Реферат по предмету "Химия"


Термодинамика химической устойчивости сплавов системы Mn-Si

--PAGE_BREAK--1.5Термодинамические функции бинарных соединений (интерполяционная формула Лагранжа)
В литературе приводятся термодинамические данные далеко не для всех бинарных соединений, а некоторые из имеющихся констант нуждаются в уточнении и согласовании.

И. Г. Горичевым с помощью интерполяционной формулы Лагранжа, термодинамических соотношений эмпирической закономерности о постоянстве приведённого химического потенциала атомов кислорода в оксидах MeOxв некотором интервале х и уравнения Гиббса – Дюгема получена приближённая функциональная связь между стандартной энергией Гиббса образования оксидов металла из элементов и стехиометрическим составом оксидов:
     ().
Здесь iи j– степени окисленности оксидов металла, для которых существуют наиболее достоверные термодинамические данные, х – степень окисленности оксида, для которого производится прогнозирование энергии Гиббса образования. При расчётах по данной формуле следует иметь в виду, что величины  должны быть выражены в Дж/г-атом О.

Данная формула может быть применена для оценки термодинамических свойств не только оксидов, но и других бинарных соединений металла с электроотрицательными атомами [].

В данной работе интерполяционная формула Лагранжа использована для оценки термодинамических свойств силицидов марганца.


1.6 Общие принципы термодинамического описания химической устойчивости металлов
Химическая устойчивость металлов в окислительной газовой среде, например, на воздухе, определяется их стойкостью к окислению кислородом. Лучшим способом представления термодинамической информации об окислении металлических материалов являются фазовые диаграммы состояния систем металл-кислород.

На фазовых диаграммах Ме-О представлены различные химические равновесия, играющие роль в процессе окисления металла. Они характеризуют растворимость кислорода в данном металле, состав оксидных форм, образующихся в результате окислении металла кислородом, и устойчивость фаз в зависимости от различных параметров системы: температуры, давления, состава и др.

Состав системы выражается содержанием металла и кислорода в атомных процентах, либо в процентах по массе.

Для более сложных систем, содержащих третий компонент- другой металл, существуют аналогичные диаграммы состояния Ме1-Ме2-О. Они позволяют разобраться в вопросах состава и структуры окалины (слоев окислов) на поверхности бинарных сплавов. В литературе накоплен огромный справочный материал по термодинамическим свойствам неорганических веществ, сформулированы общие принципы фазовых равновесий в гетерогенных системах (правило фаз Гиббса), предложены различные модели, интерполирующие свойства компонентов и металлических, и оксидных растворов (теории совершенных и «регулярных» растворов) и т.п. Все это позволило расчетным путем выявить вид и характерные особенности интересующих нас диаграмм состояния [6].

Согласно закону равновесия фаз — правилу фаз Гиббса, в трехкомпонентной системе при постоянных внешних параметрах (P,T=const):


f=3-Ф ()
где f- число термодинамических степеней свободы, или вариантность системы, то есть количество параметров (температура, давление, концентрации компонентов в фазах), которые являются независимыми,

Ф – количество фаз в системе, находящихся в равновесии.

Из физических соображений следует, что f0. Таким образом, в указанной системе возможны равновесия с участием одной, двух или максимум трех фаз:

— однофазные равновесия (f=2); отдельные фазы (вещества) термодинамически устойчивы в определенном интервале составов и, соответственно, парциальных давлений кислорода;

— двухфазные (моновариантные) равновесия (f=1);

— трехфазные (инвариантные) равновесия (f=0).

В условиях трехфазного равновесия система не имеет степеней свободы, т.е. данное состояние системы полностью описывается законами действующих масс гетерогенных химических реакций и условиями нормировки составов фаз. Для однозначного расчета составов фаз в условиях двухфазового равновесия необходимо задаваться одним из параметров системы.

Для записи законов действующих масс (выражений для констант равновесий) химических реакций необходимо определить активности компонентов в фазах. Активность кислорода в газовой фазе при давлении 1 атм может быть принята его парциальному давлению. Для конденсированных фаз в рамках модели регулярных растворов справедливо выражение:
; ()


где   — активность компонента в растворе;

  — мольная (атомная) доля компонента в растворе;

  — энергия смешения компонентов при образовании раствора.

Формула применима к двухкомпонентным растворам.

Для конденсированных фаз в рамках модели идеального (совершенного раствора) .

Валовый состав тройной системы Ме1-Ме2-О можно записать как
;
где  – атомная доля металла ;

  — степень окисленности системы (.)

Тогда изотермические сечения диаграммы состояния этой системы удобно представить графически на плоскости в координатах .

В соответствии с теорией химического сродства Вант-Гоффа термодинамическим критерием возможности окисления элементов в сплаве служит стандартное изменение свободной энергии Гиббса  для реакции:
; (1.24)
или давление кислорода . Эти показатели взаимосвязаны уравнением:
; (1.25)


Чем отрицательнее величина изобарно-изотермического потенциала реакции (1.24), или ниже , тем выше избирательность окисления данного металла.

Итак, представление фазовых диаграмм вида Ме-О, Ме1-Ме2-О может быть различно и зависеть от выбора термодинамических параметров как координат (Р, Т составов и др.) Но в любом случае эти диаграммы могут служить термодинамической основой при изучении вопросов об устойчивости систем, в частности, при рассмотрении вопросов об окислении металлов [7].
1.7 Фазовые диаграммы систем
Mn
-
O
и
Si
-
O

Фазовая диаграмма состояния системы Si-O

Диаграмма состояния O-Si построена в интервале концентраций 0-66,7 % (ат.) О на основе обобщения литературных данных. В системе существует обширная область расслаивания в жидком состоянии. Температура монотектической реакции отвечает 1703°С. При 1417°С происходит кристаллизация эвтектики Si + SiO2 (тридимит). Как следует из диаграммы, в системе образуется одна устойчивая оксидная фаза — SiO2 (кремнезем). Никаких других промежуточных фаз, кроме SiO2, в системе не обнаружено.

Растворимость кислорода в твердом Si была определена с помощью метода ИК-спектроскопии и представлена ниже:



 

При нормальном давлении устойчивы 4 полиморфные модификации SiO2: β-SiO2, α-SiO2, тридимит и кристобалит. Превращение α-SiO2 в SiO2 (коэзит) происходит при давлении 1,8-2,0 ГПа и температуре 500°С. Стишовит образуется при давлении 16-18 ГПа и температурах 1200-1400°С [2].


Рис.1.4. Диаграмма состояния системы Si-O.
Фазовая диаграмма состояния системы Mn-O.

Взаимодействие марганца с кремнием изучалось на основе оксидов: MnO, Mn3O4, Mn2O3, MnO2, Mn2O7. Методом оптической пирометрии определена температура плавления МnО, равная 1842±10°С, область гомогенности МnО находится в интервале 47,4-52,4 % (ат.) O. Температура плавления Мn3О4 равна 156714°С и область гомогенности находится в интервале 57-58,4 % (ат.) О. Соединение Мn3О4 существует в двух модификациях: β-Мn3О4 и α-Мn3О4. Соединение Мn2О3 существует при температуре не выше 900°С, в интервале температур 600-940°С Мn3О4 в присутствии О2 взаимодействует с МnО2 с образованием Мn2О3, при температуре выше 940°С Мn2О3 распадается на Мn3О4 и О2.

На рис. 1.5. приведена диаграмма состояния Mn-О при давлении 0,021 МПа.

Соединение МnО плавится конгруэнтно, а соединение β-Мn3О4 — инконгруэнтно при температуре 1567±4°С. Соединение α-Мn3О4 образуется по перитектоидной реакции при температуре -1190°С. При температуре 1160±5°С β-Мn3О4 распадается по эвтектоидной реакции [2].


Рис.1.5. Диаграмма состояния Mn-O.


2. Экспериментальная часть
2.1 Расчёт термодинамических функций силицидов марганца по формулам Миедемы и Истмена
Табл. 2.1 Данные, необходимые для расчётов по формулам Миедемы и Истмена [8,9]



R

P

Q

Φ

nws1/3

ρ, г/см3

V2/3

Si

2,1

12,3

9,4

4,7

1,5

2,33

4,2

Mn



14,2

9,4

4,45

1,61

7,562

3,8

 

Табл. 2.2 Рассчитанные характеристики силицидов марганца.



Аср.

Vср.

Тразл., К [7]

ρ

Mn11Si19

37,93

8,93

1423

4,25

Mn5Si3

44,87

8,01

1556

5,60

Mn5Si2

47,27

7,79

1123

6,07

Mn9Si2

50,09

7,57

1333

6,61

Mn3Si

48,23

7,71

1353

6,25



Расчеты провели по формулам (1.1) – (1.19).

Результаты расчетов представлены в табл. 2.3.
Табл. 2.3 Стандартные энергии Гиббса образования силицидов марганца.



хMn

хSi

xsMn

xsSi

f(x)

g

φ

ΔΗf°,

Дж/моль

S2980, Дж/моль*К

ΔS2980, Дж/моль*К

ΔG2980, Дж/моль

Mn11Si19

0,367

0,633

0,344

0,656

0,226

6,294

1,420

-485547

25,30

-683,23

-281944

MnSi*

-

-

-

-

-

-

-

-49680

45,42

-5,28

-48107

Mn5Si3*

-

-

-

-

-

-

-

-151842

238,83

23,05

-158711

Mn5Si2

0,714

0,286

0,693

0,307

0,213

6,078

1,292

-124289

29,86

-167,07

-74502

Mn0,85Si0,15

,85

0,15

0,837

0,163

0,137

5,989

0,819

-46627

33,16

-176,75

6045

Mn3Si*

-

-

-

-

-

-

-

-26693

103,83

-10,56



-23546



Mn9Si2

0,818

0,182

0,803

0,197

0,158

6,014

0,952

83007

28,20

-14,13

87218



2.2 Расчёт термодинамических функций силицидов марганца по интерполяционной формуле Лагранжа
Оценку энергий Гиббса образования силицидов марганца провели с использованием интерполяционной формулы Лагранжа. Для расчётов по формуле Лагранжа в качестве основы использовались энергии Гиббса двух силицидов. Но на основании результатов расчётов был сделан вывод о том, что полученные энергии Гиббса для каждого силицида сильно различались в зависимости от того, данные каких двух силицидов были взяты за основу. Поэтому возникла необходимость модифицировать формулу Лагранжа, чтобы появилась возможность в качестве основы брать энергии Гиббса не двух, а четырех силицидов.

Модификация формулы для расчёта произведена на основании предположения о наличии приближённой функциональной зависимости между приведённым химическим потенциалом атомов электроотрицательного элемента в бинарном соединении и общего вида интерполяционной формулы Лагранжа. Данная формула позволяет использовать в качестве исходных данных любое количество энергий Гиббса образования соединений.

Для вычислений по этой формуле нужны данные об энергиях Гиббса образования ряда бинарных соединений  (М – металл, А – атом более электроотрицательного элемента, aiи bi– индексы при атомах М и А в соединении, соответственно). Кроме того, нужно знать формулу соединения, , энергию Гиббса образования которого нужно оценить. В этом случае формула принимает следующий вид:
 ()
Здесь n– количество энергий Гиббса образования бинарных соединений, принимаемых в качестве достоверных исходных данных. В данном случае все используемые значения энергий Гиббса должны быть выражены в Дж/моль.

Данная формула была использована для расчёта энергий Гиббса образования силицидов Mn5Si2, Mn9Si2 и Mn0,85Si0,15, для которых справочных термодинамических данных не имеется. Результаты расчётов представлены в таблице.
    продолжение
--PAGE_BREAK--2.3 Справочные данные для расчётов системы Mn-Si-O
Существует множество справочных данных об энергиях Гиббса образования силикатов и силицидов марганца, поэтому нет однозначно верного значения ΔGобразования какого-либо соединения.

Наиболее достоверными следует считать данные источников [10] и [11], которые и были выбраны в качестве первого приближения для дальнейших расчётов.



Энергии Гиббса образования соединений, Дж/моль

Источник

Mn11Si19

MnSi

Mn5Si3

Mn5Si2

Mn3Si

Mn9Si2

Mn0,85Si0,15

MnSiO3

Mn2SiO4



-954878

-77932

-280518

-

-104397

-

-

-1240827

-1629818

-1671327

[10]

-892500

-76701

-278892

-

-107758

-

-

-1240552

-1632190

[11]

-

-59290

-207480

-

-72260

-

-

-

-

[9]

-

-92612

-343444

-

-141997

-

-

-1347490

-1779298

[12]

-998905

-965780

-947780

-935780

-758780

-344780

-997960

-979960

-967960

-790960

-376960

-78200

-76500

-68100

-93900

-74700

-62100

-78280

-95680

-69880

-76480

-63880

-284920

-273120

-257120

-230720

-317120

-243520

-280520

-264520

-238120

-324520

-250920

-

-103240

-104500

-107300

-134100

-144100

-104380

-107180

-133980

-143980

-222880

-16850

-

-

[13]

-281944

-48107

-158711

-74502

-23546

87218

6045

-

-

*

-892500

-76701

-278892

-207269

-107758

-230761

-17823

-1240552

-1632190

**

*. Расчёт по формулам Миедемы и Истмена.

**. Расчёт по интерполяционной формуле Лагранжа.
2.4 Моделирование фазовых равновесий в системе
Mn

Si

Для описания термодинамических свойств фаз переменного состава твердых растворов применялась обобщенная теория «регулярных» растворов в однопараметрическом приближении.

Уравнение реакции, соответствующее образованию R— фазы:


 (1)

 (2)

 (3)
Энергии Гиббса реакций 2 и 3 описываются уравнениями температурной зависимости:



Энергия Гиббса реакции 1 может быть найдена комбинированием энергий Гиббса реакций 2 и 3:


***
Активности компонентов системы рассчитываем по формулам:


,
где  .

«Кажущиеся» энергии смешения описываем уравнением температурной зависимости:

С учётом () уравнения () и () преобразуются:


 *

**
Уравнение изотермы для химической реакции (1):

Константа равновесия реакции (1):



С учётом формул * и ** уравнение ***:





Пусть , тогда:



Преобразуем:





Задача сводится к нахождению неизвестных параметров уравнения Необходимые для расчетов мольные доли кремния, соответствующие равновесию α-фазы с Mn0,85Si0,15 при различных температурах получили из диаграммы состояния Mn– Si.
Табл. 2.5. Мольные доли кремния при различных температурах.



Таким образом, получается система из 10 уравнений с 4 неизвестными параметрами  Учитывая, что Дж/моль, то вводится дополнительное 11 уравнение

Для решения этой системы использован метод Крамера. По данному методу для системы n линейных уравнений с n неизвестными

с определителем матрицы системы Δ, отличным от нуля, решение записывается в виде



После решения данной системы найдены неизвестные параметры :
, , ,
Далее проведена подстановка полученных значений параметров в исходную систему уравнений и установлена адекватность полученных значений.

При Т=298 К определена точка предельной растворимости кремния в альфа-марганце:

По уравнениям ……находим активности компонентов системы в точке предельной растворимости кремния в альфа-марганце:
,
Таким образом, исходя из полученных результатов, можно прийти к заключению, что в области низких температур (вплоть до комнатной) кремний практически не растворяется в марганце.
2.5          
. Расчет и построение диаграммы состояния
Mn
-Si-O при 250С. Анализ химической устойчивости
Как следует из экспериментальных данных по системе марганец-кремний (рис.1.1), кремний-кислород (рис.1.4) и марганец-кислород (рис.1.5) в системе Mn-Si-Oможно предположить существование областей, в которых присутствуют следующие фазы (поскольку химическое сродство кремния к кислороду выше, чем марганца, то вероятнее, что почти при любом составе сплава Mn-Si в первую очередь будет реализовываться равновесие сплав – SiO2):

1.                 Si(γ) – Mn11Si19 – SiO2; (I)

2.                 Mn11Si19 – MnSi –SiO2; (II)

3.                 MnSi – Mn5Si3 – SiO2; (III)

4.                 Mn5Si3 – Mn5Si2 – SiO2; (IV)

5.                 Mn5Si2– Mn3Si – SiO2; (V)

6.                 Mn3Si – Mn9Si2 – SiO2; (VI)

7.                 Mn9Si2 – R(Mn6Si) – SiO2; (VII)

8.                 R(Mn6Si) – α-фаза– SiO2; (VIII)

9.                 α-фаза– SiO2; (IX)

10.            α-фаза––MnSiO3–SiO2; (X)

11.            α-фаза––Mn2SiO4–MnSiO3; (XI)

12.            α-фаза––MnO– Mn2SiO4; (XII)

13.            MnO–Mn3O4– Mn2SiO4; (XIII)

14.            Mn3O4– Mn2SiO4– MnSiO3; (XIV)

15.            Mn3O4–Mn2O3– MnSiO3; (XV)

16.            Mn2O3– MnSiO3–SiO2; (XVI)

17.            Mn2O3–MnO2–SiO2; (XVII)

18.            MnO2–Mn2O7–SiO2; (XVIII)

19.            Mn2O7–SiO2–{O2}; (XIX)

Для того, чтобы однозначно определить инвариантное состояние системы, необходимо задать равновесные составы сосуществующих фаз и давление кислорода в газовой фазе, равновесной с конденсированными фазами.

Примеры расчета:

а) Фазовое равновесие V: Mn5Si2– Mn3Si– SiO2

Уравнение реакции, соответствующее данному равновесию:
 (1)


Константа равновесия реакции (1):
; (2.1)
Мольные доли компонентов равны единице, поэтому выражение для константы равновесия упрощается:
; (2.2)
Уравнение изотермы химической реакции:
; (2.3)
Энергия Гиббса реакции (1) рассчитывается по формуле:
; (2.4)
С учетом уравнения (2.2):

б) Фазовое равновесие X:

α-фаза ––MnSiO3–SiO2 было описано независимыми реакциями образования SiO2 и MnSiO3 из компонентов α-фазы (Mn, Si) и компонентов газовой фазы O2:


(1);

(2) ;




Константы равновесия реакций 1 и 2:
; (2.3)

; (2.4)
Для определения состава α-фазы исключим  из конечного термодинамического уравнения. Для этого возведем уравнение (2.3) в куб и поделим полученное на уравнение (2.4), получим:
    продолжение
--PAGE_BREAK--


Не сдавайте скачаную работу преподавателю!
Данный реферат Вы можете использовать для подготовки курсовых проектов.

Поделись с друзьями, за репост + 100 мильонов к студенческой карме :

Пишем реферат самостоятельно:
! Как писать рефераты
Практические рекомендации по написанию студенческих рефератов.
! План реферата Краткий список разделов, отражающий структура и порядок работы над будующим рефератом.
! Введение реферата Вводная часть работы, в которой отражается цель и обозначается список задач.
! Заключение реферата В заключении подводятся итоги, описывается была ли достигнута поставленная цель, каковы результаты.
! Оформление рефератов Методические рекомендации по грамотному оформлению работы по ГОСТ.

Читайте также:
Виды рефератов Какими бывают рефераты по своему назначению и структуре.

Сейчас смотрят :