При выращивании кристаллов испарение растворителя сопровождается обогащением раствора кислородом, соответственно изменяется его концентрация в кристалле. Интенсивнее испаряется жидкость по краю капли, поэтому в этой зоне и начинается процесс образования зародышевых центров. Так как жидкость обладает не высокой вязкостью, кристаллы в ней могут свободно перемещаться, поэтому под действием сил поверхностного натяжения в капле первые образовавшиеся кристаллы начинают стягиваться к центру. В освободившейся по краю зоне некоторое время ничего не происходит, пока не начнется новая волна массового зарождения кристаллов. Это связано с тем, что скорость роста кристаллов невысокая и быстрое испарение растворителя приводит к повышению степени пересыщения жидкости в объеме капли. Процессы диффузионного перераспределения растворенного вещества в жидкости не успевают пройти, поэтому по краям капля обедняется по содержанию кристаллизующегося компонента. Время, когда выделение новых зародышей затухает, необходимо для того, чтобы в капле прошли все диффузионные процессы и выравнивание концентрации по объему.

В ходе процесса кристаллизации соли различных концентраций наблюдали образование вытянутых призматических прозрачных кристаллов. Причём, в одном направлении – продольном – кристаллы гораздо длиннее, чем в поперечном. Количество зародышевых центров увеличивалось, из них образовывались новые сростки кристаллов до соприкосновения друг с другом. Также была выявлена кинетика закономерности затвердевания кристаллов солей. Результаты роста кристалла в продольном и поперечном направлении представлены в таблицах 3.1 – 3.4, в которых также приведена скорость роста кристаллов. Диаграммы скорости роста кристаллов из раствора соли различной концентрации изображены на рисунках 3.3, 3.9, 3.13, 3.16.

Процесс затвердевания капли нитрата Bi(NO₃)₃ – Er(NO₃)₃ концентрации 0,68 г/мл показан на рисунке 3.1.

              

Рисунок 3.2 – Кристаллы нитрата Bi(NO₃)₃ – Er(NO₃)₃, полученного совместным растворением оксидов, с концентрацией раствора 0,68 г/мл

Таблица 3.1 – Расчет скорости роста кристалла нитрата Bi(NO₃)₃ – Er(NO₃)₃, полученного совместным растворением оксидов, с концентрацией раствора 0,68 г/мл

Время, с	Размер на экране, мм		Фактический размер, мм		Скорость роста, мм/с		Скорость роста, мкм/с
	продольное напр-е	поперечное напр-е	продольное направление	поперечное направление	продольное направление	поперечное направление	продольное направление	поперечное направление
35	10,22	1	0,3334421	0,03262643
45	13,5	1,98	0,4404568	0,06460033	0,0107015	0,0031974	10,70147	3,19739
55	14,92	2,9	0,4867863	0,09461664	0,004633	0,0030016	4,632953	3,001631
65	16,68	3,88	0,5442088	0,12659054	0,0057423	0,0031974	5,742251	3,19739
75	18,3	4,58	0,5970636	0,14942904	0,0052855	0,0022838	5,285481	2,28385
85	19,48	5	0,6355628	0,16313214	0,0038499	0,0013703	3,849918	1,37031
95	20	6,3	0,6525285	0,20554649	0,0016966	0,0042414	1,696574	4,241436
105	20,3	6,5	0,6623165	0,21207178	0,0009788	0,0006525	0,978793	0,652529
115	20,7	6,5	0,675367	0,21207178	0,0013051	0	1,305057	0
125	21,16	7	0,6903752	0,22838499	0,0015008	0,0016313	1,500816	1,631321
135	21,2	7	0,6916803	0,22838499	0,0001305	0	0,130506	0
145	21,4	7	0,6982055	0,22838499	0,0006525	0	0,652529	0
155	21,78	7	0,7106036	0,22838499	0,0012398	0	1,239804	0
165	21,8	7	0,7112561	0,22838499	6,525E-05	0	0,065253	0
175	21,9	7,36	0,7145188	0,24013051	0,0003263	0,0011746	0,326264	1,174551
185	22	7,44	0,718	0,243	0,0003263	0,000261	0,326264	0,261011
среднее значение							2,562262	1,400761

Рисунок 3.3 – Диаграмма скорости роста кристалла нитрата Bi(NO₃)₃ – Er(NO₃)₃, полученного совместным растворением оксидов, с концентрацией раствора 0,68 г/мл

Для кристалла нитрата Bi(NO₃)₃ – Er(NO₃)₃, полученного совместным растворением оксидов, с концентрацией раствора 0,68 г/мл – для размера кристалла в продольном направлении полученные статистические данные:

Коэффициент корреляции rxy	0,88337804
Коэффициент детерминации R2	0,780356761
Критерий значимости Фишера F	5,74962 *10-6
Уравнение регрессии

Рисунок 3.4 – Зависимость размера кристалла нитрата Bi(NO₃)₃ – Er(NO₃)₃, полученного совместным растворением оксидов, с концентрацией раствора 0,68 г/мл от времени

Для кристалла нитрата Bi(NO₃)₃ – Er(NO₃)₃, полученного совместным растворением оксидов, с концентрацией раствора 0,68 г/мл – для размера кристалла в поперечном направлении полученные статистические данные:

Коэффициент корреляции rxy	0,909394348
Коэффициент детерминации R2	0,82699808
Критерий значимости Фишера F	1,05489 *10-6
Уравнение регрессии

Рисунок 3.5 – Зависимость размера кристалла нитрата Bi(NO₃)₃ – Er(NO₃)₃, полученного совместным растворением оксидов, с концентрацией раствора 0,68 г/мл от времени

Все полученные значения удовлетворяют условиям и подтверждают гипотезу о линейной зависимости размера кристалла от времени.