实验一淬冷法研究相平衡一．实验目的1.从热力学角度建立系统状态（物系中相的数目，相的组成及相的含量）和热力学条件（温度，压力，时间等）以及动力学条件（冷却速率等）之间的关系。

2.掌握静态法研究相平衡的实验方法之一──淬冷法研究相平衡的实验方法及其优缺点。

3.掌握浸油试片的制作方法及显微镜的使用，验证Na2O —SiO2系统相图。

二．基本原理从热力学角度来看，任何物系都有其稳定存在的热力学条件，当外界条件发生变化时，物系的状态也随之发生变化。

这种变化能否发生以及能否达到对应条件下的平衡结构状态，取决于物系的结构调整速率和加热或冷却速率以及保温时间的长短。

淬冷法的主要原理是将选定的不同组成的试样长时间地在一系列预定的温度下加热保温，使它们达到对应温度下的平衡结构状态，然后迅速冷却试样，由于相变来不及进行，冷却后的试样保持了高温下的平衡结构状态。

用显微镜或X-射线物相分析，就可以确定物系相的数目、组成及含量随淬冷温度而改变的关系。

将测试结果记入相图中相应点的位置，就可绘制出相图。

淬冷法是用同一组成的试样在不同温度下进行试验。

将试样装入铂金坩埚中，在淬火炉内保持恒定的温度，当达到平衡后把试样以尽可能快的速度投入低温液体中（水浴，油浴或汞浴），以保持高温时的平衡结构状态，再在室温下用显微镜进行观察。

这是可能出现三种情况：（1）若淬冷样品中全为各向同性的玻璃相，则可以断定物系原来所处的温度（T1）在液相线以上。

（2）若在温度（T2）时，淬冷样品中既有玻璃相又有晶相，则液相线温度就处于T1和T2之间。

（3）若淬冷样品全为晶相，则物系原来所处的温度（T3）在固相线以下。

由于绝大多数硅酸盐熔融物粘度高，结晶慢，系统很难达到平衡。

采用动态方法误差较大，因此，常采用淬冷法来研究高粘度系统的相平衡。

本实验用淬冷法验证Na2O-SiO2系统相图，实验中样品的均匀性对试验结果的准确性影响较大，因此，常常将原料制成玻璃以得到组成均匀的样品。

三．仪器装置与药品1．仪器：（1）立管式电阻炉（2）可控硅温度控制器（3）热电偶（4）水浴盘（5）铂铑坩埚（6）铂金吊丝（7）偏光显微镜一套2.装置：3．试样制备按Na2O ：2SiO2摩尔组成计算Na2O和SiO2的的重量百分数，以Na2CO3和SiO2进行配料，混合均匀，将该原料制成玻璃以得到组成均匀的样品。

四．实验步骤（1）取少量的试样（0.01-0.02克Na2O ：SiO2=1∶2摩尔比）置入铂铑坩埚内，用铂金丝悬吊于炉膛内，上下均加盖。

（2）水浴盘内盛上2/3的水，放至炉底，调整好显微镜。

（3）接通电源，将高温炉升温至800℃，保温30分钟，使试样充分达到平衡状态。

打开高温炉下盖，用镊子取下吊丝连同坩埚一并落入水浴盘中淬冷。

（4）从铂铑坩埚内取出试样，在研钵内轻砸成粉末（注意不能研磨），制成油浸在偏光显微镜下观察有无晶体析出。

五．实验记录与处理记录偏光显微镜下观察到的结果，并与相图（见下图2-2）相比较。

写出实验报告。

图2-2 Na2O-SiO2系统相图思考题1.用淬冷法研究相平衡有什么优缺点？2.用淬冷法如何确定相图中的液相线和固相线？应用在实际生产过程中，材料的烧成温度范围、升降温制度，材料的热处理等工艺参数的确定经常要用到专业相图。

相图的制作是一项十分严谨且非常耗时的工作。

淬冷法是静态条件下研究系统状态图（相图）最常用且最准确的方法之一。

掌握该方法对材料工艺过程的管理及新材料的开发非常有用。

实验二热重分析一．实验目的1.掌握热重分析的原理及实验方法。

2.熟悉本实验所用仪器设备的性能，操作方法。

3.学习使用热重分析方法分析被测物质。

二．基本原理许多物质在加热或冷却过程中因其中的某些组分分解逸出或物质与周围介质中的某些物质作用使物系的重量发生变化，如盐类的分解、含水矿物的脱水、有机质的燃烧等会使物系重量减轻，高温氧化、反应烧结等则会使物系重量增加。

质量变化的大小及出现的温度与物质的化学组成和结构密切相关。

因此，利用加热或冷却过程中物质质量变化的特点，可以区别和鉴定不同的物质。

这种方法就叫热重分析法。

热重分析法（thermogravimetry，简称TG法）及微商热重法（derivative thermogravimetry，简称DTG法）就是在程序控制温度下测量物质的重量（质量）与温度关系的一种分析技术。

所得到的曲线称为TG曲线（即热重曲线），TG曲线以质量为纵坐标，以温度或时间为横坐标。

微商热重法所记录的是TG曲线对温度或时间的一阶导数，所得的曲线称为DTG曲线。

现在的热重分析仪常与微分装置联用，可同时得到TG - DTG曲线。

通过测量物系质量随温度或时间的变化来揭示或间接揭示固体物系反应的机理和反应动力学规律。

热重分析通常有两种方法，即静法和动法，静法是把试样在各给定的温度下加热至恒重，然后按质量温度变化作图。

动法是在加热过程中连续升温和称重，按质量温度变化作图。

静法的优点是精读较高，能记录微小的失重变化；缺点是操作繁复，时间较长。

动法的优点是可与差热分析法紧密配合，有利于对比分析。

缺点是对微小的质量变化灵敏度较低。

本实验只做TG曲线。

三．仪器装置与药品1．仪器（1）立式管状高温炉（2）精密扭力天平（3）变压器（4）电位差计（5）热电偶（6）铂金坩埚（7）铂金吊丝（8）补偿导线（9）热电偶冷端补偿器（10）电流表2．装置药品：本试样采用石灰石或碱式碳酸镁（分析纯），试样需要的要应预先磨细，过100-300目筛及干燥。

四．实验步骤1．用铂金丝将坩埚悬挂于精密扭力天平钩上，精确称出吊丝和坩埚的重量。

2．取下坩埚，加入300mg左右的试样，再称出其重量。

3．接通电源，选择炉子以10℃/min升温。

4．每隔5分钟称量一次，并记录相应的温度，试样开始失重时，每隔1分钟记录一次，注意记录失重开始和失重结束时的重量及对应的温度。

5．实验完毕，切断电源，请教师验收坩埚及吊丝。

五．数据记录与处理1．数据记录吊丝及坩埚重量：mg试样重量：mg空白实验曲线空白实验室对空坩埚或装有焙烧过的惰性物质再热天平正常运行状态下加热做出的TG 曲线。

因该过程不发生质量变化，故从理论上讲TG曲线应当为水平线。

事实上由于设备的固有误差，TG曲线并不是一条水平线，而是呈现出虚假的重量变化。

这种变化称为视在重量变化。

或叫做TG基线漂移。

TG基线的漂移给TG曲线的数据处理带来很大困难，使人难以弄清楚试样究竟在什么温度发生了变化，也难以确定物质的变化量以及变化速度，通常采取试样的余重量减去视在重量变化作为试样的真实余重。

2．数据处理及分析讨论（1）绘制温度—累计余重曲线。

（2）分析失重温度范围，并以标准热重曲线对比进行讨论；本实验中失重规律怎样？请给予解释。

影响热重曲线的因素（1）浮力的变化和对流的影响浮力和对流会引起热重曲线的基线漂移。

浮力影响：573K时浮力约为常温的1/2，1173K 时为1/4左右。

热天平内外温差造成的对流会影响称量的精确度。

解决方案：空白曲线、热屏板、冷却水等。

2）挥发物冷凝的影响解决方案：热屏板（3）温度测量的影响解决方案：利用具特征分解温度的高纯化合物或具特征居里点温度的强磁性材料进行温度标定。

（4）升温速率升温速率越大，热滞后越严重，易导致起始温度和终止温度偏高，甚至不利于中间产物的测出。

（5）气氛控制与反应类型、分解产物的性质和所通气体的种类有关。

（6）坩埚形状（7）试样因素试样用量、粒度、热性质及装填方式等影响热重曲线。

试样用量大，因吸、放热引起的温度偏差大，且不利于热扩散和热传递。

试样粒度细，反应速率快，反应起始和终止温度降低，反应区间变窄。

粒度粗则反应较慢，反应滞后。

装填紧密，试样颗粒间接触好，利于热传导，但不利于扩散或气体。

要求装填薄而均匀。

思考题1．试分析热重分析的误差来源有哪些？2．减少热重测量误差的措施有哪些？应用热重分析适用于加热或冷却过程中有质量变化的一切物质，配合差热分析方法，能对这些物质实行精确的鉴定。

利用磁性体的热重曲线可以进行测温校正，还可利用热重曲线进行活化能的计算等。

实验四粘土─水系统ζ -电位测定一．实验目的1.了解固体颗粒表面带电原因，表面电位大小与颗粒分散特性、胶体物系稳定性之间的关系。

2.了解粘土粒子的荷电性，观察粘土胶粒的电泳现象。

3.掌握通过测定电泳速率来测量粘土─水系统ζ -电位的方法。

进一步熟悉ζ -电位与粘土—水系统各种性质的关系。

二．基本原理在硅酸盐工业中经常遇到泥浆、泥料系统。

泥浆与泥料均属于粘土─水系统。

它是一种多相分散物系，其中粘土为分散相，水为分散介质。

由于粘土颗粒表面带有电荷，在适量电解质作用下，泥浆具有胶体溶液的稳定特性。

但因泥浆粒度分布范围很宽，就构成了粘土─水系统胶体化学性质的复杂性。

固体颗粒表面由于摩擦、吸附、电离、同晶取代、表面断键、表面质点位移等原因而带电。

带电量的多少与发生在固体颗粒和周围介质接触界面上的界面行为、颗粒的分散与团聚等性质密切相关。

带电的固体颗粒分散于液相介质中时，在固液界面上会出现扩散双电层，有可能形成胶体物系，而ζ -电位的大小与胶体物系的诸多性质密切相关。

固体颗粒表面的带电机理，表面电位的形成机理及控制等是现代材料科学关注的焦点之一。

根据胶体溶液的扩散双电层理论，胶团结构由中心的胶核与外围的吸附层和扩散层构成。

胶核表面与分散介质（即本体溶液）的电位差为热力学电位E 。

吸附层表面与分散介质之间的电位差即ζ-电位，见图4-1。

带电胶粒在直流电场中会发生定向移动，这种现象称为电泳。

根据胶粒移动的方向可以判断胶粒带电的正负，根据电泳速度的快慢，可以计算胶体物系的ζ-电位的大小。

进而通过调整电解质的种类及含量，就可以改变ζ-电位的大小，从而达到控制工艺过程的目的。

图4-1 热力学电位与ζ - 电位和胶团结构示意图DPW-1型微电泳仪测量ζ -电位的原理如图4-2所示。

胶体分散相在直流电场作用下定向迁移。

胶粒通过光学放大系统将其运动情况投影到投影屏上。

通过测量胶粒泳动一定距离所需要的时间，计算出电泳速率。

依据赫姆霍茨方程即可计算出ζ -电位。

ζ= 3002 ×E v4εηπ伏特（4-1）式中，η为粘度，ε为介电常数，它们都是温度的函数。

v是电泳速率。

E是电位梯度（其值等于电极两端电压U除以电泳池的长度L ）。

根据欧姆定律：E = U / L = I R / L = i /（λo A）（4-2）式中：电阻R = ρL / A ；A为电泳池测量管截面积；λo = 1 / ρ为电导率；i为通过电泳池测量管的电流，其值可以通过电流表读得的电流值I乘以因子1 / f得到，即i = I / f。

因此，E = I /（f λo A）将E代入赫姆霍茨方程得：ζ=（3002 ×4 πη / ε）×（f A）×v λo / I （4-3）令 C = 3002×4 πη / ε（其值是一个与温度有关的常数，见表14-1 ）；B = f A （其值是取决于电泳池结构的仪器常数，标于仪器上），则有：ζ= C v λo B / I 毫伏（4-4）考虑到C ~ T（C值~温度）对应关系中物理量单位以及仪器常数中有关单位的限制，上述公式中各物理量的单位分别为：v —μm / s ；λo—Ω-1．cm-1；ζ—mV 。