CN102169099B - 一种研究短棒状纳米ZnO标准摩尔生成焓的方法 - Google Patents

Abstract

本发明首次提出了将已知的块体ZnO标准摩尔生成焓作为参考标准，寻求短棒状纳米ZnO与块体ZnO标准摩尔生成焓的关系，从而获得短棒状纳米ZnO标准摩尔生成焓的新思想。基于这一新思想，进一步提供了在相同条件下短棒状纳米ZnO和块体ZnO分别发生相同的化学反应，从而获得短棒状纳米ZnO标准摩尔生成焓的新方法。本发明利用高精度、高灵敏度的微量热仪，依据热力学势函数法，获得了298.15K及p^θ下短棒状纳米ZnO的标准摩尔生成焓为-87.21kJ/mol。

Description

一种研究短棒状纳米ZnO标准摩尔生成焓的方法

技术领域

本发明涉及一种短棒状纳米ZnO标准摩尔生成焓的研究，特别涉及一种将已知的块体ZnO标准摩尔生成焓作为参考标准，寻求短棒状纳米ZnO与块体ZnO标准摩尔生成焓的关系，从而获得短棒状纳米ZnO标准摩尔生成焓的方法。

背景技术

纳米材料的熵、焓、吉布斯自由能等规定热力学函数具有重要的科学意义和应用价值，而且是尺度和形貌的函数。如何通过实验获取纳米材料的规定热力学函数值，探索纳米热力学函数的尺度、取向(形貌)关系和演变规律，建立不同尺寸、不同取向(形貌)纳米材料的基础热力学数据标准，是“纳米材料热力学”研究的重要课题。当前对纳米材料热力学性质的研究十分欠缺，尤其是对纳米材料的熵、焓、吉布斯自由能等规定热力学函数值的研究。

岳丹婷等通过相同的方法测定了多种不同纳米材料(如纳米氧化锌、纳米铁、纳米铝)的低温热容，依据热容与热力学函数的关系式，获得了以标准状态298.15K为基准的纳米材料的熵、焓、吉布斯自由能，其代表性文献如[岳丹婷，谭志诚，董丽娜，孙立贤，张涛.物理化学学报2005，21：446-449.]；来蔚鹏等结合理论模型，用量子化学的方法获得了不同粒径纳米金刚石的各种标准焓和标准熵[来蔚鹏，薛永强，廉鹏，葛忠学，王伯周，张志忠.物理化学学报2007，23：508-512.]；袁爱群等利用微量热仪，通过纳米反应体系的反应热获得了固相反应制备的多种纳米磷酸盐化合物的标准摩尔生成焓数据，其代表性文献如[a)Yuan AQ，Liao S，Tong Z F，Wu J，Huang ZY.Mater.Lett.2006，60：2110-2114.b)Yuan AQ，Wu J，Bai LJ，Huang ZY，Wu K，Liao S，Tong ZF，Mater.Res.Bull.2008，43：1339-1345.c)Yuan AQ，Wu J，Bai LJ，Ma SM，Huang ZY，Tong ZF.J.Chem.Eng.Data 2008，53：1066-1070.]。

以上这些方法存在的问题是：通过测定低温热容获取的纳米材料的熵、焓、吉布斯自由能以标准状态298.15K为基准而不是以0K为基准，因此从实质上并没有解决纳米材料的规定热力学函数值；理论模型的建立与应用只适合满足特定条件的纳米材料，因此适用范围狭小；通过纳米反应体系的反应热获得纳米材料的标准摩尔生成焓，必须已知除纳米材料以外的各物质的标准摩尔生成焓，对液相反应也不适用。目前，将已知的块体材料标准摩尔生成焓作为参考标准，寻求纳米材料与对应块体材料标准摩尔生成焓的关系，从而获得纳米材料标准摩尔生成焓的思想及具体方法还未曾报道。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有方法存在的缺陷及不足而提供的一种获取纳米材料标准摩尔生成焓的新思想及新方法，该新思想通过具体的新方法得到了验证，支撑了该新思想。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种研究短棒状纳米ZnO标准摩尔生成焓的新思想与新方法，其特征在于新思想是将已知的块体ZnO标准摩尔生成焓作为参考标准，寻求短棒状纳米ZnO与块体ZnO标准摩尔生成焓的关系，从而获得短棒状纳米ZnO标准摩尔生成焓。新方法是基于该新思想具体建立起来的，具体为在相同条件下短棒状纳米ZnO及块体ZnO分别发生相同的化学反应，依据热力学势函数法，获得短棒状纳米ZnO与块体ZnO标准摩尔生成焓的关系，最终得到短棒状纳米ZnO标准摩尔生成焓的新方法。该新方法的可行性论证了该新思想的正确性。具体步骤如下：

1)、在298.15K及p^θ下，将短棒状纳米ZnO及块体ZnO分别与过量的同浓度的盐酸反应，利用微量热仪分别测定氧化锌纳米反应体系及块体反应体系的反应焓变；

2)、反应完全后，利用电感耦合等离子体(简称ICP)测定ZnO纳米反应体系及块体反应体系中锌离子的浓度，以确定两种体系中氧化锌反应的量，求出两种体系的摩尔反应焓变

3)、根据热力学势函数法，建立ZnO纳米反应体系及块体反应体系的联系，获得短棒状纳米ZnO与块体ZnO标准摩尔生成焓的关系为：

${\mathrm{\Δ}}_f{H}_{m,A}^{\mathrm{\θ}}(\mathrm{ZnO},\mathrm{bulk})-{\mathrm{\Δ}}_f{H}_{m,A}^{\mathrm{\θ}}(\mathrm{ZnO},\mathrm{nano})={\mathrm{\Δ}}_r{H}_m^{\mathrm{\θ}}\left(\mathrm{nano}\right)-{\mathrm{\Δ}}_r{H}_m^{\mathrm{\θ}}\left(\mathrm{bulk}\right);$

4)、通过已知的块体ZnO的标准摩尔生成焓，结合步骤3中短棒状纳米ZnO与块体ZnO标准摩尔生成焓的关系，得到短棒状纳米ZnO的标准摩尔生成焓。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1、本发明中新思想是建立在块体材料的标准摩尔生成焓的基础上，因为块体材料的标准摩尔生成焓可以通过查手册获得。

2、本发明中新思想是以寻求短棒状纳米ZnO与块体ZnO的标准摩尔生成焓的关系为主线。

3、本发明中的新方法巧妙地将短棒状纳米ZnO与块体ZnO的标准摩尔生成焓联系起来了。

4、本发明中的新方法具有广泛的适用性，操作简单、获取数据准确快捷。

附图说明

图1为本发明实施联系短棒状纳米ZnO与块体ZnO的标准摩尔生成焓的热力学势函数法的原理示意图；

图2为本发明实施例1中与盐酸反应的短棒状纳米ZnO的SEM图

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，实施例的描述仅为便于理解本发明，而非对本发明保护的限制。

实施例1

1.在298.15K及p^θ下，将一定量的短棒状纳米ZnO与浓度为0.26mol/L、体积为1.5mL的过量盐酸置于微量热仪中反应，测得反应焓变为-0.51353J，将反应液用10mL的比色管定容，用ICP测得锌离子浓度为3.0225mg/L，由此得出纳米反应体系的摩尔反应焓变为-1100.82kJ/mol；

2.在298.15K及p^θ下，将一定量的块体ZnO与浓度为0.26mol/L、体积为1.5mL的过量盐酸置于微量热仪中反应，测得反应焓变为-0.21925J，将反应液用10mL的比色管定容，用ICP测得锌离子浓度为1.7070mg/L，由此得出块体反应体系的摩尔反应焓变为-839.75kJ/mol；

3.根据热力学势函数法，建立ZnO纳米反应体系及块体反应体系的联系，获得短棒状纳米ZnO与块体ZnO标准摩尔生成焓的关系为：

${\mathrm{\Δ}}_f{H}_{m,A}^{\mathrm{\θ}}(\mathrm{ZnO},\mathrm{bulk})-{\mathrm{\Δ}}_f{H}_{m,A}^{\mathrm{\θ}}(\mathrm{ZnO},\mathrm{nano})={\mathrm{\Δ}}_r{H}_m^{\mathrm{\θ}}\left(\mathrm{nano}\right)-{\mathrm{\Δ}}_r{H}_m^{\mathrm{\θ}}\left(\mathrm{bulk}\right)$

298.15K及p^θ下块体ZnO的标准摩尔生成焓

最终可得短棒状纳米ZnO的标准摩尔生成焓

Claims (1)

1.一种研究短棒状纳米ZnO标准摩尔生成焓的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)、在298.15K及p^θ下，将短棒状纳米ZnO及块体ZnO分别与过量的同浓度的盐酸反应，利用微量热仪分别测定氧化锌纳米反应体系及块体反应体系的反应焓变；

(2)、反应完全后，利用电感耦合等离子体仪，测定ZnO纳米反应体系及块体反应体系中锌离子的浓度，以确定两种体系中氧化锌反应的量，求出两种体系的摩尔反应焓变 ${\mathrm{\Δ}}_r{H}_m^{\mathrm{\θ}}\left(\mathrm{nano}\right),{\mathrm{\Δ}}_r{H}_m^{\mathrm{\θ}}\left(\mathrm{bulk}\right);$

(3)、根据热力学势函数法，建立ZnO纳米反应体系及块体反应体系的联系，获得短棒状纳米ZnO与块体ZnO标准摩尔生成焓的关系为：

${\mathrm{\Δ}}_f{H}_{m,A}^{\mathrm{\θ}}(\mathrm{ZnO},\mathrm{bulk})-{\mathrm{\Δ}}_f{H}_{m,A}^{\mathrm{\θ}}(\mathrm{ZnO},\mathrm{nano})={\mathrm{\Δ}}_r{H}_m^{\mathrm{\θ}}\left(\mathrm{nano}\right)-{\mathrm{\Δ}}_r{H}_m^{\mathrm{\θ}}\left(\mathrm{bulk}\right);$

(4)、通过已知的块体ZnO的标准摩尔生成焓，结合步骤3中短棒状纳米ZnO与块体ZnO标准摩尔生成焓的关系，得到短棒状纳米ZnO的标准摩尔生成焓。

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