Способ определения теплоты химических реакций Советский патент 1992 года по МПК G01K17/00 

сл

с

Использование: калориметрия. Сущность изобретения: импульсным лазерным излучением плотностью энергии 10- 104 Дж/см2 и плотностью мощности 5,4 103-5,0108 Вт/см2 нагревают исследуемый материал в калориметре. Тепловой эффект реакции определяют как разность между общей теплотой, измеренной калориметром, и балластной энергией лазерного излучения, которым инициируют химическую реакцию. 1 ил., 3 табл. .

Изобретение относится к термохимическим исследованиям неорганических соединений и может быть использовано в калориметрии для получения данных по стандартным энтальпиям образования,

Известен способ прямого определения теплоты химических реакций, состоящий в том, что химические компоненты, помещенные в вакуумированную ампулу, находящуюся в калориметрической бомбе, сплавляют посредством электрического нагревателя и проводят измерения выделившейся в калориметре теплоты. Вычитая из измеренного количества теплоты балластную электрическую энергию, определяют тепловое эффект реакции.

Недостатком этого способа является невысокая точность измерения (3-5%). Кроме того, ограничен круг реакций (способ неприменим s тех случаях, когда температура в зоне реакции превышает (1000-1100°С).

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ определения теплоты химических реакций, состоящий в том, что инициируют реакцию между исходными компонентами лазерным излучением плотностью энергии (10-Ю4) и измеряют тепловой эффект реакции калориметром.

Недостатком этого способа является невысокая точность измерения (3-4%).

Целью изобретения является повышение точности измерения теплоты химической реакции.

Для этого предложенный способ включает инициирование реакции между исходными компонентами лазерным излучением с длиной волны не менее 0 4 мкм. с плотностью энергии (10-104) Дж/см2, с плотностью мощности е пределах мощности в пределах (5,4 103-5,0 108) Вт/см2.

XI

4 vj

О СЛ СО

Предложенный способ по сравнению с прототипом позволяет повысить точность измерения теплоты реакции в (3-4) раза.

При высокой плотности мощности лазерного излучения в калориметре осущест- вляются реакции, которые требуют достижения высоких температур для инициирования, Реакция синтеза Mo+2Si MoSte требует достижения температуры 2500°С, реакция синтеза Zr+C ZrC - 2100°С.

Для реализации способа использование лазерного излучения с длиной волны менее 0,4 мкм требует существенно более сложного аппаратурного оформления, что усложняет способ.

Плотность мощности менее 5,4 tO3 Вт/см2 недостаточна для инициирования большинства химических реакций. Плотность мощности более 5,0 108 Вт/см2 является избыточной для большинства химических реакций и не приводит к дополнительному положительному эффекту. Напротив, применение лазерного излучения со значительной плотностью мощности увеличивает ошибку эксперимента.

Предложенный способ поясняется чертежом. Излучение лазера 1, имеющее достаточную для инициирования реакции плотность мощности, попадает в калориметр 2 через окно 3 и нагревает исследуемый материал 4. Одновременно измерителем лазерной энергии 5 измеряют энергию той части лазерного излучения, которая отражается от светоделительной пластины 6. Из схемы вытекает наличие однозначного соответствия между показаниями измерителя лазерной энергии и количеством лазерной энергии, попадающей в калориметр. Исходные компоненты исследуемого материала в результате воздействия лазерного излучателя вступают в химическое взаимодействие. Тепловой эффект реакции в сумме с балластной энергией измеряют калориметром.

П р и м е р 1. Порошки никеля и серы, взятые в массовом соотношении 4 1, перемешивают и прессуют в таблетку размером 1x1 см2. Таблетку помещают в калориметрическую бомбу. Бомбу промывают и заполняют аргоном до давления 1-2 избыточных атмосфер. В начале главного периода калориметрического опыта на таблетку падает импульс излучения лазера длиной волны

1,06 мкм. Плотность мощности излучения составляет 15,2 кВт/см2. В результате реакции синтеза 3NII+2S . По окончании калориметрического опыта продукт реакции

извлекают из бомбы и химическим анализом определяют количество образовавшегося сульфида никеля в продукте. Тепловой эффект реакции рассчитывают как разность между общей теплотой, измеренной калориметром, и балластной энергией лазерного излучения, попадающего в калориметр. Данные опыта 1 приведены в табл.1. Проведено восемь опытов. Среднее значение теплоты реакции получилось равным

241,7+1,9 кДж/моль. Абсолютная погрешность рассчитывалась как удвоенное стандартное отклонение среднего результата, Относительная погрешность составляет 0,8%.

Примеры реализации способа на граничные значения указанного интервала плотности мощности.

П р и м е р 2. Способ осуществляется по примеру 1. Плотность мощности излучения

составляет 5.4 103 Вт/см2.

Данные опыта 2 приведены в табл.2, П р и м е р 3. Способ осуществляется по примеру 1, за исключением того, что в качестве исходных компонентов используют порошки циркония и бора, взятые в сте- хиометрическом соотношении. Плотность мощности лазерного излучения составляет 5,0 10 Вт/см2. В результате инициируется реакция Zr+2B ZrB2.

Данные опыта 3 приведены в табл.3.

Таким образом, предложенный способ по сравнению с прототипом позволяет повысить точность измерения теплоты реакции в 3-4 раза и расширить кругисследуемых реакций.

Формула изобретения Способ определения теплоты химических реакций, включающий инициирование

реакции между исходными компонентами импульсным лазерным излучением плотностью энергии 10-Ю4 Дж/см2 и измерение теплового эффекта реакции калориметром, отличающийся тем, что, с целою

повышения точности, длина волны лазерного излучения составляет не менее 0,4 мкм, а плотность мощности 5,4 103-5,0 tO8 Вт/см2,

Таблица 1

Таблица. 2

Таблица 3