Ellinghamin diagrammit



Samankaltaiset tiedostot
Korkealämpötilakemia

Termodynaamisten tasapainotarkastelujen tulokset esitetään usein kuvaajina, joissa:

Kellogg-diagrammit. Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2012 Teema 1 - Luento 1

Kellogg-diagrammit. Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2016 Teema 1 - Luento 1

Kertausluennot: Mahdollisuus pisteiden korotukseen ja rästisuorituksiin Keskiviikko klo 8-10

MT Erikoismateriaalit tuotantoprosesseissa (3 op)

Korkealämpötilakemia

Faasipiirrokset, osa 2 Binääristen piirrosten tulkinta

Sähkökemialliset tarkastelut HSC:llä

Korkealämpötilakemia

= P 0 (V 2 V 1 ) + nrt 0. nrt 0 ln V ]

Sulamisen ja jähmettymisen tarkastelu faasipiirroksia hyödyntäen

Sähkökemian perusteita, osa 1

Korkealämpötilakemia

Luento 9 Kemiallinen tasapaino CHEM-A1250

Tässä luvussa keskitytään faasimuutosten termodynaamiseen kuvaukseen

Erilaisia entalpian muutoksia

Ratkaisu. Tarkastellaan aluksi Fe 3+ - ja Fe 2+ -ionien välistä tasapainoa: Nernstin yhtälö tälle reaktiolle on:

Jaksollinen järjestelmä ja sidokset

Johdanto laskennalliseen termodynamiikkaan ja mikroluokkaharjoituksiin

Standarditilat. Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2016 Teema 2 - Luento 2. Tutustua standarditiloihin

Teddy 7. harjoituksen malliratkaisu syksy 2011

kun hiilimonoksidia ja vettä oli 0,0200 M kumpaakin ja hiilidioksidia ja vetyä 0,0040 M kumpaakin?

Korkealämpötilakemia


vetyteknologia Polttokennon tyhjäkäyntijännite 1 DEE Risto Mikkonen

* FINAS -akkreditoitu menetelmä. Mittausepävarmuus ilmoitetaan tarvittaessa. Akkreditointi ei koske lausuntoa.

Entalpia - kuvaa aineen lämpösisältöä - tarvitaan lämpötasetarkasteluissa (usein tärkeämpi kuin sisäenergia)

Johdanto laskennalliseen termodynamiikkaan ja mikroluokkaharjoituksiin

Oikeat vastaukset: Tehtävän tarkkuus on kolme numeroa. Sulamiseen tarvittavat lämmöt sekä teräksen suurin mahdollinen luovutettu lämpö:

KEMA KEMIALLINEN TASAPAINO ATKINS LUKU 7

Kemia 3 op. Kirjallisuus: MaoL:n taulukot: kemian sivut. Kurssin sisältö

Kertaustehtävien ratkaisut LUKU 2

17VV VV Veden lämpötila 14,2 12,7 14,2 13,9 C Esikäsittely, suodatus (0,45 µm) ok ok ok ok L. ph 7,1 6,9 7,1 7,1 RA2000¹ L

17VV VV 01021

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto TERVETULOA!

Erilaisia entalpian muutoksia

vi) Oheinen käyrä kuvaa reaktiosysteemin energian muutosta reaktion (1) etenemisen funktiona.

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Faasipiirrokset, osa 1: Laatiminen sekä 1-komponenttipiirrosten tulkinta

- Termodynaamiset edellytykset - On olemassa ajava voima prosessin tapahtumiselle - Perusta - Kemiallinen potentiaali

m h = Q l h 8380 J = J kg 1 0, kg Muodostuneen höyryn osuus alkuperäisestä vesimäärästä on m h m 0,200 kg = 0,

HSC-ohje laskuharjoituksen 1 tehtävälle 2

Tehtävä 1. Tasapainokonversion laskenta Χ r G-arvojen avulla Alkyloitaessa bentseeniä propeenilla syntyy kumeenia (isopropyylibentseeniä):

Korkealämpötilakemia

MIKROTEORIA 1, HARJOITUS 1 BUDJETTISUORA, PREFERENSSIT, HYÖTYFUNKTIO JA VALINTA

Eksponenttifunktio ja Logaritmit, L3b

Lukion kemia 3, Reaktiot ja energia. Leena Piiroinen Luento

c) Tasapainota seuraava happamassa liuoksessa tapahtuva hapetus-pelkistysreaktio:

Faasipiirrokset, osa 3 Ternääristen ja monikomponenttipiirrosten tulkinta

= 1 kg J kg 1 1 kg 8, J mol 1 K 1 373,15 K kg mol 1 1 kg Pa

Luku 2. Kemiallisen reaktion tasapaino

Puhtaan kaasun fysikaalista tilaa määrittävät seuraavat 4 ominaisuutta, jotka tilanyhtälö sitoo toisiinsa: Paine p

781611S KIINTEÄN OLOMUODON KEMIA (4 op)

Top Analytica Oy Ab. XRF Laite, menetelmät ja mahdollisuudet Teemu Paunikallio

CHEM-C2210 Alkuainekemia ja epäorgaanisten materiaalien synteesi ja karakterisointi (5 op), kevät 2017

MINERAALI- TUOTTEET Kierrätys ja Mineraalituotteet

Korkealämpötilakemia

Hapetus-pelkistymisreaktioiden tasapainottaminen

3 Eksponentiaalinen malli

Korkealämpötilakemia

Lasku- ja huolimattomuusvirheet ½ p. Loppupisteiden puolia pisteitä ei korotettu ylöspäin, esim. 2 1/2 p = 2 p.

OSA 1: YHTÄLÖNRATKAISUN KERTAUSTA JA TÄYDENNYSTÄ SEKÄ FUNKTIO

NIMI: Luokka: c) Atomin varaukseton hiukkanen on nimeltään i) protoni ii) neutroni iii) elektroni

REAKTIOT JA ENERGIA, KE3 Ekso- ja endotermiset reaktiot sekä entalpian muutos

Kuonien rakenne ja tehtävät

Liitetaulukko 1/11. Tutkittujen materiaalien kokonaispitoisuudet KOTIMAINEN MB-JÄTE <1MM SAKSAN MB- JÄTE <1MM POHJAKUONA <10MM

Rak Betonitekniikka 2 Harjoitus Rakennussementit, klinkkerimineraalikoostumus ja lämmönkehitys

Dislokaatiot - pikauusinta

1. van der Waalsin tilanyhtälö: 2 V m RT. + b2. ja C = b2. Kun T = 273 K niin B = cm 3 /mol ja C = 1200 cm 6 mol 2

Luku 15 KEMIALLISET REAKTIOT

Prosessi- ja ympäristötekniikan perusta

Mamk / Tekniikka ja liikenne / Sähkövoimatekniikka / Sarvelainen 2015 T8415SJ ENERGIATEKNIIKKA Laskuharjoitus

Säteilyturvakeskuksen määräys turvallisuusluvasta ja valvonnasta vapauttamisesta

Ruostumattoman teräksen valmistaminen loppupään terässulattoprosessit.

ATOMIN JA IONIN KOKO

Kemialliset reaktiot ja reaktorit Prosessi- ja ympäristötekniikan perusta I

EPÄORGAANINEN KEMIA HARJOITUKSIA. Jaksollinen järjestelmä

vetyteknologia Polttokennon termodynamiikkaa 1 DEE Risto Mikkonen

Törmäysteoria. Törmäysteorian mukaan kemiallinen reaktio tapahtuu, jos reagoivat hiukkaset törmäävät toisiinsa

Luento 10:Kertausta: Kemiallinen tasapaino + Kiinteän olomuodon kemia CHEM-A1250

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Luento 9: Potentiaalienergia

Luento 2: Lämpökemiaa, osa 1 Keskiviikko klo Termodynamiikan käsitteitä

Näiden aihekokonaisuuksien opetussuunnitelmat ovat luvussa 8.

luku2 Kappale 2 Hapettumis pelkistymisreaktioiden ennustaminen ja tasapainottaminen

Hapettuminen ja pelkistyminen: RedOx -reaktiot. CHEM-A1250 Luento

Sukunimi: Etunimi: Henkilötunnus:

Fysiikan, kemian ja matematiikan kilpailu lukiolaisille

Alikuoret eli orbitaalit

YHTÄLÖ kahden lausekkeen merkitty yhtäsuuruus

MAY1 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty Julkaiseminen sallittu vain koulun suljetussa verkossa.

KOTITEKOINEN PALOSAMMUTIN (OSA 1)

Luento 11: Potentiaalienergia. Potentiaalienergia Konservatiiviset voimat Voima potentiaalienergiasta gradientti Esimerkkejä ja harjoituksia

TUTKIMUSTODISTUS. Jyväskylän Ympäristölaboratorio. Sivu: 1(1) Päivä: Tilaaja:

Aineen häviämättömyyden periaate Jos lähtöaineissa on tietty määrä joitakin atomeja, reaktiotuotteissa täytyy olla sama määrä näitä atomeja.

4.1 Kaksi pistettä määrää suoran

(l) B. A(l) + B(l) (s) B. B(s)

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

KaiHali & DROMINÄ hankkeiden loppuseminaari

Transkriptio:

Ellinghamin diagrammit Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2015 Teema 1 - Luento 2 Tavoite Oppia tulkitsemaan (ja laatimaan) vapaaenergiapiirroksia eli Ellinghamdiagrammeja 1

Tasapainopiirrokset Tasapaino- eli stabiilisuuspiirrokset Kuvaavat graafisesti eri faasien keskinäisiä stabiilisuuksia olosuhteiden funktiona Koostumus-lämpötila-piirrokset Tasapaino- tai faasipiirrokset Potentiaali-potentiaali-piirrokset E-pH-piirrokset (Pourbaix) Vapaaenergiapiirrokset (Ellingham) Vallitsevuusaluekaaviot (Kellogg) Kellogg- ja Ellinghamdiagrammien vertailua Ellingham Useiden eri metallien muodostamia yhdisteitä Vain yhdenlaisia yhdisteitä samassa tarkastelussa Kellogg Vain yhden metallin muodostamia yhdisteitä (yleensä) Erilaisia yhdisteitä samassa tarkastelussa 2

Kuva: HSC Chemistry. Mikä on Ellinghamin diagrammi? (Yleensä) Puhtaille yhdisteille laadittu kuvaaja, jossa yhdisteiden G f :t on esitetty lämpötilan funktiona Vain yhden tyyppisten yhdisteiden tarkastelu kerrallaan Esim. oksidit, nitridit, karbidit, sulfidit, jne. y-akselina on potentiaalisuure (RTlna i ) Happi-, rikki- ym. potentiaalipiirrokset Vapaaenergiapiirrokset (Ellingham-diagrammit) 3

Vapaaenergiapiirroksen laatiminen oksideille Kirjoitetaan yhdisteiden muodostumisreaktiot yhtä happimoolia kohden m Me + O 2 (g) = n Me m/n O 2/n Haetaan reaktioille G 0 R:n arvot Piirretään muodostumisreaktioiden Gibbsin energiat lämpötilan funktiona Puhtaille aineille G 0 R = R T lnp O2 Ei-puhtaille aineille on huomioitava ykkösestä poikkeavat aktiivisuuden arvot Kuvaajassa alin reaktio on spontaanein ja sitä vastaava yhdiste stabiilein Vapaaenergiapiirroksen laatiminen oksideille Oksidien stabiilisuuksia vertailtaessa on niiden muodostumisreaktiot kirjoitettava samaa happimäärää kohden m Me O g n Me O 2 ( ) m / n 2 / n a K a G 0 R Mem no2 n 1 m Me p O2 O2 Sama pätee myös muita yhdisteitä tarkasteltaessa p R T ln K R T ln 1 po R T ln p 2 O2 4

Mitä Ellinghamin diagrammista voidaan lukea? Yhdisteiden stabiilisuuksien vertailu eri lämpötiloissa Kaasufaasin tasapainokoostumukset alkuaineen ja sen muodostaman yhdisteen ollessa tasapainossa tietyssä lämpötilassa Yhdisteiden muodostumisreaktioiden H, S ja G Tarvittaessa voidaan laatia kuvaajia myös ei-puhtaille aineille Yhdisteiden keskinäisen stabiilisuuden vertailu eri lämpötiloissa Kuvaajassa alempana olevalla yhdisteellä on negatiivisempi muodostumis-gibbsin energia Eli kuvaajassa alempana oleva yhdiste on stabiilimpi kuin ylempänä oleva yhdiste esim. MnO ja SiO 2 lämpötilassa 1000 C Kuva: Coudurier et al. (1985) Fundamentals of metallurgical processes. 5

Yhdisteiden stabiilisuuksien lämpötilariippuvuudet ovat erilaisia Yhdisteiden keskinäisen stabiilisuus voi vaihtua lämpötilan muuttuessa esim. Na 2 O ja Cr 2 O 3 Kun T < 420 C, niin Na 2 O on stabiilimpi Kun T > 420 C, niin Cr 2 O 3 on stabiilimpi Kuva: Coudurier et al. (1985) Fundamentals of metallurgical processes. Apuasteikot Apuasteikkojen laatimisesta löytyy aineistoa kurssin www-sivulta Luennolla keskitytään siihen, miten apuasteikkoja luetaan 6

Tasapainohapenpaine Hapen osapaine, jolla metalli ja sen muodostama oksidi ovat tasapainossa keskenään Jos hapen osapaine systeemissä on suurempi kuin tasapainohapenpaine Metalli pyrkii hapettumaan (kuluu happea) Jos hapen osapaine systeemissä on pienempi kuin tasapainohapenpaine Oksidi pyrkii pelkistymään (vapautuu happea) Apuasteikot Kuva: Gaskell (1973) Introduction to metallurgical thermodynamics. 7

Apuasteikot Kuva: Gaskell (1973) Introduction to metallurgical thermodynamics. Esimerkki: Jos Si ja SiO 2 ovat tasapainossa 1200 C:een lämpötilassa, niin mikä on vallitseva... a)... tasapainohapenpaine? b)... CO/CO 2 -suhde? c)... H 2 /H 2 O-suhde? a) Noin 10-23 atm b) Noin 10 6 /1 c) Hieman alle 10 6 /1 Kuva: Coudurier et al. (1985) Fundamentals of metallurgical processes. 8

Kuvat: HSC Chemistry. Termodynaamisten suureiden lukeminen kuvaajasta Kuvaajissa on esitetty muodostumis-gibbsin energiat lämpötilan funktiona Ts. G = f(t) Määritelmän mukaan G = H - T S Suoran yhtälö, jossa: H on vakiotermi ja - S on kulmakerroin Kuvaajasta voidaan lukea likiarvot yhdisteiden muodostumisentropioille ja -entalpioille HUOM! Taustalla oletus, että H:n ja S:n arvot eivät riipu lämpötilasta (Ei ole täysin oikein!) Termodynaamisten suureiden lukeminen kuvaajasta H:n ja S:n lämpötilariippuvuudet ovat kuitenkin vähäisiä lukuunottamatta faasimuutoslämpötiloja, joissa muutenkin on taitekohta Ellinghamin diagrammissa kcal/mol Delta H cal/(mol*k) Delta S -200 Si + O2(g) = SiO2 0-10 -20-250 -30 2 Al + O2(g) = 2/3 Al2O3-40 Si + O2(g) = SiO2 2 Mg + O2(g) = 2 MgO -50 2 Al + O2(g) = 2/3 Al2O3-300 2 Ca + O2(g) = 2 CaO -60-70 2 Ca + O2(g) = 2 CaO -80-350 -90 File: -400 Prosessimetallurgian 0 500 tutkimusryhmä 1000 1500 2000 Eetu-Pekka Heikkinen, 2014 Temperature C -100 Mg + O2(g) = 2 MgO -110 Temperature -120 0 500 1000 1500 2000 C File: 9

Yhdisteen muodostumisreaktion entalpianmuutos Yhdisteen muodostumisentalpia on ko. yhdistettä kuvaavan suoran vakiotermi Ellinghamin diagrammissa Ts. G = f(t) :n saama arvo, kun T = 0 K G f = H f - T S f = H f - 0 S f = H f Jos H f < 0, reaktio on eksoterminen eli lämpöä vapauttava Jos H f > 0, reaktio on endoterminen eli lämpöä sitova Olomuodon muutokset vapaaenergiapiirroksissa Yleisesti: S kaasu > S sula > S kiinteä Lähtöaineen sulaessa tai höyrystyessä Lähtöaineiden entropia kasvaa Reaktioentropia (S R = S Tuotteet - S Lähtöaineet ) pienenee Vapaaenergiakäyrän kulmakerroin (= -S R ) kasvaa Tuotteen (yhdiste) sulaessa tai höyrystyessä Tuotteiden entropia kasvaa Reaktioentropia kasvaa Vapaaenergiakäyrän kulmakerroin pienenee 10

Olomuodon muutokset vapaaenergiapiirroksissa Metallin sulaminen kulmakerroin suurenee Metallin höyrystyminen kulmakerroin suurenee Yhdisteen sulaminen kulmakerroin pienenee Yhdisteen höyrystyminen kulmakerroin pienenee Kuva: Gaskell (1973) Introduction to metallurgical thermodynamics. Alkuaineiden ja yhdisteiden sulamis-, höyrystymis-, sublimaatio- ja faasimuutospisteet on merkitty diagrammiin kukin omalla merkinnällä Kuva: Coudurier et al. (1985) Fundamentals of metallurgical processes. 11

Kellogg- ja Ellingham-diagrammien vertailua Ellinghamin diagrammin mukaan Mn:n ja MnO:n välinen tasapainohapenpaine 1000 C:ssa on 10-24 Vastaava arvo saadaan luonnollisesti luettua myös Kelloggdiagrammista log pso2(g) 50 Mn-O -S Phase Stability Diagram at 1000.000 C 40 30 20 Mn2(SO4)3 10 MnS2 MnSO4 0-10 -20-30 MnS MnO Mn3O4 MnO2 Kuva: Coudurier et al. (1985) Fundamentals of metallurgical processes. Mn2O3 Mn -40-40 -30-20 -10 0 10 20 30 40 50 File: C:\HSC7\Lpp\MnOS1000.ips log po2(g) Aktiivisuuksien huomiointi vapaaenergiapiirroksissa Ellinghamin diagrammi voidaan laatia myös tapauksissa, joissa tarkasteltavat alkuaineet tai yhdisteet eivät ole puhtaita (a < 1) Ykkösestä poikkeavat aktiivisuudet huomioidaan y-akselina olevan RTlnp O2 - termin lausekkeessa 12

Aktiivisuuksien huomiointi vapaaenergiapiirroksissa Alkuaineen aktiivisuus laskee Vapaaenergiakäyrä nousee Yhdiste epästabiilimpi Yhdisteen aktiivisuus laskee Vapaaenergiakäyrä laskee Yhdiste stabiilimpi Kuva: Pickering & Batchelor: Am. Ceram. Soc. Bull. 50 (1971) 7, 611-614. Vapaaenergiapiirrokset muille kuin oksidisille yhdisteille Luennolla on käytetty esimerkkinä oksidien vapaaenergiapiirrosta, koska se on metallurgiassa selkeästi yleisimmin käytetty Vastaavia piirroksia voidaan laatia myös muille yhdisteille kuten sulfideille, sulfaateille, karbideilla, karbonaateille, nitrideille, nitraateille, klorideille, fluorideille, jne. 13

Kuva: Coudurier et al. (1985) Fundamentals of metallurgical processes. Sulfidit Tasapainorikinpaine = Rikin osapaine, jolla metalli ja sen sulfidit ovat keskenään tasapainossa Sulfidien syntyreaktiot kirjoitettava aina samaa rikkimäärää kohden m Me S g n Me S 2 ( ) m / n 2 / n G 0 R R T ln K R T ln 1 Apuasteikot kuvaavat ps R T ln p 2 S2 Rikin osapainetta (p S2 ) kaasussa (fokuspiste S) Kaasun p H2 /p H2S -suhdetta (fokuspiste H) 14

Kuva: Coudurier et al. (1985) Fundamentals of metallurgical processes. Karbidit Karbidien syntyreaktiot kirjoitettava aina samaa hiilimäärää kohden m Me C n Me C m / n 1/ n G 0 R R T ln K R T ln 1 Apuasteikot kuvaavat Hiilen aktiivisuutta (a C ) kaasussa (fokuspiste C) Kaasun (p CO ) 2 /p CO2 -suhdetta (fokuspiste ) Kaasun p CH4 /(p H2 ) 2 -suhdetta (fokuspiste CH4) ac R T ln ac 15

Kuva: Coudurier et al. (1985) Fundamentals of metallurgical processes. Kloridit Kloridien syntyreaktiot kirjoitettava aina samaa kloorimäärää kohden m Me Cl n Me Cl 2 m / n 2 / n G 0 R R T ln K R T ln 1 p R T ln p Cl 2 Cl 2 Nitridit Nitridien syntyreaktiot kirjoitettava aina samaa typpimäärää kohden m Me N n Me N 2 m / n 2 / n G 0 R Apuasteikot kuvaavat R T ln K R T ln 1 pn R T ln p 2 N2 Typen osapainetta (p N2 ) kaasussa (fokuspiste A) Kaasun (p NH3 ) 2 /(p H2 ) 3 -suhdetta (fokuspiste N) 16

Kuva: Coudurier et al. (1985) Fundamentals of metallurgical processes. 17