Lämpötila (Celsius) Luento 9: Termodynaamisten tasapainojen graafinen esittäminen, osa 1 Tiistai 17.10. klo 8-10 Termodynaamiset tasapainopiirrokset Termodynaamisten tasapainotarkastelujen tulokset esitetään usein kuvaajina, joissa: - toisena akselina on jokin olosuhdemuuttuja (lämpötila, kokonaispaine, etc.) - ja toisena akselina jokin termodynaamisen tarkastelun/laskennan tuloksena määritetty suure (jonkin osaslajin osapaine, muodostumis-gibbsin energia, tasapainopitoisuus, etc.). Kuvaajien (laskennallinen) laadinta: 1. Määritetään kuvaajassa esitettävä suure eri olosuhteissa 2. Piirretään saadut tulokset kuvaajaan määrityksessä käytettyjen olosuhteiden funktiona Esimerkki: Kuparin ja kuparioksidin välisen reaktion tasapainohapenpaineet lämpötilan funktiona. 2 Cu + O2(g) = 2 CuO 1500 1400 1300 1200 Cu 1100 1000 CuO 900 800 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Hapenpaine
Ellinghamin diagrammi Mahdollistaa yhdisteiden keskinäisen stabiilisuuden nopean vertailun - Laaditaan yleensä puhtaille aineille - Kuvaajasta lukeminen nopeaa, mutta ei aina tarkkaa - Eivät kerro mitään kinetiikasta Gibbsin mooliset standardimuodostumisenergiat ( G f 0 ) lämpötilan funktiona (yhtä reagoivaa happimoolia kohden) - Kemiallisesti stabiilein yhdiste on se, jolla on negatiivisin G f 0 :n arvo l. se joka on kuvaajassa alimpana Laaditaan tietynlaisille yhdisteille: - Oksidit - Sulfidit - Karbidit - Nitridit - Karbonaatit - etc.
Ellinghamin diagrammi oksideille
Kaasu-neste-tasapainopiirrokset Hyödynnetään höyry-neste-tasapainoa hyväksi käyttävien erotusprosessien (esim. tislaus) tarkastelussa Faasirajojen esittäminen koostumus-lämpötila-asteikolla Rajojen sisään jäävät alueet kuvaavat tietyn faasin tai tiettyjen faasien stabiilisuusalueita olosuhteiden funktiona Nestemäisen faasin stabiilisuusalue alemman käyrän alapuolella Kaasumaisen faasin stabiilisuusalue ylemmän käyrän yläpuolella Kaasu ja neste tasapainossa keskenään käyrien väliin jäävällä alueella - Nesteen koostumus voidaan lukea tarkastelulämpötilaa kuvaavan vaakasuoran viivan ja alemman käyrän leikkauspisteestä - Kaasun koostumus saadaan tarkastelulämpötilaa kuvaavan suoran ja ylemmän käyrän leikkauspisteestä - Faasien osuudet voidaan määrittää ns. vipusäännön avulla (ks. tehtävä 31) Puhtaiden aineiden kiehuminen yhdessä lämpötilassa (= kiehumispiste) Käyrät leikkaavat toisensa puhtaiden aineiden koostumuksilla Ei kaksifaasialuetta Vastaavia pitoisuus-lämpötila-asteikolle piirrettyjä piirroksia käytetään myös kiinteän aineen ja nesteen välisten tasapainojen tarkasteluun
Tehtäviä luennolle 9 29. Vastaa Ellinghamin diagrammin avulla seuraaviin kysymyksiin: a) Voidaanko kaasuseoksella (79 % N 2 / 10 % CO / 11 % CO 2 ) pelkistää SnO 2 :a 1000 C:een lämpötilassa? Entä FeO:a (samassa lämpötilassa)? b) Voidaanko sinkkioksidia (ZnO) pelkistää sinkiksi 900 C:ssa käyttäen pelkistimenä mangaania? c) Millä CO/CO 2 - ja H 2 /H 2 O-suhteilla sinkki ja ZnO ovat tasapainossa keskenään 600 C:ssa?
30. Alla olevassa tasapainopiirroksessa on esitetty vedestä ja etanolista koostuvan binäärisysteemin tasapainopiirros. Määritä kuvan pohjalta mitä tapahtuu, kun nestettä, jonka koostumus on 20 mol-% etanolia ja 80 mol-% vettä, lämmitetään. Jos kuumennuksessa syntyvä höyry erotetaan muusta systeemistä, otetaan talteen ja jäähdytetään, niin mikä on näin saatavan nesteen etanolipitoisuus? 31. Tarkastellaan NiO:sta ja MgO:sta koostuvaa binäärisysteemiä, jonka koostumus ja lämpötila vastaavat alla esitetyn tasapainopiirroksen pistettä X. Kerro, miten ko. systeemissä esiintyvät faasit ja niiden koostumukset muuttuvat, kun systeemin lämpötilaa lasketaan pisteestä X lämpötilaan 2000 C. Systeemi on suljettu eli sen kokonaiskoostumus ei muutu.