CC BY
22
Д • 7universum.com
Д UNIVERSUM:
№ 5 (83) /YV\ химия И БИОЛОГИЯ май, 2021 г.
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ОБРАЗОВАНИЯ МУЛЛИТА ИЗ КАОЛИНИТА
Жалилов Абдухалил
канд. техн. наук, доцент, Ташкентский химико-технологический институт, Республика Узбекистан, г. Ташкент E-mail: anortit1947@mail. ru
Эшбуриев Турсунали Насруллаевич
ст. преп.,
Ташкентский химико-технологический институт, Республика Узбекистан, г. Ташкент E-mail: tursunalihim@mail. ru
THERMODYNAMIC ANALYSIS OF MULLITE FORMATION FROM KAOLINITE
Abdukhalil Jalilov
Candidate technical of Science, associate professor, Tashkent Institute of Chemical Technology, Republic of Uzbekistan, Tashkent
Tursunali Eshburiev
Senior lecturer, Tashkent Institute of Chemical Technology, Republic of Uzbekistan, Tashkent
АННОТАЦИЯ
В статье приводится данные при температурном интервале 298 -17000К с использование термодинамических констант - стандартной энтальпии, изобарных потенциалов и теплоемкостей некоторых соединений, участвующих в реакциях. Рассчитав значение AG0 определено формирование муллита, при этом установлено то, что для образования одной элементарной ячейки муллита необходимо четыре элементарных ячеек каолинита. Это значение может выражено общей формулой 4 • п каолинит ^ п • муллит.
ABSTRACT
The article provides data for a temperature range of 298-17000K using thermodynamic constants - standard enthalpy, isobaric potentials and heat capacities of some compounds participating in the reactions. By calculating the value AG0, the formation of mullite is determined, while it is established that for the formation of one unit cell of mullite, four unit cells of kaolinite are required. This value can be expressed by the general formula 4 • n kaolinite ^ n • mullite.
Ключевые слова: термодинамический устойчивость, изобарно-изотермический потенциал, теплоёмкость соединение, теплота образование, кварц, глинозём, каолин, каолинит, муллит, элементарной ячейки, твердофазных реакций.
Keywords: thermodynamic stability, isobaric-isothermal potential, compound heat, heat of formation, quartz, alumina, kaolin, kaolinite, mullite, unit cell, solid-phase reactions.
Введение. В последнее время термодинамический анализ последовательно протекающих твердофазных реакций все чаще и чаще используется для решения различных вопросов устойчивости отдельных фаз и соединений, а также установления наиболее общих закономерностей протекания твердофазных реакций. Основы термодинамическая подхода к изучению твердофазных реакций заложены Тим-маном. Им было показано, что реакция химического взаимодействия двух кристаллических веществ тео-ритически протекает в строну выделения тепла, и что равновесие может наступить лишь при опреде-
ленных условиях. Для изучения реакция в силикатных системах с достаточным приближением можно пользоваться законом термодинамики. В связи изучение системы А1203 — БЮ2 является важным как в теоретическом, так и в практическом отношении, поскольку именно эта система лежит в основе большинства технологических процессов силикатных производств.
Объекты и методы исследования. Для решения этих задач использована метод термодинамических функций в зависимости от наличие термодинамических данных (табл. 1), приводимых
Библиографическое описание: Жалилов А., Эшбуриев Т.Н. Термодинамический анализ образования муллита из каолинита // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. 2021. 5(83). URL: https://7universum. com/ru/nature/archive/item/11594
Д • 7universum.com
Д UNIVERSUM:
№ 5 (83) /YV\ химия И БИОЛОГИЯ май, 2021 г.
Мчедлов-Петросяном и Вольдбаумом [1,2,3,4], в результате была рассчитаны изобарно-изотермические потенциалы образования соединения муллита из каолинита в температурном интервале 298-1700 0К.
Для выявления термодинамической устойчивости муллита был проведен анализ по составам для соотношений А1203 — БЮ2 = 1:1 и 3:2. Установлено, что при соотношении А1203 — БЮ2 = 1:1 образование муллита более предпочтительно, начиная с температуры 7800К и выше. При соотношении А1203 — БЮ2 = 3:2 образование муллита становится более предпочтительным выше температуры 5000К.
Как было установлено выше, формирование одной элементарной ячейки муллита происходит из
четырех элементарных ячеек метакаолинита. Достоверность такого механизма образования структуры муллита была проверена термодинамическим анализом.
С этой целью нами был рассчитан с привлечением доступных термодинамических констант изобарно-изотермический потенциал образования муллита из каолинита в температурном интервале 298-17000К и определена стабильность муллита (таблица 1).
Для произведения расчета образования муллита были взяты реакции с последовательным увеличением числа молекул каолинита. Реакции, протекающие при синтезе муллита из каолинита, можно представить следующими уравнениями:
I. 3(А1203 •2БЮ2 -2Н2 О) ^3А1203 •2БЮ2 + 4БЮ2+6Н2 О
II. 6(А1203 •2БЮ2-2Н2 О) ^2(3А1203 -2БЮ2) + 8БЮ2+12Н2 О
III. 8(А1203 •2БЮ2-2Н2 О) ^2(3А1203 •2БЮ2) + 2А1203 + 12БЮ2+16Я2 О
IV. 10(А1203 •2БЮ2-2Н2 О) ^3(3А1203-2БЮ2) + А1203 + 14БЮ2+20Н2 О
V. 12(А1203 •2БЮ2-2Н2 О) ^4(3А1203 •2БЮ2) + 16БЮ2+24Н2 О
VI. 16(А1203 •2БЮ2-2Н2 О) ^4(3А1203 •2БЮ2) + 4А1203 + 24БЮ2+32Н2 О
Таблица 1.
Стандартные энтальпии, изобарные потенциалы и теплоемкости некоторых соединений
Формулы соединений Теплота образования из элементов АН%8 ккал/моль Изобарный потенциал образования из элементов АС%8 ккал/моль Ср - f(T)
а ЬЮ-3 с 105
Si02 217,75 204,75 11,22 8,2 -2,7
Ah03 399,1 376,8 27,43 3,06 -8,47
AI203 •2Si02 617,45 - 39,30 8,04 -11,02
3AI203 •2Si02 1638,1 1543,93 115,9 11,2 -37
AI203 •Si02 792,2 741,11 57,47 35,3 -7,87
AI203 •2Si02-2H2 O 989,64 907,7 57,47 35,3 -7,87
2H2 O 57,8 54,6 7,17 2,56 0,08
Чтобы установить предпочтительность протека- факторов, является одновременно с термодинамиче-
ния этих реакций, рассчитывали величину измене- ской точки зрения наиболее предпочтительным;
ний изобарно-изотермического потенциала . первичным будет соединение, образующееся с
Результаты и их обсуждение. Следует отме- наиболее отрицательным значением АС0. тить, что образование соединений, наиболее благо- Порядок расчета для первой реакции. приятных с точки зрения структуры и кинетических 1. Определяем энтальпию реакции при 2980К:
= ^ ЬН298 пРод. - ^ АН%98 исх. вещ. = АН2098(3А12О3 •2Si02) + А^298 (4Si02 ) + 2' - АН0983(А12о325Ю2•2h2o) = 1638 + 871 + 116 - 2969 - -344 ккал/моль
Определяем изменение изобарно-изотермичес-кого потенциала реакции при 2980К:
2. AG298 - Е А&298 прод. - Е А&298 Исх вещ. - А&298(ЪА1203•2Si02) + А^298(45Ю2) + А&298(2Н20)
AG2098 [3(ai2o3•2Sio2•2h2o)] - 1544 + 819 + 109 - 2723 - -251 ккал/моль
Д • 7universum.com
диМУЕРБиМ:
№ 5 (83) /УУ\ химия И БИОЛОГИЯ май, 2021 г.
3. Определяем уравнение изменение теплоемкости в зависимости от температуры реакции:
= I прод — I АС098 ИСХ. вещ.
выражая его в виде АСр = Аа + АЬТ + АсТ-2
а) Аа = 1 Аа прод — !Аа исх. вещ. =
Аа(3А1203 25102) + Аа(4БЮ2) + Аа(2Н20) —
АаШ12о3 25102 2Н20)] = 115,9 + 44,9 + 14,3 —
172,4 = —2,7 б) АЬ = 1АЬ прод —1АЬ исх. вещ. =
АЬ(3А1203 •2БЮ2) + АЬ(4БЮ2) + А^(2Н20)
АЬ
[3(А1203 2БЮ2 •2Н2 0)]
11,2 + 32,8 + 5,1 56,8
105,9
с) Ас = 1 Ас прод —!Ас исх. вещ. =
) + Ас(2Н20) —
10,8 + 0,2 + 23,6
Ас(3А1203 2БЮ2) + ас(4БЮ2) + Ас(2Н20)
ас[3(А1203 •2БЮ2 •2Н20)] = —37
—24,0
Уравнение изменения теплоемкости имеет вид
АСр = —2,7 — 56,8 Т — 24,0 Т-2
4. Интегрируя полученное уравнение теплоемкости и подставляя в него АН098 и Т = 298, определяем постоянную интегрирования АН0:
1
Аа • 298 — ~АЬ(298)2 + Ас(298)-1
АН0 = №2^98
2
= АН098 + 2,7 • 298 + 113,6 • 10-• 2982 — 24,0 • 105 • 298-1 = —344 + 805 — 8053 = —7592 ккал/моль
5. Выражаем АС0 реакции для любой температуры уравнением:
А^0 = АН0 + Аа^Т-1п-Т — 1АЬ • Т2 — 1Ас • Т-1 + уТ
где у - вторая константа интегрирования.
6. В найденное уравнение подставляем Т = 2980К, АС°98 и АН0 и определяем постоянную у из уравнения
11 А^0 = АН0 + Аа • 298 • Ы • 298 — ~АЬ • 2982 —-Ас
•298-1 +уТ
1
= —7592 + 2,7 • 298 •4,7 + - 56,8 12
• 10-3 • 2982 + - 24,0 • 105 • 298-1
+ у298.
-15148=298у, у=-50,5
7. Зная АН0 и у, составляем уравнение зависимости изобарно-изотермического потенциала от температуры
11 Ав0 = АН0 + Аа • 298 • Ы • 298 — ~АЬ • 2982 —-Ас
• 298-1 + уТ
= —7592 + 2,7 •Т •Ы^Т + 28,6
• 10-3 • Т2 + 12,0 • 105 • Т-1 + уТ
= —50,5Т
8. По вышеприведенному уравнению рассчитываем значения реакция в интервале температур 298 -1700 0К.
Рассчитав значения АС0 вышеприведенной методике, определили уравнения зависимости изменения изобарно-изотермического потенциала от температуры указанных реакций:
I. Ав0 = —7592 + 2,7Т • ЫТ + 28,6 • 10-3 • Т2 + 12,0 • 105 • Т-1 + уТ = —50,5Т
II. Ав°0 = —15184 + 5,4Т • ЫТ + 57,2 • 10-3 • Т2 + 24,0 • 105 • Т-1 + уТ = —101Т
III. Ав0 = —42350 + 76,1Т • ЫТ + 57,8 • 10-3 • Т2 + 38,0 • 105 • Т-1 + уТ = —515Т
• Т2 + 39,2 • 105 • Т-1 +уТ = +613Т Т2 + 48,0 • 105 • Т-1 +уТ = +202Т
IV. = —56587 + 100,8Т • ЫТ + 75,2 • 10-3
V. = —30368 + 10,8Т • ЫТ + 114,4 • 10-3 •
VI. АвО = —84700 + 152,2Т • ЫТ + 115,6 • 10-3 • Т2 + 76,0 • 105 • Т-1 + уТ = +1030Т
В таблице 2 приведены значения АС0 этих реакций при различных температурах.
Значение изобарно - изотермических потенциалов
Таблица 2.
3
№ реакции значения АС0 реакций, ккал при различных температурах, 0К
298 500 700 900 1100 1300 1500 1700
I -15 -22 -28 -33 -27 -24,8 -24,5 -19,6
II -30 -44 -56 -66 -54 -49,6 -49,0 -39,6
III -115 -252 -530 -1064 -1654 -2296 -2580 -3026
IV -28 -59 -108 -223 -696 -1023 -1293 -1732
V -60 -88 -112 -132 -108 -100 -98 -79,2
VI -230 -504 -1060 -2128 -3308 -4592 -5160 -6052
№ 5 (83)
Анализируя данные таблице 2, можно отметить, что по величине изменения изобарно-изотермических потенциалов наиболее благоприятны реакции (III и VI), так как они отличаются более высокими отрицательными значениями Ай° во всем интервале рассмотренных температур.
Заключение. Высокие отрицательные значения Ай° в реакциях (III и VI) свидетельствуют также об окончательном формировании одной и двух
май, 2021 г.
элементарных ячеек муллита, что подтверждается теоретическим обоснованием механизма образования муллита.
При этом установлено, что для образования одной элементарной ячейки муллита (две формульные единицы) необходимо четыре элементарных ячейки каолинита (8 формульных единиц), что может быт выражено общей формулой 4 • п каолинит ^ п • муллит.
Список литературы:
1. Бабушкин В.И. Термодинамика силикатов / В.И. Бабушкин, Г.М. Матвеев, О.П.Мчедлов-Петросян.- М.: Стройиздат, 1986.- 408с.
2. Иванов П.П. Термодинамическое моделирование энергетических установок с твердооксидным топливным элементом / П.П. Иванов // Теплофизика высоких температур. - Москва, 2011. - Т.49. -№ 4. - С. 627 - 623.
3. Энгельшт В.С. Термическое взаимодействие известняка и кремнезема / В.С.Энгельшт, В.Ж Мураталиева // Теплофизика высоких температур. - Москва, 2013. -Т. 51. -№ 6. - С. 848-854.
4. Энгельшт В.С. Экзотермический эффект при взаимодействии оксидов кальция и кремния / В.С.Энгельшт, В.Ж Мураталиева //Теплофизика высоких температур. - Москва, 2013. -Т. 51. -№ 5. -С. 717-723.
