научная статья по теме МЕТОДЫ РАСЧЕТА СКОРОСТИ ЗВУКА В РАССЛАИВАЮЩИХСЯ СОЛЕВЫХ БИНАРНЫХ СМЕСЯХ Химия

Текст научной статьи на тему «МЕТОДЫ РАСЧЕТА СКОРОСТИ ЗВУКА В РАССЛАИВАЮЩИХСЯ СОЛЕВЫХ БИНАРНЫХ СМЕСЯХ»

ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2011, том 85, № 10, с. 1983-1987

ПРОЧИЕ ВОПРОСЫ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ

УДК 541.1-143:534.22

МЕТОДЫ РАСЧЕТА СКОРОСТИ ЗВУКА В РАССЛАИВАЮЩИХСЯ СОЛЕВЫХ БИНАРНЫХ СМЕСЯХ © 2011 г. А. Р. Зинатулина, Н. К. Ткачев

Российская академия наук, Уральское отделение, Институт высокотемпературной электрохимии, Екатеринбург

E-mail: Zinatulina@ihte.uran.ru Поступила в редакцию 11.10.2010 г.

Разработан метод расчета скорости звука и сжимаемости в расслаивающихся солевых расплавах на основе двух приближений статистической теории многосортных ионных систем, предсказывающих существование купола несмешиваемости. Показано хорошее согласие характера температурной зависимости скорости звука в двухфазной и однофазной областях с экспериментом как в случае модифицированной дебай-хюккелевской теории, так и в случае средне-сферического приближения. Установлено, что количественные предсказания становятся лучше при средне-сферическом приближении при относительной диэлектрической проницаемости, оцененной с помощью экспериментальных данных по показателю преломления.

Ключевые слова: расслаивающиеся солевые бинарные смеси, скорость звука, купол несмешиваемости, средне-сферическое приближение, модифицированная теория Дебая—Хюккеля, диэлектрическая проницаемость, уравнение состояния, изотермическая сжимаемость.

Существует достаточно широкий класс бинарных солевых смесей (так называемых тройных взаимных — ternary reciprocal), в которых имеет место расслоение компонентов при низких температурах. Характерные примеры таких систем — смеси фторида лития с такими галогенидами щелочных металлов как: Nal, KBr, KI, RbBr, RbI, CsCl, CsBr и CsI. Купол несмешиваемости в жидкой фазе наблюдался экспериментально в этих системах достаточно давно [1—3]. Однако до сих пор физико-химические свойства таких смесей мало изучены, не в пример огромному массиву экспериментальных данных для солевых расплавов с общим ионом. Только совсем недавно были проведены экспериментальные исследования плотности [4], поверхностного натяжения [5] и скорости ультразвука [6], которые впервые дали ценную информацию о поведении указанных свойств расслаивающихся смесей как выше, так и ниже критической точки смешивания и позволили уточнить конфигурацию двухфазной области (купола несмешиваемости).

К настоящему времени теоретическое описание поведения физико-химических свойств расслаивающихся солевых расплавов развито недостаточно. Было показано существование фазовых переходов типа расслоения в бинарных солевых смесях в рамках модели заряженных твердых сфер с различающимися диаметрами ионов, а также прослежена эволюция фазовых диаграмм с ростом различий в размерах ионов, принадлежащих различным компонентам [7]. Оказалось, что дебай-хюккелевская теория, модифицированная эффектами исключенного объема в духе теории

Ван-дер-Ваальса способна служить отправной точкой при интерпретации эксперимента по скорости ультразвука в расслаивающихся солевых расплавах [8]. Однако при таком описании критическая температура смешивания сильно завышена, кроме того, характерные значения скорости звука в системе LiF—KBr в ~2 раза превышают экспериментальные измерения.

Цель данной работы — представить результаты теоретического описания скорости звука с помощью средне-сферического приближения (MSA), а также сопоставить расчет с результатами дебай-хюккелевской (DH) модели и экспериментом. Будет рассмотрено влияние диэлектрической постоянной, найденной из показателя преломления, на купол несмешиваемости и скорости ультразвука в рамках указанных приближений статистической теории.

МОДЕЛИ РАССЛАИВАЮЩИХСЯ СОЛЕВЫХ РАСПЛАВОВ

Рассмотрим бинарный солевой расплав

(м +/2-X -/2) (N+/2УГ/2) , где радиусы катионов и

анионов смеси различны. Энергию Гельмгольца (в пересчете на ион) такой системы в рамках модели заряженных твердых сфер можно представить в виде суммы трех слагаемых:

F = + Fhc + Fq,

где Fid = kT [c ln c + ( 1 - c) ln ( 1 - c)] + const(p, T) — стандартный идеальный вклад за счет поступательных степеней свободы ионов, k — константа

1983

1984

ЗИНАТУЛИНА, ТКАЧЕВ

Больцмана, Т — температура, р = N/V — плотность, N — число частиц в системе, V — объем.

Приближения для сил исключенного объема. Прямой вклад сил исключенного объема (FHC) в целях качественного и простейшего с точки зрения микроскопической теории описания запишем в приближении ван-дер-ваальсового типа для модификации полной версии модели Дебая—Хюк-келя [8]:

/HCH - FHCH/NkT = ln(p/(1 - vp)),

здесь v = I. ndd — коэффициент, описывающий исключенный объем; dj — диаметр иона /-го сорта, П = N/I N = N/N— доля ионов i-го сорта, N — их число.

В случае средне-сферической модели (MSA) использовалось приближение Мансури—Карна-гана—Старлинга (MCS):

F

MSA _ HC -

1 - У1 + У2 + Уз -

2y2 + (4/3)уз

(1 -п)

+

+ У1 +У2 + У3/3 -2(уз - 1)ln(1 -п)

(1 - п) 3

где коэффициенты y1, y2, y3 описываются следующими выражениями [9]:

У1 =

I

i, j = 1

ю,

di + dj h 1 (dd )1/2,

У2 = I 1 I №

ч у

i, j = 1 Л 2/3

k = 1

(ddj)

1/2

n

1/3

У3 =I In.

_1=1vny

(n,n j)1/2 (di - dj )2 1/2 n . ,,

=-j--—f— (nftj)1 , n = -pdi — коэффи-

П djdj 6

циент упаковки /-го сорта и n = I4 х ПД- — коэффициент упаковки.

Вклады электростатических взаимодействий. Кулоновский вклад в энергию Гельмгольца для полной версии дебай-хюккелевской модели можно представить в виде [10]:

F DH

/dh ^ Fq_=__LI П-у.

q NkT 4np Id? i,

где Yi = ln(1 + Xj) - Xj + Xj /2, xi = dj к D, kd =

2 1/2

= (4ne p/sk T) — обратная дебаевская длина, e — элементарный заряд, s — диэлектрическая постоянная. Соответственно в средне-сферическом приближении это слагаемое описывается формулами Блюма [11]:

yMSA rMSA fq = Fq =

skT

rI n

ZLP

11 + rdi 2p A

+ ■

3np

где X = \Z,-nd2 P^

= PI n-Z,

2A

di о = 1 , ПР

(1 + Г d), A = 1 — n, Pn =

.., п = 1 + ^У [12], г—

П^ ' ' 1 + Щ 2А^ 1 + ГЛ

' г

значения валентностей, Г — обратная длина Блюма, описывающая характерный масштаб затухания осцилляций заряда вокруг центрального иона, которая должна быть определена с помощью уравнения связи:

4Г2 =KD I nlX2.

(1)

При заданных давлении и температуре (Р0, Т) необходимо решить уравнение состояния относительно плотности при разных концентрациях. Далее всюду принималось Р0 = 1 атм.

Соответствующие уравнения состояния могут быть легко получены из энергии Гельмгольца с помощью стандартной термодинамической формулы:

Р = -(дР/дГ) т = р2(дв/др)т.

Для модели Дебая—Хюккеля уравнение состояния имеет вид:

Ро =

1

рkT 1 - vp

/dh _ kd. i ni

q 8пр i 1 + к d

(2)

В случае MSA уравнение состояния выглядит следующим образом:

n _ pMSA pMSA P0 - PHC + Pq >

(3)

где pHC^ = PHVCSA/pkT = [1 + (1 — 3y1)n + (1 — 3y2)n2 — — y3n3]/(1 — П)3 — твердосферный вклад, pt

л MSA

MSA

= Р9М5А/ркТ = -Г3/3пр - (1/8)(квРп/рА)2— вклад электростатических взаимодействий.

Скорость звука можно рассчитать по формуле

[13]:

и5 = (М91тСу /еР )-1/2,

где М— молекулярная масса, %Т— изотермическая сжимаемость, су — теплоемкость при постоянном объеме, сР — теплоемкость при постоянном давлении. Далее могут быть определены остальные термодинамические величины. Продифференцировав уравнения состояния (2) и (3) по плотности, получили выражения для изотермической сжимаемости в рамках модели Дебая—Хюккеля и средне-сферического приближения соответственно:

e

МЕТОДЫ РАСЧЕТА СКОРОСТИ ЗВУКА

1985

( D (Хг

DH\-1 _

кТ

Р

(1 - pv)

/•DH DH

- fq Р _ P q _

_ 3кд у n + кD у 16п у 1 + к Dd, 16п у

Hjdj

i MS

(x т

MSA\-1 _ 2

)

р2 кТ

Dui f л MSA

dPhc

dp,

T ( + К ndt )2 J

MSA

MSA dPq дГ

dp dp дГ dp Аналогично найдем для объемного модуля сжа-

тия:

где

а р = р(§) Р ~Хт IF Ш р'

(дГ) р=-2Г 2/ Т

4Г-к D У ¿Г

V

дГ

J

и теплоемкости при постоянном объеме:

^^ n,

dh ~ 2

cv _ 3 + e к n

У;

к 2 4Тв ^(1 + кDdi) CvMSA _ 3 _ Т Г 2 дГ

T, K 2100

1800 -

1500 -

1200

к 2 пр дТ Теплоемкость при постоянном давлении может быть получена с помощью общих термодинамических соотношений [14]:

Ср = Су + (Т/р) (ар / Хт).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Расчеты проводились на примере системы LiF—KBr, причем ионные радиусы брались из [15]. Оба уравнения состояния и модифицированной модели Дебая—Хюккеля и модели MSA с математической точки зрения являются нелинейными, их можно решить численными методами, причем в случае модели MSA задача усложняется дополнительным уравнением (1), которое связывает блюмовский параметр Г с плотностью, температурой и концентрацией. В результате приходится решать систему двух уравнений (1) и (3) при заданном внешнем давлении, температуре и составе солевой смеси.

Такая численная процедура решения была реализована с помощью градиентного метода Ньютона—Рафсона, для сходимости которого важно подобрать подходящие начальные условия. Если решать такую задачу, организовав цикл вдоль температуры, то, стартуя со значения плотности (~0.0054 А-3) при температуре 1200 К, можно рассчитать всю температурную зависимость плотности вплоть до высоких температур. Начальные условия для концентрационной зависимости плотности по типу регулярного раствора с отрицательными отклонениями от аддитивности оказались

Рис. 1. Купол несмешиваемости расслаивающейся солевой смеси LiF-KBr при 8 = 2. Сплошные линии — расчет по модифицированной модели Дебая—Хюккеля, пунктирные — по модели MSA.

достаточно эффективными для быстрой сходимости с необходимой точностью:

Р 0 = Ср мх + (1 - с)р от - в С(1 - С).

Параметр в, описывающий величину отклонений, варьировался для наилучшей сходимости.

Определение линии сосуществования двух жидких растворов различающихся концентраций (купола несмешиваемости) осуществлялось с помощью обменного химического потенциала [16]:

ц ех = (дГ/ дс)у, т.

При температурах ниже критической точки смешивания график зависимости обменного химического потенциала от концентрации имеет 8-образ-ный вид. Построение Максвелла (правило равных площадей) на этом графике дает возможность с достаточной степенью точности определить концентрации сосуществующих фаз при заданной температуре (са и сь). Бинодаль, представленная на рис. 1, рассчитана в рамках средне-сфер

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