• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
11.07.2019
ФизТех
376

Ученые получили фундаментальные данные о 90 соединениях серебра

4.5

Исследователи из Московского физико-технического института совместно с коллегами предложили эффективную методику для определения фундаментальных данных, необходимых для понимания химии и физики процессов с участием веществ в газовой фазе.

©Wikipedia / Автор: Артем Фомин

Ученые из Московского физико-технического института совместно с коллегами из Института физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина РАН, Ивановского государственного химико-технологический университета и Университета науки и техники имени Короля Абдаллы, (Саудовская Аравия) предложили эффективную методику определения фундаментальных данных, необходимых для понимания химии и физики процессов с участием веществ в газовой фазе.

Предложенная ими численная модель позволяет определить тепловой эффект реакции образования соединений серебра в газообразном состоянии и их абсолютную энтропию. Для более чем 90 соединений, значения получены впервые.

Учитывая, что соединения серебра широко применяются в разных сферах нашей жизни — с их помощью можно обеззараживать воду и раны, делать фотографии или заставить облака пролиться дождем в нужное время в нужном месте, полученные данные будут иметь большое значение для прикладного применения. Работа опубликована в журнале Inorganic Chemistry.

Для исследователей очень важно знать точные значения энтальпии образования и энтропии вещества. Энтальпия системы (от греческого enthalpo – нагреваю) – это способ описать состояние системы через энергию ее частиц, давление и объем. Если давление в системе постоянно, то согласно закону Гесса разность энтальпий образования продуктов и реагентов, умноженных на стехиометрические коэффициенты, равна количеству тепла, которое выделится или поглотится в ходе реакции.

Энтропия — мера упорядоченности системы, чем она выше, тем менее система упорядочена. Согласно второму закону термодинамики, система может самопроизвольно переходить из более упорядоченного состояния в менее, то есть энтропия должна возрастать. Зная изменения значений энтальпии и энтропии, можно предсказать будет ли при данных условиях происходить реакция.

Можно объяснить, как будет меняться выход продуктов реакции и их соотношение (селективность) при изменении температуры или давлении, определить оптимальное соотношение компонентов. В результате исследователи способны прогнозировать, как будут протекать различные химические процессы в газовой фазе.

Кроме того, осаждая из газовой фазы в твердую, получают очень чистые вещества без молекул растворителя или тонкие пленки с заранее прогнозируемыми свойствами, что широко применяется, например, в электронике. Чтобы управлять процессами их получения, также необходимо знать энтальпию и энтропию.

Для того, чтобы определить изменение энтальпии и энтропии, можно либо провести сложные и дорогостоящие измерения, либо, опираясь на данные из справочников, сделать несколько арифметических действий согласно закону Гесса.

Юрий Миненков, старший научный сотрудник лаборатории суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ: «Казалось бы, выбор очевиден, особенно с учетом того, что определить теплоты некоторых реакций при помощи эксперимента невозможно.

Например, при неполном сгорании графита всегда будет образовываться не только угарный газ (CO), но и углекислый, CO2, и это значит, что даже измерив тепловой эффект реакции, мы не сможем определить энтальпию образования CO. Но тут возникают несколько проблем. Во-первых, не для всех веществ энтальпии образования и энтропии известны. Во-вторых, даже если данные есть, никто не гарантирует их точность, более того, они могут существенно различаться в разных справочниках или быть измеренными с большими погрешностями».

Здесь на помощь приходит квантовая химия. Каждую молекулу, из которых состоит интересующее нас газообразное вещество, можно представить как систему положительно заряженных ядер и электронов. Затем исследователи, применяя методы расчета электронной структуры, решают для нее молекулярное уравнение Шредингера.

Решив уравнение, мы получаем полную электронную энергию молекулы, ее волновую функцию и пространственное положение ядер, то есть геометрическое строение молекулы. Далее, рассчитывают энтальпию и энтропию идеального газа из таких молекул, то есть переходят от микро- к макро свойствам.

Полученная таким образом энтропия может быть внесена в справочники и использована в термодинамических расчетах. С энтальпией все немного сложнее – это еще не фундаментальная величина, и сильно зависит от выбранного метода расчета уравнения Шредингера.

Ученые получили фундаментальные данные о 90 соединениях серебра
Рисунок 1. Упрощенная схема для расчета энтальпий образования соединений серебра / ©Пресс-служба МФТИ

Как правило, для расчета энтальпий образования используются реакции атомизации – в ходе реакции интересующее нас вещество распадается на атомы, например, сульфид серебра на серебро и серу. Так как энтальпии образования атомарных веществ хорошо известны и есть в справочниках, мы можем получить энтальпию образования исходного вещества, то есть Ag2S, вычислив изменение энтальпии реакции упомянутыми методами квантовой химии.

Однако при атомизации многоатомных молекул происходят слишком серьезные изменения электронной структуры, сопровождаемые большим изменением энтальпии, которые доступные на сегодня методы теоретической химии не способны описать с требуемой точностью.

В этой работе и ряде предыдущих исследований ученые предложили методологию, позволяющую повысить точность вычислений термодинамических характеристик неорганических и органических соединений. Теплоту образования того же сульфида серебра исследователи находили из его реакции с соляной кислотой, дающей в результате хлорид серебра и сероводород (рисунок 2).

Ученые получили фундаментальные данные о 90 соединениях серебра
Рисунок 2. Схема химической реакции сульфида серебра и соляной кислоты / ©Пресс-служба МФТИ

В этой реакции количество связей слева и справа не изменяется, и изменение энергии вычисляется с наименьшей погрешностью. Теплоты образования хлорида серебра, сероводорода и соляной кислоты известны с высокой точностью, тепловой эффект реакции вычисляется с помощью компьютерного моделирования. Таким образом, из этих данных по закону Гесса можно вычислить теплоту образования сульфида серебра.

Юрий Миненков, PhD, старший научный сотрудник лаборатории суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния: «Классический метод связанных кластеров, CCSD(T), используемый для решения электронного уравнения Шредингера и являющийся «золотым стандартом» современный квантовой химии, был нами заменен на его локальную версию, DLPNO-CCSD(T), относительно недавно разработанную учеными из института Макса Планка.

Это позволило на порядок уменьшить необходимые вычислительные ресурсы. Время работы для канонического CCSD(T) зависит от размера системы N как N7, что не позволяло проводить расчеты для больших молекул. Локальная версия гораздо менее ресурсоемкая».

Первоначально исследователи проверили, насколько результаты, полученные с помощью квантово-химических расчетов соответствуют экспериментальным термодинамическим и структурным данным. В справочниках нашлась информация для десяти веществ, в состав которых входит серебро, и числа с хорошей точностью совпали с расчетными.

Убедившись в адекватности построенной модели, ученые вычислили значения термодинамических функций для 90 соединений серебра, данные по которым отсутствовали. Полученная информация может быть использована как учеными, работающими в области химии серебра, так и для параметризации и тестирования новых методов электронной структуры.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
14 апреля
Мария Азарова

Два фешен-гиганта, одни из самых известных в мире массмаркета, — шведская компания H&M и испанская Zara — оказались косвенно причастны к разрушению окружающей среды Бразилии. К такому выводу пришли авторы крупного расследования, изучившие различные данные, в том числе полученные под прикрытием.

Сегодня, 07:22
Полина Меньшова

У детей, которые чувствуют себя обузой для других, чаще возникают суицидальные мысли, выяснили специалисты из США. Кроме того, на психологическое состояние в раннем подростковом возрасте влияют некоторые действия со стороны родителей или опекунов.

10 часов назад
Дарья Г.

В рамках обзора «Гайя» астрономы обнаружили двойную звезду, состоящую из крайне бедного металлами гиганта и темного объекта массой в 33 раза больше Солнца. Видимо, это черная дыра, а точнее — рекордная по массе черная дыра звездной массы в Млечном Пути. Причем по галактическим меркам она находится недалеко от нас.

14 апреля
Мария Азарова

Два фешен-гиганта, одни из самых известных в мире массмаркета, — шведская компания H&M и испанская Zara — оказались косвенно причастны к разрушению окружающей среды Бразилии. К такому выводу пришли авторы крупного расследования, изучившие различные данные, в том числе полученные под прикрытием.

12 апреля
Полина Меньшова

Особенности личности — в частности, степень экстравертности — влияют на то, кто с большей вероятностью будет одиноким, а кто вступит в отношения. Типы личности также связаны с уровнем общей удовлетворенности жизнью. К таким выводам пришли ученые из Канады.

11 апреля
Ольга Иванова

Американские ученые пришли к выводу, что ценности, подчеркивающие важность терпимости и индивидуализма, во всем мире за последние 40 лет резко разошлись, особенно между западными странами с высоким уровнем дохода и остальными государствами.

18 марта
Игорь Байдов

Грузовой самолет будут использовать для перевозки 90-метровых лопастей ветряных турбин, которые невозможно доставить по суше из-за размеров. Предполагается, что этот аппарат произведет революцию в сфере возобновляемых источников энергии.

8 апреля
Василий Парфенов

Режим работы, количество трудовых часов в неделю и экономическую стабильность профессии прочно ассоциируют с благополучием человека. Количественно и качественно определить эти взаимосвязи получается редко — нужны большие выборки респондентов и длительное время наблюдений. Автор новой научной работы использовал долговременное исследование более чем семи тысяч американцев, чтобы выявить основные эффекты паттернов трудовой деятельности на психическое и физическое здоровье работающих людей.

28 марта
Игорь Байдов

Американская компания JetZero, которая обещает произвести фурор в гражданской авиации, получила сертификат летной годности на испытания уменьшенной копии разрабатываемого ею сверхэффективного реактивного авиалайнера со «смешанным крылом». Предстоящая программа летных испытаний будет направлена на оценку летно-технических характеристик самолета, его устойчивости и управляемости.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: