7.5.2005J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha 1 Metody pro odhad termodynamických dat anorganických látek v pevném stavu

Prezentace na téma: "7.5.2005J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha 1 Metody pro odhad termodynamických dat anorganických látek v pevném stavu"— Transkript prezentace:

1 7.5.2005J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha 1 Metody pro odhad termodynamických dat anorganických látek v pevném stavu http://www.vscht.cz/ipl/termodyn/uvod.htm

2 7.5.2005J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha 2 Metody příspěvkové Typy příspěvků: atomární (Al, O) iontové (Al 3+, O 2- ) skupinové (Al 2 O 3, (AlO 2 ) - ) strukturní Al 2 O 3, CN = 4, 5, 6 Metody korelační Typy korelací:  f H(AB) = f [Δx i ]  f H (ABC) = f [  f H(AC),  f H(BC)]  ox H = f [z + i / r i ]  ox H = f [1-t]  f G(MeO,s) = f [  f G (Me 2+,aq)] S m = f [V m ] ΔS F = f [T F ]

3 7.5.2005J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha 3 Molární tepelné kapacity Binární sloučeniny A m B n (CaF 2, Al 4 C 3, MgNi 2 ): Neumannovo-Koppovo pravidlo Kubaschewski & Ünal (1977) Huang & Xu – iontové sloučeniny (1989) Huang & Xu – intermetalické sloučeniny (1989) Hurst & Harrison (1992) Golam Mostafa et al. (1996) Komplexní sloučeniny A m B n C p (Na 2 CO 3, TaOCl 3, KAlSi 2 O 6 ): Neumannovo-Koppovo pravidlo Kubaschewski & Ünal (1977) Berman & Brown (1985) Golam Mostafa et al. (1996)

4 7.5.2005J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha 4 Neumannovo-Koppovo pravidlo Molární tepelná kapacita sloučeniny A m B n je počítána aditivně z molárních tepelných kapacit prvků A a B Molární tepelná kapacita komplexní sloučeniny A m B n C p je počítána aditivně z molárních tepelných kapacit binárních sloučenin A m C r a B n C s

5 7.5.2005J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha 5 Neumannovo-Koppovo pravidlo Kdy to nefunguje ? Fázové přeměny druhého řádu ! Satoh H. et al. : Thermochim. Acta 299 (1997) 123-126

6 7.5.2005J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha 6 Kubaschewski & Ünal [77KUB] Binární i komplexní sloučeniny s převážně iontovou vazbou Příspěvky pro 49 prvků (kationů bez ohledu na jejich mocenství) a 41 anionů včetně komplexních Možnost odhadu konstant teplotní závislosti ve tvaru C pm = A + B.T + C/T 2 Příspěvky kationů Příspěvky anionů

7 7.5.2005J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha 7 Huang & Xu [89HUA] Binární sloučeniny s převážně iontovou vazbou, korekce na částečně kovalentní charakter vazby Příspěvky pro 78 kationů s různou valencí a 13 jednoatomových anionů Příspěvky kationů Příspěvky anionů

8 7.5.2005J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha 8 Hurst & Harrison [92HUR] Binární sloučeniny Příspěvky pro 32 prvků Příspěvky kationů Příspěvky anionů

9 7.5.2005J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha 9 Golam Mostafa et al. [96GOL] Binární i komplexní sloučeniny s převážně iontovou vazbou Příspěvky pro 129 kationů (různé hodnoty pro jejich různá mocenství) a 17 anionů včetně komplexních Příspěvky slouží přímo pro odhad konstant teplotní závislosti ve tvaru C pm = A + B.T + C/T 2 + D.T 2 Příspěvky kationů Příspěvky anionů

10 7.5.2005J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha 10 Odhad molárních tepelných kapacit binárních oxidů Odhad molárních tepelných kapacit binárních oxidů Leitner J. et al. Odhad tepelných kapacit binárních oxidů v pevném stavu, Chem. Listy 95 (2001) 2-8. Leitner J. et al.: Prediction of heat capacity of solid binary oxides from group contribution method, Ceramics – Silikáty 46 (2002) 29-32. MetodaPočet oxidů (celkem 111) Průměrná chyba (%) [77KUB]836,1 [89HUA]715,2 [92HUR]1119,1 [96GOL]924,3

11 7.5.2005J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha 11 Teplotní závislosti C pm odhadnuté metodou Golam Mostafa et al. (1996)

12 7.5.2005J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha 12 Směsné oxidy 2 A a O m (s) + 3 B b O n (s) = A 2a B 3b O x

13 7.5.2005J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha 13 Berman & Brown (1985) Směsné oxidy Příspěvky pro 9 binárních oxidů: Al 2 O 3, CaO, FeO, Fe 2 O 3, K 2 O, MgO, Na 2 O, SiO 2 a TiO 2 Příspěvky slouží přímo pro odhad konstant teplotní závislosti ve tvaru C pm = A + B/T 1/2 + C/T 2 + D/T 3

14 7.5.2005J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha 14 Další odhadové metody pro směsné oxidy Modifikované Neumannovo-Koppovo pravidlo: K. Ukleba et al.(1997) - aplikace na výměnné reakce typu: SrO + MgO*TiO 2 = MgO + SrO*TiO 2 SrO*SiO 2 + MgO*TiO 2 = MgO*SiO 2 + SrO*TiO 2 Empirická pravidla v homologických řadách a skupinách chemicky příbuzných látek (AlO 2 ) -  (Al 2 O 4 ) 2-  (Al 3 O 6 ) 3-

15 7.5.2005J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha 15 Odhad molárních tepelných kapacit směsných oxidů Odhad molárních tepelných kapacit směsných oxidů Leitner J. et al. Estimation of heat capacities of solid mixed oxides, Thermochim. Acta 395 (2003) 27-46. MetodaPočet oxidů (celkem 326) Průměrná chyba (%) NKR2933,33,3 [77KUB]1693,13,1 [85BER]681,51,5

16 7.5.2005J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha 16 Rozdělení chyby hodnot C pm (298 K) směsných oxidů odhadnutých pomocí Neumannova-Koppova pravidla

17 7.5.2005J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha 17 Molární entropie S m (298 K) Příspěvkové metody: Latimer (1951), … Richter & Vrelus (1979) Huang & Xu – iontové sloučeniny (1988) Huang & Xu – intermetalické sloučeniny (1990) Korelační metody: Korelace S m vs. V m Korelace S m vs. ΣS m,i Korelace (S m – k.V m ) vs. Σ(S m,i – k.V m,i )

18 7.5.2005J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha 18 Latimer [51LAT] Binární sloučeniny A m B n převážně iontového charakteru. Příspěvky pro 72 kationtů (stejné hodnoty pro různé mocenství) a 13 aniontů (různé hodnoty pro různé mocenství kationtů). Později rozšířeno i na boridy, karbidy, silicidy, nitridy, … Spencer P.J.: Thermochim. Acta 314 (1998) 1-21.

19 7.5.2005J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha 19 Richter & Vrelus [79RIC] Binární sloučeniny A m B n převážně iontového charaketru. Příspěvky pro 22 kationtů a 29 aniontů, též komplexních (různé hodnoty pro různé mocenství kationtů)

20 7.5.2005J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha 20 Huang & Xu [89HUA] Binární sloučeniny s převážně iontovou vazbou, korekce na částečně kovalentní charakter vazby Příspěvky pro 72 kationů s různou valencí a 13 jednoatomových anionů

21 7.5.2005J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha 21 Jenkins H.D.B., Glasser L..: Standard absolute entropy S° 298 values from volume or density. 1. Inorganic materials, Inorg. Chem. 42 (2003) 8702-8708 V m – objem připadající na jednu vzorcovou jednotku

22 7.5.2005J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha 22 Lencka M.M., Riman R.E.: Estimation of thermochemical properties for ceramic oxides: a focus on PbZrO 3, Thermochim. Acta 256 (1995) 193-203

23 7.5.2005J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha 23 Slučovací entalpie  f H (298 K) Příspěvkové metody Ducros & Sannier (1992) Golam Mostafa et al. (1995) Koncept acidobazické reakce Koncept elektronegativit Miedema et al. - intermetalické sloučeniny (1973, …) Korelační metody: Korelace  ox H vs. (1/r i ) resp. (z i /r i ) Korelace  ox H vs. (1-t)

24 7.5.2005J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha 24 Směsné oxidy AO(s) + B 2 O 3 (s) = AB 2 O 4 (s) Δ ox H = - 62,6 kJ

25 7.5.2005J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha 25 Ducros & Sannier [92DUC] Binární i komplexní sloučeniny s převážně iontovou vazbou Příspěvky pro 84 kationů a 57 anionů včetně komplexních X,Y a W jsou parametry (příspěvky) kationu (A) a anionu (B), n AB je formální počet jednoduchých vazeb ( = m.Z A = n.Z B )

26 7.5.2005J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha 26 Golam Mostafa et al. [95GOL] Binární i komplexní sloučeniny s převážně iontovou vazbou Příspěvky pro 136 kationů a 16 anionů včetně komplexních

27 7.5.2005J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha 27 Koncept acidobazické reakce B m O(s) + AO n (g) = B m AO n+1 (s) Erdös (1962) Schwitzgebel et al. (1971) Smith (1987)

28 7.5.2005J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha 28 Koncept elektronegativit Pauling: The Nature of The Chemical Bond (1960) Anderson & Bromley (1959) Wilcock & Bromley (1963) Ducros & Sannier (1992) Pseudoelektronegativita Aronson (1982) Rovnovážná elektronegativita Bratsch (1988)

29 7.5.2005J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha 29 Rozdělení chyby hodnot  sl H (298 K) směsných oxidů odhadnutých pomocí Aronsonovy metody

30 7.5.2005J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha 30 SrTiO 3 Δ f H (kJ.mol -1 ) Δ ox H (kJ.mol -1 ) Δ f H (kJ.mol -1 ) Δ ox H (kJ.mol -1 ) Exp.-1670,7-133,9 [92DUC]-1672,2-135,4 [95GOL]-1652,8- [71SCH]-1651,0-114,2 [88BRA]-1611,5-74,7 [82ARO]-1602,7-65,9 [88SMI]-1638,8-102,0 Porovnání odhadnutých hodnot  f H(298 K) resp.  ox H(298 K)

31 7.5.2005J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha 31 Korelace  ox H vs. r i Dorogova M. et al.: Entahlpies of formation of rare earth orthovanadates, J. Solid State Chem. 180 (2007) 847-851

32 7.5.2005J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha 32 A II B IV O 3 :  ox H = -125 + 1000(1-t) [kJ.mol -1 ] A III B III O 3 :  ox H = -90 + 720(1-t) [kJ.mol -1 ] Yokokawa [89YOK]

33 7.5.2005J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha 33 Zhuang et al. [98ZHU] Odhad  ox H na základě analogie se směšovací entalpií regulárního roztoku n A a O x (s) + m B b O y (s) = A na B mb O z

34 7.5.2005J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha 34 Slučovací Gibbsovy energie  f G (298 K) Příspěvkové metody Ducros & Sannier (1992) Golam Mostafa et al. (1995) Korelační metody: Korelace  f G(MeX,s) vs.  f G(Me z+,aq) Korelace  ox G vs. (1-t)

35 7.5.2005J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha 35 Ducros & Sannier [92DUC] Binární i komplexní sloučeniny s převážně iontovou vazbou Příspěvky pro 59 kationů a 45 anionů včetně komplexních X’,Y’ a W’ jsou parametry (příspěvky) kationu (A) a anionu (B), n AB je formální počet jednoduchých vazeb ( = m.Z A = n.Z B )

36 7.5.2005J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha 36 Golam Mostafa et al. [95GOL] Binární i komplexní sloučeniny s převážně iontovou vazbou Příspěvky pro 136 kationů a 16 anionů včetně komplexních

37 7.5.2005J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha 37 Lencka M.M., Riman R.E.: Estimation of thermochemical properties for ceramic oxides: a focus on PbZrO 3, Thermochim. Acta 256 (1995) 193-203

38 7.5.2005J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha 38 Literatura (1) 8.1 Přehledné práce  Kubaschewski O., Alcock C.B., Spencer P.J.: Materials Thermochemistry, 6th Ed., Chap.3. Estimation of Thermochemical Data. Pergamon, 1993.  Moiseev G.K., Šesták J.: Some calculation methods for estimation of thermodynamic and thermochemical properties of inorganic compounds, Prog. Cryst. Growth Charact. 30 (1995) 23-81.  Spencer P.J. : Estimation of thermodynamic data for metallurgical Application, Thermochim. Acta 314 (1998) 1-21.  Glasser L., Jenkins H.D.B.: Predictive thermodynamics for condensed phases, Chem. Soc. Rev. 34 (2005) 866-874,

39 7.5.2005J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha 39 8.2 Jednotlivé metody [51LAT]Latimer W.M..: J. Am. Chem. Soc. 73 (1951) 1480-1482. [59AND]Anderson H.W., Bromley L.A.: J. Phys. Chem. 63 (1959) 1115-1118. [62ERD]Erdös E.: Coll. Chech. Chem. Commun. 27 (1962) 2273-2283. [63 WIL]Wilcox D.E., Bromley L.A.: Ind. Eng. Chem. 55 (1963) 32-39. [71SCH]Schwitzgebel K. et al.: J. Chem. Eng. Data 16 (1971) 418-423. [73MIE] Miedema A.R.: J. Less-Common Met. 32 (1973) 117-136. [77KUB]Kubaschewski O., Ünal H.: High Temp.-High Pressures 9 (1977) 361-365. [79RIC]Richter J., Vreuls W.: Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 83 (1979) 1023-1026. [82ARO]Aronson S.: J. Nuclear Mater. 107 (1982) 343-346. [85BER]Berman R.G., Brown T.H.: Contrib. Mineral. Petrol. 89 (1985) 168-183. [87SMI]Smith D.W.: J. Chem. Education 64 (1987) 480-481. [88BRA]Bratsch S.G.: J. Chem. Education 65 (1988) 877-878. [88HUA]Huang G., Xu Z.: Thermochim. Acta 136 (1988) 133-137. [89HUAa]Huang G., Xu Z.: Thermochim. Acta 145 (1989) 363-366. [89HUAb]Huang G., Xu Z.: Chinese Sci. Bull. 34 (1989) 574-577 [89YOK]Yokokawa H. et al.: J. Am. Ceram. Soc. 72 (1989) 152-153. [90HUA]Huang G. et al.: Thermochim. Acta 173 (1990) 47-52. [92DUC]Ducros M., Sannier H.: Thermochim. Acta 196 (1992) 27-43. [92HUR]Hurst J.E., Harrison B.K.: Chem. Eng. Commun. 112 (1992) 21-30. [95GOL]Golam Mostafa A.T.M. et al.: Ind. Eng. Chem. Res. 34 (1995) 4577-4582. [96GOL] Golam Mostafa A.T.M. et al.: Ind. Eng. Chem. Res. 35 (1996) 343-348. [97UKL]Ukleba K. et al.: Bull. Georgian Acad. Sci. 156 (1997) 66-69. [98ZHU]Zhuang W. et al.: Thermochim. Acta 267 (1998) 6-10.