48
Chemické a fázové Chemické a fázové rovnováhy rovnováhy v heterogenních systémech v heterogenních systémech http://www.vscht.cz/ipl/osobni/leitner/prednasky/fchr/FCHR.htm http://www.vscht.cz/ipl/osobni/leitner/prednasky/fchr/FCHR.htm 7 7 .1 .1 Kalorimetrie - úvod, přehled metod Kalorimetrie - úvod, přehled metod 7 7 .2 .2 Měření tepelných kapacit Měření tepelných kapacit 7 7 .3 .3 Měření rozpouštěcích tepel Měření rozpouštěcích tepel 7.4 Měření reakčních tepel 7.4 Měření reakčních tepel 7 7 . . 5 5 Rovnovážné metody – fázové a chemické rovnováhy Rovnovážné metody – fázové a chemické rovnováhy 7.6 Rovnovážné metody – měření EMN galvanických 7.6 Rovnovážné metody – měření EMN galvanických článků článků

Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

  • Upload
    boyce

  • View
    50

  • Download
    0

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech. 7 .1 Kalorimetrie - úvod, přehled metod 7 .2 Měření tepelných kapacit 7 .3 Měření rozpouštěcích tepel 7.4 Měření reakčních tepel 7 . 5 Rovnovážné metody – fázové a chemické rovnováhy 7.6 Rovnovážné metody – měření EMN galvanických článků. - PowerPoint PPT Presentation

Citation preview

Page 1: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

1

Chemické a fázové rovnováhyChemické a fázové rovnováhyv heterogenních systémechv heterogenních systémech

http://www.vscht.cz/ipl/osobni/leitner/prednasky/fchr/FCHR.htmhttp://www.vscht.cz/ipl/osobni/leitner/prednasky/fchr/FCHR.htm

77.1 .1 Kalorimetrie - úvod, přehled metodKalorimetrie - úvod, přehled metod

77.2 .2 Měření tepelných kapacitMěření tepelných kapacit

77.3 .3 Měření rozpouštěcích tepelMěření rozpouštěcích tepel

7.4 Měření reakčních tepel7.4 Měření reakčních tepel

77..55 Rovnovážné metody – fázové a chemické rovnováhyRovnovážné metody – fázové a chemické rovnováhy

7.6 Rovnovážné metody – měření EMN galvanických článků7.6 Rovnovážné metody – měření EMN galvanických článků

Page 2: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

2

Experimentální metody získávání Experimentální metody získávání termodynamických dat pevných látektermodynamických dat pevných látek

http://www.vscht.cz/ipl/termodyn/uvod.htmhttp://www.vscht.cz/ipl/termodyn/uvod.htm

Page 3: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

3

Vlastnost Jak na to

Tepelné kapacity Cpm

→ Sm = ∫(Cpm/T)dT

Relaxační časAdiabatická kalorimetrie (AC)Diferenční scanovací kalorimetrie (DSC)

Relativní entalpieHm(T) – Hm(Tref)

Vhazovací kalorimetrie (DROP)

Entalpie fázových přeměn I. řádu (ΔtrH, ΔfusH)

Diferenční scanovací kalorimetrie (DSC)Rozpouštěcí kalorimetrie

Slučovací entalpie ΔslH

Reakční kalorimetrie• přímé slučování• jiná reakce (spalování, …)Rozpouštěcí kalorimetrie

Směšovací entalpie ΔHM Směšovací kalorimetrieRozpouštěcí kalorimetrie

Kalorimetrické metodyKalorimetrické metodyMěření termofyzikálních a termochemických veličin

(Cp, H(T2)-H(Tref), ΔtrH, ΔfusH, ΔrH, ΔsolH, ΔH M )

Page 4: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

4

Klasifikace kalorimetrůKlasifikace kalorimetrů

cc s

dd

d d

TqC K T T

t t

► Izotermní: ΔT = 0, Ts = konst.

► Adiabatický: ΔT = 0, Ts konst.

► Izoperibolický: ΔT 0, Ts = konst.

► Heat-flow: ΔT = konst., Ts konst.

TsTc dZdroj : =

d

qQ

t

cdAkumulace :

d

TC

t

Přestup: K T Tc s

Page 5: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

5

Metoda 10-1 K 100 K 101 K 102 K 103 K

Tepelně pulzníACDSC

DROP

Měření tepelných kapacitMěření tepelných kapacita relativních entalpiía relativních entalpií

m0

lim p mp

Tp

q HC

T T

ref

m m ref m dT

p

T

H T H T C T

Page 6: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

6

Tepelně pulzní kalor.PPMS (Quantum Design)

2 – 300 K

Hmotnost 15 mg

Přesnost ± 2 %.

m 0x

p xx

MC c c

m

2

max

RIC

T

0 20 40 60 800,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

T [

K]

t [s]

max expt

T t T

Měření tepelných kapacit Měření tepelných kapacit (1)(1)

Page 7: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

7

LT FitExperimentální Cp data (2-300 K)

a) T < 10 K

2el

pmCT

T

3D

3el ph elpmC C C T T

γel

ΘD

CaNbCaNb22OO66

2 3el D,pmC T cT

Page 8: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

8

LT FitExperimentální Cp data (2-300 K)

b) T = 10 – 360 K

Metoda trial-and-error + optimalizace (simplex)

Cpm(298,15), Hm(298,15) Hm(0), Sm(298,15)

33

1phEphDph

n

iiCCC

x

x

xx

Θ

T

TC d

1)exp(

)exp(

1

9 Dx

02

43

DDphD

R

2E

E2E

EphE

1exp

exp

1

i

ii

ii

x

xx

TC

R

ΘE αE αD

Page 9: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

9

Měření tepelných kapacit Měření tepelných kapacit (2)(2)

PPMS (Quantum Design)

0 50 100 150 200 250 300 350 4000

50

100

150

200

Cp

m (

J K

-1m

ol-1

)

T (K)

RT-Exp DSC-Exp LT-Fit

0 10 20 30 40 50 600

2

4

6

8

10

12

T2 (K2)

Cpm

/T (

mJ

K-2m

ol-1)

CaNbCaNb22OO66

Page 10: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

10

• Kelímek 0,45 cm3 (korund nebo Pt)• Teplota 300 - 1450 oC• Rychlost ohřevu 0,01 - 20 oC/min• Kontinuální nebo krokový režim• Plynná atmosféra definovaného složení (statická nebo dynamická)

• Kalibrace - Al2O3 (standard NIST No.720)

Měření tepelných kapacit Měření tepelných kapacit (3)(3)

Multi HTC 96 SETARAM (Francie)HF-DSC

Page 11: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

11

Měření tepelných kapacit Měření tepelných kapacit (4)(4)

Page 12: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

12

Tři měření: blank(b), reference(r), vzorek(s)

Postup:1) integrace píků2) korekce ploch píků na blank

Pr,kor = Pr - Pb, Ps,kor = Ps - Pb

3) výpočet sensitivity S = Qr /Pr,kor, Qr = nr ∫Cpm,r dT

4) výpočet hodnoty molární tepelné kapacity vzorkuQs = S.Ps,kor, Cpm,s = Qs /T/ns

Měření tepelných kapacit Měření tepelných kapacit (5)(5)

Page 13: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

13

• Kelímek 5 cm3 (korund nebo Pt)• Teplota 300 - 1500 oC• Plynná atmosféra definovaného složení (statická nebo dynamická)

• Kalibrace - Al2O3 (standard NIST No.720)

Multi HTC 96 SETARAM (Francie)

Měření relativních entalpií Měření relativních entalpií (1)(1)

DROP

Page 14: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

14

Měření relativních entalpií Měření relativních entalpií (2)(2)

Page 15: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

15

Vyhodnocení experimentálních dat (1)

Přímá měření tepelných kapacit [Ti,Cpm,i]

m 2

CA BpC T

T

2

m, 2

CA B minp i i

i i

F C TT

m, 2

m, 2

m, i 2 2

C2 A B ( 1) 0

A

C2 A B ( ) 0

B

C 12 A B ( ) 0

C

p i ii i

p i i ii i

p ii i i

FC T

T

FC T T

T

FC T

T T

Page 16: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

16

m 2

CA BpC T

T

2

2 2m,

B 1 1A 298 298 C min

2 298i i ii i

F H T TT

29811

C2982B

298-TA)298()( 22mm T

THTH

min298

CB298A)298(λ 2pmVP

CFF

Vyhodnocení experimentálních dat (2)

Měření relativních entalpií [Ti,Hm,i]

m 298,15KpC

Page 17: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

17

Vyhodnocení teplotní závislost Cpm pro FeAsz měření relativních entalpií (1)

800 900 1000 1100 1200 130025

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

Cpm

(298) = 50,36 J.K-1.mol

-1

A = 32.696B = 0.0411C = 4,807E5 = 245,8

A = -9.988B = 0.0757C = 6,459E6 = 36,08

Cpm

= A + B.T + C/T2

- VP + VP

FeAs

H

m(T

)-H

m(2

98)

[kJ.

mol

-1]

T [K]

Page 18: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

18

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

50

55

60

65

70

75

80

85

90

84,47

50,36

- VP

+ VP

FeAs

C

pm [J

.K-1.m

ol-1]

T [K]

Vyhodnocení teplotní závislost Cpm pro FeAsz měření relativních entalpií (2)

Page 19: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

19

HT FitExperimentální Cp data + H data + Cpm(298,15)

2

CA BpmC T

T

, ,

2 2

m,exp m,calc ,exp ,calc2 2

1 1( , , ) min

Cp H

p i m i

N N

p p m mi ii iC H

F A B C C C H H

m2

CA 298,15 298,15 K, LT-Fit

298,.5 pB C

m dpmH C T A B C

Page 20: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

20

0 200 400 600 800 1000 1200 14000

50

100

150

200

2503NR

C

pm (

J K

-1 m

ol-1

)

T (K)

RT-Exp DSC-Exp LT-Fit HT-Fit (Eq.4) NKR

CaNbCaNb22OO66

Vyhodnocení experimentálních dat (2)

Page 21: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

21

Měření rozpouštěcích tepel Měření rozpouštěcích tepel (1)(1)

o oA 0 A A A AA , A-B , , A-B , ,n s T n l T x n n l T x x

osol m A m 0

A

o o Mm m 0 fus m A

(A) A, , , A, ,

A, , A, , A, , A, , ,

HH H l T x H s T

n

H s T H s T H s T H l T x

Rozpouštění Pd(s) v [Ag-Pd](l)T0= 299 K

T = 1702 K

(TF(Pd) = 1828 K)

no(Pd,s) = 0,387 mmol (41,2 mg)

no(Ag,l) = 5,575 mmol (601,4 mg)

x(Pd,l) = 0.0649

Q = 13,145 J

ΔH M(Pd) = -24349 J mol-1

13.15

16.09

6.48

-9.43

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

H (J

)

Page 22: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

22

Měření rozpouštěcích tepel Měření rozpouštěcích tepel (2)(2)

Rozpouštědlo Rozpouštěné látky Teplota (K) Stanovená veličina

HCl Mg2Zn3 298 K ΔfH(Mg2Zn3)

HCl BaCuO2 298 K ΔfH(BaCuO2)

HF/HNO3

Li2O-Al2O3-SiO2(gl)

Li2O-Al2O3-SiO2(cr)298 K ΔcrystH

Al Ce, Ni, CeNi2 1095 K ΔfH(CeNi2)

Ge Cr 1300 K ΔH M[Cr-Ge](l)

2PbO.B2O3

Al2O3, Y2O3,

YAlO3, Y3Al5O12

977 KΔfH(YAlO3)

ΔfH(Y3Al5O12)

3Na2O.4MoO3 Li3N 979 K ΔfH(Li3N)

3Na2O.4MoO3 LiFeO2(α), LiFeO2(β) 974 K ΔtrH(LiFeO2)

3Na2O.4MoO3

Fe3O4, Mn3O4,

(Fe1–xMnx)3O4

976 K ΔH M(Fe1–xMnx)3O4

ethanol/chloroformkofein(cr,I)kofein(cr,II)

298 ΔtrH(C8H10N4O2)

Page 23: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

23

Měření rozpouštěcích tepel Měření rozpouštěcích tepel (3)(3)

Příklad 1: Stanovení parciálních molárních směšovacích entalpií

M o oPd sol Pd m m 0 fus m

Pd

1Pd, , , (Pd) Pd, , Pd, , Pd, ,H l T x H n H s T H s T H s T

n

Luef C. et al. : J. Alloys Compounds 391, 67-76 (2005)

Vzor.n(Pd)

(mmol)

Σn(Pd)

(mmol)x(Pd)

(mJ) (J mol-1) (J mol-1)

1 0.387 0.387 0.06 13145 -24349 -1581

2 0.387 0.774 0.12 12599 -25714 -3050

3 0.409 1.182 0.17 17560 -15344 -3793

4 0.438 1.620 0.23 17391 -18568 -4692

5 0.457 2.076 0.27 20298 -13851 -5238

6 0.465 2.542 0.31 22272 -10443 -5537

7 0.488 3.029 0.35 27647 -1617 -5315

8 0.513 3.543 0.39 27296 -5135 -5304

9 0.528 4.071 0.42 29132 -3135 -5186

10 0.556 4.626 0.45 31136 -2286 -5028

11 0.470 5.096 0.48 27535 292 -4793

sol PdH M PdH MmH

Page 24: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

24

Měření rozpouštěcích tepel Měření rozpouštěcích tepel (4)(4)

Příklad 1: Pokračování

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6-40000

-30000

-20000

-10000

0

run #1 (1399 °C) run #2 (1429 °C) run #3 (1429 °C) RK equation

H M

(Pd)

(Jm

ol-1)

xPd(Ag-Pd)

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

-6000

-5000

-4000

-3000

-2000

-1000

0 run #1 (1399 °C) run #2 (1429 °C) run #3 (1429 °C) RK equation

H M

(Jm

ol-1

)x

Pd(Ag-Pd)

Mm Ag Pd Ag Pd19141 15925H x x x x

M o osol Pd m m 0 fus mo

Ag Pd

1Ag-Pd, , (Pd) Pd, , Pd, , Pd, ,H l T H n H s T H s T H s T

n n

Page 25: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

25

Měření rozpouštěcích tepel Měření rozpouštěcích tepel (5)(5)

Kanke Y., Navrotsky A. : J. Solid State Chem. 141, 424-436 (2005)

REsolHm(RE2O3)

(kJ mol-1)

solHm(REAlO3)

(kJ mol-1)

oxH(REAlO3)#

(kJ mol-1)

Y -61,7 ± 1,1 9,24 ± 1,72 -23,62 ± 1,83

La -126,0 ± 4,4 16,64 ± 1,19 -63,17 ± 2,52

Nd -89,1 ± 5,7 15,28 ± 2,88 -41,36 ± 3,44

Sm -79,4 ± 4,1 14,32 ± 2,52 -37,55 ± 3,26

Eu -68,4 ± 1,3 12,79 ± 2,50 -30,52 ± 2,60

Gd -72,6 ± 3,4 12,50 ± 2,40 -32,33 ± 2,96

Dy -50,9 ± 1,2 12,41 ± 1,17 -21,39 ± 1,35

# oxH(REAlO3) = ½[solHm(RE2O3) + solHm(Al2O3)] – solHm(REAlO3), solHm(Al2O3) = 32,9 ± 0,6 kJ mol-1

o o of 0 m 0 m 0 m 0

sol sol

A B , , A B , , A, , B, ,

A B A B

a b a b

a b

H s T H s T aH s T bH s T

H a b H

Příklad 2: Stanovení slučovacích entalpií

Page 26: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

26

Direct synthesis calorimetry(Prof. Kleppa, University of Chicago)Intermetalické sloučeniny, boridy, karbidy, silicidy, arsenidy…La(s,298) + 2C(s,298) = LaC2(s,1473)

LaC2(298) = LaC2(s,1473)

Fluorine combustion calorimetry(Dr. O’Hare, NIST)Silicidy, nitridy, sulfidy, teluridy, ...Mo3Si(s) + 11F2(g) = 3MoF6(g) + 3SiF4(g)

Si3N4(s) + 6 F2(g) = 3 SiF4(g) + 2N2(g)

Měření reakčních tepel Měření reakčních tepel (1)(1)

Page 27: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

27

Měření reakčních tepel Měření reakčních tepel (2)(2)

Příklad 3: Stanovení slučovací entalpie ze spalných tepel

2 4 6GeTe(s) + 5F (g) = GeF (g) + TeF (g)

GeTe(s)T = 298,15 KSpalné teplo Q[V] = -12721 J g-1

MGeTe = 200,21 g mol-1

or r r g

3 112,721 200,21 3 298,15 8,314.10 2554,3 kJ mol

H U V p U n T

R

o o o of r f 4 f 6

1

GeTe,s GeF ,g TeF ,g

2554,3 1191,8 1380,7 18,2 kJ mol

H H H H

Tomaszkiewicz I. et al. : J. Chem. Thermodynamics 27, 901-919 (1995)

Page 28: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

28

RovnovážnéRovnovážné metody metodyMěření rovnovážných konstant chemických reakcí (→ G)

Měření EMN galvanických článků (→ G)

1

A 0N

i ii

Obecná chemická reakce

Rovnovážná konstanta

or

1

expi

N

ii

G Ta K T

T

R

o o o o or r r m m

1 1

N N

i ii i

G T H T T S T v H T T v S T

Page 29: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

29

Experimentální stanovení rovnovážné konstantyExperimentální stanovení rovnovážné konstanty

4 2 3SiCl (g) + H (g) = SiHCl (g) + HCl(g)

3

4 2

SiHCl HCl

SiCl H

p pK T

p p

4 2SiCl (g) + 2H (g) = Si(s) + 4HCl(g)

4 2

4 2 4 2

44HCl

Si22 o o o oSiCl H SiCl H SiCl H

4;

2

p pK T n

p p n n n n

Page 30: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

30

Zpracování rovnovážných dat Zpracování rovnovážných dat (1)(1)

2nd law analysis

Z teplotní závislost rovnovážné konstanty současně určíme hodnoty teplotně nezávislé standardní reakční entalpie rHo(Ts ) a teplotně

nezávislé standardní reakční entropie rSo(Ts ) pro střední teplotu

měření Ts = ½(Tmax+Tmin). Pro studovanou látku musíme znát

teplotní závislost Cpm(T).

o o or r s r slnG T S T H T

K TT T

R R R

Page 31: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

31

Zpracování rovnovážných dat Zpracování rovnovážných dat (2)(2)

0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.00

4

8

12

16

ln K

1000/T (K-1) o

r sS T A R

lnB

K AT

s

ro o or s r m

1298,15

d 298,15K ( )T N

pi

i

CS T T S S i

T

s

o o or s r r sl

1298,15

d 298,15K ( )T N

p ii

H T C T H H i

or sH T B R

Page 32: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

32

Zpracování rovnovážných dat Zpracování rovnovážných dat (4)(4)

3rd law analysis

Z hodnoty rovnovážné konstanty při dané teplotě Tj určíme hodnotu

standardní reakční entalpie rHo(298,15 K). Pro studovanou látku

musíme znát teplotní závislost Cpm(T) a hodnotu Som(298,15 K).

or

lnj

j

G TK T

T

R

ro or r r

298,15 298,15

o or sl

1

298,15K d d

298,15K ( )

j jT T

pj j p

N

ii

CG T T S T C T

T

H H i

o o om m mo o

m m

298,15 298,15

298,15K1298,15K d d -funkce

T Tp

p

C G T HS T C T G

T T T

Page 33: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

33

Zpracování rovnovážných dat Zpracování rovnovážných dat (3)(3)

Příklad 4: Stanovení slučovací entalpie z rovnovážných dat

Iway T. et al.: Metall. Trans. A 17A, 2031-2033 (1986)

2 4WC(s) + 2H (g) = W(s) + CH (g)

T (K) 103/T (K-1) 104 prel(CH4) 104 K lnK

1173 0,853 4,637 4,641 -7,675

1223 0,818 4,108 4,111 -7,797

1273 0,786 3,377 3,380 -7,992

1273 0,786 3,395 3,397 -7,987

1273 0,786 3,393 3,395 -7,988

1323 0,756 2,929 2,931 -8,135

1373 0,728 2,322 2,323 -8,367

1373 0,728 2,274 2,275 -8,388

1423 0,703 2,069 2,069 -8,483

1473 0,679 1,777 1,778 -8,635

1523 0,657 1,593 1,593 -8,745

1573 0,636 1,448 1,448 -8,840

0.6 0.7 0.7 0.8 0.8 0.9-9.0

-8.8

-8.6

-8.4

-8.2

-8.0

-7.8

-7.6lnK = 5,696*(1000/T) - 12,486

ln K

1000/T (K-1)

or

o o -1r r

max min

ln

47357 J, 103,81JK

2 1373K

G aK b

T T

H a S b

T T T

R

R R

4

2

CH

2H

pK

p

Page 34: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

34

Zpracování rovnovážných dat Zpracování rovnovážných dat (5)(5)

Příklad 4: Pokračování

Iway T. et al.: Metall. Trans. A 17A, 2031-2033 (1986)

o o or r r m

298,15

or mo o -1

r r

298,15

298,15K d 47357 19904 27453J

298,15K d 103,81 34,56 69,25JK

T

p

Tp

H H C T

CS S T

T

o o o -1sl r sl 4

o o o o om r m 4 m m 2

-1 -1

WC,298,15K 298,15K CH ,298,15K 27453 74872 47419Jmol

WC,298,15K 298,15K CH ,298,15K W,298,15K 2 H ,298,15K

69,25 186,25 32,66 2 130,68 26,80JK mol

H H H

S S S S S

o -1sl

o -1 -1m

Tabelované hodnoty (Barin, 1993)

WC,298,15K 40166Jmol

WC,298,15K 32,384JK mol

H

S

Page 35: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

35

Zpracování rovnovážných dat Zpracování rovnovážných dat (5)(5)

T (K) 104 prel(CH4) 104 K ΔrGo(T ) (J) ΔrHo(298,15 K) (J)

1173 4,637 4,641 74853 -33017

1223 4,108 4,111 79277 -33998

1273 3,377 3,380 84590 -34101

1273 3,395 3,397 84537 -34154

1273 3,393 3,395 84543 -34148

1323 2,929 2,931 89480 -34641

1373 2,322 2,323 95516 -34043

1373 2,274 2,275 95754 -33805

1423 2,069 2,069 100364 -34642

1473 1,777 1,778 105747 -34711

1523 1,593 1,593 110728 -35188

1573 1,448 1,448 115611 -35764

or

o o o -1sl r sl 4

298,15K 34351J

WC,298,15K 298,15K CH ,298,15K 34351 74872 40521Jmol

H

H H H

Příklad 4: Pokračování

Page 36: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

36

Napětí článku je rozdíl elektrodových potenciálů (závisí na protékajícím proudu I ). Elektromotorické napětí článku (EMN) je napětí

nezatíženého článku (proud I → 0)

anoda oxidace, katoda redukce

Měření EMN galvanických článků (1)

Page 37: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

37

Měření EMN galvanických článků (2)

G z E F

Probíhá-li v článku při [T,p] vratný děj, pak platí

p p

G ES z

T T

F

p

EH G T S z E T

T

F

Page 38: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

38

Koncentrační (Concentration)

Základní typy galvanických článků

Chemické (Formation)

2 2Mg(s) MgCl (l) Cl (g)

2

2

MgCl (l)or r

Cl (g)

lna

G G G Tp

R

2 2Mg(s) + Cl (g) = MgCl (l)

2 2 2Mg(l),MgF (s) CaF (s) MgF (s),[Mg-Sn](l)

Mg Mg[Mg-Sn]Mg(l, = 1) = Mg(l, < 1)a a

MMg Mg[Mg-Sn](l)lnG G T a R

Page 39: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

39

Vodné roztoky anorganických látek (HCl, H2SO4, …)

Používané elektrolyty (1)

2 2 2H S(g),W(s),WS (s) HCl(aq) H (g)

+2 2: 2H S(g) + W(s) = WS (s) + 4H + 4e

+2: 4H + 4e = 2H (g)

2 2 2W(s) + 2H S(g) = WS (s) + 2H (g)

2

2

2

Hor r

H S

ln 4p

G G T Ep

R F

Page 40: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

40

Roztavené soli (NaCl-KCl, LiCl-KCl-PbCl2, LiCl-LiF, AgBr-LiBr, …)

Používané elektrolyty (2)

2Mg(l) LiCl-KCl-MgCl (l) [Mg-Al](l)

2: Mg(l) + 2Cl = MgCl (l) + 2e

2: MgCl (l) + 2e = Mg(l,[Mg-Al]) + 2Cl

Mg(l) = Mg(l,[Mg-Al])

Mg[Mg-Al](l)ln 2T a ER F

Page 41: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

41

Pevné elektrolyty (ZrO2-CaO, HfO2-Y2O3, Na2O-xAl2O3, CaF2, MgF2)

Používané elektrolyty (3)

2 2 2 2 2 3 2O (g),BaO(s),BaF (s) BaF (s) BaF (s),ZrO (s),BaZrO (s),O (g)

2 2: 2BaO(s) + 4F = 2BaF (s) + O (g) + 4e

2 2 2 3: 2BaF (s) + 2ZrO (s) + O (g) + 4e = 2BaZrO (s) + 4F

2 2 32BaO (s) + 2ZrO (s) = 2BaZrO (s)

o oox 2G E F

Page 42: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

42

Galvanické články s pevnými elektrolyty

Page 43: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

43

Příklad 5: Stanovení slučovací entalpie z EMN

Galvanické články s pevnými elektrolyty

2 4 2 2 3 2 3Cr(s),CaO(s),CaCr O (s) ThO -Y O (s) Cr(s),Cr O (s)

Jacob K.T. et al. : J. Electrochem. Soc. 139, 517-520 (1992)

2 3 2 4CaO(s) + Cr O (s) = CaCr O (s)

21050 1475K : mV 105,3 1,95.10T E T

Elektrodové reakce:

22 4: CaO(s) + 2Cr(s) + 3O = CaCr O (s) + 6e

22 3: Cr O (s) + 6e = 2Cr(s) + 3O

Úhrnná reakce v článku:

Page 44: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

44

Příklad 5: Stanovení slučovací entalpie z EMN

Galvanické články s pevnými elektrolyty

Jacob K.T. et al. : J. Electrochem. Soc. 139, 517-520 (1992)

2 3 2 4CaO(s) + Cr O (s) = CaCr O (s)

Úhrnná reakce v článku:

o 1 o 2 3ox Jmol 6 6 96500 105,3 1,95.10 .10 60969 11,291G E T T F

o 1 o 1 1ox ox60969 Jmol 11,291 JK molH S

o o o of 2 4 ox f f 2 3

1

CaCr O CaO Cr O

60,97 635,09 1140,56 1836,62 kJmol

H H H H

Page 45: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

45

Galvanické články s pevnými elektrolyty

Příklad 5: Stanovení slučovací entalpie z EMN

Příklad 6: Stanovení aktivity z EMN

22 4: CaO(s) + 2Cr(s) + 3O = CaCr O (s) + 6e

22 3: Cr O (s) + 6e = 2Cr(s) + 3O

22 3: 2Cr(s) + 3O = Cr O (s) + 6e

22 3: Cr O (s) + 6e = 2Cr(l) + 3O

2 3 2 4CaO(s) + Cr O (s) = CaCr O (s)

Cr(s) = Cr(l,[Cr-Ni])

Page 46: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

46

Příklad 6: Stanovení aktivity z EMN

Galvanické články s pevnými elektrolyty

2 3 2 2 3Cr(s),Cr O (s) ZrO -MgO(s) [Ni-Cr](l),Cr O (s)

Katayama Y. et al.: Trans. Jpn. Inst. Metals 28, 558-563 (1987)

Cr 0,5 : mV 275,5 0,17x E T

Cr(s) = Cr(l,[Cr-Ni])

22 3: 2Cr(s) + 3O = Cr O (s) + 6e

22 3: Cr O (s) + 6e = 2Cr(l) + 3O

Elektrodové reakce:

Úhrnná reakce v článku:

Page 47: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

47

Příklad 6: Stanovení aktivity z EMN

Galvanické články s pevnými elektrolyty

Katayama Y. et al.: Trans. Jpn. Inst. Metals 28, 558-563 (1987)

Úhrnná reakce v článku:

3 1fus Cr[Cr-Ni](l)Cr ln 3 3 96500 275,5 0,17 .10 JmolG G T a E T R F

11783K : 8199,6 JmolT G

Cr(s) = Cr(l,[Cr-Ni])

1Cr[Cr-Ni](l)

17831783K : ln 8199,6 20497 1 11538,78 J mol

2130T T a

R

Cr[Cr-Ni](l) 0,46a

Page 48: Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech

3.11.2010 J.Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCH Praha

48

Literatura

Kubaschewski O., Alcock C.B., Spencer P.J.: Materials Thermochemistry, 6th Ed., Chap.2. Experimental Methods, Pergamon, 1993. Höhne G.W.H., Hemminger W.F., Flammersheim H.-J.: Differential Scanning Calorimetry, 2nd.Ed. Springer, Berlin-Heidelberg 2003. Marsh K.N., O’Hare P.A.G. (Eds.): Solution Calorimetry, Experimental Thermodynamics, Vol. IV, Blackwell, Oxford 1994. Pratt J.N.: Applications of solid electrolytes in thermodynamic studies of materials: a review, Metallurgical Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science 21A (1990) 1223-50. Komarek K. L.: Experimental techniques in high-temperature thermodynamics, Pure and Applied Chemistry 64 (1992) 93-102. Mallika C., Sreedharan O.M., Subasri R.: Use of air/platinum as the reference electrode in solid oxide electrolyte e.m.f. measurements, Eur. Ceram. Soc. 20 (2000) 2297-2313. Kleykamp H.: Highlights of experimental thermodynamics in the field of nuclear fuel development, J. Nuclear Mater. 344 (2005) 1-7.