научная статья по теме КИНЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОЛИМОРФНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ МОЛЕКУЛЯРНЫХ КРИСТАЛЛОВ Химия

Текст научной статьи на тему «КИНЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОЛИМОРФНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ МОЛЕКУЛЯРНЫХ КРИСТАЛЛОВ»

КИНЕТИКА И КАТАЛИЗ, 2013, том 54, № 5, с. 575-582

УДК 548.33:547.416

КИНЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОЛИМОРФНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ МОЛЕКУЛЯРНЫХ КРИСТАЛЛОВ

© 2013 г. В. А. Дубовицкий*, В. В. Захаров, Б. Л. Корсунский

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химической физики РАН, Черноголовка *Е-таИ: dubv@icp.ac.ru Поступила в редакцию 06.04.2012 г.

Предложена полихронная математическая модель в форме интегрального уравнения первого рода для описания автокаталитических полиморфных превращений произвольного порядка в молекулярных кристаллах произвольного порядка. Модель связывает наблюдаемое теплопоглощение с функцией распределения объема кристаллического вещества по концентрациям исходной и конечной модификаций. Вычислена энергия активации полиморфного превращения. Решена обратная задача восстановления функции распределения по экспериментальным данным, продемонстрировано хорошее качественное и количественное согласие предложенной модели с результатами калориметрических экспериментов.

Б01: 10.7868/80453881113050031

Кинетика полиморфных переходов, несмотря на ее очевидную научную и практическую значимость, относится к числу мало изученных областей науки [1]. В значительной степени это связано с тем, что на полиморфные переходы в твердых веществах влияют многие факторы, особенно если это поликристаллические вещества. Скорость полиморфного перехода может зависеть от размера кристаллов, их морфологии, дефектности, наличия примесей и др. Поскольку в поликристаллическом веществе каждый кристалл обладает собственной реакционной способностью, неудивительно, что кинетика полиморфного перехода зачастую имеет полихронный характер [2]. Целью настоящей работы была разработка подхода к анализу полихронной кинетики полиморфных переходов (ПП) на примере 1,3,5,7-тетранитро-1,3,5,7-октагидротетразоцина (октогена). Еще в 1950 г. было обнаружено четыре кристаллических модификации этого вещества [3], а недавно найдена еще одна [4]. При нормальных условиях термодинамически стабильной является в-модификация, которая приблизительно при 160°С и выше переходит в 8-форму. Октоген является взрывчатым веществом, его термическое разложение происходит при температурах выше температуры ПП. Поэтому ПП является обязательным этапом таких его превращений, как горение и взрыв.

Литературные данные о кинетике перехода в ^ 8 в октогене немногочисленны. В работе [5] этот переход изучали методом ИК-спектроско-пии в изотермических условиях при температурах 169—194°С и временах превращения 100—200 с, когда степени превращения невелики. Был сде-

лан вывод о том, что процесс можно описать кинетическим уравнением первого порядка. В работе [6] тот же переход был исследован в неизотермических условиях методом дифференциальной сканирующей калориметрии. Авторы также анализировали полученные результаты в предположении о первом порядке реакции, хотя выполнение этого кинетического закона доказано не было. Позднее изучение превращения р ^ 8 методом изотермической калориметрии, показало, что кинетика этого процесса носит более сложный характер [7]. Настоящая работа посвящена построению математической модели ПП, которая адекватно описывает экспериментальные данные [7].

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Кинетику ПП р ^ 8 в октогене изучали по теп-лопоглощению, которое измеряли калориметрическим методом с использованием дифференциального калориметра ДАК-1-1, сконструированного в ИПХФ РАН. Опыты проводили в изотермических условиях в диапазоне температур 159.4—169.0°С. Объектами исследования были два образца: монодисперсный с размером частиц ~20 мкм и полидисперсный со средним размером частиц около 100 мкм. Примерно 20 мг исследуемого образца помещали в стеклянную ампулу, вакуумировали ее до остаточного давления около 0.1 Торр, перепаивали и помещали в измерительный блок калориметра.

На рис. 1а приведены дифференциальные кривые теплопоглощения в монодисперсном образце. Как видно, ПП происходит с ярко выра-

dQ/dt, кал/мин 0

(а)

1000 2000 3000 4000 5000 6000

t, мин

dQ/dt, кал/мин

(б)

0

0.002

0.004

0.006

dQ/dt, кал/мин 0

- -0.04

-0.08

0.12

200

400 600

800 1000 t, мин

Рис. 1. а — Дифференциальные кинетические кривые теплопоглощения при ПП в ^ 8 в монодисперсном октогене при температурах, °С: 1 — 159.4, 2 — 161.0, 3 — 162.4, 4 — 164, 5 — 165.4, 6 — 167, 7 — 169.0. б — Дифференциальные кинетические кривые теплопоглощения при ПП в ^ 8 в полидисперсном (1) и монодисперсном (2) образцах октогена при 169°С. Левая ось ординат соответствует кривой 1, правая — кривой 2.

женным самоускорением и, следовательно, его нельзя описать кинетикой первого порядка.

На рис. 1б представлены дифференциальные кинетические кривые теплопоглощения в монодисперсном и полидисперсном образцах октогена при одной и той же температуре. Чтобы совместить обе кривые на одном рисунке, их строили в разных масштабах: левая ось ординат относится к полидисперсной кривой, правая — к монодисперсной. Из рисунка видно, что изученные образцы ведут себя по-разному, причем различаются не только скорости ПП, но и формы кинетических кривых: если на кинетической кривой монодисперсного образца имеется единственный минимум скорости теплопоглощения, то на кривой полидисперсного образца присутствует множество минимумов. Форма всех пиков полидисперсной кривой геометрически подобна пику на монодис-

персной кривой. Это означает, что она хорошо аппроксимируется сверткой монодисперсного пика с некоторой весовой функцией. Указанные особенности побуждают применить для описания ПП октогена аддитивную автокаталитическую модель, описанную ниже.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

Итак, построим математическую модель ПП в поликристаллическом веществе. Предположим, что ПП протекает в ансамбле независимых изолированных микрокристаллов, каждый из которых пространственно однороден. Хорошо известно, что ПП начинается с быстрой стадии образования зародышей новой фазы (вероятно, вблизи границы кристалла) с ее последующей диффузией в объем. Поэтому будем считать, что с самого начала в образце в некоторой малой положительной концентрации, одинаковой для геометрически равных микрокристаллов, присутствует конечная 8-фаза. Отметим, что мы здесь не рассматриваем процесс зародышеобразования и считаем его мгновенным.

Выше было показано, что экспериментально наблюдаемый ПП в октогене происходит с самоускорением. Соответствующие кинетические зависимости часто бывает удобно описывать уравнением автокатализа. Предполагая, что изучаемый процесс описывается уравнением автокатализа произвольного положительного порядка, рассмотрим единичный кристалл, в котором в изотермических условиях при температуре Т протекает реакция

х + у-

-*у + у.

(I)

Здесь х и у — мольные концентрации исходной (р) и конечной (8) модификаций октогена соответственно, к = к(Т) — константа скорости. Этой реакции соответствует система дифференциальных уравнений

X = -кхуй,

у = кхуй, (1)

х(0) = хо, у(0) = уо. Скорость теплопоглощения в единице объема

I (() = ккхуй, (2)

где к — тепловой эффект реакции, d — порядок автокаталитического превращения по продукту.

Введем обозначение а = х0 + у0. Система (1) имеет первый интеграл х + у = а. Поэтому

х = -кх(а - х)й, х(0) = х о.

Преобразуем уравнение (3) к безразмерной форме, введя следующие замены времени и концентрации:

т = кай1, и(т) = х(0/а.

(3)

0

0

Тогда

du/ dx = -u(1 - u)d.

(4)

| v-1(1 - v)-

(6)

Этот полуинтервал совпадает с числовой осью при d > 1 (интеграл (6) расходится, и тогда = —да) и является полуосью при 0 < d <1 (интеграл (6) сходится, и тогда т11 — конечное число).

Решение системы (1) и скорость теплопогло-щения (2) при начальном условии 0 < х0 < а выражаются через и^т) формулами

хЦ) = а ил(К - я),

/= Нак!'л(К - я),

где

(7)

к = ka

*о/a

s = J v-1(1 - v)~ddv, 1/(d+1)

Fd (т) = hKUd (т)(1 - Ud (T))d.

(8)

Jv-1(1 - v)-d dv

лиза первого порядка, т.е. при d = 1, вычисления упрощаются, и

Правая часть уравнения (4), как функция и, имеет минимум при и = 1/^ + 1). Примем это значение и в качестве начального условия: и(0) = 1/^ + 1). Обозначим через и^т) решение уравнения (4) при указанном начальном условии. После разделения переменных вычисление ^(т) сводится к решению неявного уравнения в квадратурах относительно и:

цу+1)

| V-1(1 - V)а V = т. (5)

и

Функция ил(т) монотонно убывает, она определена на замкнутом полуинтервале та < т < да, где

1/(й+1)

U 1(т) = 1/(1 + ет), s = ln(x„/У0).

(9)

Величина s имеет смысл безразмерного времени "задержки", которое требуется, чтобы решение уравнения в безразмерных переменных (4) перешло из состояния и = х0/а в состояние с максимальной скоростью теплопоглощения при и = 1/^ + 1).

В общем случае, т.е. при произвольном порядке d > 0, функция ^(т) не может быть выражена аналитически, поэтому в дальнейшем для ее вычисления будем пользоваться конечно-разностным методом, например явным методом Рунге—Кутта. Заметим, что для рационального численного значения параметра d неопределенный биномиальный интеграл

выражается в элементарных функциях и поэтому вычисление ^(т) можно свести к решению относительно и трансцендентного уравнения (5) с явно выраженным интегралом. В случае автоката-

На качественном уровне поведение решения дифференциального уравнения автокатализа (3) при равновесном начальном условии x0 = a существенно изменяется при переходе параметра d через значение d = 1. Если d > 1, то решение является единственным и x(t) = a. Если же d < 1, то существует континуум решений, поскольку здесь в окрестности x = a для уравнения (3) нарушается условие теоремы Осгуда [8] о единственности решения, и в любой момент времени t* > 0 по формуле (6) можно перейти от равновесного значения x = a к убывающему режиму x(t) = aUd(K(t -1*) + Td). Физический смысл этого свойства состоит в том, что при d > 1 развитие ПП ß ^ 8 возможно лишь при x0 < a, т.е. при наличии некоего положительного затравочного количества 8-модификации. В то же время при d < 1 даже в отсутствие затравки ПП может начинаться в результате произвольно малой флуктуации, причем в произвольный момент вр

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком