CC BY
29Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 6. №1. 2020
https://www.bulletennauki.com https://doi.org/10.33619/10.33619/2414-2948/50
УДК 538.953+544.322 https://doi.org/10.33619/2414-2948/50/02
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕАКЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ ВЫСОКОМОДУЛЬНОГО СИЛИКАТА НАТРИЯ
©Баймуратова Г. А., Ошский технологический университет, г. Ош, Кыргызстан, bgulvara@mail.ru ©Омурбекова Г. К., канд. техн. наук, Киргизско-узбекский университет, г. Ош, Кыргызстан, gulzat_omurbekova@mail.ru
THERMODYNAMIC ANALYSIS OF THE REACTION OF HIGH MODULUS SODIUM SILICATE
©Baimuratova G., Osh Technological University, Osh, Kyrgyzstan, bgulbara@mail.ru ©Omurbekova G., Ph.D., Kyrgyz-Uzbek University, Osh, Kyrgyzstan, gulzat_omurbekova@mail.ru
Аннотация. Исследуется и анализируется реакция образования высокомодульного силиката натрия. Термодинамическим методом с использованием уравнения второго начала термодинамики, закона Кирхгофа и уравнения Гиббса определен изобарно-изотермический потенциал реакции AZ°. В реакции соединений использованы необходимые табличные данные и проведен термодинамический анализ для четырех химических реакций. Составлены реакции уравнения изменения изобарно-изотермического потенциала AZ = f (T) в зависимости от температуры. На основе полученных результатов сделан вывод о том, что первая реакция является практически наиболее приемлемой для получения силикатной энергии.
Abstract. The thermodynamic method is based on the study and analysis of the formation of high-modulus sodium silicate. It is determined by the thermodynamic method of the isobaric-isothermal reaction potential using the equation of the second law of thermodynamics, the Kirchhoff law and the Gibbs equation. To conduct a thermodynamic analysis for all in the reaction of the compounds, the necessary tabular data were used, and a thermodynamic analysis was performed for four chemical reactions. Equations of changes in the isobaric-isothermal potential as a function of temperature are compiled for all reactions. Based on the results obtained, it was concluded that the first reaction is practically the most acceptable for the production of silicate energy.
Ключевые слова: кремнезем, силикат щелочных металлов, глинозем, pH среда, коллоидный раствор, силикат и бикарбонат ионов гидролиза, концентрация кремнезема.
Keywords: silica, alkali metal silicate, alumina, pH medium, colloid, silicate and bicarbonate ions hydrolysis, concentration of silica.
Введение
Термодинамические расчеты, показывают, что теплотворная способность силиката многократно превышает показатели известных энергоносителей, а именно — 1 кг силикатного топлива эквивалентен 1 т мазута [1].
Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 6. №1. 2020
https://www.bulletennauki.com https://doi.org/10.33619/10.33619/2414-2948/50
Перспективность применения высокомодульного силиката натрия исходным веществом источника новой энергии предопределяет необходимость основательного изучения условий протекания физико-химических реакций [1].
Известно, что термодинамический метод исследования позволяет охватывать всю совокупность сложных явлений, происходящих при химических взаимодействиях и фазовых превращениях (термодинамический потенциал в узком смысле) — это величина, показывающая изменение энергии в ходе химической реакции и дающая таким образом ответ на вопрос о принципиальной возможности протекания химической реакции; это термодинамический потенциал следующего вида:
При этом, термодинамический метод, являясь статистическим, применим только исследованию макросистем с большой «массой» и позволяет определять: -энергетическую возможность и направление протекания реакций;
-тепловые изменения, позволяющие рассчитывать тепловые балансы процессов реакций;
-предпочтительность реакций и устойчивость образующихся соединений; -максимальные равновесные концентрации продуктов реакций и предельный их выход; -пути подавления нежелательных реакций и устранения побочных продуктов; -выбор оптимального режима протекания реакций (температуры, давления и концентрации реагирующих веществ) [2-3].
Методы исследования
Основной целью термодинамического анализа является определение изобарно-изотермического потенциала реакции А^. Эту задачу можно решить, применяя уравнения второго начала термодинамики, закон Кирхгофа и уравнения Гиббса. Для проведения термодинамического анализа необходимы следующие данные для всех участвующих в реакции соединений:
1. Стандартные термодинамические константы, т. е. АН°98 — изменение энтальпии при образовании данного вещества при 298 °К и S098 — энтропия вещества при 298 °К;
2. Температура фазовых превращений: Тпр — температура полиморфного превращения; Тпл — температура плавления; Тисп — температура испарения.
3. Изменения энтальпии при фазовых превращениях: АНпр — изменение энтальпии при полиморфном превращении; АНпл — изменение энтальпии при плавлении; АНисп — изменение энтальпии при испарении;
4. Уравнение температурной зависимости теплоемкости для всего рассматриваемого температурного интервала в виде степенной функции:
Ср = а + вТ + сТ~2
Для химических реакций, протекающих при постоянном давлении и температуре, второй закон запишется в виде следующего уравнения:
АН = AZ + TAS, (1)
где АН — полная теплота процесса (энтальпия); АZ — изобарный потенциал процесса; А£ — изменение энтропии системы; Т — температура процесса.
Согласно уравнению (1), зная АН и , всегда можно определить АZ . Для того чтобы определить АН, АZ и S при любой температуре, необходимо знать их функциональную зависимость от температуры процесса.
Энтальпия системы, согласно уравнению Кирхгофа, с температурой изменяется по формуле:
АНТ = АНТ = f ACpdT,
0 JTa
(2)
где АСР = У,С„ ~^Сисхвещ — есть разность суммы теплоемкостей продуктов
реакции и исходных веществ, т. е. общее изменение теплоемкости системы в результате химической реакции. С другой стороны, известно, что:
St = STo + f CpdT
T
(3)
поэтому при Т=298 °K и р=1атм. уравнение можно записать:
T
АН 0T =mS0298 + f CpdT
S °T = S °298 + f
298
CpdT
T
(4)
(5)
Для изменения энтропии получим:
AS0T = AS0298 + ff ACpdT
T
(6)
Если уравнения (4) и (6) подставить в уравнение (2), то получим:
AZ0т = АН0298 + f ACpdT - TAS0298 - T f
ACpdT T
Проведен термодинамический анализ следующих химических реакций:
1. 3Si02 + Na2СО = Na2O ■ 3SiO2 + СО2;
2. 3Si02 + 2NaCl + H20 = Na20 ■ 3Si02 + 2HCl;
3. 3Si02 + Na2S04 = Na20 ■ 3Si02 + SO;
4. Si02 + 2Na0H = Na2Si03 + H20.
Исходными данными для анализа служили термохимические данные, взятые из Таблицы.
298
Т
298
298
Таблица.
ИСХОДНЫЕ ТЕРМИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ ДЛЯ СОЕДИНЕНИЙ [2-3]
Соединение Ш2^98 AZ 0 AZ 298 S 0 S 298 С i ,= f (T) Интервал температур, в K
в ккал/моль а в Ю-3 с 105
Na2CO3 270,3 -250,4 32,5 29,29 9,66 -5,18 —
Na2O3SiO2 809,65 -766,05 51,6 48,25 26,69 -4,98 298-1000
CO2 -94,05 -94,26 51,06 10,55 2,16 -2,04 298-2500
NaCl -98,232 -91,785 17,3 10,98 3,9 — 298-1073
H2O -57,798 -54,635 45,106 7,17 2,56 0,08 —
На -22,063 -22,769 44,617 6,34 1,1 0,26 —
SiO2 -217,75 -204,75 10 11,22 8,2 -2,7 298-848
Na2SO4 -330,9 -302,78 35,73 23,5 31,74 — 298-450
SO3 -94,45 -88,52 61,24 13,7 6,42 -3,12 298-1200
NaOH -101,99 -90,1 12,5 19,2 — — 298-593
Na2SiO3 -55,2 -54,9 31,14 9,6 -6,47 298-1361
На основе указанных данных Таблицы для всех реакций составлены следующие уравнения изменения изобарно-изотермического потенциала = / (Т) с температурой:
1. Ь2Т = 23426 + 4,15Т 1п Т + 2,7 • 10-3 (Т)2 - 3,13 • 105 (Т)-1 - 85Т
2. А2Т = 55753 + 1,86Т 1п Т + 340-3(Т)2-1,78-105(Т)-1 - 59,43Т
3. А2Т =-13460 - 3,77Т 1п Т + 23,23 403(Т)2 - 27,75Т
4. А2Т = 310688 + 11,31Т 1п Т -1,98 • 10-3 (Т )2 +1,845 • 105 (Т )-1 + 184,2Т
На основе полученных уравнений рассчитаны изменение изобарно-изотермического потенциала в температурном интервале 298-2000 °К, а также результаты представлены на Рисунке 1-4.
4331
1110
-2G53
■4197
-5740
■7284
ч
2Э8.0
638.4
Э78.8
131 а
1653.
2000. ТЛельвин
Рисунок 1. Зависимость AZ0=f(T) для реакции 3SiO2 + Na2СО = Na2O • 3SiO2 + СО2.
d Z.Kan/Monb 40869
28111
15353
2535.
■1016
■2232
s \
288.0
838.4
878.8
1318.
1858.
2000. Т,Кельвин
Рисунок 2. Зависимость AZ =f(T) для реакции 3SiO2 + 2NaCl + Н2й = Na2O ■ 3SiO2 + 2HCI
Рисунок 3. Зависимость AZ =f(T) для реакции 3SiO2 + Na2SO4 = Na2O ■ 3SiO2 + SO .
Рисунок 4. Зависимость AZ =f(T) для реакции SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O .
Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 6. №1. 2020
https://www.bulletennauki.com https://doi.org/10.33619/10.33619/2414-2948/50
Как известно, знак AZ при данной температуре всегда будет определять направление реакции, при этом реакция будет идти до конца в том направлении, которое соответствует отрицательному значению AZ [4].
Анализ реакции 3SiO2 + Na2СО = Na2O • 3SiO2 + СО (Рисунок 1) показывает, что реакция образования термодинамическим возможна начиная с 370°К.
Анализ реакции 3SiO2 + 2NaCl + H2O = Na2O • 3SiO2 + 2HCl (Рисунок 2) показывает, что реакция образования термодинамические возможна начиная с 137 °K.
Анализ реакций 3SiO2 + Na2SO4 = Na2O • 3SiO2 + SO и SiO2 + 2NaOH = NaßiO + H2O
(Рисунки 3-4) показывает, что реакции в рассматриваемом интервале практически невозможны. Таким образом, на основании полученных кривых зависимостей можно определить интервал температур, в котором возможна та или иная реакция.
Вывод
Таким образом, из рассмотренных четырех реакций первый способ образования высокомодульного силиката является наиболее выгодным для получения силикатной энергии. В дальнейших исследованиях будут проведены экспериментальная проверка полученного результата с использованием термодинамического анализа.
Список литературы:
1. Бабушкин В. И., Матвеев Г. М., Мчедлов-Петросян О. П. Термодинамика силикатов. М.: Стройиздат, 1972. 352 с.
2. Карапетьянц М. Х., Карапетьянц М. Л. Основные термодинамические константы неорганических и органических веществ. М.: Химия, 1968. 470 с.
3. Баймуратова Г. Омурбекова Г. Ысманов Э. Приготовление водных растворов на основе Таш-Кумырского кремнезема (силиката щелочах метолов) // Проблемы науки. 2017. №7 (20). С. 10-14.
4. Матисаков Ж. Термодинамический анализ реакциий образования высокомодульного силиката натрия // Вестник ОшГУ. 2005. №2. С. 101-105.
References:
1. Babushkin, V. I., & Matveev, G. M., & Mchedlov-Petrosyan, O. P. (1972). Termodinamika silikatov. Moscow. (in Russian).
2. Karapetyants, M. Kh., & Karapetyants, M. L. (1968). Osnovnye termodinamicheskie konstanty neorganicheskikh i organicheskikh veshchestv. Moscow. (in Russian).
3. Baimuratova, G., Omurbekova, G., & Ysmanov, E. (2017). Prigotovlenie vodnykh rastvorov na osnove Tash-Kumyrskogo kremnezema (silikata shchelochakh metolov). Problemy nauki, (7), 10-14. (in Russian).
4. Matisakov, Zh. (2005). Termodinamicheskii analiz reaktsiii vysokomodul'nogo silikata natiriya, Vestnik OshGU, (2), 101-105. (in Russian).
obrazovaniya
Работа поступила в редакцию 17.12.2019 г.
Принята к публикации 21.12.2019 г.
Ссылка для цитирования:
Баймуратова Г. А., Омурбекова Г. К. Термодинамическое исследование реакции образования высокомодульного силиката натрия // Бюллетень науки и практики. 2020. Т. 6. №1. С. 14-20. https://doi.org/10.33619/2414-2948/50/02
Cite as (APA):
Baimuratova, G., & Omurbekova, G. (2019). Thermodynamic Analysis of the Reaction of High Modulus Sodium Silicate. Bulletin of Science and Practice, 6(1), 14-20. https://doi.org/10.33619/2414-2948/50/02 (in Russian).
