Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálů Inorganic Chemistry David Sedmidubský Vysoká škola chemicko-technologická v Praze Ústav anorganické chemie VŠCHT Praha

Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálů Termická analýza a konstrukce fázových diagramů Fenomenologie fázových přechodů Kalorimetrické stanovení základních termodynamických veličin DfH, Cp(T): experiment vs. teorie Fázové diagramy T-x-pO2 Oxidová x kovová tavenina a chování v okolí kritického bodu Tepelná kapacita za konstantní aktivity kyslíku – saturační příspěvek Vliv nestechiometrie na Cp Nestechiometrie a další materiálové vlastnosti (ap, bT)

Termická analýza a klasifikace fázových přechodů P.Holba, J. Therm. Anal. Calorim. 120 (2015) 175

Termická analýza a klasifikace fázových přechodů P.Holba, J. Therm. Anal. Calorim. 120 (2015) 175

DTA/DSC – experimentální fázové diagramy, slučovací entalpie z rovnovážných dat O.Jankovský, D.Sedmidubský, Z.Sofer Phase Diagram of the Pseudobinary System Bi-Co-O Journal of the European Ceramic Society 33 [13-14] (2013) 2699-2704

DSC – entalpie fázových přechodů AEHgO2(s) → AEO(s) + Hg(g) + O2(g) AE = Ca, Sr, Ba

DSC – entalpie fázových přechodů b-SrMnO3 Pm3m a-SrMnO3 P63/mmc DH(ba) = 20 kJ/mol

Vhazovací kalorimetrie – měření rozpouštěcího tepla tavenina Na2O- MoO3 (3:4) tavenina PbO- B2O3 (2:1) ΔdsH(AExNb2O5+x) AExNb2O5+x (s) Nb2O5(l) + xAEO(l) + CO2(g) ΔdsH(Nb2O5) ΔdsH(AEO) ΔdsH(AECO3) ΔoxH Nb2O5(s) + x AEO(s) + CO2(g) AECO3(s) ΔdcH(AECO3) ΔoxH = xΔdsH(AEO) + ΔdsH(Nb2O5) – ΔdsH(AExNb2O5) ΔdsH(AEO) = ΔdsH(AECO3) – ΔdcH(AECO3) Substance T (K) ΔdsH (kJ mol–1) a) ΔoxH(298 K) DC ab-initio ΔoxH (298 K) Lit CaNb2O6 1073 196.8 ± 20.7 (8) –132 ± 24 –316 –159.8 c) –130.1 d) Ca2Nb2O7 195.7 ± 27.8 (8) –208 ± 32 –405 –147.3 c) –177.5 e) SrNb2O6 180.50 ± 15.7 (4) –168 ± 19 –318 –325.0 f) Sr2Nb2O7 167.54 ± 34.7 (4) –289 ± 37 –475 –367.4 f) J.Leitner, M.Nevřiva, D.Sedmidubský, P.Voňka, J.Alloy.Compd. 509 (2011) 4940

Slučovací entalpie směsných oxidů: DHox / Ry Ba – 0.196 Zr + 0.146 O + 0.646 Int. + 0.410 S + 1.006 / Ry Val. – 0.840 Cor. – 0.249 – 1.089 DHox – 0.083 Ry – 110 kJ/mol

Tepelná kapacita za nízkých teplot Adiabatická kalorimetrie Cp = Q/∆T Teplotní rozsah: 4.2 - 340 K Chladící kapaliny: He, N2

Tepelná kapacita za nízkých teplot Relaxační metoda / PPMS Teplotní rozsah: 1.8 - 400 K Chladící kapalina: He

Tepelná kapacita za nízkých teplot – Debyeův-Einsteinův model O. Jankovský, D. Sedmidubský, Z. Sofer, J. Leitner, K. Růžička, P. Svoboda Heat capacity, enthalpy and entropy of Sr14Co11O33 and Sr6Co5O15 Thermochimica Acta 575 (2014) 167-175

Entropie a nízkoteplotní Cp – vliv hmotnosti atomů a silových konstant: MgO vs. BaO

Entropie a nízkoteplotní Cp směsných oxidů DSox = S(ABO3) – S(AO) – S(BO2) BaZrO3

HF-DSC – dynamická vs. inkrementální metoda

Vhazovací kalorimetrie – stanovení relativních entalpií

Simultánní analýza dat LT-Cp, HF-DSC a vhazovací kalorimetrie J.Leitner, V.Jakeš, Z.Sofer, D.Sedmidubský, K.Růžička, P.Svoboda Heat capacity, enthalpy and entropy of ternary bismuth tantalum oxides J. Solid State Chem. 184 (2011) 241–245

Kyslíková nestechiometrie v oxidových systémech Látky vyměňující s okolím jednu či více složek : nestechiometrické oxidy, hydridy, hydráty, oxykarbonáty, sulfidy, … Obsah volné složky (kyslíku) v systému je určen její aktivitou Nastavení aktivity volné složky – řízená dynamická atmosféra (pO2 = konst.)

Systém Co-O: odmíšení a kritický bod

Systém Co-O: odmíšení a kritický bod

Fázové diagramy částečně otevřených systémů Systém Sr-Co-(O) pO2 = 0,21 pO2 = 1,0 O.Jankovský, D.Sedmidubský, J.Vítek, Z. Sofer, Phase equilibria in Sr-Co-O system in air atmosphere Journal of the European Ceramic Society 35 (2015) 935-940

Podmínky rovnováhy v částečně otevřených systémech Hypervolná energie: oxidy: Z = G – nOG°O2 /2 – RT ln(aO2) / 2 Z = ∑μj nj – (n°f+d) μf = ∑(μ°j + RT ln aj) nj – (n°f+d) (μ°f RT ln aj) nj = νjo+∑νjr.λr +νjf.δ intrinzické krystalochemické reakce: lr,eq: (∂Z/∂λr)δ,T,P =∑jνjr (μoj +RT ln aj) = ΔGor + RT ln Kr = 0 inkorporační reakce: deq : (∂Z/∂δ) T,P,λr = ∑jνjf (μoj +RT ln aj) – μof +RT ln af = ΔGoIf + RT ln Kif = 0 (∂Z/∂δ) T,P = (∂Z/∂δ) T,P,λr + ∑r(∂Z/∂λr)(∂λr/∂δ) = ΔGIf + ∑r ΔGr(∂λr/∂δ) = 0

Nestechiometrie jako funkce T a log af vlastní plutabilita: TGA, coulometrická titrace teplotní ftochabilita: TGA relativní parc. mol. entalpie: EMF galvanických článků

Nestechiometrie a tepelná kapacita Izochorická: Izobarická: Izopletní: Izodynamická: konstantní aktivita volné složky CP, Yf CP, af AnXm+d = n A1Xy Molální zlomek Yf = (m+d)/n = y af = pf /pof

Saturační příspěvek k izodynamické kapacitě = 1 pro A1Xy Nestechiometrický oxid MOn-d

Deviační příspěvek k Cp v důsledku nestechiometrie pro A1Xy Nestechiometrický oxid MOn-d entalpie vibračních modů volné složky

Kyslíková nestechiometrie Bi2Sr2CoO6+d Bi4Sr4CoO13 → Bi4Sr4CoO12 + ½ O2 Bi2Sr2CoO6.5 = –26.22 ± 0.24 kJ mol–1 = –13.19 ± 0.25 J mol–1 K–1

Tepelná kapacita Bi2Sr2CoO6+d Debye – Einsteinův model Cp = [(256.3±18.2) + (0.09708±0.02813)·T – (2.2284±0.8903)·106·T−2] J K−1mol−1

Tepelná kapacita Bi2Sr2CoO6+d Cp,δ=0.5 = Cp,δ + δ CO wi = 3 O. Jankovský, D. Sedmidubský, Z. Sofer, K. Rubešová, K. Růžička, P. Svoboda Oxygen non-stoichiometry and thermodynamic properties of Bi2Sr2CoO6+δ ceramics Journal of the European Ceramic Society 34 (2014) 1219-1225 θE3 = 655 K

Nestechiometrie a tepelná kapacita (Bi0.4Sr0.6)Sr2CoO5–d O2– + 2 Coz+→ [□O 2Co(z-1)+] + ½ O2 O.Jankovský, Z.Sofer, J.Vítek, P.Šimek, K.Růžička, P.Svoboda, D.Sedmidubský Structure, oxygen non-stoichiometry and thermal properties of (Bi0.4Sr0.6)Sr2CoO5-δ Thermochimica Acta, 600 (2015) 89-94

Vliv nestechiometrie na teplotní roztažnost a stlačitelnost tlaková ftochabilita: teplotní roztažnost izotermní stlačitelnost

Příspěvek nestechiometrie k dilatačnímu členu tepelné kapacity Dilatační člen Cp D.Sedmidubský, P.Holba Material properties of nonstoichiometric solids J.Therm.Anal.Calorim. 120 (2015) 183-188

Reference Termodynamické vlastnosti a kyslíková nestechiometrie P.Holba, D.Sedmidubský, Heat capacity equations for nonstoichiometric solids, J.Therm.Anal.Calorim.113 (2013) 239-245 D.Sedmidubský, P.Holba, Material properties of nonstoichiometric solids, J.Therm.Anal.Calorim. 120 (2015) 183-188 O. Jankovský, D. Sedmidubský, Z. Sofer, K. Rubešová, K. Růžička, P. Svoboda, Oxygen non-stoichiometry and thermodynamic properties of Bi2Sr2CoO6+δ ceramic J. Eur. Ceram. Soc. 34 (2014) 1219-1225. O. Jankovský, D. Sedmidubský, Z. Sofer, J. Leitner, K. Růžička, P. Svoboda, Heat capacity, enthalpy and entropy of Sr14Co11O33 and Sr6Co5O15, Thermochim. Acta 575 (2014) 167-172. O. Jankovský, D. Sedmidubský, K. Rubešová, Z. Sofer, J. Leitner, K. Růžička, P. Svoboda, Structure, non-stoichiometry and thermodynamic properties of Bi1.85Sr2Co1.85O7.7−δ, ceramics, Thermochim. Acta 582 (2014) 40-45. O. Jankovský, Z. Sofer, J. Vítek, P. Šimek, K. Růžička, P. Svoboda, D.Sedmidubský, Structure, oxygen non-stoichiometry and thermal properties of (Bi0.4Sr0.6)Sr2CoO5–δ, Thermochim. Acta 600 (2015), 89–94. O.Jankovský, Z.Sofer, J.Vítek, K.Růžička, S.Mašková, D.Sedmidubský, Thermodynamic properties of tubular cobaltite Bi3.7Sr11.4Co8O29–d , Thermochim. Acta 605 (2015) 22-27 Fázové diagramy – experiment a modelování D. Sedmidubský, V. Jakeš, O. Jankovský, J. Leitner, Z. Sofer, J. Hejtmánek, Phase Equilibria in Ca-Co-O system, J. Sol. St. Chem. 194 (2012) 199-205. O.Jankovský, D.Sedmidubský, Z.Sofer, Phase Diagram of the Pseudobinary System Bi-Co-O, Journal of the European Ceramic Society 33 [13-14] (2013) 2699-2704. O.Jankovský, D.Sedmidubský, J.Vítek, Z. Sofer, Phase equilibria in Sr-Co-O system in air atmosphere, Journal of the European Ceramic Society 35 (2015) 935-940. L.Nádherný, O.Jankovský, Z. Sofer, J.Leitner, Ch.Martin, D.Sedmidubský, Phase equilibria in the Zn-Mn-O System, Journal of the European Ceramic Society 35 (2015) 555-560. D. Sedmidubský, J. Leitner, O.Beneš, Phase Equilibria Modeling in Bi-Sr-Mn-O System, Calphad 30 (2006) 179-184.