CC BY
0
A UNIVERSUM:
№11(128)_ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ_ноябрь. 2024 г.
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЦЕССА СУЛЬФИДОВ САМАРИЯ К ОКИСЛЕНИЮ КИСЛОРОДОМ ВОЗДУХА
Азизов Вохидхужа Зохиджон угли
ст. преподаватель кафедры химии Наманганского инженерно-технологического института, Республика Узбекистан, г. Наманган E-mail: vohidcheek1995@gmail. com
Арисланов Акмалжон Сайиббаевич
PhD, доц. кафедры химии Наманганского инженерно-технологического института, Республика Узбекистан, г. Наманган E-mail: arislanov2019@gmail. com
THERMODYNAMIC SUBSTANTIATION OF THE PROCESS OF SAMARIUM SULFIDES
TO OXIDATION BY AIR OXYGEN
Vokhidkhuzha Azizov
Senior Lecturer, Department of Chemistry, Namangan Engineering and Technology Institute, Republic of Uzbekistan, Namangan
Akmalzhon Arislanov
PhD, Associate Professor, Department of Chemistry, Namangan Engineering and Technological Institute, Republic of Uzbekistan, Namangan
АННОТАЦИЯ
Разработка новых химико-технологических процессов, изучение и их практическая реализация невозможны без предварительного термодинамического анализа, который предполагает необходимость приобретения знаний о методах расчета термодинамических характеристик и сведений о термодинамических свойствах веществ, участвующих в анализируемом процессе. Проведён термодинамический анализ возможности процессов окисление кислородом воздуха сульфидов самария (Sm2S3, SmS), а также других сопутствующих реакции, происходяших при синтезе. Оценили процесс окисления сульфида самария при температуре 598оК и сравнили с AGf0298. Термодинамические расчеты, возможности сульфидов самария к окислению кислородом воздуха, проводили уравнением Гиббса.
ABSTRACT
The article presents a thermodynamic analysis of the process of samarium sulfides (Sm2S3, SmS) oxidation by atmospheric oxygen, as well as other accompanying reactions occurring according to the equations: 2SmS(cr.) + 3.502(g) = Sm20s(cr.) + 2S02(g); Sm2Ss(cr.) + 4.502(g) = Sm20s(cr.) + 3S02(g). The values were estimated at Т = 300 oC (598К) and compared with AGf°298. Thermodynamic calculations of the samarium sulfides oxidation by atmospheric oxygen were carried out using the Gibbs equation using the simplified formula AG=AH-TAS. The development of new chemical-technological processes, their study and practical implementation are impossible without preliminary thermodynamic analysis, which requires the acquisition of knowledge about the methods of calculating thermodynamic characteristics and information about the thermodynamic properties of substances involved in the analyzed process.
Ключевые слова: редкоземельные элементы, самарий, кремний, германий, моносульфид самария, термодинамический анализ, термодинамические расчеты, уравнения Гиббса, энтропия, энтальпия, местных сырьевых ресурсов, полупроводниковых материалов.
Keywords: rare earth elements, samarium, silicon, germanium, samarium monosulfide, thermodynamic analysis, thermodynamic calculations, Gibbs equations, entropy, enthalpy, local raw materials, semiconductor materials.
Библиографическое описание: Азизов В.З., Арисланов А.С. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЦЕССА СУЛЬФИДОВ САМАРИЯ К ОКИСЛЕНИЮ КИСЛОРОДОМ ВОЗДУХА // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2024. 11(128). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/18577
Введение. Химическая производства - ключевая составляющая экономического развития страны, от развитие которой зависит благосостояние населения. Научно-технические решение невозможно без постоянного расширения использования минерально -сырьевых ресурсов, вовлечения в технологический процесс новых видов минерального сырья.
Развитие производства полупроводниковых материалов предусматривает не только расширение ассортимента продукции и улучшение её качества, но и разработку новых, экономически и экологически эффективных технологических процессов, рациональное использование местных сырьевых ресурсов. В этом аспекте важной задачей является обоснование научно-технических решений по разработке технологий редкоземельных полупроводниковых материалов на основе моносульфида самария. Для обеспечения производства необходимо обосновать ряд существующих научных решений, в том числе, по следующим направлениям: разработка технологии редкоземельных полупроводниковых материалов на основе моносульфида самария.
В этом направление весьма актуальным является создание технология производства получения новых видов полупроводниковых материалов на основе местных сырьевых ресурсов.
В результате реализации конкретных широкомасштабных мер, были достигнуты высокие результаты научных исследований в области получения новых видов полупроводниковых материалов на основе местных сырьевых ресурсов и обеспечение производства качественными редкоземельными полупроводниковые материалами.
Благодаря уникальных физических и химических свойств, связанных специфичным электронным строением атома, редкоземельные элементы, а также их соединения, находят широкое применение во многих отраслях современного производства и народного хозяйства. Кремний является основным полупроводниковым материалом, широко используемым в тензометрии, однако обладает рядом недостатков, которые делают применение тензорезисторов на его основе невозможным для решения целого ряда задач. Главный недостаток — нелинейность характеристик, основанная на особенностях зонной структуры кремния. Специфичность зонной структуры кремния приводит к ухудшению таких метрологических характеристик, как точность, линейность сигнала,
температурная и временная стабильность. Кроме того, кремний достаточно хрупок.
Разработка новых химико-технологических процессов, изучение и их практическая реализация невозможен без предварительного термодинамического анализа, которое предполагает необходимость приобретения знаний о методах расчета термодинамических характеристик и сведений о термодинамических свойствах веществ, участвующих в анализируемом процессе. Термодинамические расчеты позволяют решать, не прибегая к опыту, многие важнейшие задачи, встречающиеся в производственной, проектной и научно-исследовательской работе.
Термодинамический анализ позволяет предопределить возможность протекания той или иной реакции и оценить наиболее вероятные процессы и определить оптимальные условии их протекания. В литературных источниках недостаточно освещены вопросы теории изучаемых процессов окисление кислородом воздуха сульфидов самария (Sm2S3, SmS), а также других сопутствующих реакции, происхо-дяших при синтезе и очень мало сведений в этой области.
Методика эксперимента. Для получения сульфида самария (SmS) проводили ампульный метод синтеза. Рентгенофазовый анализ образцов провели в дифрактометре ДРОН-6. Параметры ячеек рассчитывали с помощью компьютерной программы High Score Plus [1].
Результаты и их обсуждение. Ампульный метод применяется при синтезе моносульфидов редко -земельных элементов. Для получения моносульфида самария необходимых соотношениях положили в агатовый ступку металлического самария (чистота 99.99%) с а-модификацией сульфида самария (чистота 99.95%) и тщательно перемешали. Полученных образцов помещали в стеклянную трубку и из них изготавливали ампулы. Изготовленных ампул помещали в печь и нагревали при температуре 700-1000оС в течение 10-15 дней. В процессе нагрева температура поднималась равномерно.
Качественный фазовый анализ полученных образцов провели методом рентгенофазового анализа (РФА). Провели расчёт дифактограмм образцов с помощью программы High Score Plus. Значения пиков дифактограммах устанавливали с помощью программы PDWin 4.0. Результаты показали, многофазность образцов (рис. 1.).
Рисунок 1. Дифрактограмма образца SmS, ДРОН - 6, СиКа излучение, N1 - фильтр, начальный угол 2в" = 20,00°; конечный угол 2в" = 70.00°; шаг = 0.050; экспозиция = 2 сек.
То есть помимо основного продукта наблюдалось образование фаз Sm2Oз и Sm2O2S. Для выбора условий синтеза также необходимо оценить склонность сульфидов самария к окислению кислородом воздуха. Рассчитали изменение свободной энергии Гиббса.
Термодинамические значения соединений, при стандартных состояниях (символ 0 - давление равное 1 атм. и Т = 2980К, взяты из открытой интерактивной базы данных термических констант (таблица 1) [2].
Таблица 1.
Термодинамические значения соединений, при стандартных состояниях
Формулы ДН°12И кДж/моль ЛS0298 Дж/моль^К АС% Дж/мольК AG0f,298 кДж/моль
Sm - -182,93 30,35 -
SmS - 1826,31 151,042 112,54 -1734,39
Sm2Oз - 436,5 36,1 26,97 -414,53
Sm2Sз -2300,5 280,6 118,3 -2450,1
Взаимосвязь трёх термодинамических величин для химического процесса описывается известным уравнением:
ДG0т = ДН°т - ^0т
где: ДG0T - изменение свободной энергии Гиббса (кДж/моль) химической реакции; ДН0т - изменение энтальпии реакции (кДж/моль); ДS0T - изменение энтропии реакции (Дж/моль).
Оценим значения при Т = 5980К и сравним с ДG0f,298. В следствии того, что неизвестны значения интерполяционных коэффициентов а, Ь, с в уравнении теплоемкости, принимаем, что в данном температурном интервале она не зависит от температуры.
Проведены термодинамический анализ процессов возможности окисление кислородом воздуха сульфидов самария, также другие сопутствующие реакции, протекающие по следующим уравнениям:
1) 2SmS(кр.)+ 3,502(г) = Sm2Oз(кр.) + 2SO2(г)
2) Sm2Sз(кр.)+ 4,502(г) = Sm2Oз(кр.)+ 3SO2(г)
Для первой реакции рассчитываем значения термодинамических параметров в интегральной форме, в данном интервале температур:
ДН0р,298=[2ДН0298^О) + ДHf0298(Sm2Oз)] -[З^ДН^^г)} + 2ДН0298^тЗД = [2(-296,9) +
(-436,5)] - [3,5 (0) + (-1826,31)] = 796,01 кДж
Реакция является эндотермической, при данной температуре.
Изменение теплоемкости химической реакции:
ДС0,х.р. = [2ДС298(SO2) + ДС298(Sm2Oз)] -
[3,5ДС098(О2(г)) + 2ДС098(SmS)] = [2 (50,09) +
(26,97)] - [3,5 (29,085) + (112,54)] = -87,197 Дж/моль-К = -0,087197 кДж/моль •К
По уравнению Кирхгофа, для данных условий:
ДН0.р.,598 - ДН0.р.,298 + J ДCpdT
ДН098 - ДН0.р.,298 + АСр(598 - 298) = 796,01 + (-0,087197) (300) = 769,85 кДж/моль-К
298
ASx.p.(T) _ ^Sx.p.,298 +
T
J
dT
ДСр—= as0.p.,298 + ACpln(T/298)
ASx0p.,298 = [2S2098(SO2) + S2098(Sm2O3)] - [3,5S098 (O2(r)) + 2S098(SmS)] = =[2 (248,07) + (36,1)] - [3,5 (205,04) + (151,042)] = -336,442 Дж/моль-K = -0,3364 кДж/моль•K
AS0.p.(868) = AS0.p.,298 + ACpln(T/298) = -0,3364 - 0,087197ln(598/298) = -0,397 кДж/моль-K
AG0598x.p.,= AH0598x.p.,- TAS°598x.p., = 769,85 + 598^0,397 = 1007,25 кДж/моль
В данном температуре процесс не самопроизвольный.
Для второй реакции:
АНх°р.,298=[3ДН0298(8О2) + ДН^^шОз)] - [4,5ДН0298(О2(Г)} + 2ДН°°298(8Ш28З)] = =[3 • (-296,9) + (-436,5)] - [4,5 (0) + (-2300,5)] = 2751,7 кДж
Реакция является эндотермической, при данной температуре.
ДС°,х.р. = [3ДС298(8О2) + ДС298(8ш20з)] - [4,5ДС° 98(О2(г)) + 2ДС298(8ш28з)] = =[3 (50,09) + (26,97)] - [4,5 (29,085) + (118,3)] = -69,78 Дж/моль-К = -0,06978 кДж/моль-К
Д5£р,298 = [2S2°98(8O2) + S2°98(8Ш2Oз)] - [4,5S2°98(O2(г)) + 2S2°98(8Ш28з)] = =[3(248,07) + (36,1)] - [4,5 (205,04) + (280,6)] = -422,9 Дж/моль-К = -0,4229 кДж/моль-К
Д5°.р.(598) = ДS0.р.,298 + АСр1п(Т/298) = -0,4229 - 0,069781п(598/298) = -0,4715 кДж/моль-К
ДС°598х.р.= ДИ0598х.р.,- ТД80598х.р., = 2751,7 + 598^0,4715 = 3033,6 кДж/моль
В данном температуре процесс не самопроизвольный.
Довольно высокие значения ДG0 объясняются очень низким значением изменений энтропии, по сравнению с изменением энтальпии, а также плотной упаковкой кристаллических решёток получаемых соединений, что в свою очередь приводит к сильным кулоновским взаимодействиям между атомами.
Вывод
Таким образом, системы в этих условиях не производят химической работы и не могут служить критерием при выборе условий проведения экспериментов. Проведённые расчеты позволяет дать
термодинамическую оценку возможным процессам и не предусматривает строгое воспроизведение термодинамических результатов в ходе экспериментов. В частности, отсутствие достоверных экспериментальных данных зависимости теплоемкости от температуры, достоверность термических констант и отсутствие временного параметра приводит к полученным результатам. Следовательно, если моносульфид самарий используется как полупроводник, то полученные значения являются адекватными, так как при окислении кислородом воздуха, поверхность моносульфида самария сохранит полупроводниковые свойства.
298
Список литературы:
1. Азизов Вохидхуджа Зохид угли., Высокотемпературный синтез LN2S3 // Наманган Давлат Университети Илмий Ахборотномаси. Махсус сон 1. 2021.
2. Ивлиев А.Д., Анахов С.В., Морилов В.В., Куриченко А.А., Волков А.В., Лугенов О.Б. Корреляция в изменении теплофизических свойств редкоземельных металлов в окрестностях температур структурных превращений // Химия и компьютерное моделирование. Бутлеровские сообщения. - 2002. С. 272-274.
3. Азизов В.З., Арисланов А.С., Вохидов Ш.М. Синтез соединение Dy2S3 при высоких температурах. Международный научный журнал «Научный Фокус» часть1, №14 (100), 2024, С.328-331.
4. Орипов Икболбек Абдилвоситхон угли, Азизов Вохидхужа Зохид угли, Арисланов Акмалжон Сайиббаевич. Способ получения диоксосульфидов редкоземельных элементов // Международный научный журнал «Новости образования: исследование в XXI веке» часть 2, №14(100), Ноябрь, 2023 С.236-240.
5. Samadov A.R.1, Andreev O.V.2, Azizov V.Z.3, Production of SM2S3 and SM2O2S by the sulfidation method // Central Asian Journal of Education and Innovation, Volume 2, Issue 6, Part 3, 2023, P. 61-65.
