termická analýza a kalorimetrie oxidových...

33
Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálů David Sedmidubský Vysoká škola chemicko-technologická v Praze Ústav anorganické chemie VŠCHT Praha http://old.vscht.cz/ach/pub/OxMater-TACal.pdf OxMater-TACal.ppt

Upload: vothien

Post on 25-Jul-2019

224 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

Page 1: Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálůuchp.icpf.cas.cz/ehlt/oscht/Sedmidubsky_Trest.pdf · Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálů • Termická

Termick á analýza akalorimetrie

oxidových materiál ů

David Sedmidubský

Vysoká škola chemicko-technologická v PrazeÚstav anorganické chemie

VŠCHT Praha

http://old.vscht.cz/ach/pub/OxMater-TACal.pdf OxMater-TACal.ppt

Page 2: Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálůuchp.icpf.cas.cz/ehlt/oscht/Sedmidubsky_Trest.pdf · Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálů • Termická

Termická analýza a kalorimetrieoxidových materiál ů

• Termická analýza a konstrukce fázových diagram ů

• Fenomenologie fázových p řechod ů

• Kalorimetrické stanovení základních termodynamických veli čin

• ∆∆∆∆fH, Cp(T): experiment vs. teorie

• Fázové diagramy T-x-pO2

• Oxidová x kovová tavenina a chování v okolí kritického bodu

• Tepelná kapacita za konstantní aktivity kyslíku – satu rační příspěvek

• Vliv nestechiometrie na Cp

• Nestechiometrie a další materiálové vlastnosti ( ααααp, ββββT)

http://old.vscht.cz/ach/pub/OxMater-TACal.pdf OxMater-TACal.ppt

Page 3: Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálůuchp.icpf.cas.cz/ehlt/oscht/Sedmidubsky_Trest.pdf · Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálů • Termická

Termická analýza a klasifikace fázových p řechod ů

P.Holba, J. Therm. Anal. Calorim. 120 (2015) 175

Page 4: Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálůuchp.icpf.cas.cz/ehlt/oscht/Sedmidubsky_Trest.pdf · Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálů • Termická

Termická analýza a klasifikace fázových p řechod ů

P.Holba, J. Therm. Anal. Calorim. 120 (2015) 175

Page 5: Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálůuchp.icpf.cas.cz/ehlt/oscht/Sedmidubsky_Trest.pdf · Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálů • Termická

DTA/DSC – experimentální fázové diagramy, slučovací entalpie z rovnovážných dat

Tavenina (L)

Bi 24

+xC

o 2-xO

39

L + Co3O4

L + CoO

Bi24+xCo2-xO39 + Co3O4

-Bi 2O

3-B

i 2O3

αδ

xCo

T /K

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5900

1000

1100

1200

1300

800 900 1000 1100 1200 1300

TC

TC

TC

TCE1

E1

E1

E1

S

E1

LE2TB

C

BC20-80

BC60-40

BC70-30

BC80-20

BC90-10

BC95-5

Tep

elný

tok

T / K

BC98-2

O.Jankovský, D.Sedmidubský, Z.SoferPhase Diagram of the Pseudobinary System Bi-Co-OJournal of the European Ceramic Society 33 [13-14] (2013) 2699-2704

Page 6: Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálůuchp.icpf.cas.cz/ehlt/oscht/Sedmidubsky_Trest.pdf · Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálů • Termická

DSC – entalpie fázových p řechod ů

AEHgO 2(s) → AEO(s) + Hg(g) + O 2(g)

AE = Ca, Sr, Ba

7000 8000 9000 10000-350

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

φ [m

W]

τ [s]

500

600

700

800

900

T [°C

]

H = 182.571 kJ/mol

728°C

1.0 1.1 1.2 1.3 1.4

-60

-50

-40

-30

-20

Ba2+

∆oxH°298

∆ oxH

° 298

[kJ.

mol

-1]

R [Å]

-760

-740

-720

-700

-680

Sr2+Ca2+

∆f H

°298 [kJ.m

ol -1]

∆ fH°298

Page 7: Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálůuchp.icpf.cas.cz/ehlt/oscht/Sedmidubsky_Trest.pdf · Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálů • Termická

9000 9500 10000 10500 11000 11500 12000

-100

-50

0

50

100

150

SrMnO3 - cub.→hex.

φ [m

W]

τ [s]

700

800

900

1000

1100

T [°C

]

DSC – entalpie fázových p řechod ů

∆∆∆∆H(ββββ→→→→αααα) = 20 kJ/mol

ββββ-SrMnO3

Pm3m

αααα-SrMnO 3

P63/mmc

Page 8: Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálůuchp.icpf.cas.cz/ehlt/oscht/Sedmidubsky_Trest.pdf · Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálů • Termická

Vhazovací kalorimetrie – m ěřenírozpoušt ěcího tepla

∆dcH(AECO3)

AExNb2O5+x (s) Nb 2O5(l) + xAEO(l) + CO 2(g)

Nb2O5(s) + x AEO(s) + CO2(g) AECO 3(s)

∆oxH = x∆dsH(AEO) + ∆dsH(Nb2O5) – ∆dsH(AExNb2O5)

∆dsH(AEO) = ∆dsH(AECO3) – ∆dcH(AECO3)

∆dsH(AExNb2O5+x)

∆dsH(AECO3)∆dsH(AEO)

∆oxH∆dsH(Nb2O5)

–475

–318

–405

–316

∆oxH(298 K)

ab-initio

–367.4 f)–289 ± 37167.54 ± 34.7 (4)1073Sr2Nb

2O

7

–325.0 f)–168 ± 19180.50 ± 15.7 (4)1073SrNb2O

6

–147.3 c)

–177.5 e)–208 ± 32195.7 ± 27.8 (8)

1073Ca2Nb

2O

7

–159.8 c)

–130.1 d)–132 ± 24196.8 ± 20.7 (8)

1073CaNb2O

6

∆oxH (298 K)

Lit

∆oxH(298 K)

DC∆dsH (kJ mol–1) a)T (K)Substance

J.Leitner, M.Nevřiva, D.Sedmidubský, P.Voňka, J.Alloy.Compd. 509 (2011) 4940

tavenina Na 2O- MoO3 (3:4)

3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

A =-36829 µV.s

m= 99.29 mgS = 0.299 µV/mW

∆Hdis=236.5 kJ/mol

m =291.90 mg∆H=32326 mJ

A = -9859.9 µV.s

S = 0.305 µV/mW

m =248.02 mg∆H=27463 mJ

A = -8042.4 µV.s

S = 0.293 µV/mW

I II III

τ [s]

φ [µ

V]

SrMnO3

hex T=797.5°C

tavenina PbO- B 2O3 (2:1)

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-1500

-1400

-1300

-1200

∆H = (1-x) ∆HLaMnO3

+ x ∆HSrMnO3

+ 200 x(1-x)

La1-xSrxMnO3

∆Hf 2

98 [k

J/m

ol]

x

Page 9: Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálůuchp.icpf.cas.cz/ehlt/oscht/Sedmidubsky_Trest.pdf · Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálů • Termická

SluSluččovacovac íí entalpie smentalpie sm ěěsných oxidsných oxid ůů:: ∆∆∆∆∆∆∆∆HHoxox

-25 -20 -15 -10 -5 0-15

-10

-5

0

5Ba-5s, Zr-4p O-2s Ba-5p O-2p

E.∆

DO

S.d

E

Energy (eV)

( ) ( ) rrr dV∫∆ ρ

Ba – 0.196

Zr + 0.146

O + 0.646

Int. + 0.410

Σ + 1.006

/ Ry

Val. – 0.840

Cor. – 0.249

Σ – 1.089

∆Hox – 0.083 Ry– 110 kJ/mol

∑∆i

iE

/ Ry

-20 -10 0 10-15

-10

-5

0

5

10

15

Ba-6sZr-5s,4d

Zr-4p

BaO+ZrO2

BaZrO3

O-2p

O-2s

Ba-4fBa-5p

D

OS

(eV

-1)

Energy (eV)

Ba-5s

Page 10: Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálůuchp.icpf.cas.cz/ehlt/oscht/Sedmidubsky_Trest.pdf · Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálů • Termická

Adiabatická kalorimetrieCp = Q/∆T

Teplotní rozsah: 4.2 - 340 K

Chladící kapaliny: He, N2

Tepelná kapacita za nízkých teplot

Page 11: Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálůuchp.icpf.cas.cz/ehlt/oscht/Sedmidubsky_Trest.pdf · Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálů • Termická

Relaxační metoda / PPMSTeplotní rozsah: 1.8 - 400 K

Chladící kapalina: He

Tepelná kapacita za nízkých teplot

Page 12: Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálůuchp.icpf.cas.cz/ehlt/oscht/Sedmidubsky_Trest.pdf · Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálů • Termická

Tepelná kapacita za nízkých teplot –Debyeův-Einstein ův model

0 50 100 150 200 250 300 350

0

100

200

300

400

500

600

Sr6Co5O15 D-3E fit

ΘD= 84 K, Θ

E1=163 K (12x)

ΘE2

=259K (15x), ΘE3

=597 K (48x)

γ = 74.6 mJ.mol-1.K-2

Cp /

J m

ol-1 K

-1

T / K

[ ]

3 4

phD 20D

exp( )9 d

exp( ) 1

DxT x xC R x

Θ x

=

− ∫

[ ]2E E

phE 2

E

exp( )

exp( ) 1i i

i

i

x xC R

x=

γTC =el

3

p el phD phE1 i iiC C C g C

== + +∑

O. Jankovský, D. Sedmidubský, Z. Sofer, J. Leitner, K. Růžička, P. SvobodaHeat capacity, enthalpy and entropy of Sr14Co11O33 and Sr6Co5O15Thermochimica Acta 575 (2014) 167-175

Page 13: Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálůuchp.icpf.cas.cz/ehlt/oscht/Sedmidubsky_Trest.pdf · Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálů • Termická

0 5 10 15 20

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

BaO

MgO

DO

S [T

Hz-1

]

ω [THz]0 100 200 300 400 500

0

20

40

60

80

100

MgO

S [J

.mol

-1K

-1]

T [K]

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

BaO

Cp / T

[J.mol -1.K

-2]

S298 = 27.7

S298 = 73.7

Entropie a nízkoteplotní C p – vliv hmotnosti atomů a silových konstant: MgO vs. BaO

Page 14: Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálůuchp.icpf.cas.cz/ehlt/oscht/Sedmidubsky_Trest.pdf · Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálů • Termická

0 5 10 15 20 25

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

BaZrO3

BaO ZrO

2

PD

OS

[TH

z-1]

ν [THz]

0 5 10 15 20 25-2

0

2

∆ [T

Hz-1

]

0 50 100 150 200 250 300

0

2

4

6

BaZrO3

SrZrO3

∆ oxC

p [J.m

ol-1.K

-1]

T [K]

BaZrO3

∆∆SSoxox = = SS(ABO(ABO33) ) –– SS(AO) (AO) –– SS(BO(BO22)) dTT

CS pox

ox ∫∆

=∆298

0

298

0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.64

6

8

10

12

14

16

CaTiO3

SrTiO3

AZrO3

∆ oxS

298

(RA-R

B)/R

B

ACeO3

100 200 300 400 500 600 700 800 900-4

-2

0

2

4

BaO + ZrO2

BaZrO3

100 200 300 400 500 600 700 800 900-4

-2

0

2

4

SrO + ZrO2

SrZrO3

Θ [K]

Entropie a nízkoteplotní Cp směsných oxid ů

Page 15: Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálůuchp.icpf.cas.cz/ehlt/oscht/Sedmidubsky_Trest.pdf · Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálů • Termická

HF-DSC – dynamická vs. inkrementální metoda

0 50000 100000 150000

100

200

300

400

500Al2O3

T [°C

]

τ [s]

-20

-15

-10

-5

0

φ [µ

V]

7.50x105 1.00x106 1.25x106 1.50x106 1.75x106

300

400

500

600

700

800

900

T [°C

]φ [µ

V]

τ [s]

-80

-60

-40

-20

0

20

CuO

měřený signál korigovaný signál

200 300 400 500 600 700 800 900-2

0

2

4

6

8

10

φ° [

µV]

T [°C]

( )S

STTpm m

M

TT

HC

122

21

−∆=+

S

ddH

BS∫ ∫−=∆

τφτφR

RT

T

pmR

BR

m

M

dTC

ddS

∫ ∫−=

2

1

τφτφ

S

SBSpm m

M

TrTS

TΦTΦTC

)()()()(

)(⋅−=

R

R

pR

BR

m

M

TrTC

TΦTΦTS

)()()()(

)(⋅

−=

Page 16: Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálůuchp.icpf.cas.cz/ehlt/oscht/Sedmidubsky_Trest.pdf · Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálů • Termická

Vhazovací kalorimetrie – stanovení relativních entalpi í

500 600 700 800 900 1000 1100 120040

80

120

160

200

240

280

320

Bi1.85

Sr2Co

1.85O

7.7

∆∆ ∆∆ TH

m (

kJ m

ol-1)

T (K)

Drop Exp HT-fit

Page 17: Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálůuchp.icpf.cas.cz/ehlt/oscht/Sedmidubsky_Trest.pdf · Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálů • Termická

Simultánní analýza dat LT- Cp, HF-DSC a vhazovací kalorimetrie

J.Leitner, V.Jakeš, Z.Sofer, D.Sedmidubský, K.Růžička, P.Svoboda Heat capacity, enthalpy and entropy of ternary bismuth tantalum oxidesJ. Solid State Chem. 184 (2011) 241–245

0 200 400 600 800 1000 1200 14000

200

400

600

800(a)

3NR

Cpm

(J.

mol

-1.K

-1)

T (K)

RT-Exp DSC-Exp #1 DSC-Exp #2 LT Fit HT Fit NKR

600 800 1000 1200 1400200

300

400

500

600

700

800(b)

Hm(T

)-H

m(2

98)

(kJ

mol

-1)

T (K)

Drop-Exp HT Fit NKR

2mpC A BT C T= + + ( ) ( ) ( )

0

2 2m m m 0 m 0 0 0( ) ( ) ( ) d 2 1 1

T

pTH T H T H T C T A T T B T T C T T∆ = − = = − + − − −∫

2( ) 2 2m,1

pN Ci p i i ii

F w C A BT C T= = − − − + ∑ ( ) ( ) ( ) 2( ) 2 2 2

m, 0, 0, 0,12 1 1 min

N Hj j j j j j j jj

w H A T T B T T C T T∆

= + ∆ − − − − + − → ∑

Page 18: Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálůuchp.icpf.cas.cz/ehlt/oscht/Sedmidubsky_Trest.pdf · Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálů • Termická

Kyslíková nestechiometrie v oxidových systémech

Látky vym ěňující s okolím jednu či více složek : nestechiometrické oxidy,

hydridy, hydráty, oxykarbonáty, sulfidy, …

Obsah volné složky (kyslíku) v systému je ur čen její aktivitou

Nastavení aktivity volné složky – řízená dynamická atmosféra (p O2 =

konst.)

Fe(liq)Fe-O(liq)

Fe(s)

Fe2O3(s)

Fe3O4(s)

Fe1-xO(s)

Fe - O2

log10(p(O2)) (atm)

T(K

)

-20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0700

900

1100

1300

1500

1700

1900

2100

Fe1-xO

FeOx liquid

Fe 3

O4+

d

Fe - O

XO

T(K

)

0.45 0.5 0.55 0.6800

1040

1280

1520

1760

2000

Page 19: Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálůuchp.icpf.cas.cz/ehlt/oscht/Sedmidubsky_Trest.pdf · Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálů • Termická

Systém Co-O: odm íšení a kritický bod

-3.5

-1.5 -1.2 -1-1.1

-5

Lmet + CoO

Lmet + Lox

Co 3

O4

CoO

Co + CoO

xO

T/K

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.51700

1900

2100

2300

2500

2700

2900

3100

Lox

Lmet

CoO

Co

log p(O2)

T /

K

-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 01600

1700

1800

1900

2000

2100

2200

2300

2400

2800 2900 3000 310080

85

90

95

100

-1.2 -1

(1 -

∆x O

/ 0.5

) %

T / K

log pO

2

= -1.1-1.3-1.4-1.5

Page 20: Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálůuchp.icpf.cas.cz/ehlt/oscht/Sedmidubsky_Trest.pdf · Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálů • Termická

Systém Co-O: odm íšení a kritický bod

2700 2800 2900 3000 3100

-20000

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

-1.2 -1

H /

J m

ol-1

T / K

log pO

2

= -1.1-1.3-1.4-1.5

2800 2900 3000 31000

1000

2000

3000

log pO

2

= -1.15 -1.1

-1

-1.3-1.4

Cp

/ J m

ol-1K

-1T / K

-1.5

Page 21: Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálůuchp.icpf.cas.cz/ehlt/oscht/Sedmidubsky_Trest.pdf · Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálů • Termická

Fázové diagramy částečně otev řených systém ů

2

Co/(Sr+Co) (mol/mol)

T(K

)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

pO2 = 0,21

pO2 = 1,0

Systém Sr-Co-(O)

800 900 1000 1100 1200 130031.5

32.0

32.5

33.0

33 -

δ

T (K)

pO

2

= 0.21

Sr14

Co11

O33-δ

1200 1300 1400 1500 1600 1700

5.84

5.88

5.92

5.96

6.00

6.04

Sr3Co

2O

6.33-δ

6.33

- δ

T (K)

pO

2

=0.21

[ ][ ][ ][ ][ ]222

2322-2

2x-2

1642

223

22829 VaOVaOOCoCoCoSr −+

−−−−

++−++

+−−

+δδδδ xxxzzxz

[ ][ ][ ][ ][ ][ ]δδδδ VaOOCoCoCoCoSr -2-3

-230

23

42

32

426

214

++++−

+

O.Jankovský, D.Sedmidubský, J.Vítek, Z. Sofer, Phase equilibria in Sr-Co-O system in air atmosphere

Journal of the European Ceramic Society 35 (2015) 935-940

Page 22: Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálůuchp.icpf.cas.cz/ehlt/oscht/Sedmidubsky_Trest.pdf · Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálů • Termická

Podm ínky rovnováhy v částečně otev řených systémech

∑−−∑ =−===

F

fff

F

fff nTSHnGZ

11µµHypervolná energie :

Z = G – nOG°O2 /2 –RT ln(aO2) / 2oxidy:

Z = ∑µj nj – (n°f+δ) µf = ∑(µ°j + RT ln aj) nj – (n°f+δ) (µ°f RT ln aj)

nj = νjo+∑νjr.λr +νjf.δ

λλλλr,eq: (∂Z/∂λr)δ,T,P =∑jνjr (µo

j +RT ln aj) = ∆Gor + RT ln Kr = 0

δδδδeq : (∂Z/∂δ) T,P,λr = ∑jνjf (µo

j +RT ln aj) – µof +RT ln af = ∆Go

If + RT ln Kif = 0

(∂Z/∂δ) T,P= (∂Z/∂δ) T,P,λr + ∑r(∂Z/∂λr)(∂λr/∂δ) = ∆GIf + ∑r ∆Gr(∂λr/∂δ) = 0

intrinzické krystalochemické reakce:

inkorpora ční reakce:

Page 23: Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálůuchp.icpf.cas.cz/ehlt/oscht/Sedmidubsky_Trest.pdf · Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálů • Termická

Nestechiometrie jako funkce T a log af

vlastní plutabilita: TGA, coulometrická titrace

teplotní ftochabilita: TGA

pTf

fff a

Y

,ln

∂∂

pa

ffT

fT

Y

,

∂∂

−=κ

pY

ff

fT

aRH

,)/1(

ln

∂∂

=∆relativní parc. mol. entalpie: EMF galvanických článků

Page 24: Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálůuchp.icpf.cas.cz/ehlt/oscht/Sedmidubsky_Trest.pdf · Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálů • Termická

Nestechiometrie a tepelná kapacita

Izochorická:V

V T

UC

∂∂= Izobarická:

βα 2

mVp

p TVCT

HC +=

∂∂=

CP, Yf

Izopletní: Izodynamická: konstantní aktivita volné složky

CP, af

AnX

m+δ = n A1Xy

Molální zlomek Yf = (m+δ)/n = y

af = pf /pof

psatYpap CCCff

∆+= ,,

Page 25: Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálůuchp.icpf.cas.cz/ehlt/oscht/Sedmidubsky_Trest.pdf · Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálů • Termická

Saturační příspěvek k izodynamické kapacit ě

Nestechiometrický oxid MO n-δδδδ

O

O

Kp

nK

+=

21

2O

δR

S

RT

HK OO

O

∆+∆−=ln

( )222

1

2

21

2

OO

OOOOOpsat

Kp

Knp

RT

HH

THC

+∆=

∂∂−=∆ δ

fTfYp

ap

f

f

f

TpfYpapap HC

T

Y

Y

N

N

H

T

H

T

HC

f

fff

fκ−=

∂∂

∂∂

∂∂+

∂∂=

∂∂= ,

,,,,,

( ) ( ) fff

fffTfffTfpsat RT

HHHHHHC κκκ

∆∆+=∆+−=−=∆ 2

oo

= 1 pro A1Xy

500 1000 1500 2000 2500 3000

0

5

10

15

20

∆ satC

p (R

)

T (K)

∆sat

Cp

Page 26: Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálůuchp.icpf.cas.cz/ehlt/oscht/Sedmidubsky_Trest.pdf · Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálů • Termická

Deviační příspěvek k Cp v důsledku nestechiometrie

f

Y

Y

fff

Y

Y

ff

Y

Y f

p

YpYppdev dYT

HCdY

T

HdY

Y

CCCC

f

f

f

f

f

f

ff ∫∫∫

∂∆∂

+=

∂∂

=

∂∂

=−=∆ooo

o

o

,,

( ) δδδ

dT

HCdY

T

HCYYC f

fpf

Y

Y

ffpffpdev

f

f

∫∫

∂∆∂

+=

∂∆∂

+−=∆0

,,ooo

o

pro A1Xy

OO

OOOpdev

Kp

nK

T

hd

T

HC

+

∂∂−≅

∂∂−=∆ ∫ 2

1

20

νδ

δ

Nestechiometrický oxid MO n-δδδδ

entalpie vibračních modů volné složky

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

-3.0

-2.5

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

∆ devC

p (R

)

T (K)

∆dev

Cp

Page 27: Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálůuchp.icpf.cas.cz/ehlt/oscht/Sedmidubsky_Trest.pdf · Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálů • Termická

Kyslíková nestechiometrie Bi 2Sr2CoO6+δδδδ

400 600 800 1000 1200 14000.1

0.2

0.3

0.4

0.5

DTA

δ

T (K)

TG

-30

-20

-10

0

10

φ (

a.u.

)

Bi2Sr2CoO6.25

Bi2Sr2CoO6.5

Bi4Sr4CoO13 → Bi4Sr4CoO12 + ½ O2

x

xpeK OR

S

RT

H OO

−==

∆−

1

2/1

2

Kp

Kx

O 225.0

25.0 2/1

2+

−=−=δ

OH∆

OS∆

= –26.22 ± 0.24 kJ mol–1

= –13.19 ± 0.25 J mol–1 K–1

Page 28: Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálůuchp.icpf.cas.cz/ehlt/oscht/Sedmidubsky_Trest.pdf · Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálů • Termická

Tepelná kapacita Bi 2Sr2CoO6+δδδδ

0 50 100 150 200 250 300 3500

50

100

150

200

250

300

PPMS DSC D-E fit

C

pm (

J K

-1 m

ol-1)

T (K)

0 20 40 60 80 1000

50

100

150

T2 (K2)

Cpm

/T (

mJ

K-2m

ol-1)

500 600 700 800 900 1000 1100 120040

80

120

160

200

240

280

320

∆ TH

(kJ

mol

-1)

T (K)

Drop Exp HT-fit

Cp = [(256.3±18.2) + (0.09708±0.02813)·T – (2.2284±0.8903)·106·T−2] J K−1mol−1

-2TC+TB+A=Cp ⋅⋅

−⋅−−⋅+−⋅=−=∆

0

20

200

11)(

2

1)()()()(

TTCTTBTTATHTHTH

( ) dx(x)

(x)x

Θ

T=C

Dx

D∫ −

02

43

phD1exp

exp9R

( )22

phE

1−⋅

Eix

Eix

Eiii

e

exwR=C

∑3

1phEphD

=iielp C+C+C=C

Debye – Einstein ův model

Page 29: Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálůuchp.icpf.cas.cz/ehlt/oscht/Sedmidubsky_Trest.pdf · Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálů • Termická

200 400 600 800 1000 1200150

200

250

300

350

3nR

Cp (

J.m

ol-1.K

-1)

T (K)

PPMS micro DSC D-E fit HT fit C

p,δ+ (dδ/dT)H

O

400 600 800 1000 12000

2

4

6

δ CO∆C

pm

(dδ/dT)HO

Tepelná kapacita Bi 2Sr2CoO6+δδδδ

2

2,

,,

O

O

ppOppppsat T

HCCC

∂∂=−=∆ δ

δ OOO HHH ∆+= o

221 Cp,δ=0.5 = Cp,δ + δ CO

( )22

phE

1−⋅=

Eix

Eix

EiiiO

e

exwR=CC

wi = 3

θE3 = 655 KO. Jankovský, D. Sedmidubský, Z. Sofer, K. Rubešová, K. Růžička, P. SvobodaOxygen non-stoichiometry and thermodynamic properties of Bi2Sr2CoO6+δ ceramicsJournal of the European Ceramic Society 34 (2014) 1219-1225

Page 30: Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálůuchp.icpf.cas.cz/ehlt/oscht/Sedmidubsky_Trest.pdf · Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálů • Termická

Nestechiometrie a tepelná kapacita (Bi 0.4Sr0.6)Sr2CoO5–δδδδ

O.Jankovský, Z.Sofer, J.Vítek, P.Šimek, K.Růžička, P.Svoboda, D.SedmidubskýStructure, oxygen non-stoichiometry and thermal properties of (Bi0.4Sr0.6)Sr2CoO5-δThermochimica Acta, 600 (2015) 89-94

800 1000 1200 1400 1600

T=1464 K

2 K/min

Hea

t Flo

w (

a.u.

)

T (K)

EXO

T=1190 K

4.6

4.7

4.8

4.9

5.0

δ=2KT/(K

T+p1/2

O2

)

δ= KO/(K

O+p1/2

O2

)

ORTHORHOMBIC

Bi0.4

Sr2.6

CoO4.66

Bi0.4

Sr2.6

CoO4.77

Oxy

gen

cont

ent (

5-δ)

TETRAGONAL

0 200 400 600 800 1000 12000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

3nR

Cpm

(J.

mol

-1.K

-1)

T (K)

PPMS LT-fit DSC Bi

0.4Sr

2.6CoO

5-δ

Bi0.4

Sr2.6

CoO5

CV (LT-fit)

500 600 700 800 900 1000 1100 120040

80

120

160

200

240

∆ TH

m (

kJ m

ol-1)

T (K)

Drop Drop - ∆H

O

HT-fit HT-fit + ∆H

O

( )δδ 2/1

22 O

T

pK

−=

( )δδ 2/1

21 O

O

pK

−=

O2– + 2 Coz+→ [□O 2Co(z-1)+] + ½ O2

Page 31: Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálůuchp.icpf.cas.cz/ehlt/oscht/Sedmidubsky_Trest.pdf · Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálů • Termická

Vliv nestechiometrie na teplotníroztažnost a stla čitelnost

( ) fTfffTfYasat VVV

VVff

κκααα ∆+

−=

−=−=∆ o11

( ) fpfffpfYTaTsat VVV

VVff

κκβββ ∆+

−=

−=−=∆ o11,,

δδααδ

dT

V

p

ffpdev ∫

∂∆∂

+=∆0

,o

izotermnístla čitelnost

teplotníroztažnost

δδββδ

dp

V

T

ffTdev ∫

∂∆∂

+=∆0

,o

tlaková ftochabilita:Ta

ffp

fp

Y

,

∂∂

−=κ

ff

fp

YT

ff RT

p

aRTV

fκκ

=

∂∂

=∆,

ln

f

f

Yafp

fT

VT

H

p

T

ff∆

∆−=

∂∂=

,κκ

Page 32: Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálůuchp.icpf.cas.cz/ehlt/oscht/Sedmidubsky_Trest.pdf · Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálů • Termická

Příspěvek nestechiometrie k dilata čnímu členu tepelné kapacity

TV

CCC Vpdil βα 2

=−=∆Dilata ční člen Cp

( )( )( ) devdil

dev

devdevdil MCT

VVC ⋅∆=

∆+∆+∆+=∆ 0

0

200

ββαα

( )( )( )0

200

/1

/1/1

ββαα

dev

devdevdev

VVM

∆+∆+∆+=T

VCdil

0

200

0 βα=∆

∆+==∆ ∫∫ δδδ

δδ

dVVndVnV ffcfcdev

00

o

D.Sedmidubský, P.HolbaMaterial properties of nonstoichiometric solidsJ.Therm.Anal.Calorim. 120 (2015) 183-188

Page 33: Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálůuchp.icpf.cas.cz/ehlt/oscht/Sedmidubsky_Trest.pdf · Termická analýza a kalorimetrie oxidových materiálů • Termická

• P.Holba, D.Sedmidubský, Heat capacity equations for nonstoichiometric solids, J.Therm.Anal.Calorim.113 (2013) 239-245

• D.Sedmidubský, P.Holba, Material properties of nonstoichiometric solids, J.Therm.Anal.Calorim. 120 (2015) 183-188

• O. Jankovský, D. Sedmidubský, Z. Sofer, K. Rubešová, K. Růžička, P. Svoboda, Oxygen non-stoichiometry andthermodynamic properties of Bi 2Sr2CoO6+δ ceramic J. Eur. Ceram. Soc. 34 (2014) 1219-1225.

• O. Jankovský, D. Sedmidubský, Z. Sofer, J. Leitner, K. Růžička, P. Svoboda, Heat capacity, enthalpy and entropy ofSr14Co11O33 and Sr6Co5O15, Thermochim. Acta 575 (2014) 167-172.

• O. Jankovský, D. Sedmidubský, K. Rubešová, Z. Sofer, J. Leitner, K. Růžička, P. Svoboda, Structure, non-stoichiometryand thermodynamic properties of Bi 1.85Sr2Co1.85O7.7−δ, ceramics, Thermochim. Acta 582 (2014) 40-45.

• O. Jankovský, Z. Sofer, J. Vítek, P. Šimek, K. Růžička, P. Svoboda, D.Sedmidubský, Structure, oxygen non-stoichiometry and thermal properties of (Bi 0.4Sr0.6)Sr2CoO5–δ, Thermochim. Acta 600 (2015), 89–94

• O.Jankovský, Z.Sofer, J.Vítek, K.Růžička, S.Mašková, D.Sedmidubský, Thermodynamic properties of tubular cobaltite Bi 3.7Sr11.4Co8O29–δδδδ , Thermochim. Acta 605 (2015) 22-27

Reference

Fázové diagramy – experiment a modelování

Termodynamické vlastnosti a kyslíková nestechiometrie

• D. Sedmidubský, V. Jakeš, O. Jankovský, J. Leitner, Z. Sofer, J. Hejtmánek, Phase Equilibria in Ca-Co-O system, J. Sol. St. Chem. 194 (2012) 199-205.

• O.Jankovský, D.Sedmidubský, Z.Sofer, Phase Diagram of the Pseudobinary System Bi-Co-O , Journal of the European Ceramic Society 33 [13-14] (2013) 2699-2704.

• O.Jankovský, D.Sedmidubský, J.Vítek, Z. Sofer, Phase equilibria in Sr-Co-O system in air atmosphere, Journal of the European Ceramic Society 35 (2015) 935-940.

• L.Nádherný, O.Jankovský, Z. Sofer, J.Leitner, Ch.Martin, D.Sedmidubský, Phase equilibria in the Zn-Mn-O System, Journal of the European Ceramic Society 35 (2015) 555-560

• D. Sedmidubský, J. Leitner, O.Beneš, Phase Equilibria Modeling in Bi-Sr-Mn-O System, Calphad 30 (2006) 179-184.

http://old.vscht.cz/ach/pub/OxMater-TACal.pdf OxMater-TACal.ppt