稀有金属 1999,(05),349-352 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.1999.05.007
氟钽酸钾及其相关熔盐体系的密度
潘伦桃 王向东 舒永春 毛襄萍 施文峰
北京有色金属研究总院!北京100088,北京有色金属研究总院!北京100088,北京有色金属研究总院!北京100088,北京有色金属研究总院!北京100088,北京有色金属研究总院!北京100088,北京有色金属研究总院!北京100088
摘 要：
用阿基米德法测定了氟钽酸钾及其与氯化钠、氯化钾、氟化钠、氟化钾等混合熔盐体系在熔融状态下的密度， 用线性回归分析方法导出了各熔盐体系的密度与温度的关系。熔盐体系的密度和温度有良好的线性关系， 混合熔盐体系中密度大的组分含量高时， 该混合熔盐的密度也较大。
关键词：
氟钽酸钾 ;密度 ;阿基米德法 ;
中图分类号： O614.513
收稿日期： 收稿日期: 1998 - 06 - 30
Density of Potassium Fluotantalate and its Mixed Melt salt System
Abstract：
Abstract: The density of potassium fluotantalate and its mixed melt salt system with sodium chloride, potassium chloride, sodium fluoride and potassium fluoride are measured by Archimedes principle. The relation between the density and the temperature is achieved by linear regression. The results demonstrate that the relation between the density and the temperature of potassium fluotantalate and its mixed melt salt system has good linear relation. The density of mixed melt salt system with more proportion of higher density component is greater than that with less.
Keyword：
Potassium fluotantalate; Density; Archimedes principle;
Received： 收稿日期: 1998 - 06 - 30
小型化、 轻量化、 便携化是现在及将来电子设备发展的一个方向, 这就需要性能更高、 体积和重量更小的电子元器件, 钽电容器就是这样的一个例子。 由于氟钽酸钾还原和后处理工艺的进步, 钽粉的比容已由原来的几千 (3000 μFV/g) 提高到几万 (40000 μFV/g) , 进一步提高钽粉的比容和质量, 就需要更加深刻了解氟钽酸钾还原的机制和还原体系的性质。 本文是对氟钽酸钾及其相关熔盐体系密度的研究工作。
1 试验原理
熔体的密度一般由阿基米德法测定, 该方法是基于阿基米德原理: 浸入液体中的物体所受的浮力等于该物体所排开的液体的重量。 若将特制的重锤用细丝悬挂在天平上, 测出其浸入熔体前的重量M 1和浸入熔体后的重量M 2, 重锤在熔体中所受到的浮力 p =M 1-M 2, 则熔体的密度为:
ρ = (p +p 0 ) / (V +v ) (1)
p 0 是由表面张力引起的附加力 (p 0 =2πRσ cosθ , R 是细丝半径, σ 是熔体的表面张力, θ 是细丝与熔体的润湿角) ; V 是重锤的体积; v 为细丝浸入熔体部分的体积
[1 ]
。
在试验装置中使用的细丝与重锤材料一样, 并且控制重锤每次浸入熔体的深度相同 (包括重锤体积测定) , 这样浸入熔体中细丝的体积固定, 则体积V 0 =V +v 在一定温度下为定值。
由于试验中测定的是纯的熔盐体系, 其表面张力不大, 并且使用直径很细的细丝和体积较大的重锤, 可忽略表面张力引起的附力力p 0 。 这样式 (1) 变为:
ρ =p /V 0 = (M 1-M 2) /V 0 (2)
首先在室温纯水中测定重锤的体积, 在高温下要用线性膨胀系数校正重锤的体积V 0 , 可用Bockris等
[2 ]
提出的公式计算线性膨胀系数。
对于铂:
a m ×106 =8.88+1.28×10-3 t +0.04×10-6 t 2 (3)
式中t 为温度, ℃; a m 为线性膨胀系数, K-1 。
在不同温度T 下测得重锤在熔体中的重量M 2, 由式 (2) 计算熔体的密度ρ, 用多元线性回归分析、 高斯约旦法解线性方程组的方法确定密度ρ 与温度T 的关系。
ρ =b 0 +b 1 T +b 2 T 2 +…+b m T m (4)
对熔盐体系的研究结果表明, 密度ρ 与温度T 一般成一元线性关系
[3 ,4 ,5 ]
:
ρ =a +bT (5)
式中T 为绝对温度, K; ρ 为熔体密度, g/cm3 。
2 试验方法
2.1 试验装置
如试验示意图1所示: 用坩埚炉加热熔体, DT702控温仪控制坩埚炉温度, 热重天平称量重锤的重量 (精度0.1 mg) 。 盛熔体用坩埚、 重锤和吊丝均用白金材料制成。 试验中首先使重锤悬浮于已熔化的熔盐液面上, 慢慢升起坩埚, 通过天平重量变化确定重锤和熔盐液面的接触点, 然后使重锤沉入液面一定深度, 并且每次试验中控制这个深度一致。
图1 试验装置示意图
1 — 热重天平; 2 — 白金丝; 3 — 白金球; 4 — 白金坩埚 5 — 坩埚炉; 6 — 升降螺旋; 7 — 控温仪
2.2 试验试剂
氟钽酸钾K2 TaF7 由宁夏有色金属冶炼厂提供, 分析纯级。 氯化钠、 氯化钾、 氟化钠、 氟化钾均为分析纯级试剂。 购买的氟化钾含两个结晶水, 在镍坩埚中高温脱水使之成为不含结晶水的纯氟化钾, 存于干燥器中待用。
所用试剂在使用前经过100℃、 24 h干燥。 按重量比例配好于坩埚炉中熔融, 然后倒入钽皿中迅速冷却。 冷却的熔盐放入干燥器中待测密度。
3 结果分析
3.1 试验结果
不同配比的熔盐密度与温度的关系分别见表1～3。 其它体系的配比和线性分析结果见表4。
3.2 数据分析
根据文献
[
3 ,
4 ,
5 ]
, 单体熔盐密度与温度的关系为:
NaCl ρ =2.1365-5.4052×10-4 T
KCl ρ =2.1376-5.8445×10-4 T
NaF ρ =2.682-6.151×10-4 T
KF ρ =2.555-6.241.×10-4 T
由上述公式及表4结果, 计算了各单元体系及混合熔盐体系在1000～1500 K时的密度如表5所示。
表1 K2TaF7熔体的密度与温度的关系
T /K1071.15
1101.15
1124.15
1150.15
1171.15
1188.15
1214.15
-3 试验值
3.182
3.144
3.115
3.086
3.056
3.034
2.998
0.03
0.03
0.03
0.09
0
0
0.1
注: 计算值是由试验计算线性回归分析公式ρ =4.549-1.275×10-3 T 计算得到的
表2 K2TaF7∶NaCl=1∶1.15熔体的密度与温度的关系
T /K1042.15
1060.15
1093.15
1123.15
1142.15
1157.15
1273.15
-3 试验值
1.816
1.785
1.723
1.692
1.661
1.630
1.600
0.27
0.11
0.46
0.27
0.42
0
0.31
注: 计算值是由试验计算线性回归分析公式ρ =3.457-1.579×10-3 T 计算得到的
表3 K2TaF7∶KF∶NaF∶KCl=1∶1∶0.7∶2熔体的密度与温度的关系
T /K980.15
1003.15
1023.15
1043.15
1065.15
1119.15
1145.15
-3 试验值
1.933
1.920
1.907
1.892
1.877
1.835
1.820
0.10
0.05
0.10
0.05
0.05
0.16
0
注: 计算值是由试验计算线性回归分析公式ρ =2.620-6.989×10-4 T 计算得到的
表4 熔盐体系密度与温度的关系
编号
ρ =a +bT
2 TaF7 NaCl
KF
NaF
KCl
a -b
1
4.549
1.275×10-3
1
0.7
3.112
8.691×10-4
1
1
3.419
1.332×10-4
1
1.5
3.457
1.457×10-4
1
0.9
1.2
2.310
5.245×10-4
1
0.9
0.5
1.4
2.651
6.483×10-4
1
0.4
0.1
1
2.654
5.872×10-4
1
1
0.7
2
2.620
6.989×10-4
1
2
1.8
3.5
2.414
5.722×10-4
1
1
0.21
0.38
2.791
6.630×10-4
表5 不同温度下熔盐体系的密度/g·cm-3
T /K1000
1100
1200
1300
1400
1500
3.274
3.147
3.091
2.892
2.764
2.637
2.243
2.156
2.069
1.982
1.895
1.808
2.087
1.954
1.821
1.687
1.554
1.421
2.000
1.854
1.709
1.563
1.417
1.272
1.786
1.733
1.681
1.628
1.576
1.523
2.003
1.938
1.873
1.808
1.743
1.679
2.067
2.008
1.949
1.891
1.832
1.773
1.921
1.851
1.781
1.711
1.642
1.572
1.842
1.785
1.727
1.670
1.613
1.556
2.128
2.062
1.995
1.929
1.863
1.797
1.596
1.542
1.488
1.434
1.380
1.326
1.553
1.495
1.436
1.378
1.319
1.261
2.067
2.005
1.944
1.882
1.821
1.759
1.931
1.868
1.806
1.744
1.681
1.619
以上结果表明: ① 各熔盐体系随温度的升高密度明显下降, 和温度呈良好的线性关系。 ② 在混合熔盐体系中, 密度大的单体盐含量高时, 混合熔盐的密度也增大。 ③ 含有NaCl的熔盐体系, 测定过程中熔盐体系有发烟现象, 因此该类体系密度和温度的线性关系有一定偏差。
3.3 试验结果误差分析
3.3.1 表面张力的忽略
熔盐体系的表面张力范围一般为0.1～0.2 N·m-1 (在1000 K时NaCl表面张力为0.123 N·m-1 ) 。 本试验细丝的直径为0.1 mm, 取最大湿润角则cosθ =1, 因此最大的表面张力p =2πRσ cosθ =6.4×10-5 N。 测试时最小的浮力变化为0.03 N, 则由于忽略表面张力而引起的最大误差为0.2%。
3.3.2 空气浮力的忽略
在测定白金重锤的体积时, 忽略了空气浮力的影响, 这一忽略引起的误差=空气的密度/水的密度, 25℃时空气的密度是1.18×10-3 g/cm3
[6 ]
, 因此这一误差为0.12%。
总之本试验方法测试结果的误差在0.5%之内。
4 结 论
测定了氟钽酸钾及其相关系列熔盐体系的密度, 并导出了密度与温度的线性关系, 熔盐体系中密度大的组分含量高时, 其密度也较大。
参考文献
[1] 王常珍冶金物理化学研究方法 ( 修订版) 北京:冶金工业出版社, 1992 .365 , 367
[2] Bockris J O M et al. Physicochemica Measurements at High Tempreture . London : Butterworths Scientific Publications, 1959 .194
[3] Janz G J, Tomkins R P T et al. J. Phys. Chem . Ref. Data , 1975 , 4 (4) :874
[4] Janz G J. Gardner R Let al. J. Phys . Chem . Ref. Data , 1974 , 3 (1) :2
[5] Janz G J, Tomkins R P T et al. J. Phys. Chem . Ref. Data , 1979 , 8 (2) :139
[6] 姚允斌, 解涛, 高英寿物理化学手册上海: 上海科学技术出版社, 1985 .490
