Metallurgiset liuosmallit: Metallien ja kuonien mallinnus

Samankaltaiset tiedostot
Korkealämpötilakemia

Sähkökemialliset tarkastelut HSC:llä

Faasipiirrokset, osa 2 Binääristen piirrosten tulkinta

Korkealämpötilakemia

Chem-C2400 Luento 3: Faasidiagrammit Ville Jokinen

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

Korkealämpötilakemia

782630S Pintakemia I, 3 op

kuonasula metallisula Avoin Suljettu Eristetty S / Korkealämpötilakemia Termodynamiikan peruskäsitteitä

Johdanto laskennalliseen termodynamiikkaan ja mikroluokkaharjoituksiin

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

Kuonien rakenne ja tehtävät

Sähkökemian perusteita, osa 1

Johdanto laskennalliseen termodynamiikkaan ja mikroluokkaharjoituksiin

Korkealämpötilakemia

Puhtaat aineet ja seokset

Termodynaamisten tasapainotarkastelujen tulokset esitetään usein kuvaajina, joissa:

KEMIA. Kemia on tiede joka tutkii aineen koostumuksia, ominaisuuksia ja muuttumista.

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

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

HEIKOT VUOROVAIKUTUKSET MOLEKYYLIEN VÄLISET SIDOKSET

Faasialueiden nimeäminen/tunnistaminen (eutek1sessa) tasapainopiirroksessa yleises1

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto TERVETULOA!

Dislokaatiot - pikauusinta

Korkealämpötilakemia

Teddy 7. harjoituksen malliratkaisu syksy 2011

Seoksen pitoisuuslaskuja

Kaikenlaisia sidoksia yhdisteissä: ioni-, kovalenttiset ja metallisidokset Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka

Tässä luvussa keskitytään faasimuutosten termodynaamiseen kuvaukseen

SISÄLLYSLUETTELO SYMBOLILUETTELO 4

Faasi: Aineen tila, jonka kemiallinen koostumus ja fysikaalinen ominaisuudet ovat homogeeniset koko näytteessä. P = näytteen faasien lukumäärä.

Betonin pitkät käyttöiät todellisissa olosuhteissa

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

Konvertteriprosessien ilmiöpohjainen mallinnus Tutkijaseminaari , Oulu

Faasipiirrokset, osa 3 Ternääristen ja monikomponenttipiirrosten tulkinta

Chem-C2400 Luento 4: Kidevirheet Ville Jokinen

Korkealämpötilakemia

Palautus yhtenä tiedostona PDF-muodossa viimeistään torstaina

Faasipiirrokset, osa 1: Laatiminen sekä 1-komponenttipiirrosten tulkinta

Energiatehokkuutta parantavien materiaalien tutkimus. Antti Karttunen Nuorten Akatemiaklubi

Luku 13 KAASUSEOKSET

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

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

Näiden aihekokonaisuuksien opetussuunnitelmat ovat luvussa 8.

Tärkeitä tasapainopisteitä

Gibbsin energia ja kemiallinen potentiaali määräävät seosten käyttäytymisen

Metallien plastinen deformaatio on dislokaatioiden liikettä

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Ionisidos ja ionihila:

E p1 = 1 e 2. e 2. E p2 = 1. Vuorovaikutusenergian kolme ensimmäistä termiä on siis

FyKe 7 9 Kemia ja OPS 2016

Käytännön esimerkkejä on lukuisia.

Näkökulmia teräksen valmistusprosessien tutkimukseen ja kehitykseen

Lämpöoppi. Termodynaaminen systeemi. Tilanmuuttujat (suureet) Eristetty systeemi. Suljettu systeemi. Avoin systeemi.

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

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

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

Luku 5. Yksinkertaiset seokset

Korkealämpötilakemia

Ellinghamin diagrammit

JÄÄTYMISPISTEEN ALENEMA Johdanto. 2 Termodynaaminen tausta

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

4) Törmäysten lisäksi rakenneosasilla ei ole mitään muuta keskinäistä tai ympäristöön suuntautuvaa vuorovoikutusta.

1. Yksiulotteisen harmonisen oskillaattorin energiatilat saadaan lausekkeesta

CHEM-C2230 Pintakemia. Työ 2: Etikkahapon adsorptio aktiivihiileen. Työohje

Kurssin tavoitteet, sisältö ja toteutus

BM20A0900, Matematiikka KoTiB3

Korkealämpötilakemia

Matriisilaskenta Luento 8: LU-hajotelma

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

MUUTOKSET ELEKTRONI- RAKENTEESSA

KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 VESI

Prosessi- ja ympäristötekniikan perusta

Kuonien kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet

Mittausepävarmuuden laskeminen ISO mukaisesti. Esimerkki: Campylobacter

vetyteknologia Polttokennon tyhjäkäyntijännite 1 DEE Risto Mikkonen

Lukion kemian OPS 2016

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

Spontaanissa prosessissa Energian jakautuminen eri vapausasteiden kesken lisääntyy Energia ja materia tulevat epäjärjestyneemmäksi

Mitkä ovat aineen kolme olomuotoa ja miksi niiden välisiä olomuodon muutoksia kutsutaan?


PROSESSIMETALLURGIAN OPETUKSEN KEHITTÄMISTYÖRYHMÄN KOKOUS 5/2015. Eetu-Pekka Heikkinen; pj, siht. Petri Lehtonen (kohta 5) Pekka Tanskanen

Johdantoa. Kemia on elektronien liikkumista/siirtymistä. Miksi?

Matemaattinen Analyysi

Chapter 1. Preliminary concepts

Pinnat prosessimetallurgiassa

1. Malmista metalliksi

infoa Viikon aiheet Potenssisarja a n = c n (x x 0 ) n < 1

Keraamit ja komposiitit

luku 1.notebook Luku 1 Mooli, ainemäärä ja konsentraatio

H7 Malliratkaisut - Tehtävä 1

Fysiikan kurssit. MAOL OPS-koulutus Naantali Jukka Hatakka

Korkealämpötilakemia

Korkealämpötilaprosessit

Monissa fysiikan probleemissa vaikuttavien voimien yksityiskohtia ei tunneta

Luento Entrooppiset voimat Vapaan energian muunoksen hyötysuhde Kahden tilan systeemit

Valitse seuraavista joko tehtävä 1 tai 2

MATEMAATTIS- LUONNONTIETEELLINEN OSAAMINEN

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

Elektrolyysi Anodilla tapahtuu aina hapettuminen ja katodilla pelkistyminen!

Transkriptio:

Metallurgiset liuosmallit: Metallien ja kuonien mallinnus Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2016 Teema 2 - Luento 5 Tavoite Jatkaa reaaliliuosten käsitteeseen tutustumista Tutustua metallurgiassa käytettyihin liuosmalleihin Mallinnettavat ilmiöt Matemaattiset liuosmallit Fysikaaliset liuosmallit; kiinteät ja sulat seokset Oppia tuntemaan mallien mahdollisuudet ja rajoitukset 1

Faasien termodynaaminen mallinnus Puhtaat aineet G = f(t,p) G = f(t,p, (x i )) Ideaaliliuokset G = f(t,p,liuosomin.) Seokset G = f(t,p, (x i i )) Reaaliliuokset Ideaalikaasut Reaalikaasut G = f(t,p, (p i )) G = f(t,p, (p i i )) Kondensoituneet reaaliseokset Hallittavia asioita - Standarditilat - Koostumuksen esittäminen - Aktiivisuuskertoimen (eksessifunktion) arvon määrittäminen Matemaattiset Fysikaaliset liuosmallit liuosmallit i = f(matem. i = f(aineen rakenne) malliparametrit) Hyvän liuosmallin kriteerit Teoreettinen tausta kunnossa Parametrien mielekkyys Määrä Merkitys Laajennettavuus, ekstrapoloituvuus Oltava sovellettavissa käytäntöön Sovellusalue käytännön kannalta mielekäs Malliparametrit määritettävissä (tai mieluummin jo määritetty) 2

Reaaliliuosten mallinnus Erilaisen rakenteen omaavien faasien mallintamiseen on kehitetty erilaisia malleja Kiinteät faasit Matem. liuosmallit, alihilamallit Metallisulat Matem. liuosmallit, WLE-formalismi, UIP-formalismi Kuonasulat Kvasikem. malli, kahden alihilan alli, assosiaattimalli, regulaaristen liuosten malli Vesiliuokset Debye-Hückelin rajalaki, Pitzerin malli Reaaliliuosten mallinnus Käytännössä kyse on Gibbsin vapaaenergian ja edelleen sen eksessiosan mallintamisesta Siinä missä ideaaliliuoksille on voimassa: o, Gm ( T, xi ) xigi RT xi ln xi i i tarvitaan reaaliliuoksille usein monimutkaisiakin yhtälöitä (esimerkkinä Redlich-Kister-Muggianu -polynomi): nij o, ( ) Gm ( T, xi ) xigi RT xi ln xi xi x j Lij ( T)( xi x j ) i i j k x x x ( x L i j k i ijk i i ( T) x L ijk j j 0 ( T) x L ijk k k ( T)) /( x x x ) Polynomin muoto, ternääristen vuorovaikutusten huomiointi ja ekstrapolointi voivat olla myös muunlaisia i j i j k 3

Matemaattiset liuosmallit Matemaattiset liuosmallit 4

Regulaaristen liuosten malli Regulaaristen liuosten malli Vain yksi malliparametri Hyvät laajentamismahdollisuudet Yksi yleisimmin käytetyistä liuosmalleista Varsinkin ennen laskentaohjelmistoja Ei-elektrolyyttiset liuokset, joista on käytössä vain rajoitetusti kokeellista mittausdataa Pohja analysoitaessa monikomponenttiseoksia (esim. kuonia) Kohteet, joissa edellytetään eksessifunktiolta hyvää ekstrapoloituvuutta useamman komponentin systeemeihin 5

Regulaaristen liuosten malli Vain yksi malliparametri Epätarkka: Mahdotonta kuvata monimutkaisia liuoksia Erityisen ongelmallisia liuokset, joissa komponenttien aktiivisuuskertoimien arvot laimeissa liuoksissa poikkeavat suuresti toisistaan Mallinnettavat ilmiöt fysikaalisissa liuosmalleissa Fysikaaliset liuosmallit pyrkivät kuvaamaan liuosfaasin todellisia fysikaalisia ominaisuuksia Oltava käsitys aineen (mikro)rakenteesta ja sen vaikutuksesta kemialliseen käyttäytymiseen Korvausliuokset Alihiloja sisältävät liuokset Sulafaasit 6

Mallinnettavat ilmiöt: Korvausliuokset Kaikki osaslajit samassa hilassa Hilapaikat keskenään samankaltaisia Mallinnettavia ilmiöitä Kokoeroista johtuvat hilajännitykset Kemiallinen järjestäytyminen SRO - Short Range Order / Lähijärjestys LRO - Long Range Order / Kaukojärjestys Mallinnettavat ilmiöt: Alihiloja sisältävät liuokset Useanlaisia hilapaikkoja Tietty osaslaji esiintyy tietyssä hilapaikassa Mallinnettavia ilmiöitä Hilajännitykset Kemiallinen järjestäytyminen Lähimmät naapurit yleensä toisessa hilassa Voimakas SRO Assosiaatit Hilavirheet (Osaslaji väärässä hilapaikassa) Vajaat alihilat: Välisija-alihilat, vakanssit Johtavuusvöiden koostumusriippuvuus (Puolijohteet) Elektroneutraalisuusehto (Elektrolyyttiset liuokset) 7

Mallinnettavat ilmiöt: Sulafaasit LRO:n merkitys vähäinen Ei (kokeellista) tietoa faasin rakenteesta Oletus assosiaateista Assosiaattimallit Oletus elektrolyyttisyydestä Sulien alihilamallit Joissain tapauksissa todellisia komplekseja (SiO 4 4- ) Usein monimutkaisia ja toisistaan poikkeavia (Vesiliuokset) Kuonat Kiinteiden faasien mallinnus Matemaattiset liuosmallit Redlich-Kister-yhtälöt erityisesti metalliseoksille Alihilamallit Kiinteät suolat, metallit, keraamit ja välisijaliuokset 8

Alihilamallit kiinteiden faasien mallinnuksessa Esitystapa: (A,B) 1 (C,D) 2 Pitoisuuksien esittäminen hilapaikkaosuuksina (y i ) Alihiloja voi olla useampia kuin kaksi Seosfaasiin liukenevan osaslajin koon ollessa merkittävästi matriisin osaslajien kokoa pienempi Liukeneminen välisijoihin Välisija-alihila Vapaaksi jäävät hilapaikat ovat vakanssien täyttämiä Eli matriisin osaslajit omassa alihilassaan ja liukeneva aine toisessa alihilassa vakanssien kanssa Alihilamallit kiinteiden faasien mallinnuksessa Perusajatus on Gibbsin vapaaenergian esittäminen uutta pitoisuusmuuttujaa käyttäen Itse eksessifunktio voidaan mallintaa matemaattisesti eri tavoin G Ex y A y B y L y L y y y L y L G Ex ya yb C AB: C D AB: D C D A CD: A B CD: B L AB y C y D L CD 9

Alihilamallit kiinteiden faasien mallinnuksessa Esimerkkejä erilaisista alihilasysteemeistä (Me 1,Me 2 ) 1 (Va,C,N) 3 C ja N sijoittuvat välisijoihin, kun taas metallit ovat varsinaisessa hilassa (HUOM! Välisijapaikka voi olla myös tyhjä - vakanssi) (A,B) 2 (B,Va) A 2 B-yhdisteen epästökiömetrian kuvaus käyttämällä alihilaa, jossa on hilaan kuulumattomia B-atomeja ja vakansseja (Me 2+,Me 3+,Va 0 )(O 2- ) Hilassa esiintyy saman alkuaineen kahta eri valenssia kationihilassa. Varauksettomia vakansseja tarvitaan sähköisen neutraalisuusehdon vuoksi. Sulien faasien mallinnus Ei ole vielä pystytty kehittämään mallia, jonka avulla voitaisiin samaa mallirakennetta käyttäen mallintaa toisistaan huomattavasti poikkeavia sulafaaseja Esim. metallisulat, silikaattiset kuonasulat, vesi,... 10

Sulien faasien mallinnus Pienempi SRO (esim. metallisulat) Matemaattiset liuosmallit (Redlich-Kister) WLE-formalismi UIP-formalismi Suurempi SRO (esim. kuonasulat) Regulaaristen liuosten malli Kvasikemiallinen malli Kahden alihilan malli Assosiaattimalli Pelton A & Bale C: A modified interaction parameter formalism for non-dilute solutions. Metallurgical transactions. Vol. 17A. 1986. s. 1211-1215. Bale C & Pelton A: The unified interaction parameter formalism: Thermodynamic consistency and applications. Vol. 21A. 1990. s. 1997-2002. Ma Z: Thermodynamic description for concentrated metallic solutions using interaction parameters. Metallurgical and materials transactions. Vol. 32B. 2001. No. 1. s. 87-103. UIP-formalismi Unified Interaction Parameter Formalism Palautuu WLE-formalismiksi äärettömässä laimennuksessa Voidaan palauttaa myös muiksi rajoitetummiksi liuosmalleiksi erityistilanteissa Voidaan johtaa Margules-yhtälöistä Metallisulien mallinnukseen Samat malliparametrit kuin WLE-formalismissa Wagnerin vuorovaikutusparametrit Pätevä liuosten koko koostumuusalueella 11

Pelton A & Blander M: Thermodynamic analysis of ordered liquid solutions by a modified quasichemical approach - Application to silicate slags. Metallurgical transactions. Vol. 17B. 1986. s. 805-815. + Blanderin, Peltonin ja heidän tutkijaryhmiensä lukuisat aiheeseen liittyvät julkaisut 1980-luvulta nykypäivään Kvasikemiallinen malli Yksi vanhimmista fysikaalisista liuosmalleista Keskittyy SRO:n tarkasteluun Alkuperäinen ajatus Guggenheimilta jo 1930-luvun loppupuolelta Nykyisin käytössä oleva muoto perustuu Blanderin ja Peltonin päivityksiin Kvasikemiallinen malli Perustuu ajatukseen, jonka mukaan liuos muodostuu vakio-koordinaatioluvulla olevasta (kvasi)hilasta Hilaan sijoittuvat partikkelit jakautuvat lähimpien naapuriensa kanssa pareiksi Parien muodostuminen määräytyy vuorovaikutusenergian kautta: A A B B 2 A B 12

Kvasikemiallinen malli Vuorovaikutusenergian ollessa nolla, on kyseessä ideaaliliuos Negatiivisilla arvoilla A-B-parien muodostuminen on energeettisesti edullista Liuos (lähi)järjestyy muodostaen assosiaatteja Positiivisilla arvoilla samanlaiset atomit ovat vierekkäin Seoksella pyrkimys hajota kahteen eri faasiin (eri koostumukset) Systeemiin muodostuu liukoisuusaukko Kvasikemiallinen malli Kvasikem. mallissa assosiaattien (mahdollista) muodostumista tarkastellaan mikrofysikaalisesta näkökulmasta, kun assosiaattimalli lähestyy samaa asiaa kemiallisemmasta näkökulmasta Sovellusalueita suolasulat, pyrometallurgiset kuonat sekä sulfidikivet 13

Kahden alihilan sulamallit Perustuvat ajatukseen, jonka mukaan sulien aineiden voidaan kiinteiden aineiden tapaan olettaa muodostuvan joko todellisista tai laskennallisista alihiloista esim. kationi- ja anionihilat Perusteltua ainakin ionisulien tapauksessa Kuonien voidaan ajatella koostuvan ioneista Sovellettu myös metallisiin suliin Kahden alihilan sulamallit Mikäli voimakas assosiaattien muodostamistaipumus Tuloksena voidaan saada ei-todellisia liukoisuusaukkoja Silikaattisten kuonasulien termodynaamista käyttäytymistä onkin vaikea mallintaa alihilamalleja käyttäen Sovelluskohteina ei-silikaattiset kuonat sekä muut ioniset sulat esim. suolasulien mallinnukseen ns. CIS-malli; engl. conformal ionic solution 14

Assosiaattimallit Perustuvat ajatukseen seoksen komponenttien vetovoimien (SRO) seurauksena syntyvistä assosiaateista Assosiaatit = Mallinnuksen osaslajit Mallinnetaan assosiaattien välisiä vuorovaikutuksia esim. matemaattiset liuosmallit (Redlich-Kister) Taustalla on tieto vesiliuoksissa esiintyvästä kompleksien muodostumisesta Veteen liuenneiden ionien taipumus minimoida systeemin kokonaisenergiaa muodostamalla komplekseiksi kutsuttuja assosiaatteja Assosiaattimallit Huom! Vaikka assosiaattien muodostumiseen perustuvalla mallilla saataisiinkiin kuvattua tiettyjen sulafaasien ominaisuuksia, se ei tarkoita, että ko. liuokset välttämättä olisivat komplekseista muodostuneita Yleisemmin: Se, että mallilla voidaan kuvata jotain ilmiötä, ei tarkoita, että malli välttämättä selittäisi ko. ilmiön luonteen; sen avulla vain pystytään kuvaamaan ilmiötä laskennallisesti. 15

Binääridatan laajennus usean komponentin systeemeihin Seosfaasien termodynaamisia ominaisuuksia mallinnettaessa pyritään siihen, että useammista osaslajeista koostuvien systeemien ominaisuudet voitaisiin kuvata mahdollisimman hyvin yksinkertaisemmille systeemeille määritettyjä malliparametreja käyttäen Binääridatan laajennus usean komponentin systeemeihin Esimerkiksi ternäärisen liuosfaasin (A-B-C) eksessifunktiota määritettäessä se pyritään ensin esittämään kolmen binäärisen osasysteemin (A-B, B-C ja A-C) eksessifunktioiden avulla, minkä jälkeen mallin antaman tuloksen poikkeama todellisuudesta (l. mittaustuloksista) korjataan ternäärisellä eksessitermillä Usein monikomponenttisysteemien korkeampien asteiden vuorovaikutusparametrien arvot jäävät suhteellisen pieniksi 16

Ternääridatan esittäminen binääridatan pohjalta Termodynaamisesta mallinnuksesta Termodynaamisen mallinnuksen päämääränä on aina kuvata liuoksen Gibbsin energiaa niin hyvin kuin mahdollista käyttäen erilaisia faaseissa tapahtuvia fysikaalisia prosesseja mallinnuksen kohteena Käytännössä vain rajallinen määrä ilmiöitä voidaan kuvata tyydyttävästi fysikaalisin mallein 17

Termodynaamisesta mallinnuksesta Malliin jää lähes aina myös puhtaan matemaattinen termi G(UFO), jonka parametrit on sovitettu kokeellisista mittaustuloksista käyttäen jotain sopivaa muuttujien potenssisarjaa kuten esimerkiksi Redlich-Kister-yhtälöitä G(UFO)-termi sisältää siis kaikki ne liuoksen ominaisuudet, joita ei tunneta riittävän hyvin niiden fysikaaliseksi mallintamiseksi 18