Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Рафальский Р.П. Гидротермальные равновесия и процессы минералообразования

.pdf
Скачиваний:
11
Добавлен:
24.10.2023
Размер:
10.76 Mб
Скачать

При допущении

ЛС^ = 0, которое до недавнего

вре­

мени принимали в

большинстве геохимических

работ

при экстраполяции констант равновесия ионных реакций

в область

повышенных

температур,

уравнение (1.1-5)

принимает вид

 

 

 

 

 

 

AG°r =

А Я 2 Э 8

- ГД5°2 9 8 .

(1.19)

В соответствии с уравнением

(1.16) имеем

 

 

/\Glos =

Д # о 9 8

298AS29 S .

(1.20)

Решая это уравнение

относительно

AS°m,

подставляя

полученное

соотношение

в уравнение

(1.19)

и выражая

AG°T и А С? 1 через константу равновесия

реакции [в

соответствии с (1.14)], после элементарных преобразо­ ваний получаем уравнение, которым обычно пользуются для вычислений:

IgAY = J ^ L (1 L ) _|. X g K ( I . 2 l )

Таким образом, для расчета константы равновесия при

повышенных

температурах

при условии

АСр = 0

доста­

точно знать

значения \gK

и энтальпии

реакции

при

298° К или любой другой температуре.

Уравнение (1.21) можно получить также интегриро­ ванием в пределах от 298°К до Т уравнения изобары Вант-Гоффа, в общем виде выражающего температур­ ную зависимость константы равновесия химической ре­ акции,

llRJL^ML

(1.22)

при условии, что значение АЯ° не меняется

с темпера­

турой и равно АЯ° 9 8 (A#° = const).

 

Если уравнение (1.21) представить в форме неопре­ деленного интеграла,то получим

;__

RT ^

где 7 — константа интегрирования, или

i g / c = = ^ h ^ + B-^ -А. + В.

2.303ЯГ Т

Из последнего выражения следует, что, если АН° реак­ ции не зависит от температуры, зависимость IgK от обратной величины абсолютной температуры является прямолинейной, что для констант равновесия простых лонных реакций не соответствует действительности. Как было показано в ряде работ, опубликованных в послед­ ние годы, вычисление констант диссоциации слабых элек­ тролитов при повышенных температурах с помощью уравнения (1.21) приводит к грубым ошибкам. Рас­ хождения между истинными и вычисленными по этому

уравнению

значениями

могут

достигать

единицы

Igf Л"

уже при

150° С. С повышением

температуры они

быстро

возрастают.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Значительно

лучшие

результаты

получаются

при

до-

 

 

 

 

 

 

 

т

 

 

 

 

 

 

пущениях АС,,о = const

и АСРо -I = const. После иитегриро-

 

 

 

 

 

 

 

298

 

 

 

 

 

 

ваиия

при последнем условии уравнения (1.15)

получаем

 

 

 

 

 

 

 

т

 

 

 

т

 

AGT =

АЯ°2 9 8

— ТД5 0

2 9 8

-|- АС„ ]

— 298) — ТАС°Р

]

In — .

 

 

 

 

 

 

 

298

 

 

 

298

298

Подстановка

в

это

уравнение

значения AS°2M,

 

опреде­

ляемого

из соотношения

(1.20), выражение

AG"T

 

и

AG°2G

через константу равновесия реакции [уравнение

(1.14)],

перевод

натуральных

логарифмов

в десятичные и

не­

сложные

алгебраические

преобразования

приводят к

уравнению

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

298_

 

1

/298

j \

,

Т

 

 

 

 

 

I

 

7"»

 

2,303 V Т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вычисление

констант

равновесия

ионных

реакций

при температурах выше

100° С

на основании любого

из

трех рассмотренных допущений

дает завышенные

значе­

ния*, но наименьшие погрешности получаются при усло-

*

Несмотря о на

наличие экстремума

на

кривой температурной

зависимости АС р ,

для

указанных реакций

абсолютная величина

ДСр

при температурах,

превышающих

100° С, по-шіднмому, всегда

больше, чем при температурах, близких

к комнатной.

 

т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в и и

АС,, ] =const. Значения

этих

погрешностей

рассмат-

 

298

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

риваются

далее.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для

определения ДС^

реакции

при 298° К,

а

также

средних

значений

ДС°

в

определенных

температурных

 

 

 

г

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

о і

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

интервалах, АС,,\,

было

предложено

несколько

способов.

 

 

 

298

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Г

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Значение

АС,, ]

легко

вычислить

по

уравнению

 

 

 

298

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.23), если

известна

константа

 

равновесия

реакции

при

двух температурах,

а также

 

Д # ° 9 8

реакции

[24J.

 

 

 

 

 

 

 

т

 

 

 

 

 

 

Точность

определения

ДСр | ,

а

следовательно, и

дальнейшего

определения

 

298

 

 

 

более

высо­

константы при

ких температурах сильно зависит от величины темпера­

турного

интервала.

Как

будет

показано в

следующем

разделе,

неплохие

результаты

получаются

при

расчете

г

 

 

 

 

 

 

 

АСР. \

для

температурного

интервала

298—373° К,

298

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

о Т

 

 

 

 

определение же ДСр ]

на основании констант

равио-

весия для 298

 

298

 

 

 

 

и 323° К в ряде случаев дает совсем неудов­

летворительные результаты при последующем расчете

К={(Т)

для

более

широкого интервала

температур.

Крисе

и

Коббл

[25] установили, что

парциальные

мольные энтропии ионов, принадлежащих к одному клас­ су, при данной температуре линейно связаны с соответ­ ствующими энтропиями при температуре сравнения*. Это соотношение, названное, авторами принципом соот­

ветствия, выражается

уравнением

 

ST

= ат

+ Ьт82дъ,

(1.24)

где ат и by — параметры,

зависящие от

температуры.

Значения этих параметров определены

авторами для

* Стандартное состояние, относительно которого проведены вы­ числения, соответствует определенным значениям энтропии водород­ ного иона, названным авторами абсолютными (см, замечания И. Л. Ходаковского [26]).

каждого из выделенных ими классов

ионов (простые ка­

тионы,

простые анионы и

О Н - , кислородсодержащие

комплексные

анионы

типа

ХО™~, кислородсодержащие

анионы

типа

ХО„Н<р'")

при

60, 100

и 150° С. Допустив

далее,

что параметры а и Ь линейно

изменяются с тем­

пературой, авторы путем экстраполяции оценили их до

300° С. Используя

уравнение

(1.24),

они

определили

энтропии ряда ионов при повышенных

температурах,

которые ранее были

неизвестны.

 

 

Интегрируя уравнение,

аналогичное

уравнению

(1.18), но написанное для парциальных мольных вели-, чин при условии, что теплоемкость иона остается по­

стоянной и равна

средней

теплоемкости для

данного

температурного интервала,

Крисе

и Коббл

получили

S'T

= S'2W+C'P]

298

In-?-.

(1.25)

 

 

-490

 

Подстановка в последнее уравнение значения т Дает

после элементарных

преобразований

 

уравнение

_

т

,

(1.26)

Ср ] = a r

+ Pr S;9 8

 

298

 

 

 

в котором

ат и Ртсвязаны определенными соотношения­

ми с ат и

Ьт в уравнении

(1.24). Определив по уравне-

 

 

г

нию (1.26)

значения СР

1 ионов, участвующих в ре-

298

акции, в интервалах температур 298—333°, 298—373° К

т

и т. д. можно вычислить значения АСР ] в этих же интер-

298

валах для последующего решения уравнения (1.23). Используя значения теплоємкостей ионов, найден­ ные методом Крисе и Коббла для определенных темпе­ ратурных интервалов, Хелгесон [27] рассчитал кон­ станты равновесия ряда реакций * при повышенных тем-

* Для реакцим, протекающих с участием твердых и газообраз­ ных веществ, для которых ^известны коэффициенты в уравнении тем­ пературной зависимости С р , Хелгесон определял ДСр реакции пу­ тем комбинации истинных теплоємкостей этих веществ при данной температуре со средними теплоємкостями ионов в соответствующем температурном интервале.

пературах. Расчеты касаются в основном тех реакций, для которых отсутствуют экспериментальные определе­ ния констант. Сравнение немногих экспериментальных и расчетных значений показывает, что между ними мо-

 

 

 

Таблица

4

Значения коэффициентов а и d

в уравнении (1.27) [26]

 

Ионы,

соединения

 

а

d

Катионы

 

 

50,8

29,8

Бескислородные кислоты и

их анноны,

растворенные

50,8

74,4

газы

 

 

80,0

74,4

Кислородсодержащие кислоты и их анионы

гут быть существенные расхождения, которые для ^-Baso,, например, достигают при 300°С одной логариф­ мической единицы. Как будет показано далее, значения констант, полученные Хелгесоном для температур, пре­ вышающих 200° С, во многих случаях сильно отличаются от значений тех же констант, найденных с помощью

проверенных расчетных

способов.

Метод определения

парциальных мольных теплоєм­

костей был предложен

И. Л. Ходаковским [26], кото­

рый путем анализа опубликованных в литературе термо­ динамических данных установил, что между теплоємко­ стями ионов и недиссоциированных молекул в водном растворе и их энтропиями при 298° К существует пря­ молинейная зависимость, которая выражается уравне­ нием

 

 

 

C"p298 =a

— dZ

^ - 5 2 9 8 ,

 

 

(1.27)

 

 

 

 

 

О

 

 

 

 

 

где

а

и d — параметры,

зависящие

от

вида

иона

(табл.

4).

 

 

 

 

 

 

 

 

Уравнение

(1.27)

позволяет

вычислить

значения

С ° , д 8

 

тех ионов, для которых они еще не определены из

экспериментальных данных и, далее, использовать

их

для вычисления Д С ° 9 д 8

реакции. В свою очередь,

вели­

чину

Д С ° о д 8

можно использовать

для

определения

ко­

эффициентов в уравнении (1.4) по соотношениям

(1.11) — (1.13). Как

уже

отмечалось, отклонение кон­

стант, найденных в

этом

случае по уравнению (1.4), от

их истинных значений обычно, по-видимому, не превы­ шает нескольких десятых долей логарифмической еди­

ницы при 300° С,

что вполне

достаточно для большинст­

ва геохимических

расчетов.

 

 

Принимая в первом приближении, что

 

 

С; =

Р7\

(1.28)

И. Л. Ходаковский_ [11] предлагает, вычислив

предва­

рительно величину С° данного нона по уравнению (1.27), определить по соотношению (1.28) коэффициент р и получить приближенное уравнение температурной зави­ симости теплоемкости иона. Пользуясь этим уравнением,

И. Л. Ходаковский и др. [12, 17]

вычислили величи­

ны С°, а затем и AG° образования

ряда ионов при повы­

шенных температурах. Выполненное авторами сравнение полученных величин AG° с экспериментальными значе­ ниями показало, что при 300° С расхождения не превы­ шают 1 ккал/моль. Следует отметить, что, если для од­ них веществ, участвующих в реакции, известно полное уравнение температурной зависимости теплоемкости, а для других — приближенное уравнение (1.28), послед­ нее также можно использовать для определения коэф­ фициентов в уравнении А С ; р е а к ц | 1 ц = / ( 7 - ) .

В заключение приведем уравнение температурной зависимости констант диссоциации, которое было выве­ дено теоретическим путем Хелгесоном [18] с учетом электростатического и неэлектростатического взаимо­ действия частиц в растворе. Для решения полного урав­ нения Хелгесона обычно не хватает данных, в подобных

случаях

автор

предложил

использовать

упрощенное

уравнение,

основанное

на допущении

ДС° /АС° =

=const*:

 

 

 

 

є

A S!29S

 

 

 

 

 

 

 

298,15 - —11

- e x p exp (b + aT) —

 

 

J

 

 

2.303ЯГ

 

 

- c

+ ( Г - 2 9 8 , 1 5 ) ГЦ

A f l 2 9 8

 

( ] > 2 9 )

 

 

 

 

 

2.303ЯГ

 

 

* ДС/ ;

— полное изменение

теплоемкости в процессе

реакции,

о

^

 

 

 

 

о

 

ДС„ — изменение в процессе реакции тон части

ДСП ,

которая

обусловлена

электростатическим взаимодействием.

 

 

где 9, со, а, Ь и с — числовые

коэффициенты,

не завися­

щие от температуры.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для

оценки

погрешностей,

присущих

уравнению

(1.29), нами были вычислены по этому уравнению

зна­

чения ]g Л" диссоциации

ряда

электролитов.

Сравнение

величин

lgA'(i.29)

и lg-K(i.4> (табл.

5)

показывает,

что

уравнение (1.29)

дает хорошие результаты лишь до тем­

ператур

100—150° С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица

5

Расхождения

между

величинами

\gK,

вычисленными

 

 

 

по уравнениям

(1.29)

и (1.4)

 

 

 

 

 

 

 

 

Д ' * * - 1 е « ( , . 2 9 ) - 1 * * ( М )

 

 

 

 

t, °С

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,со ,

^Н.СО, KH.SOt

 

^ H F

 

 

K1W0,

100

+0,15

+0,10

+0,06

0,00

 

—0,08

 

+0,03

150

+0,27

+ 0,20

—0,07

—0,03

 

—0,25

 

+0,23

200

+0,45

+0,21

—0,34

—0,26

 

—0,59

 

+0,45

ОТМЄТИМ,

ЧТО С ЦеЛЫО ПОЛучеНИЯ

ВеЛИЧИН

lgK(i.28),

согласованных с величинами lg/Qi.4), в уравнение

(1.29)

подставляли

значения

&S°,g8

и

A #o 9 8 >

вычисленные

по соотношениям

(1.8) и (1.9) с использованием

коэф­

фициентов, приведенных в табл. 3.

 

 

 

 

 

 

Из всех

рассмотренных способов расчетного

опреде­

ления констант диссоциации слабых электролитов при

температурах

до 300° С, несомненно,

наиболее надеж­

ным является

способ, предложенный

И. Л. Ходаковским

[по

уравнению

(1.4) с коэффициентами,

вычисленными

по

отношениям

(1.11) — (1.13) J. Вместе

с тем, возмож­

ность достаточно точного определения с его помощью других констант, в частности произведений растворимо­ сти труднорастворимых веществ, нуждается в проверке.

Последнее тем более

относится к определению констант

 

т ,

по уравнению (1.23)

с использованием значений ДСР I

 

298

найденных методом Крисе и Коббла. Однако уже имею­ щиеся данные свидетельствуют в пользу того, что этот способ дает достаточно надежные результаты, вероят­ нее всего, лишь до 200° С,

ПРЕДЛАГАЕМЫЙ СПОСОБ РАСЧЕТНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНСТАНТ ДИССОЦИАЦИИ

ИПРОИЗВЕДЕНИЙ РАСТВОРИМОСТИ

Как уже отмечалось, точность определения констант равновесия по уравнению (1 . 23) с использованием вели-

т

чины ДСр ]

, вычисленной

по

этому

же

уравнению,

 

298

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

возрастает с

увеличением

температурного

интервала,

для которого определено среднее

изменение

теплоем­

кости.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

373

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нами

были определены

значения

ДСР ]

семи реак-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

298

 

 

 

ций диссоциации и 12 реакций растворения

труднораст­

воримых

веществ

(табл. 6

и 7 ) ,

для

которых

имеются

экспериментальные

определения

констант

диссоциации

и произведений

растворимости

при

температурах

до

2 0 0 — 3 0 0 ° С .

При

этом

в уравнение

(1 . 23 )

подставляли

величины

lg/C298

и

lg /С373,

вычисленные по

уравнению

(1.4) или (1 . 3)

с

коэффициентами,

рассчитанными

на

основании экспериментальных

данных

и приведенными

в табл. 3 *.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из опубликованных сведений о константах диссоциа­

ции и произведениях

растворимости

 

при

повышенных

температурах не были использованы данные, характери­

зующие

первую

и вторую

константы

диссоциации

H.iSiC>4, а также / < с а М о о ч ) и ^іедонь-

Для

этих

констант

отмечаются

аномально

большие отклонения значений,

получаемых

по уравнению

(1.4) от

экспериментальных

значений

(достигающие

0,4

логарифмической

единицы

для /(H4 S!O«

и 0,5

логарифмической

единицы

для L

[ 1 2 ] ) * * .

Не

использованы

также опубликованные дан­

ные по константе диссоциации сульфата магния, кото­ рая определялась экспериментальным путем при темпе­ ратурах до 200 ° С . Значения AMESO,. вычисленные по уравнению температурной зависимости, которое приво­

дит

Маршалл

[ 2 8 ] , сильно расходятся

с

табличными

по

*

За исключением

lg Kw> который

в данном

случае вычислили

уравнению (1.4)

с

коэффициентами,

приведенными

в работе [12].

 

** После окончания расчетов были

опубликованы

новые значе­

ния

ІСаМо04 [16].

 

 

 

 

 

 

 

 

Расхождения между значениями \gK для 1-1-электролитов,

 

 

 

 

 

 

 

 

вычисленными по

уравнениям

 

(1.23)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и

(1.4),

(1.32)

и (1.4)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

373

 

-tg/c (1.23)

 

MgK

= lg К (1.23)

A ' l g К=

lg К (1.32)

Кон­

Л Н 298 .

 

 

298

 

 

 

-

Ig/C

(1.4)

 

 

Iff/С,(1.4)

 

 

 

 

 

~АСР ]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

станта

ккал

 

 

кал

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

моль'град

150 С

200 °С

250 ГС\ 300

150 °С

200 °С

250 С С

300 Г С

150 С С

200 С С

250 "С

300 'С

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Kw

13,916 14,007

12,251

62,1

11,71

11,46 11.40| 11,4710 ,01

0,04

0,11

0,22

—0,01 —0,02

-0,04 —0,02

^ н . с о ,

1,75

6,374

6,419

60,0

6,72

7,10

7,56

8,04|0 ,02

0,10

0,21

0,37

0,00! +0,04+0,07

+0,13

 

—3,63

3,173

3,862

29,0

4,32

4,75

5,16

5, 55 0 ,02

0,07

10,15

0,26

o,oo| +0,01

+0,01

+0,02

 

—3,86 —1,428 —0,624

44,9

—0,04j

0,53

1,10|

1, 64 0,01

0,02

0,07

0,15

—0,01 —0,04! —0,07 —0,09

-AgBr

21,67

12,306

9,267

37,6

8,01

7,14

6,53

6,11 0,03

0,06

0,12

0,19

+0,01

0,00

0,02 - 0 , 0 5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

^ L i F

1,40

2,774

2,731

32,5

2,86

3,04]

3,271

3,51 0,02

0,08

0,15

0,25

0,00І+0,02|+0,01

+0,01

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(Alg/Ocp

0,0180 ,062 0,135 0 ,240

Пределы расхождений:

 

 

 

 

(Alg/C)Cp по уравнению (1.30)

0,0170 ,062 0,136 0 ,237 + 0,011 + 0,041 + 0,071 + 0,13

Расхождения м е ж д у значениями \gK для 2-1 (1-2)- и 2-2-электролитов, вычисленными по уравнениям (1.23) и {1.4), (1.32) и (1.4)

Константа

Л Н 2 С О ,

A H 2 S 0 .

iC a ( O H ) a

lCaF2

LAe2S0,

i BaSO < '"GaSOj

L SrS0 4

L BaCO,

^ C O ,

LSTCO,

О

 

 

373

 

~\gK

(1.23)

 

* Ц

Г * -

І Ї

* ( І . 2

3 ) -

 

 

 

 

 

N

- 4 C P ] •

 

 

 

- , в

* ( М )

 

 

 

 

 

Д Я 298 .

s<

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ккал

bo

298

 

 

250 °С 300 °С

150 °С 200 °С 250 °С

 

 

 

 

 

to

кал

150 °С 200 °С

300 °С

150 °С

200 °С

250 °С

300 °С

 

T

 

1

моль-град

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+3,33

10,325

10,150

63,0

10,36 10,68 11,08 11,55

0,02

0,10

0,21

0,37

—0,03 —0,06 —0,12 —0,21

—5,45

1,969

3,008

43,7

3,69

4,33

4,96

5,55

0,04

0,13

0,25

0,41

—0,01

—0,03

—0,08

—0,17

—3,66

4,983

6,005

9 3 , 5

6,91

7,86

8,85

9,82

0,07

0,14

 

0,46

0,78

+0,02

—0,02

+0,13

+0,20

-1,15

5,891

6,446

75 „І

7,05

7,71

8,43

9,15

0,05

0,18

 

0,35

0,60

0,00

+0,03

+0,02

+ 0,02-

+4,93

11,111

10,605

44,7

10,57

10,66

10,84

11,08

0,03

0,11

 

0,21

0,34

-0,02

—0,05

—0,12

—0,24

+4,48

4,846

4,511

65,3

4,65

4,93

5,32

5,75

0,06.

0,17

 

0,29

0,52

+ 0,01

+0,01

—0,04

-0,06

+7,35

9,858

9,291

103,5

9,50

9,93

10,53

11,21

0,05

0,23

 

0,47

0,82

0,00

+ 0,07

+0,14

+0,24

-5,80

4,252

5,371

50,0

6,13

6,84

7,54

8,19

0,06

0,25

 

0,53

0,90

+ 0,01

+0,09

+0,20

+0,32

—0,58

6,400

6,674

36,7

6,97

7,30

7,65

8,00

0,03

0,09

 

0,18

0,30

—0,02

-0,07

—0,15

—0,28

+0,38

8,268

8,638

83,5

9,19

9,84

10,57

11,31

0,06

0,20

 

0,39

0,69

+0,01

+0,04

+0,06

+ 0 , 1 ?

—2,67

8,443

9,341

9 8 , 0

1 0 , 2 1

11,14

12,13

13,11

0,05

0,23

 

0,46

0,81

0,00

+0,07

+ 0,13

+ 0,23

+0,23

9,370

9,745

77,1

10,28

10,95

11,64

12,34

0,04

0,17

 

0,36

0,64

-0,01

+0,01

+0,03

+0,06

—1,93

2,036

2,504

35,3

2,89

3,27

3,67

4,06

0,02

0,09

 

0,18

0,30

—0,03

—0,07

-0,15

—0,28

 

 

 

 

 

 

( Д 1 6 * ) с р

0,045

0,161

0,334

0,575

 

 

1

 

 

 

 

 

 

Пределы расхождений:

 

 

 

(±)g

К)ср

по уравнению(1.31 )

0,046

0,157

0,334

0,577

±0,03

±0,09 1 ±0',20 1 ±0,32

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ