Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Физико-химическая термодинамика вещества

..pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
5.4 Mб
Скачать

 

 

ArU = ArU °+ArAmixU ,

(11.22)

 

 

ArS = ArS°+ ArAmixS

 

(11.23)

 

 

находим

величины

A A mixU и

 

 

AAni.S, которые приведены в таб­

 

 

лице 11.1. В данной таблице при­

 

 

ведены также значения AA mjG и

 

 

,n(yJx/y L ) »

расчитанны е по

 

 

уравнению (11.12) при 1523К.

 

 

Как видно из данных таблицы,

 

 

для первой группы окислительно­

 

 

восстановительных реакций сво­

 

 

бодная

энергия

см еш ения

 

 

АДт.р реакции (11.3) величина

 

 

отрицательная. Это означает, что

 

 

У0х<УЛс(Г Так, для расплава 20Na2O-

 

lg/o2

80SiO, отнош ение ySn0J у ^ 0 =

Рис. 11.3. Зависимость Igq от обратной

9.9-1О*5, а для расплава N a,O 2S i02

температуры при PQ = 21 кПа для

Ъь2о/1Ц о,= 6Л' 1 0 Большое раз-

оксидов:

1-5 - железа, 6-9 - марганца в

личие между величинами укыи у0х

расплавах

1 - Na20-2Si02 [10, /5]; 2 -

вероятно связано с тем, что уJlej>

Na20-2В20 3 [241; 3 - Na20 P20 5[23j; 4 -

Ь а у « < 1 .

 

 

 

 

СаЬ-Р20 2 [18]; 5 - промышленное боро­

 

 

 

 

силикатное стекло (см. Табл. 11.1) [29];

Для второй группы окисли­

7 - 30Na20-70B20 3 [27], 8 - 30Li20-70B20 3

тельно-восстановительных реак­

[27]; 9 -

ЗОК2О В20 3 [27]. Содержание

ций величина ArAm.G > 0. Это оз­

элементов в расплавах (масс. %): 1 -

начает, что у аг >y/w. Так, для рас-

2.0,2 - 5.5,3 - 1.0,4 - 0.5,5 - 0.31,6 -

плава N a20 - 2 S i0 2

r ^

/ r Ti)0 =

1.43, 7,8,9-0.32.

4.48-108.

 

Для

расплава

 

 

 

 

 

30Na20 - 7 0 S i0 2

 

 

1.77-107. Такое большое различие между величинами у ()х2

и у1Ыможно объяс­

нить тем, чтоyReJ< I, а у0 > 1.

Для третьей группы окислительно-восстановительных реакций величи­ ны AAmixG принимают как положительные, так и отрицательные значения. Так, для железа в расплаве Na20-2Si02 у ,.ег()у / у \ю = 0,11, а для расплава Na2O 2P20 5 отношение у 1 у гм = 3,22.

Полученные при изучении равновесия окислительно-восстановительных реакций значения у у()х/ у*ы могут быть использованы для определения ко­ эффициента активности одного из оксидов, если коэффициент активности другого оксида известен.

11.2. ЗА В И С И М О С Т Ь q О Т Д А В Л Е Н И Я (Ро2)

Уравнение зависимости qот давления при Т= const вытекает непосред­

ственно

из уравн ен и я (11 .18), если

коэф ф ициент у не за в и с и т о т

/о2№ 2=Д>2(бар)/1 бар):

 

log q - z

log f (h + const,.

(11.24)

Зависимость Igq от lgjo2 для окислительно-восстановительных реакций всех рассматриваемых групп представлены на рисЛ 1.4-11.6. Как можно заме­ тить, наблюдается линейная зависимость экспериментальных значений от lg/o2, однако величина тангенса угла наклона этих прямых не равной вели­ чине z. Это означает, что значение у зависит от fov так как с увеличением величины /о 2 изменяются значения концентраций xQx и xRedi а также, соот-

-18 -1 7 -16 -1 5 -1 4 -1 3

 

lg/o2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 11.4. Зависимость \gq от

Рис. 11.5. Зависимость

\gq от / 02 для

для оксидов:

1 - олова [10], 2 -

оксидов:

1 ,2 - титана [10, 28], 3,4, 5 -

меди

сурьмы [10, 28], 4 -

мышьяка [11,

[14, 17, 28], 6, 7 -

церия [10, 29], 8 - хрома

12] в расплавах

(температура

[29] в расплавах 1,4,6 - Na20 .2S i02; 2, 5, 7,

указана в

скобках)

1,

2 -

8 -

стекло

SRL-131

 

(м асс .

% )

Na2O-2SiOa(1085 °С); 3 ,4 -

SRL-

5 7 .9 S i0 2-14.7В 2Оэ

• 17 .7N a20 -5 .7 L i20 -

131 (1150 вС) состав указан в

2 .0 M g 0 1 .0 T i0 2 0.5La20 3;

3

-

30N a2O

подписи к рис. 11.5. Содержание

70В2О3;

при температурах

1,6

-

1085;

элементов в расплавах

(масс.

2,5,7,8 - 1150; 3 -

1100 вС. Содержание

%): 1 - 1.68, 2 - 1.8, 3 -

1.4, 4 -

элементов в расплавах (масс. % ): 1 - 1 . 5 ,

1.0.

 

 

 

 

2,5,7,8 -

1.0, 3 -

0.5, 4 - 0.5, 6 -

3.2.

 

ветственно, и значения коэффициентов активности у0х и у1Ы. Это обстоя­ тельство может быть учтено с помощью введения в уравнение коэффици­ ента п:

log q = ( z - n ) \g f(h +const2.

(11.25).

Величина п в этом уравнении отражает влияние парциального давления кислорода на коэффициенты активности у()х, уы оксидов Ох и Red (см. уравнения (11.14) и (11.15)), а также на коэффициенту в уравнении (11.15).

Зависимости lg^ от lg/o2 для первой группы окислительно-восстанови­ тельных реакций, построенные по данным [10,31] приведены на рис. 11.4. Значения коэффициента/? оцениваются по углу наклона прямых \gq от lg/о,, см. табл. 11.2.

Таким образом, влияние/о2 в расплаве Na20*2Si02 при 1085 °С на равно­ весие SnO/Sn02 значительно меньше (z = 0.5; п = 0.07), чем на равновесие Sb,03/Sb20 5 (z =1.0; п =0.40). Значительное влияние/о, на равновесие Sb20 3/ Sb20 5 сохраняется также в натриево-литиевом боросиликатном расплаве при 1150 °С (z =1.0;/? =0.49). Еще большее влияние/о2оказывает на равно­ весие A S 20 3/AS , 0 5 (z =1.0; /? =0.52).

Зависимость логарифма q от логарифма/о2 для второй группы окисли­ тельно-восстановительных реакций показана на рис. 11.5 (использовались данные [10, 14, 17, 28, 29]). Значения коэффициентов т? и z приведены в табл. 112.fo2определенно оказывает меньшее влияние на равновесие Си20 / СиО в расплаве N320-2810, при 1100 °С (z =0.5; и =0.04), однако воздей-

Таблица 11.2. Величины коэффициентов п и z в реакции (11.3)

Р е а к ц и я

(11.3)

T°, c

О х

R ed

 

SnO

S n 02

1085

SbtO,

Sb20

1085

Sb20 ,

sbA

1150

AsA

A sA

1150

TiA

T i02

1150

C e A

C e02

1150

c r A

CrO,

1150

Cu20

CuO

1150

Cu20

CuO

1100

TiA

T i02

1000

1085

CeA

C e02

1085

FeO

F e A

1100

MnO

Mn20 3

1300

1085

FeO

F e A

1378

С ост ав р а сп ла ва

 

 

Na20-2Si02

0.07

0.5

то же

0.40

1.0

57.9Si02-14.7B20,17 .7N a20

 

1.0

5.7Li20-2.0M g01.0T i02

0.49

то ж е

0.52

1.0

то ж е

0.27

0.5

то ж е

0.33

0.5

то ж е

0.82

1.5

то ж е

0.15

0-5

Na20-2S i02

0.04

0.5

30Na20-70B20 3

0.23

0.5

Na20-2Si02

0.26

0.5

то ж е

0.13

0.5

то ж е

0.11

0.5

0.5

то ж е

0.13

то ж е

0.26

0.5

55Si02-22Ca015Al20 3-

0.10

0.5

6B20 3 (масс. %)

 

ствие/о2 на равновесие Cu20/CuO в расплаве 30Na20 70Si02 при 1000 °С (z=0.5; п =0.23) намного больше./о2 сильно влияет на равновесия T i,0 3/ ТЮ2 (z =0.5; п =0.26) и Ce20 3/C e02 (z =0.5; п =0.13) в расплаве Na20 -2S i02, а также на равновесия Ti20 3/T i02 (z =0.5; п =0.27) и Cr20 3/C r02 (z=1.5; п =0.82) в расплаве SRL-131 (его состав приводится в подписи к рис. 11.5) при 1150 °С.

Зависимости lg# от lg/o2 для третьей группы окислительно-восстанови­ тельных реакций представлены на рис.11.6, а значения п - в табл. 11.2. Как можно заметить, в расплаве Na20*2Si02fo2оказывает более сильное влия­ ние на равновесие МпО/ Mn20 3 (z =0.5; п =0.26 при 1085 °С), чем на равно­ весие FeO/Fe,03 (z =0.5; п =0.11 при 1100 °С и п =0.13 при 1300 °С). В про­ мышленном стеклеfo2не оказывает большого влияния на равновесие FeO/ Fe20 3 (z =0.5; п =0.10 при 1378 °С).

Влияниеfo2на равновесие Red/Ox в стеклообразующих расплавах обус­ ловлено следующим: с увеличением значения fo2концентрация Ох также возрастает, тогда как концентрация Red уменьшается. Таким образом, ко­ эффициенты активности у0х, yRetl оксидов Ох и Red изменяются, а следова­ тельно изменяется и коэффициент у (см. уравнения (11.4) и (11.5)).

11.3.ЗА ВИ С И М О С ТЬ q ОТ СОСТАВА (хм) И

ПРИ М ЕН И М О С ТЬ ЗАКОН А ГЕНРИ

При постоянных значениях Т и Ро2из уравнения (11.15) следует, что

In# = - In у +consty

(11.26)

Если у не зависит от xM=x0 +xRe(P q также не зависит от хм Эксперименты показывают [21 -23,29-33], что значение q зависит отхм Это связано с зави­ симостью коэффициентов активности у()х и укы от концентраций х0х и xRetP а следовательно, с зависимостью коэффициента у от хм Этот факт можно объяснить допустив, что у = const x~J Тогда уравнение (11.26) может быть переписано следующим образом:

lg# = m \gxM +const4.

(11.27)

Значение m может быть определено по величине тангенса угла наклона за­ висимости lg# от lgхм. Равенство значения m нулю означает, что у0х и yRedне зависят от концентраций х0х и xRed, что подтверждает таким образом закон Генри.

Рис. 11.7 демонстрирует зависимости lg# от lgxFe, где *Fc=*Fe0+*Fc203 в Рас~ плавах силикатов натрия и лития, построенные поданным [22] и в распла­ ве 16Na2O10CaO-74SiO2, полученную по нашим данным при 1400 °С и / ,о2=21кПа. Как видно из рисунка, закон Генри не выполняется для бинар­ ных силикатных расплавов при xFc=0.00031 -s-0.0063. Прямые 1 и 2 на рис.

 

 

 

 

lg*F.

 

 

 

Ig^O:

 

 

 

 

 

 

Рис. 11.6. Зависимость Ig?Fe (1-3) и lg^Mn

Рис.11.7 Зависимость lg<7 Fc

от

(4) от Ро2в расплавах: 1,2,4 - Na20-2Si02

lgjcFe при 1400 "С в расплавах:

1

[25, 10]; 3 - промышленное стекло (масс.

- 30Na20 - 7 0 S i0 2 [22];

2

 

%)

55S i02-l5Al20 3-6B20 3

[21].

35Li20 -6 5 S i0 2

[22];

3

-

Содержание элементов

в расплавах

16Na2O 10CaO -74SiO 2 (данные

(масс. %): 1 ,2 - 2.0, 3 -

0.31, 4 -

1.43.

автора). Ро2= 21

кПа.

 

 

Температура (*С): 1 - 1100,2 - 1300,3 -

 

 

 

 

1378,4 - 1085.

 

 

 

 

 

 

11.7 описываются уравнениями (11.27) при /я, равном -0.45 и -0.29, соот­ ветственно. Постоянная constАв уравнении (11.27) может быть определена графически i}gq= constАпри хм=\). Например, кривая 2 на рис. 11.7 описы­ вается следующим уравнением:

\gqFe= 2.685 - 02 9 -\gxFe.

(11.28).

Для расплава 16Na2010CaO*74Si02 при 1400 °С закон Генри выполняется при дгРе<0.0016, см. кривую 3 на рис. 11.7. При jcFe>0.0016 значенйе qFeзави­ сит от xft и, кроме того, т - -0.55.

11.4.ЗАВИСИМ ОСТЬ ОТНОШ ЕНИЯ R O x J x RedО Т х м

Для установления зависимости отношения x0j(/xRcdот хм, уравнения

Хп

Рис. 11.8. Зависимость RCFe от xFe в Рис. 11.9. Зависимость ЛСРе от хи в расплаве 35Na20-65Si02 (мол. %) при расплаве промышленного стекла 1400 вС и Яо2= 21 кПа. 61Si02*4AI20 •15(Na20+K20) ll(C a0+

Mg0)*7B,03[21].

решаются совместно относительно х()х и хш для трех вышеупомянутых групп окислительно-восстановительных реакций. Для отношения RC= xoJxR«i могут быть написаны следующие уравнения:

для первой группы окислительно-восстановительных реакций -

RCt = ^ - = q,

(11.30)

Х Rett

 

для второй группы окислительно-восстановительных реакций -

 

pr

q[-05+ ^025+xu /q]

2 ~ хм - ?[-0.5 + л/0.25 + * „/< ?]'

для третьей группы окислительно-восстановительных реакций -

^ Я' хм ~ [“ 0.5 + д/0.25 + хм q

(11.32).

г ~

-0 5 + TJ025 + X U q

В соответствии с уравнением (11.30), отношение PC, не зависит отх^ если q - постоянная. Анализ уравнений (11.31) и (11.32) при постоянном q пока­ зывает, что с увеличением хм отношение RC2уменьшается, а отношение РС3 возрастает. Уравнение (11.32) может быть подтверждено эксперимен­ тальными данными, имеющимися для оксидов железа в различных распла­ вах [21-23, 29-33]. Эти данные подтверждают, что отношение концентра­ ции PCFc = xFc 0 /хГе() действительно увеличивается с увеличением общей концентрации'оксидов в расплаве. В качестве примера на рис. 11.8. пред­ ставлены данные [22] для расплава 35Li20-65Si02 при 1400 °С и Ро,=21 кПа. Отношение хГе^ /х Ге()увеличивается от 1.0 до 2.4 при увеличении *Fc от 0.0016 до 0.0052.*3

Зависимость PCFe от *Fe для промышленного стекла (масс. % 61SiO,- 4А120 3-15(Na20+ К20)* 11 (Ca0+Mg0)-7B,03) показана на рис. 11.9. Как видно из рисунка, тенденция к увеличению отношения PCFe при увеличении кон­ центрации оксидов в расплаве сохраняется также для расплава в стеклова­ ренной печи, где равновесие между оксидами Fe20 3 и FeO вряд ли достига­ ется.

Более подробные сведения о термодинамике окислительно - восстано­ вительных реакций между оксидами поливалентных элементов в оксид­ ных расплавах и кислородом можно найти в работах [34-36].

Литература к Главам 1-10

Общая литература

1.Clausius, R. Uber verschiedene fur die Anwendung bequeme Formen der Hauptgleichungen der mechanischen Warmetheorie H Annalen der Physik undChemie 125 (1865) 353-400.

2.Gibbs, J.W., The Collected Works, vol. 1, Thermodynamics. Longnars, Green und Co., New York. London. Toronto 1931.

3.Einstein, A., Eine Theorie der Grundlagen der Thermodynamik//Annalen der Physik. Ser.4, 11(1903) 170-187.

4.Einstein, A., Kinetische Theorie des Warmegleichgewichtes und des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik // Annalen der Physik. Ser.4,9(1902) 417 - 433.

5.Clausius, R., Uber die bewegende Kraft der Warme. Verlag von Wilhelm Engelmann, Liepzig 1898.

6.Planck, Max, Wissenschaftliche Selbstbiographie. J. A. Barth Verlag, Leipzig 1948.

7.Planck, Max, Vorlesungen uber Thermodynamik. W. de Gruyter and Co., Berlin 1964.

8.Laue, M , Geschichte der Physik. Athenaum - Verlag, Bonn 1950.

9.Slawin, R.A., Thermodynamics of Solids. John Wiley and Sons, New York. Toronto 1972.

10.Feynman, R.P., Leighton, R.B., Sands, M , The Feynman Lectures on Physics. V.l, London 1963.

11.Moore, W.J., Grundlagen der Physikalischen Chemie. W. de Gruyter, Berlin. New York 1990.

12.Wedler, G., Lehrbuch der Physikalischen Chemie. 3.Auflage, VCH, Weinheim

1989.

\Ъ. Atkins, P.,W.yPhysical Chemistiy. Oxford University Press 1986.

14.Daniels, E, Alberty, R., A., Physical Chemistry. John Wiley and Sons, New York 1975.

15.Lewis, G., N., Randall, M.yThermodynamics. Me Craw - Hill Book Company,

Inc. New York 1961.

16.Guggenheim, M.,A., Thermodynamik. North - Holland Publishing Company, Amsterdam 1967.

17.Eyring, H , Henderson, D., Jost, W , Physical Chemistry, Vol. I, Thermodynamics. Akademic Press, New York 1971.

18.Buhler, P., Techniques for calculating properties of materials at high pressures

HInorganic Materials, 35(1999) 82-86.

19.UIPAC, Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry. Second Edition, Blackwell Science 1993.

Справочная литература

20.Wagman, D.D., Evans, W.H., Parker, V.B., Schumm,R.H., Halow, L, Bailey, S.M., Churney, K.L, and Nuttall R.L., The NBS o f C hem ical Thermodynamic Properties IIJ. Phys.Chem. Ref. Data, 11 Suppl. 2(1982)

1-392.

21.Chase, M.W., Davies, C.A., Downey, J.R, McDonald, R.A. and Syverud, A.N., JANAF Thermochemical Tables, 3rd edn. J. Phys.Chem. Ref. Data

14Suppl. 1(1985) 1 -392.

22.Глушко, B.P.(ред.), Термодинамические свойства индивидуальных веществ, Тт. 1-4, Наука, М. 1978-1985.

23.Кпаске, О., Kubaschewski, О., Hesslmann, К.: Thermochemical Properties

of Inorganic Substances, 1,11. Springer - Verlag Berlin, Verlag Stahleisen

Diisseldorf, 1991.

24.JANAF, Thermochemical Tables (D.R. Stull et al.) US Dept. O f Commerce/ Natl. Bur.Stand., US Governmt. Printing Office, 1971.

25.Barin, /., Thermochemical Data of Pure Substances, Part. I, II. VCH,

Weinheim 1989.

26.Landolt - Bomstein, Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology, New Series, Group 4, Vols. 4, 5A, 5B, 5C, 5D, 5E, 5F, 5G, 5H, 51, 5J, 8A, 8B, 8C, 8D, 8E, 8F, 16, 19, 20A. SpringerVerlag Berlin 1980-99.

27.Elliott, J. E, Gleiser, M., Ramakrishna, K, Therm ochem istry for

Steelmaking, Reading, Massachusetts, USA, London 1965.

28a. Gmelin Handbuch der Anorganischen Chemie, 8. vollig neu bearbeitete Aufgabe. Verlag Chemie, Weinheim 1950 -1975.

28b. Gmelin Handbuch der Anorganischen Chemie, 8. vollig neu bearbeitete Aufgabe. Springer-Verlag Berlin 1975 -1980.

28c. Gmelin Handbook of Inorganic Chemistry, 8th Edition, Springer-Verlag Berlin 19811991.

28d. Gmelin Handbook of Inorganic and Organometallic Chemistry, 8th Edition, Springer-Verlag Berlin 19901996.

Справочники 28a-s-28d формируются по элементам периодической систе­ мы.

Литература к Главе 11

1.Schroter, W, Lautenschlager, К.-К, Bibrack, Н., Stadler, W Chemie. Fakten und Gesetze. 5. Auflage. Buchund Zeit Verlagsgesellschaft mbH Koln, 1973.

2.International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC). GroBen, Einheiten und Symbole in der Physikalischen Chemie. VCH. Weinheim. New Jork. 1996.

3.Johnston W.D. Formulation of oxidation-reduction reactions in glass melts // J. Am. Ceram. Soc. 49( 1966) no9, p. 513-514.

4.Holmguist S.B. Jonic formulation of redox equilibria in glass melts // J. Am. Ceram. Soc. 49(1966) no. 4, p. 228-229.

5.Matthai, A., Claufien, O., Ehrt, D., Russel, Ch. Thermodynamics of redox equilibria and diffusion of polyvalent ions in a phosphate glass melt. // Glastech. Ber. Glass Sci. Technol. 71(1998) no.2, p.29-34.

6.Булер, П. Термодинамика окислительно-восстановительных реакций между поливалентными оксидами в оксидном расплаве и кислородом: I. Принципы термодинамического анализа окислительно-восстановитель­ ных реакций в оксидных расплавах. Физика и химия стекла, т. 24(1998) №.5, с.553-559.

7.Кпаске О., Kubaschewski О., Hesselmann К. Thermochemical properties of inorganic substances. Second Edition.V.l, V.II. Berlin et al. Springer-Verlag Verlag Stahleisen Dusseldorf, 1991.

8.Buhler, R Wechselwirkungzwischen Glasschmelzen und Gasen.Verlag Saknes, Riga, 1998.

9.Pyare, R., Nath, P. Stannous-stannic equilibrium in molten binary alkali silicate and ternary silicate glasses // J. Am. Ceram. Soc. 65(1982) no.l l, p. 549-554.

10.Johnston, W.D. Oxydation-reduction equilibria in molten Na20*2Si02 glass

// J. Am. Ceram. Soc. 23(1965) no.5, p.184-189.

11.Pyare, R., Singh, S.P., Singh, A., Nath, R. The As3+-As5+ equilibrium in borate

and silicate glasses // Phys. Chem. Glasses 23(1982) no5, p. 158-168.

12.Lahiri, D., Mukherjee, B., Majumdar, R.N. Mechanismus der Wechselwirkung zweier Redox-Oxyde in G las/ / Glatechn. Ber. 47(1974) no.l, p. 4-9.

13.Lee, J-H., Bruckner, R. Redoxgleichgewicht von Kupferoxid in Alkaliborat-, Germanatund Silicatglasern//Glastechn. Ber. 55(1982)no.l 1, p. 219-227.

14.Banarjee, S., Paul, A. Thermodynamics of the System Cu-0 and Ruby Formation in Borate Glass // J. Am. Ceram. Soc. 57(1974) no.7, p. 286-290.

15.Cable, M., Xiang, Z.D. Cuprous-cupric equilibrium in soda-lime-silicaglasses melted in air // Phys. Cem. Glasses. 30(1989) no.2, p. 237-242.

16.Sing, S.P., Kumar, A. The cuprous-cupric redox equilibrium m binary alkali silicate glasses // Phys. Chem. Glasses. 34(1993) no.2, p. 45-51.

17.Johnson W.D., Chelko, A. Oxidation-reduction equilibria in molten Na20-2Si02

glass in contact with metallic copper und silver// J. Am. Ceram. Soc. 48( 1966) no. 10, p. 562-564.

Соседние файлы в папке книги