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Chemischer Transport

Chemischer Transport. Hauptseminar Anorganische Chemie Alexandra Philipp. Gliederung. Allgemeine Definition Grundlagen Anwendungsbeispiele Transport mit kongruenter Auflösung 4.1 Komplexer Transport Transport mit inkongruenter Auflösung 5.1 Quasistationärer Transport

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Presentation Transcript

  1. Chemischer Transport Hauptseminar Anorganische Chemie Alexandra Philipp

  2. Gliederung • Allgemeine Definition • Grundlagen • Anwendungsbeispiele • Transport mit kongruenter Auflösung • 4.1 Komplexer Transport • Transport mit inkongruenter Auflösung • 5.1 Quasistationärer Transport • 5.2 Zeitabhängiger (nichtstationärer Transport) • Literaturangaben

  3. 1. Allgemeine Definition Senke T2: hohe Temperatur T1: niedrige Temperatur Quelle • A(s) + B(g) AB(g) Kp = • Transport entlang eines Temperaturgradienten: • Auflösung des Quellenbodenkörpers A in die Gasphase • Transport über Gasphase • Abscheidung von A aus der Gasphase in der Senke

  4. 2. Grundlagen Vorraussetzungen: • Gasförmige Reaktionsprodukte der Transportreaktion • Reversibilität der heterogenen Gleichgewichtsreaktion • Keine extreme Gleich- • gewichtslage (Kp= 1) • Partialdruckdifferenz p(T)

  5. 2. Grundlagen Transportmechanismen: • Diffusion • Thermische Konvektion • Strömung

  6. 2. Grundlagen HäufigeTransportmittel: • Halogene, Halogenwasserstoffe, Halogenide • Zahlreiche Bodenkörper möglich: • Metalle • Metallhalogenide • Binäre und polynäre Oxide • Phosphate • Sulfate • …

  7. 2. Grundlagen Bestimmung der Transportrichtung: Prinzip von Le Chatelier  Temperaturveränderung führ zur Verschiebung des Gleichgewichts • Exotherme Reaktion: H < 0 • A(s) + B(g) AB(g) + E • Heiße Stelle: Gleichgewicht auf Seite der Edukte • Kalte Stelle: Gleichgewicht auf Seite der Produkte •  Transport von kalt nach heiß

  8. 2. Grundlagen • Endotherme Reaktion: H > 0 • A(s) + B(g) + E AB(g) • Heiße Stelle: Gleichgewicht auf Seite der Produkte • Kalte Stelle: Gleichgewicht auf Seite der Edukte •  Transport von heiß nach kalt

  9. 2. Grundlagen Beispiel: Ni(s) mit CO(g) • Ni(s) + 4 CO(g) Ni(CO)4(g) RH = -160 KJ/mol •  Transport von kalt nach heiß Ni (nach Mond-Langer-Verfahren)

  10. 3. Anwendungsbeispiele • Reinigung von Metallen • Trennung von Stoffgemischen Nickel-Kugeln • Beschichtung von Materialien • Präperative Methode • Einkristallzüchtung • -Quarz

  11. 4. Transport mit kongruenter Auflösung Kongruente Auflösung: • Zusammensetzung von Quellenbodenkörper und Gasphase sind identisch • Kongruente Auflösung bedingt immer kongruente Abscheidung Zwei Transportarten: • Einfacher Transport • Komplexer Transport

  12. 4.1 Komplexer Transport Beschreibung komplexer Transportreaktionen nicht mit einer Reaktionsgleichung möglich  mehrere Gleichgewichte Berechnung der Anzahl ru der Gleichgewichte: ru = s – k + 1 s: Anzahl der Gasteilchenk: Anzahl der Komponenten

  13. 4.1 Komplexer Transport Beispiel: Femit I2 Relevante Gasteilchen: FeI2, Fe2I4, I2, I Gleichgewichte: • Fe(s) + I2(g) FeI2(g) RH = 24 KJ/mol • 2 Fe(s) + 2 I2(g) Fe2I4(g) RH = -116 KJ/mol • I2(s) 2 I(g)

  14. 4.1 Komplexer Transport • Anteile von I und I2 klein  Gleichgewichte auf Seiten der Eiseniodide • Mit steigender Temperatur nimmt Anteil an Fe2I4 ab •  exothermes Gleichgewicht

  15. 4.1 Komplexer Transport • Mit steigender Temperatur nimmt Anteil an FeI2 zu •  endothermes Gleichgewicht • T > 1000°C: • Anteil an FeI2 nimmt ab, Anteil an I zu • Fe(s) + 2 I(g) FeI2(g) • exothermes Gleichgewicht

  16. 4.1 Komplexer Transport Transportrichtung?  Bestimmung der Gasphasenlöslichkeit des Bodenkörpers in Abhängigkeit von der Temperatur

  17. 4.1 Komplexer Transport • Definition: Gasphasenlöslichkeit A A = • A= (A), (L): Stöchiometriekoeffizienten Transportrichtung: hohe  niedrige • Endotherme Reaktion:  steigt mit zunehmender Temperatur • Exotherme Reaktion: fällt mit zunehmender Temperatur

  18. 4.1 Komplexer Transport Abnahme der Gasphasenlöslichkeit  Eisen wird von tiefen zu hohen Temperaturen transportiert exotherme Reaktion

  19. 5. Transport mit inkongruenter Auflösung • Inkongruente Auflösung: • Zusammensetzung von Quellenbodenkörper und Gasphase • sind unterschiedlich Zwei Transportarten: • Quasistationärer Transport • Zeitabhängiger (nichtstationärer) Transport

  20. 5.1 Quasistationärer Transport • Annahmen: • Menge des Quellenbodenkörpers ist unendlich groß • hinreichend kurze Transportdauer •  Stationärer Zustand ändert sich praktisch nicht mit der Zeit • Beispiel für Quasistationärer Transport: • Transport von Phasen mit Homogenitätsgebiet ABx

  21. 5.1 Quasistationärer Transport • Beispiel: TiS2- mit I2 • Transportgleichgewicht: • TiS2- (s) + 2 I2(g) TiI4(g) + S2(g) • Zersetzungsgleichgewicht • TiS2(s) TiS2- (s) + S2(g)

  22. 5.1 Quasistationärer Transport • Transport von 950°C nach 850°C: • Quellenbodenkörper verarmt an Schwefel • Senkenbodenkörper besitzt schwefelreichere Phase • Beispiel: • Ausgangsbodenkörper: TiS1,889 • Senkenbodenkörper: TiS1,933

  23. 5.1 Quasistationärer Transport • Zustandsbarogramm des Systems Ti/S mit den Koexistenzdrücken der Phasen im Bereich TiS2- • Senkenbodenkörper: TiS1,933

  24. 5.2 Zeitabhängiger (nichtstationärer) Transport • Vollständige Überführung des mehrphasigen Quellenbodenkörpers in die Senke • Änderung der Zusammensetzung der Bodenkörper in Quelle und Senke mit der Zeit • Verschiedene Transportarten: • Sequentieller Transport • Gekoppelter Transport • Simultantransport

  25. 5.2 Zeitabhängiger (nichtstationärer) Transport • Sequentieller Transport •  mehrphasige Bodenkörper trotz Einwaage einphasiger Bodenkörper

  26. 5.2 Zeitabhängiger (nichtstationärer) Transport • Gründe für das Auftreten von mehrphasigen Bodenkörper trotz Einwaage von einphasigen Bodenkörper: • Reaktion zwischen Bodenkörper und Transportmittel • (z.B.: Rh2O3 mit Cl2) • Thermische Zersetzung der Ausgangsbodenkörper • (z.B.: CuO mit I2)

  27. 5.2 Zeitabhängiger (nichtstationärer) Transport • Beispiel: CuO mit I2 • Cu2O • 2 CuO(s) Cu2O(s) + ½ O2(g)

  28. 5.2 Zeitabhängiger (nichtstationärer) Transport • Gekoppelter Transport • Transport der Bodenkörper erfolgt simultan in einem festgelegten Stoffmengenverhältnis • Voraussetzung: • Phasen über ein einziges Transportgleichgewicht miteinander gekoppelt

  29. 5.2 Zeitabhängiger (nichtstationärer) Transport • Beispiel: • Cr2P2O7/CrP mit I2 • Synproportionierung: • 3 Cr2P2O7 + 8 CrP + 14 I2 14 CrI2 + 7/4 P4O6 • Cr2P2O7 CrP

  30. 6. Literaturangaben • M. Binnewies, R. Glaum, M. Schmidt, P. Schmidt, Chemische Transportreaktionen, de Gruyter, Berlin, 2011 • R. Gruehn, R. Glaum, Angew. Chem. 2000, 112, 706-731 • M. Binnewies, Chemie in unserer Zeit 1998, 1 • A. R. West, Basic Solid State Chemistry, Wiley, 1999, 2, 421ff • http://static.hs-lausitz.de/www/typo3temp/pics/ps1-Ampulle_kl_f6d39efadf.jpg • (aufgerufen am 8.07.2011) • http://www.the-mineral-web.com/gallerie/Cuprit_Russland_WEB.JPG (aufgerufen am 8.07.2011) • http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Nickel_kugeln.jpg&filetimestamp=20101108085329 (aufgerufen am: 8.07.2011)

  31. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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