Upload
pallavi-gaurav
View
24
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Výpočet rovnovážného složení heterogenních systémů metodou minimalizace celkové Gibbsovy energie. http://www.vscht.cz/ipl/termodyn/uvod.htm. Obsah. Extenzivní kriterium termodynamické rovnováhy Gibbsova energie systému a její závislost na složení - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
21.12.2010 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
1
Výpočet rovnovážného složení Výpočet rovnovážného složení heterogenních systémů heterogenních systémů
metodou minimalizace celkové metodou minimalizace celkové Gibbsovy energieGibbsovy energie
http://www.vscht.cz/ipl/termodyn/uvod.htmhttp://www.vscht.cz/ipl/termodyn/uvod.htm
21.12.2010 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
2
ObsahObsah
1. Extenzivní kriterium termodynamické rovnováhy2. Gibbsova energie systému a její závislost na složení3. Podmínky látkové bilance (nestechiometrické vyjádření)4. Matematická formulace úlohy5. Řešení pro homogenní systém (ideální plynná fáze)6. Řešení pro heterogenní systém (g) + (s1) + (s2) + … při známém
fázovém složení7. Řešení pro heterogenní systém (g) + (s1) + (s2) + … při
neznámém fázovém složení, Kuhnovy-Tuckerovy podmínky8. Kuhnovy-Tuckerovy podmínky pro vícesložkové fáze9. Neideální vícesložkové fáze10. První aproximace rovnovážného složení11. Rovnováhy v systémech elektricky nabitých částic12. Výpočet rovnovážného složení systémů se stechiometrickými
omezeními13. Výpočet rovnovážného složení systémů s dalšími omezeními14. Vstupní termodynamická data, zdroje dat
21.12.2010 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
3
1. Extenzivní kriterium termodynamické rovnováhy1. Extenzivní kriterium termodynamické rovnováhy
dU w q
Spojené formulace I. a II. věty termodynamickéSystém je uzavřený
dq T S
d d 0U w T S
Systém může konat pouze objemovou práci
dw p V
d d d 0U p V T S
Systém je při stálé teplotě a tlaku
d d d d d d 0U pV TS U pV TS H TS G
Systém je v rovnováze
d 0 minG G
21.12.2010 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
4
2. Gibbsova energie systémua její závislost na složení
V systému tvořeném F fázemi přítomno celkem N složekN = N1 + N2 + … + NF
o,
1 1 1 1 1
lnk kN NF F F
k k k k k ki i i i i
k k i k i
G G n n T a
R
Ideální plynná fázeStandardní stav: čistá plynná složka při teplotě systému T a tlaku p = po, která se
řídí stavovou rovnicí ideálního plynu (pV = nRT)
o o oi i
i ii
p np pa x
p p n p
o,, o
1
ln lnkN k
k k k ii m i k
i i
npG n G T T
p n
R R
ZpětZpět
21.12.2010 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
5
2. Gibbsova energie systémua její závislost na složení – pokračování 1
Čistá pevná nebo kapalná složkaStandardní stav: čistá pevná nebo kapalná složka při teplotě systému T
a tlaku systému p
1ia
o
o,, , d
pk k k k
i m i m i
p
G n G V p
Ideální pevný nebo kapalný roztokStandardní stav: čistá pevná nebo kapalná složka ve stejné fázi (skupenství či
strukturní modifikaci) jako roztok při teplotě systému T a tlaku systému p
ii i
i
na x
n
o
o,, ,
1
d lnk
pN kk k k k i
i m i m i ki ip
nG n G V p T
n
R
ZpětZpět
21.12.2010 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
6
2. Gibbsova energie systémua její závislost na složení – pokračování 2
Neideální pevný nebo kapalný roztokStandardní stav: čistá pevná nebo kapalná složka ve stejné fázi (skupenství či
strukturní modifikaci) jako roztok při teplotě systému T a tlaku systému p
ii i i i i i
i
na x x x
n
o
o,, ,
1
d ln lnk
pN kk k k k k ki
i m i m i i iki ip
nG n G V p T T x
n
R + R
ZpětZpět
21.12.2010 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
7
3. Podmínky látkové bilance(nestechiometrické vyjádření)
Uvažujme systém (homogenní nebo heterogenní), ve kterém jev rovnováze přítomno celkem N složek tvořených M chemickými prvky
Konstituční koeficient Konstituční koeficient aaijij
Udává počet atomů j-tého prvkuv jedné molekule resp.vzorcové jednotce i-té látky.
Příklad:Příklad:((CHCH33))33GaGa((ii = 1) = 1)
a1,C = 3, a1,H = 9, a1,Ga = 1
Matice kMatice konstitučníonstitučníchch kkoeficientoeficientůů A = A = aaijij
Matice rozměru N x M, každý řádek přísluší jedné látce, každý sloupec jednomu prvku. Hodnost této matice označme H.Platí: H min (M,N)
Příklad:Příklad:(CH(CH33))33GaGa((ii = 1) = 1) + NH + NH33((ii = 2) = 2) + H + H22((ii = 3) = 3)
CC((jj = 1) = 1), H, H((jj = 2) = 2), Ga, Ga((jj = 3) = 3) N N(j = 4)(j = 4)
HH = = NN = = 333 9 1 0
0 3 0 1
0 2 0 0
21.12.2010 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
8
3. Podmínky látkové bilance(nestechiometrické vyjádření) – pokračování 1
1
1,...,N
ij i ji
a n b j M
Podmínky látkové bilancebj … celkové látkové množství j-tého prvku
Hodnoty bj jsou určeny počátečním složením systémuno
i … počáteční látkové množství i-té látky
o
1
1,...,N
j ij ii
b a n j M
Příklad:Příklad:1 mol (CH1 mol (CH33))33Ga + 3 mol NHGa + 3 mol NH33 + 20 mol H + 20 mol H22
bC = 3 1 = 3 molbH = 9 1 + 3 3 + 20.2 = 58 molbGa = 1 1 = 1 mol,bN = 1 3 = 3 mol
3 9 1 0
0 3 0 1
0 2 0 0
POZOR:POZOR:Pouze H-rovniclátkové bilanceje nezávislých !!V dalším textu předpokládáme, že vždy platí:H = M
21.12.2010 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
9
Z matematického hlediska se jedná o úlohu nalezení vázaného extrému, tj. minima funkce G = f(n1, …, nN), přičemž hodnoty ni splňují podmínky látkové bilance. Pro řešení užíváme metodu Lagrangeových koeficientů (λj). Definujme novou funkci L,
jejíž minimum na množině bodů ni,λj odpovídá minimu funkce G na množině ni, přičemž hodnoty ni splňují podmínky látkové bilance. Nezápornost látkových množství ni je v některých případech automaticky splněna, jindy, jak bude ukázáno dále, je třeba ji vhodným postupem výpočtu zaručit.
Poznámka: vydělením Gibbsovy enegie součinem RT získáme bezrozměrné vyjádření funkce L i Lagrangeových koeficientů λj.
4. Matematická formulace úlohy
1
1
min
1,...,
0 1,...,
N
i ii
N
ij i ji
i
G n
a n b j M
n i N
1 1
minM N
j j ij ij i
GL b a n
T
R
21.12.2010 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
10
4. Matematická formulace úlohy – pokračování 1
1
1
0 1,...,
0 1,...,
Mi
ij jji
N
j ij iij
La i N
n T
Lb a n j M
R
V rovnováze musí být splněny podmínky:
V dalším textu je naznačeno použití této metody při výpočtu rovnovážného složení různě složitých systémů. Výpočet je prováděn při pevných hodnotách teploty a tlaku pro dané počáteční složení systému (látková množství chemických prvků bj). V obecném případě je v průběhu výpočtu určeno rovnovážné fázové složení systému (které fáze jsou přítomny) a složení koexistujících fází.V případech, kdy rovnovážné fázové složení systému je předem známo, je výpočet obvykle jednodušší.
21.12.2010 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
11
5. Řešení pro homogenní systém(ideální plynná fáze)
o,
rel1 1
1
ln ln 0 1,...,
0 1,...,
M Mm ii
ij j i ij jj ji
N
j ij iij
GLa p x a i N
n T T
Lb a n j M
R R
g o, rel
1
ln lnN
i m i ii
G n G T p T x
R R
V případě ideálního chování lze z prvních N rovnic explicitně vyjádřit molární zlomky xi:
o,
rel1
exp ln 1,...,M
m ii ij j
j
Gx a p i N
T
R
Viz str. 4Viz str. 4
21.12.2010 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
12
Úpravou rovnic látkové bilance, tj. vydělením ni = ng, získáme sadu M rovnic ve tvaru:
do které nyní za molární zlomky dosadíme výše odvozené vztahy. Spolu s podmínkou xi = 1 tak obdržíme sadu M+1 rovnic pro neznámé λ1,…, λM a ng
které řešíme numericky např. Newtonovou metodou.
5. Řešení pro homogenní systém(ideální plynná fáze) – pokračování 1
1 1 g
1,...,N N
jiij ij i
i ii
bna a x j M
n n
o,
rel1 1 g
o,
rel1 1
1exp ln 1,...,
exp ln 1
N Mm i
ij ij j ji j
N Mm i
ij ji j
Ga a p b j M
T n
Ga p
T
R
R
21.12.2010 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
13
6. Řešení pro heterogenní systém(g) + (s1) + (s2) + … při známém fázovém složení
(Při odvození je zanedbána tlaková závislost molární Gibbsovy energiepevných látek – integrál ∫Vmdp)
g s
o,
rel g1 1
o,s1s1
s1, s1,1 1s1
o,s2s2
s2, s2,1 1s2
1
ln ln 0 1,...,
0
0
...
0 1,...,
M Mm ii
ij j i ij jj ji
M Mm
j j j jj j
M Mm
j j j jj j
N N
j ij iij
GLa p x a i N
n T T
GLa a
n T T
GLa a
n T T
Lb a n j M
R R
R R
R R
g
g o, rel
1
ln lnN
i m i ii
G n G T p T x
R R
Viz str. 4 Viz str. 4
s1 o s2 os1 ,s1 s2 ,s2, , ...m mG n G G n G
Viz str. 5 Viz str. 5
21.12.2010 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
14
6. Řešení pro heterogenní systém(g) + (s1) + (s2) + … při známém fázovém složení
(Při odvození je zanedbána tlaková závislost molární Gibbsovy energiepevných látek – integrál ∫Vmdp) – pokračování 1
Nyní, stejně jako v minulém případě, vyjádříme z prvních N rovnic molární zlomky složek plynné fáze a dosadíme je do rovnic látkové bilance vydělených ni = ng. Další dvě rovnice (rovnovážné podmínky pro pevné fáze (s1) a (s2)) přeskupíme a doplníme podmínkou xi = 1.Obdržíme sadu M+Ns+1 rovnic pro neznámé λ1,…, λM, ng, ns1, ns2, …. Ve tvaru:g o
,rel 1, 1 2, 2
1 1 g g g
o,
rel1 1
o,s1
s1,1
o,s2
s2,1
1 1 1exp ln ... 1,...,
exp ln 1
...
N Mm i
ij ij j s j s s j s ji j
N Mm i
ij ji j
Mm
j jj
Mm
j jj
Ga a p a n a n b j M
T n n n
Ga p
T
Ga
T
Ga
T
R
R
R
R
21.12.2010 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
15
6. Řešení pro heterogenní systém(g) + (s1) + (s2) + … při známém fázovém složení
(Při odvození je zanedbána tlaková závislost molární Gibbsovy energiepevných látek – integrál ∫Vmdp) – pokračování 2
Povšimněme si nyní rovnovážných podmínek, které musí být splněny v přítomnosti jednosložkových fází (s1), (s2), …
o o,s1 ,s2
s1, s2,1 1
, , ...M M
m mj j j j
j j
G Ga a
T T
R R
Z tvaru těchto rovnic plyne, že v rovnováze nemůže být současně přítomno více jednosložkových fází, než je počet prvků Ms M, které je tvoří (než je hodnost matice jejich konstitučních koeficientů). V případě Ns = Ms můžeme získat odděleným řešením těchto rovnic hodnoty příslušných koeficientů λj. Jelikož platí Ns M (viz Gibbsovo fázové pravidlo, str. 16), nelze tímto způsobem určit všechny hodnoty λ1, …, λM.
21.12.2010 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
16
7. Řešení pro heterogenní systém(g) + (s1) + (s2) + … při neznámém fázovém složení
(Při odvození je zanedbána tlaková závislost molární Gibbsovy energiepevných látek – integrál ∫Vmdp)
1. Podle Gibbsova fázového pravidla je počet stupňů volnosti (v) systému, ve kterém v rovnováze koexistuje F fází obsahujících celkem N složek tvořených M (= H) chemickými prvky dán vztahem: v = M – F + 2. Odtud Fmax = M + 2 a při libovolně zvolených hodnotách teploty T a tlaku p je Fmax[T,p] = M.
2. Pokud mohou být v rovnováze přítomny i jednosložkové fáze, pak pouze takové jejich kombinace, které jsou nezávislé, tj. nemůže mezi nimi probíhat žádná chemická reakce.
3. Další omezení rovnovážného fázového složení systému se mohou projevit při výpočtu jako důsledek specifické volby počátečního složení.
Jaký je maximální možný počet koexistujících fázíJaký je maximální možný počet koexistujících fázía které to mohou být?a které to mohou být?
21.12.2010 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
17
7. Řešení pro heterogenní systém(g) + (s1) + (s2) + … při neznámém fázovém složení
(Při odvození je zanedbána tlaková závislost molární Gibbsovy energiepevných látek – integrál ∫Vmdp) – pokračování 1
Příklad:Příklad:{TiCl4,CH4,H2} → {TiCl4,TiCl2,CH4,H2,Cl2,HCl,TiC(s1),Ti(s2),C(s3)}
Reakcí výchozích plynných látek TiCl4,CH4 a H2 mohou vznikat 3 jednosložkové pevné látky – TiC(s1), Ti(s2) a C(s3). Mohou být při libovolně zvolených hodnotách T a p všechny současně v rovnováze s plynnou fází?
Fmax[T,p] = M = 4, tj, plynná fáze (g) + 3 další fáze.Kombinace látek TiC, Ti a C není nezávislá, neboť mezi nimi může probíhat reakceTiC = Ti + C. Při libovolně zvolené hodnotě teploty je Gibbsova energie této reakce buď kladná (stabilní je TiC) nebo záporná (stabilní je Ti+C), a tedy všechny tři látky (fáze) TiC, Ti a C koexistovat nemohou. Možné varianty jsou: (g), (g)+Ti, (g)+C, (g)+TiC, (g)+Ti+C, (g)+TiC+Ti nebo (g)+TiC+C.
Poznámka: koexistencí všech tří látek TiC(s1), Ti(s2) a C(s3) je jednoznačně určena rovnovážná teplota Teq. Při této teplotě je reakční Gibbsova energie výše uvedené reakce přesně rovna nule. Libovolně zvolená konečná hodnota teploty T ≠ Teq.
21.12.2010 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
18
7. Řešení pro heterogenní systém(g) + (s1) + (s2) + … při neznámém fázovém složení
(Při odvození je zanedbána tlaková závislost molární Gibbsovy energiepevných látek – integrál ∫Vmdp) – pokračování 2
Příklad:Příklad:{Al(s1),Li(s2),O2,N2} → {Al,Al2O,AlO,Al2O3,AlO2,Li,Li2O,O2,N2,Al(s1),Li(s2), Al2O3(s3),Li2O(s4),LiAlO2(s5)}
Které kombinace pevných látek mohou v rovnováze při libovolně zvolených hodnotách T a p koexistovat v rovnováze s plynnou fází?
Fmax[T,p] = M = 4, tj, plynná fáze (g) + nejvíce 3 jednosložkové pevné fáze.Možné kombinace: každá pevná fáze jednotlivě (5 kombinací), libovolná dvojice (10 kombinací) nebo některá z následujících trojic fází - Al+Li+Al2O3, Al+Li+Li2O, Al+Li+LiAlO2, Al+Al2O3+LiO2, Al+Al2O3+LiAlO2, Al+Li2O+LiAlO2, Li+Al2O3+Li2O, Li+Al2O3+LiAlO2 a Li+Li2O+LiAlO2. Nemohou koexistovat: Al2O3+Li2O+LiAlO2, které jsou v důsledku chemické reakce Al2O3 + Li2O = 2 LiAlO2 závislé.
Celkem 25 možných kombinací (včetně homogenní (g) fáze) !!Celkem 25 možných kombinací (včetně homogenní (g) fáze) !!
21.12.2010 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
19
7. Řešení pro heterogenní systém(g) + (s1) + (s2) + … při neznámém fázovém složení
(Při odvození je zanedbána tlaková závislost molární Gibbsovy energiepevných látek – integrál ∫Vmdp) – pokračování 3
Jak určit rovnovážné fázové složení?Jak určit rovnovážné fázové složení?Kuhnovy-Tuckerovy podmínkyKuhnovy-Tuckerovy podmínky
Řešení rovnovážné úlohy (viz str. 9)
1 1
min, 1,..., , 0 1,...,N N
i i ij i j ii i
G n a n b j M n i N
Musí splňovat tzv. Kuhnovy-Tuckerovy (KT) podmínky ve tvaru
1
1
když 0 0
když 0 0
Mi
i ij jji
Mi
i ij jji
Ln a
n T
Ln a
n T
R
R
21.12.2010 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
20
Aplikace Kuhnových-Tuckerových podmínek:1. Uvažujme výše uvedený heterogenní systém, ve kterém se, s ohledem
na počáteční podmínky, mohou v rovnováze s plynnou fází vyskytovat různé jednosložkové kondenzované fáze (s1), (s2), …
2. Zvolme první aproximaci rovnovážného fázového složení (např. pouze homogenní (g) fáze nebo (g) fáze + jednosložkové fáze nezbytné z hlediska splnění rovnic látkové bilance).
3. Vypočtěme dříve popsaným postupem (str. 13) sadu Lagrangeových multiplikátorů λ1, …, λM a celková látková množství uvažovaných fází.
4. Pro každou z nezařazených jednosložkových kondenzovaných fází (s1), (s2), … vypočtěme na základě parametrů λ1, …, λM hodnotu Pk:
5. Jsou-li Pk > 0 pro všechny fáze (s1), (s2), … odpovídá zvolená první aproximace fázového složení minimu Gibbsovy energie (jsou splněny KT podmínky) a jedná se tedy o rovnovážné fázové složení.
Pokračování
o,
1
Mm k
k kj jj
GP a
T
R
21.12.2010 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
21
Aplikace Kuhnových-Tuckerových podmínek (pokračování):6. Je-li některá z hodnot Pk < 0, pak přítomnost infinitesimálního množství
k-té fáze vede ke snížení Gibbsovy energie původního systému (první aproximace rovnovážného fázového složení). Tuto fázi je tedy nezbytné do výpočtu zahrnout a s touto novou aproximací rovnovážného složení výpočet od bodu (3) opakovat.
7. Jelikož tento postup nezaručuje, aby látková množství jednosložkových kondenzovaných fází zahrnutých do výpočtu byla kladná (pouze vyžaduje splnění rovnic látkové bilance), je třeba v průběhu iteračního postupu toto kontrolovat. Pokud pro některou jednosložkovou fázi je nk < 0, pak tuto fázi z výpočtu vyloučíme a pokračujeme s novou aproximací fázového složení od bodu (3).
21.12.2010 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
22
První aproximace rovnovážného fázového složení
Výpočet rovnovážného
složení
nj > 0
Pk > 0
j-tou látku vyjmout z výpočtu
KONEC
k-tou látku zahrnout do výpočtu
ANO
ANO
NE
NE
21.12.2010 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
23
8. Kuhnovy-Tuckerovy podmínkypro vícesložkové fáze
0 1limi
Mi
ij jn ji
La
n T
R
Pro Pro NN-složkovou fázi, jejíž celkové látkové množství -složkovou fázi, jejíž celkové látkové množství nn >> 0 0 platí:platí:
Je-li Je-li nn > 0, pak je > 0, pak je nnii > 0 pro každou složku > 0 pro každou složku ii
21.12.2010 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
24
Při výpočtu postupujeme dle následujícího iteračního schématu:1. Zvolíme první aproximaci rovnovážného složení neideální fáze x1, …, xN.2. Pro toto složení vypočteme hodnoty γ1, …, γN.
3. Vypočteme hodnoty
4. Nyní řešením rovnovážných podmínek pro „pseudoideální“ roztok vypočteme další aproximaci rovnovážného složení x1, …, xN.5. Pro toto složení vypočteme nové hodnoty γ1, …, γN.6. Iterační postup ukončíme, až se složení vypočtené ve dvou po sobě následujících krocích neliší o více než stanovenou hodnotu ε.Poznámka: tento postup je vždy konvergentní jen pro „malé“ odchylky od ideálního chování (v rámci modelu regulárního roztoku pro |Lij /RT| < 2).
9. Neideální vícesložková kondenzovaná fáze (Při odvození je zanedbána tlakova závislost molární Gibbsovy energie
pevných látek – integrál ∫Vmdp)
o,
1
ln lnN
i m i i i ii
G n G T x T x
R + RViz str. 6 Viz str. 6
o, lnm i i iG T xR
21.12.2010 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
25
10. První aproximace rovnovážného složení
Všechny látky jsou uvažovány jako jednosložkové fáze
1ia
o
o,, , d
pk k k k
i m i m i
p
G n G V p
g s
o,,
, ,1 1
1
0
...
0 1,...,
kk M Mm ii
i j j i j jkj ji
N N
j ij iij
GLa a
n T T
Lb a n j M
R R
PPostupostup::1. Fmax[T,p] = M.
2. Ze všech uvažovaných látek vytvoříme M-tice (celkem NCM = …).
3. Vyloučíme kombinace, které jsou v rozporu s Gibbsovým fázovým pravidlem (méně než M prvků).
4. Vyloučíme kombinace, které nejsou dosažitelné pro dané počáteční složení systému (n°i 0).
5. Vypočteme hodnoty ni.
6. Vypočteme hodnoty λj.
7. Vypočteme hodnoty bj.
8. Vypočteme Gibbsovu energii G = λj bj
9. Vybereme M-tici s minimální hodnotou G.10.Dopočteme hodnoty n°i pro všechny
ostatní látky ve vícesložkových fázích.
21.12.2010 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
26
Elektricky nabité částice:1. Vodné roztoky elektrolytů {NaCl(s) + H2O(l)} → {H2O(l),H+,OH,Na+,Cl(aq)}
2. Roztavené soli {NaCl(s) + KBr(s)} → {Na+,K+,Cl,Br(l)}3. Ionizovaný plyn (plasma) {H2O(g)} → {H2,H,H+,O2,O,O+,…,e (g)}
Při výpočtu rovnovážného složení nutno respektovat podmínku elektroneutrality ve tvaru
Je to vedle podmínek látkové bilance další vazba mezi látkovými množstvími, která musí být v rovnováze splněna. Při nestechiometrickém postupu výpočtu je vždy třeba posoudit, zda podmínka elektroneutrality je na bilančních vztazích nezávislá, či je jejich lineární kombinací.
11. Rovnováhy v systémech elektricky nabitých částic
1
0N
i ii
z n
( ) ( ) 1M z MH H A A
21.12.2010 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
27
Příklad 1:{HgCl2(s) + H2O(l)} → {HgCl2(s),H2O(l),Hg2+,HgCl+,Cl,H+,OH(aq)}
Matice konstitučních koeficientů AM(4x7), Hg-1,Cl-2,H-3,O-4, rozšířená matice konstitučních koeficientů AM+z(5x7), Hg-1,Cl-2,H-3,O-4, z-5.
Platí:
11. Rovnováhy v systémech elektricky nabitých částic – pokračování 1
2 2 z Hg Cl H O
1 2 0 0
0 0 2 1
1 0 0 0
1 1 0 0
0 1 0 0
0 0 1 0
0 0 1 1
M
A
1 2 0 0 0
0 0 2 1 0
1 0 0 0 2
1 1 0 0 1
0 1 0 0 1
0 0 1 0 1
0 0 1 1 1
M z
A
( ) ( ) 4M z MH H A A
21.12.2010 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
28
Příklad 2:{HgCl2(s) + Hg2Cl2(s) + H2O(l)} → {HgCl2(s), Hg2Cl2(s), H2O(l),Hg2+,Hg+,HgCl+,Cl,
H+,OH(aq)}Matice konstitučních koeficientů AM(4x9), Hg-1,Cl-2,H-3,O-4, rozšířená matice konstitučních koeficientů AM+z(5x9), Hg-1,Cl-2,H-3,O-4, z-5.
Platí:
11. Rovnováhy v systémech elektricky nabitých částic – pokračování 2
1 2 0 0 0
2 2 0 0 0
0 0 2 1 0
1 0 0 0 2
1 0 0 0 1
1 1 0 0 1
0 1 0 0 1
0 0 1 0 1
0 0 1 1 1
M z
A
( ) ( ) 1 4 1 5M z MH H A A
21.12.2010 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
29
12. Výpočet rovnovážného složení systémůse stechiometrickými omezeními
1. Definovaný poměr látkových množství složek ve vícesložkové fázi Např. reakce omezené na uhlovodíky se stejným počtem uhlovodíků
Řešíme přidáním sloupce do matice konstitučních koeficientů, jehož prvky dané omezení zajistí.
21.12.2010 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
30
13. Výpočet rovnovážného složení systémůs dalšími omezeními
1. Konstantní chemický potenciál složky ve vícesložkové fáziNapř. „částečně otevřené systémy“ – rovnováhy v oxidických systémech na vzduchu při stálém p(O2).
Řešíme přidáním „hypotetické“ jednosložkové fáze o shodném stechiometrickém vzorci, daném chemickém potenciálu a „dostatečném“ počátečním množství (tak velkém, aby byla přítomna v rovnováze a působila jako „sytič“ resp. „jímka“.
21.12.2010 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
31http://www.vscht.cz/ipl/termodyn/tabulky.htmhttp://www.vscht.cz/ipl/termodyn/tabulky.htm
14. Vstupní termodynamická data, zdroje dat
21.12.2010 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
32
o
o m
ln 10
G
T
R
21.12.2010 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
33
o
fflog
ln 10
GK
T
R
21.12.2010 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
34
http://webbook.nist.gov/chemistry/http://webbook.nist.gov/chemistry/
21.12.2010 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
35
LiteraturaLiteratura
13. Výpočet rovnovážného složení R. Holub, P. Voňka: Chemická rovnováha heterogenních a kondenzovaných soustav, Studie ČSAV 9/84, Academia, Praha 1984. P.Voňka, J.Leitner: Calculation of chemical equilibria in heterogeneous multicomponent systems, CALPHAD 19 (1995) 25-36. P.Voňka, J.Leitner: An estimation of chemical equilibrium in a heterogeneous multicomponent system, CALPHAD 19 (1995) 305-313. P. Voňka, J. Leitner: On the calculation of ionic equilibria using the Gibbs energy minimization method, Metall. Mater. Trans. B 29B (1998) 1372-1374. P. Voňnka, J. Leitner: Calculation of chemical equilibrium in complex systém: systém restrictions, Coll. Czech. Chem. Commun. 65 (2000) 1443-1454.
21.12.2010 J. Leitner - Ústav inženýrství pevných látek, VŠCHT Praha
36