Тема: Моделирование и расчёт термодинамических параметров кристаллических оксидов титана при стандартных условиях

Титан относится к числу наиболее распространённых в природе элементов. В земной коре только девять элементов превышают по количеству титан (O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, K, Na, H). Как показало первое знакомство с Луной, на ее поверхности титан распространён, по-видимому, еще больше, чем на поверхности Земли. Обыкновенная пахотная земля содержит около 0,5% титана [1]. Титан стал одним из наиболее молодых конструкционных материалов, нашедших широкое применение в технике. «Металл века», «Металл космической эры» - так называли титан его создатели, так называют его наши современники. Нет ни одного другого металла, производство которого получило бы в последнее время столь бурное развитие. Такой большой интерес к титану объясняется уникальным сочетанием в нем физико-механических свойств и значительными запасами в земной коре. «С каждым годом открывают все новые области применения этого обладающего прекрасными свойствами металла», - писал академик И.П. Бардин, которому от Академии наук СССР было поручено возглавить процесс создания титана в нашей стране [2].
Впервые титан был найден в виде двуокиси в 1789 г. Уильямом Грегором, священником прихода Менакэн в Корнуэльсе (Юго-Западная Англия). У. Грегор нашел в изобилии черный, по внешнему виду очень похожий на порох, магнитный песок, из которого он выделил оксид железа и белый оксид неизвестного металла, о чем и сообщил в 1791 г. на страницах французского и немецкого журналов. Этот черный песок (корнуэльский магнитный железняк) был назван менакэ- нитом, а выделенный из него белый оксид менахином.
В 1795 г. немецкий химик М.Х. Клапрот, исследуя так называемую «красную землю» из Боиника (Венгрия) или, иначе, венгерский рутил, выделил из него новый оксид, который назвал титановой землей в честь героя древнегреческой мифологии Титана. Через два года Клапрот установил, что окись, полученная им из венгерского рутила, и окись, полученная Грегором из менакэнита, — одно и то же вещество, а именно оксид металла, который Клапрот и назвал титаном. Вскоре индентичность указанных оксидов была подтверждена исследованиями В.А. Лампадиуса, Т.Е. Ловица и др.
После открытия Клапрота соединения титана были обнаружены и во многих других минералах. В 1805 г. титан найден в анатазе и доказано, что рутил и анатаз являются минералогическими разновидностями двуокиси титана [3].
При взаимодействии кислорода и титана может быть образовано до пятнадцати оксидных соединений с различными свойствами. Наибольший интерес вызывает оксид титана(ХУ), а также ряд так называемых фаз Магнели [4].
Свойства титана, а также его соединений к концу первой половины XX века были изучены сравнительно мало, однако те сведения об элементарном титане, которые все же имелись, показали, что он может представлять большой интерес для машиностроения [2].
Несмотря на то, что изучению титана и его оксидов уделялся очень большой промежуток времени (с середины прошлого века), материалы на основе титана продолжают находить всё новые и новые применения и всё ещё сохраняется актуальность работ по этой теме. Химия титана за последние годы стала быстро развиваться в связи с расширением производства и применения различных титансодержащих материалов в технике. Значительные запасы титана позволяют использовать его во всех областях техники, где он обеспечивает существенный технический прогресс и высокую экономическую эффективность [4].
Для дальнейших исследований и последующего применения оксидов титана необходимо знать термодинамические свойства этих соединений, которые на сегодняшний день изучены не достаточно полно. Кроме того, отсутствуют убедительные методики расчета термодинамических характеристик (теплоемкости, энтропии и энтальпии образования) для кристаллических веществ, которые бы соответствовали имеющимся справочным данным.
Целью данного исследования является моделирование и расчёт термодинамических параметров ( СJ, S0, ДуНд8) кристаллических оксидов титана при стандартных условиях.
Для достижения цели НИР поставлены следующие задачи:
- изучить математические модели расчёта стандартной молярной теплоемкости С J, стандартной энтропии S0 и стандартной энтальпии образования ДуНд 8 для бинарных кристаллических оксидов титана MeyOz;
- определить влияние стехиометрического и нестехиометрического состава оксидов титана на термодинамические параметры;
- сделать вывод о корректности существующих математических моделей расчёта, выбрать более согласованную с экспериментальными данными модель для расчёта термохимических характеристик;
- для системы титан-кислород провести расчёты молярной теплоёмкости С J, при стандартной температуре с использованием гиперболической модели А.Г. Рябухина;
- выполнить расчёты стандартных молярных энтропий оксидов титана произвольного состава по гиперболической модели А.Г. Рябухина при стандартной температуре;
- провести расчёты стандартных энтальпий образования для системы титан- кислород, с использованием гиперболической модели А.Г. Рябухина;
Область применения - подтверждена целесообразность применения математической модели А.Г. Рябухина при расчетах молярной теплоемкости, стандартной молярной энтропии и стандартной энтальпии образования на примере оксидов титана. Результаты работы могут быть использованы при проведении термодинамического анализа реакций, протекающих с участием оксидов титана произвольного состава.

Купить

1 Проведено моделирование системы титан-кислород в рамках гиперболической модели расчета А.Г. Рябухина.
1.1 На диаграммах «свойство - состав» ( Q"1 ,S^,h от х) для кристаллических оксидов титана выделены две области квазиравновесных твердых растворов (ОТР-1 и ОТР-2), в которые объединены соединения со сходным типом кристаллической структуры.
1.2 Для каждой ОТР определены структурные коэффициенты (К), учитывающие последовательное усложнение кристаллической структуры и позволяющие корректно рассчитать термодинамические характеристики оксидов титана во всем диапазоне их составов.
1.3 Определен аналитический вид линейной зависимости свойство ( Q"1 ,S^-,h) от состава оксида для каждой ОТР при стандартных условиях. В рамках одной области наблюдается линейная зависимость свойства от состава.
1.4 Совместным решением уравнений для смежных ОТР (ОТР-1 и ОТР-2), вычислены координаты (состав) границы между областями.
2 Произведён расчёт термодинамических характеристик ( Ср ,S° ,kj Н9 8) кристаллических оксидов титана при стандартной температуре. Определены стандартные термодинамические характеристики ( Ср ,S° ^НЬ 8) малоизученных экспериментально оксидов титана, уточнена информация для оксидов титана, по которым справочные (экспериментальные) данные противоречивы.
2.1 Подтверждена адекватность используемой гиперболической модели А.Г. Рябухина экспериментальными (справочными) данными. Результаты расчётов не выходят за пределы доверительных интервалов.

Купить