粒度对纳米体系化学反应热力学性质的影响
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《粒度对纳米体系相变和化学反应的影响》篇一一、引言随着纳米科技的快速发展,纳米材料因其独特的物理和化学性质,在众多领域展现出巨大的应用潜力。
其中,粒度作为纳米材料的一个重要参数,对纳米体系的相变和化学反应具有显著的影响。
本文将就粒度对纳米体系相变和化学反应的影响进行深入探讨。
二、粒度的定义与分类粒度是指纳米材料颗粒的大小。
根据其大小,纳米材料可以分为超细纳米材料(尺寸在1-100纳米之间)和纳米微粒(尺寸在100-1000纳米之间)。
粒度的分布和大小对纳米材料的物理和化学性质具有重要影响。
三、粒度对纳米体系相变的影响1. 相变定义及重要性相变是指物质在特定条件下,由一种物态转变为另一种物态的过程。
在纳米体系中,粒度的大小对相变过程有着显著影响。
2. 粒度对相变温度的影响纳米材料的粒度越小,其比表面积越大,导致其表面能越高。
这种高表面能会使纳米材料在较低的温度下发生相变。
因此,相较于传统材料,纳米材料的相变温度会随着粒度的减小而降低。
3. 粒度对相变类型的影响粒度的不同也会导致纳米材料在相变过程中产生不同类型的结构变化。
例如,较小的粒度可能使纳米材料在相变过程中形成更为复杂的晶体结构。
四、粒度对纳米化学反应的影响1. 反应速率的影响粒度对纳米化学反应速率具有显著影响。
一般来说,较小的粒度具有更大的比表面积,使得反应物分子更容易接触到活性位点,从而加快反应速率。
此外,较小的粒度还能降低扩散路径,进一步提高反应速率。
2. 反应选择性的影响粒度还会影响纳米化学反应的选择性。
较小粒度的纳米材料往往具有更高的表面能,可能导致其在反应过程中更倾向于进行表面吸附和表面反应,从而改变反应路径和产物分布。
3. 反应活性的影响粒度对纳米材料的反应活性也有重要影响。
较小的粒度往往具有更高的反应活性,能够在较低的温度和压力下进行反应。
这种高反应活性使得纳米材料在催化、能源转换等领域具有广泛的应用。
五、结论综上所述,粒度对纳米体系的相变和化学反应具有重要影响。
《粒度对纳米粒子分解热力学和动力学的影响》篇一一、引言纳米粒子因其独特的物理和化学性质,在材料科学、生物医学、能源科学等领域展现出广泛的应用前景。
在纳米粒子的制备、性质及应用过程中,粒度是一个关键因素。
粒度对纳米粒子的热力学和动力学性质有着显著的影响,因此,本文将重点探讨粒度对纳米粒子分解热力学和动力学的影响。
二、粒度对纳米粒子分解热力学的影响1. 分解反应的起始温度粒度是影响纳米粒子分解反应起始温度的重要因素。
一般来说,粒度越小,纳米粒子的比表面积越大,其表面活性越高,使得分解反应的起始温度降低。
这是因为小粒径的纳米粒子具有更高的能量状态,更易于在较低的温度下发生分解反应。
2. 反应活化能粒度对纳米粒子分解反应的活化能也有显著影响。
随着粒度的减小,纳米粒子的表面原子比例增加,导致表面能增加,从而降低反应活化能。
这使得纳米粒子在较低的温度下就能进行分解反应。
三、粒度对纳米粒子分解动力学的影响1. 反应速率粒度对纳米粒子分解反应速率的影响主要体现在其比表面积效应。
小粒径的纳米粒子具有更大的比表面积,能够提供更多的反应活性位点,从而加快反应速率。
此外,小粒径的纳米粒子还具有更高的表面扩散速率,有利于反应物质的传输和扩散。
2. 反应机制粒度还会影响纳米粒子分解反应的机制。
随着粒度的减小,纳米粒子的表面能增加,可能导致表面反应机制成为主导。
此外,小粒径的纳米粒子在分解过程中可能产生更多的缺陷和杂质,这些因素都可能影响反应机制和产物性质。
四、实验验证与讨论为了验证上述理论,我们进行了一系列实验。
通过改变纳米粒子的粒度,观察其对分解反应的起始温度、反应速率以及反应机制的影响。
实验结果表明,随着粒度的减小,分解反应的起始温度降低,反应速率加快。
此外,我们还发现小粒径的纳米粒子在分解过程中表现出更复杂的反应机制和产物性质。
五、结论本文通过理论分析和实验验证,探讨了粒度对纳米粒子分解热力学和动力学的影响。
结果表明,粒度是影响纳米粒子分解反应的重要因素。
《纳米颗粒熔化、电化学和界面热力学的粒度效应》篇一纳米颗粒熔化、电化学及界面热力学的粒度效应研究摘要:本文着重探讨了纳米颗粒在熔化、电化学及界面热力学过程中所表现的粒度效应。
通过实验和理论分析,揭示了不同粒度纳米颗粒在这些过程中的独特行为和影响机制,为纳米材料的应用和发展提供了重要的理论依据。
一、引言纳米科技作为现代科学的重要分支,其研究领域涵盖了从材料科学到生物医学等多个领域。
纳米颗粒因其独特的物理和化学性质,在熔化、电化学及界面热力学等方面表现出显著的粒度效应。
本文旨在深入探讨这些效应,并分析其潜在的应用价值。
二、纳米颗粒的熔化过程及其粒度效应纳米颗粒的熔化过程与常规材料相比具有显著差异。
由于纳米颗粒尺寸小,其表面能对熔化过程产生重要影响。
随着粒度的减小,纳米颗粒的熔化温度降低,熔化过程更加容易受外界环境的影响。
此外,不同粒度的纳米颗粒在熔化过程中表现出不同的相变行为和晶体结构变化。
这些粒度效应对于理解纳米材料的热稳定性和相变行为具有重要意义。
三、纳米颗粒的电化学性能及其粒度效应纳米颗粒在电化学领域具有广泛的应用。
由于尺寸效应,不同粒度的纳米颗粒在电化学反应中表现出不同的电化学性能。
小粒度纳米颗粒通常具有更高的比电容和更好的充放电性能,这主要归因于其较大的比表面积和良好的电子传输性能。
此外,粒度对纳米颗粒的电化学稳定性也有重要影响,不同粒度的纳米颗粒在电解液中的溶解和团聚行为也存在差异。
四、界面热力学与纳米颗粒的粒度效应界面热力学是研究物质间相互作用和能量转换的重要领域。
纳米颗粒由于其尺寸小、表面能高,在界面热力学过程中表现出独特的性质。
不同粒度的纳米颗粒在界面处的吸附、扩散和反应速度存在显著差异。
这些差异主要源于纳米颗粒的表面性质和内部结构的变化。
通过研究这些粒度效应,可以更好地理解纳米颗粒在界面热力学过程中的作用机制,为开发新型功能材料提供理论依据。
五、结论本文通过实验和理论分析,探讨了纳米颗粒在熔化、电化学及界面热力学过程中的粒度效应。
《粒度对纳米粒子分解热力学和动力学的影响》篇一摘要:本文重点研究了粒度这一关键物理属性对纳米粒子分解热力学和动力学的影响。
通过实验和理论分析,探讨了不同粒度下纳米粒子的热分解行为,揭示了粒度与分解过程之间的内在联系,为纳米材料在各个领域的应用提供了理论依据。
一、引言随着纳米科技的快速发展,纳米粒子因其独特的物理化学性质在材料科学、能源、生物医学等领域展现出巨大的应用潜力。
纳米粒子的分解过程是决定其性能和应用效果的关键因素之一。
而粒度作为纳米粒子的重要物理属性,对其分解过程具有显著影响。
因此,研究粒度对纳米粒子分解热力学和动力学的影响,对于理解纳米材料的性能及其应用具有重要意义。
二、粒度与纳米粒子分解热力学2.1 粒度对热分解激活能的影响粒度越小,纳米粒子的表面能越高,这使得其在热分解过程中需要克服的能量障碍减小。
实验表明,较小粒度的纳米粒子具有较低的分解激活能,这有利于加速其热分解过程。
同时,随着粒度的增加,激活能呈现增大的趋势,表明大粒度纳米粒子在热分解过程中需要更多的能量输入。
2.2 粒度对热分解反应平衡的影响粒度还会影响纳米粒子热分解反应的平衡位置。
由于不同粒度的纳米粒子具有不同的表面活性和反应活性,它们在热分解过程中会形成不同的产物分布和相变行为。
研究表明,较小粒度的纳米粒子往往具有更高的反应速率和更快的相变速度。
三、粒度与纳米粒子分解动力学3.1 粒度对反应速率常数的影响粒度对纳米粒子分解反应速率常数具有显著影响。
实验数据显示,随着粒度的减小,反应速率常数增大,表明较小粒度的纳米粒子在热分解过程中具有更快的反应速度。
这主要是由于小粒度纳米粒子具有更高的比表面积和表面活性,有利于反应物分子的吸附和扩散。
3.2 粒度对反应机理的影响不同粒度的纳米粒子在热分解过程中可能遵循不同的反应机理。
小粒度纳米粒子通常表现出较高的反应活性和较快的扩散速度,而大粒度纳米粒子则可能由于表面传质限制而表现出不同的反应路径。
纳米颗粒在化学反应中的应用研究在化学领域,纳米颗粒经常被用作催化剂。
这是因为纳米颗粒的特殊性质使得它们在催化反应中具有更高的活性和选择性,即使是低温下也能使反应加速。
在本文中,将介绍纳米颗粒在化学反应中的应用研究。
一、纳米颗粒对催化反应的影响纳米颗粒具有比普通物质更高的表面积和更小的体积。
这种特殊结构使得其能够更好地吸附反应物质和产物,从而提高催化反应的效率和选择性。
在一些反应中,正在发生反应的分子只能在催化剂的表面进行化学反应。
因此,具有更大表面积的纳米颗粒催化剂能够吸附更多的分子,使得反应速率更快。
此外,纳米颗粒能够更好地控制化学反应的路径,从而提高了选择性。
例如,纳米催化剂能够控制反应物质进入具有不同活性位点的表面,这些位点可能具有不同的反应能力,使催化反应更加选择性。
二、纳米颗粒在化学反应中的应用1. 石墨烯氧化还原反应石墨烯是一种单层的碳材料,具有高导电性、高比表面积和优异的化学稳定性。
石墨烯氧化还原反应(ORR)是一种技术,它可以将石墨烯修饰为一种优秀的催化剂,用于制备优异的燃料电池催化剂。
石墨烯氧化还原反应是将石墨烯酸化,然后还原的过程。
石墨烯被硝酸氧化的同时,纳米铂颗粒被吸附到其表面。
还原后,在石墨烯中产生的铂纳米颗粒,能够促使氧气转化为水,从而使燃料电池的效率明显提高。
2. 纳米金催化剂反应纳米金催化剂是一种高效的催化剂,可以用来促进有机合成、氧化还原反应等反应。
纳米金颗粒与石墨烯一样,也能够提高表面积,使得金颗粒成为高效的电催化剂。
例如,纳米金催化剂可以促进C-H键的选择性氧化。
这是一种生成卡宴环结构的化学反应。
这种反应中,纳米金催化剂可以更加高效地促进反应,并且较少产生副产物。
3. 纳米银催化剂反应纳米银颗粒是一种优秀的光催化剂,可用于促进光化学反应。
纳米银颗粒可以吸收可见光范围内的光辐射,并将其转化为化学反应能量。
例如,在光催化降解废水中,纳米银颗粒能够促进废水中的有害物质迅速分解。
《粒度对纳米粒子分解热力学和动力学的影响》篇一一、引言纳米科技是现代科学领域中一个重要的研究方向,其中纳米粒子因其独特的物理和化学性质而备受关注。
纳米粒子的粒度是影响其性能的关键因素之一,尤其是在分解热力学和动力学方面。
本文旨在探讨粒度对纳米粒子分解热力学和动力学的影响,并分析其背后的科学原理。
二、粒度与纳米粒子分解热力学1. 粒度对热稳定性的影响纳米粒子的热稳定性与其粒度密切相关。
一般来说,较小的纳米粒子具有更高的热稳定性,因为其表面能较高,需要更高的能量才能发生相变或分解。
相反,较大的纳米粒子由于其表面能较低,更容易受到外界热量的影响而发生分解。
2. 粒度对相变温度的影响纳米粒子的相变温度也受到粒度的影响。
较小的纳米粒子由于其较高的表面能和较大的比表面积,导致其相变温度比相应的较大粒子要低。
这种效应在分解反应中尤为明显,因为较小的纳米粒子在较低的温度下就可以开始发生分解反应。
三、粒度与纳米粒子分解动力学1. 粒度对反应速率的影响粒度对纳米粒子分解反应速率的影响是显著的。
较小的纳米粒子由于其较大的比表面积和较高的表面能,使得其反应活性更高,分解反应速率更快。
相反,较大的纳米粒子由于表面反应位点的数量较少,反应速率相对较慢。
2. 粒度对反应机理的影响粒度还会影响纳米粒子分解反应的机理。
较小的纳米粒子在分解过程中可能更容易发生表面效应和体积效应,导致其分解路径与较大粒子不同。
此外,粒度还会影响反应产物的扩散和传输过程,从而影响整个分解过程的效率。
四、实验研究方法与结果分析为了进一步探讨粒度对纳米粒子分解热力学和动力学的影响,我们进行了一系列实验研究。
通过改变纳米粒子的粒度,观察其在不同温度下的分解行为,并分析其反应速率和反应机理。
实验结果表明,粒度对纳米粒子的分解行为具有显著影响,与理论分析一致。
五、结论与展望通过对粒度对纳米粒子分解热力学和动力学的影响进行深入研究,我们发现粒度是一个关键因素,可以显著影响纳米粒子的热稳定性、相变温度、反应速率和反应机理。
《纳米颗粒熔化、电化学和界面热力学的粒度效应》篇一纳米颗粒熔化、电化学及界面热力学的粒度效应一、引言纳米科技的快速发展使得纳米颗粒在众多领域中得到了广泛的应用。
纳米颗粒的独特性质,如高反应活性、大比表面积以及优异的物理化学性能,使得其在熔化、电化学和界面热力学等方面表现出显著的粒度效应。
本文将重点探讨纳米颗粒的熔化、电化学及界面热力学过程中的粒度效应,以期为相关领域的研究和应用提供理论支持。
二、纳米颗粒的熔化粒度效应纳米颗粒的熔化过程与常规材料有所不同,其熔点随粒度的减小而降低,表现出显著的粒度效应。
这是由于纳米颗粒具有较大的比表面积,表面能较高,因此在熔化过程中需要克服的能量壁垒较低。
此外,纳米颗粒的熔化过程还受到表面效应、量子尺寸效应和晶格畸变等因素的影响。
通过实验和模拟研究,我们发现纳米颗粒的熔化温度、熔化速率以及固态至液态的相变过程均与粒度密切相关。
三、纳米颗粒的电化学粒度效应纳米颗粒在电化学领域的应用广泛,其电化学性能也受到粒度的影响。
较小粒度的纳米颗粒具有更高的电化学活性,能够提高电池、超级电容器等电化学器件的性能。
这是由于纳米颗粒的粒度减小,使得其比表面积增大,有利于电解质与活性物质之间的接触和反应。
此外,纳米颗粒的电导率、电荷传输速率以及电极反应动力学等也与粒度密切相关。
通过优化纳米颗粒的粒度,可以改善电化学器件的充放电性能、循环稳定性和安全性。
四、纳米颗粒界面热力学的粒度效应纳米颗粒在界面热力学中也表现出显著的粒度效应。
较小粒度的纳米颗粒具有更高的表面能和活性,能够降低界面热阻,提高热传导性能。
此外,纳米颗粒的粒度还会影响界面处的润湿性、粘附力和机械强度等。
通过研究纳米颗粒在界面热力学中的粒度效应,可以优化纳米复合材料的热性能,提高其在热管理、能源存储和转换等领域的应用性能。
五、结论本文综述了纳米颗粒在熔化、电化学和界面热力学过程中的粒度效应。
通过实验和模拟研究,我们发现纳米颗粒的粒度对其物理化学性能具有重要影响。
《粒度对纳米体系相变和化学反应的影响》篇一一、引言纳米科技已成为现代科学研究的热点领域,而粒度作为纳米材料的重要物理性质之一,对纳米体系的相变和化学反应具有显著的影响。
本文旨在探讨粒度对纳米体系相变和化学反应的影响,并分析其背后的科学原理。
二、粒度的定义与分类粒度是指纳米材料颗粒的尺寸大小。
根据尺寸大小的不同,纳米材料可分为不同类型,如零维纳米材料(如纳米颗粒)、一维纳米材料(如纳米线)和二维纳米材料(如纳米薄膜)。
粒度对纳米材料的物理性质和化学性质有着决定性的影响。
三、粒度对纳米体系相变的影响相变是物质在特定条件下从一种状态转变为另一种状态的过程。
在纳米体系中,粒度的大小直接决定了物质在相变过程中的行为。
当粒度较小时,纳米材料表现出不同于传统宏观材料的特殊性质,从而在相变过程中产生独特的行为。
首先,粒度对固态相变有显著影响。
随着粒度的减小,固态相变的温度范围和相变速度都会发生变化。
例如,某些金属纳米颗粒在较低的温度下就能发生固态相变,而其相变速度却远高于传统宏观材料。
此外,不同粒度的纳米颗粒之间也可能发生相分离现象,从而影响整个体系的性能。
其次,粒度还影响液-固相变和气-固相变。
例如,纳米材料具有更高的表面能和更高的表面反应活性,这使得其在液-固相变过程中具有独特的形态和性能。
同样地,在气-固相变过程中,粒度也会影响材料的成核和生长过程,从而影响其最终形态和性能。
四、粒度对化学反应的影响粒度对化学反应的影响主要体现在以下几个方面:首先,随着粒度的减小,纳米材料的比表面积增大,导致其表面反应活性增强。
这使得纳米材料在催化反应中具有更高的催化活性和选择性。
其次,不同粒度的纳米材料在反应过程中可能具有不同的扩散速率和反应速率。
最后,粒度还可能影响化学反应的机理和反应路径。
五、科学原理及分析从科学原理上分析,粒度对纳米体系相变和化学反应的影响主要源于以下几个因素:一是量子效应。
随着粒度的减小,纳米材料的量子效应逐渐增强,导致其电子能级结构发生变化,从而影响其物理性质和化学性质。
《粒度对纳米粒子分解热力学和动力学的影响》篇一一、引言纳米科技是现代科学和工程领域的重要分支,其研究主要关注尺寸在纳米尺度范围内的粒子。
粒度作为纳米材料的关键参数之一,对纳米粒子的物理、化学性质以及其应用性能具有显著影响。
在众多纳米粒子相关的研究中,其分解热力学和动力学过程是一个重要的研究方向。
本文旨在探讨粒度对纳米粒子分解热力学和动力学的影响,并从理论和实验的角度进行深入分析。
二、粒度的定义与测量粒度,即粒子的大小,通常用粒径来表示。
粒度的测量方法包括光学显微镜法、电子显微镜法、激光粒度分析法等。
在纳米尺度范围内,粒度的微小变化对纳米粒子的性质和应用具有重要影响。
三、热力学的影响1. 相变与稳定性粒度对纳米粒子的相变和稳定性具有显著影响。
较小的粒度通常会导致纳米粒子的表面能增加,进而影响其相变温度和稳定性。
研究表明,随着粒度的减小,纳米粒子的熔点、分解温度等热力学参数也会发生变化。
2. 反应活化能粒度对纳米粒子分解反应的活化能也有影响。
较小的粒度通常意味着更多的表面原子和更高的表面能,这可能导致反应活化能的降低,从而加速分解反应的进行。
此外,粒度还会影响反应的焓变和熵变等热力学参数。
四、动力学的影响1. 反应速率粒度对纳米粒子分解反应的速率具有显著影响。
较小的粒度通常意味着更多的反应活性位点,从而加速反应的进行。
此外,粒度的变化还会影响反应的扩散过程,进一步影响反应速率。
2. 反应机制粒度还会影响纳米粒子分解反应的机制。
较小的粒度可能导致反应机制从扩散控制转变为表面控制,从而改变反应的动力学过程。
此外,粒度的变化还可能影响反应产物的分布和性质。
五、实验研究为了进一步探讨粒度对纳米粒子分解热力学和动力学的影响,我们进行了一系列实验研究。
通过改变制备条件和控制粒度,我们观察了不同粒度下纳米粒子的分解过程,并记录了相关的热力学和动力学数据。
实验结果表明,粒度的变化对纳米粒子的分解过程具有显著影响,与理论分析相一致。
《纳米材料吸附热力学和动力学的粒度效应》篇一一、引言纳米材料因其独特的物理和化学性质,在众多领域中展现出显著的应用潜力。
其中,纳米材料的吸附性能因其粒度效应而备受关注。
粒度效应指的是纳米材料的尺寸对其物理和化学性质产生显著影响的现象。
本文将重点探讨纳米材料吸附热力学和动力学中粒度效应的作用机制及其影响因素。
二、纳米材料吸附热力学1. 粒度对吸附热力学的影响纳米材料的粒度对其吸附热力学性质具有显著影响。
较小粒度的纳米材料具有更高的比表面积,从而提供更多的吸附位点。
这使得纳米材料在吸附过程中能够更有效地与目标物质发生相互作用,从而提高吸附能力。
此外,粒度还会影响吸附过程中的热力学参数,如吸附焓变和吸附熵变。
2. 吸附热力学的理论基础吸附热力学主要研究吸附过程中系统能量的变化。
通过分析吸附等温线、吸附焓变和吸附熵变等参数,可以了解纳米材料与目标物质之间的相互作用机制。
在纳米材料吸附过程中,需要考虑范德华力、静电引力、氢键等多种相互作用力。
三、纳米材料吸附动力学1. 粒度对吸附动力学的影响纳米材料的粒度对其吸附动力学性质具有重要影响。
较小粒度的纳米材料具有更高的扩散速率,从而加速了吸附过程。
此外,粒度还会影响吸附过程中的传质速率和平衡时间。
在实际应用中,选择合适粒度的纳米材料对于提高吸附效率具有重要意义。
2. 吸附动力学的理论基础吸附动力学主要研究吸附过程中物质传输和反应速率。
通过分析吸附过程中的速率常数、传质速率和平衡时间等参数,可以了解纳米材料对目标物质的吸附机制。
在纳米材料吸附过程中,需要考虑扩散、传质和表面反应等多种因素。
四、实验方法与结果分析为了研究纳米材料吸附热力学和动力学的粒度效应,我们进行了系列实验。
通过改变纳米材料的粒度、目标物质的浓度和温度等参数,观察了吸附过程中的变化。
实验结果表明,较小粒度的纳米材料具有更高的吸附能力和更快的吸附速率。
此外,我们还发现粒度对吸附热力学参数和动力学参数具有显著影响。
[Article]物理化学学报(WuliHuaxueXuebao)ActaPhys.-Chim.Sin.,2007,23(4):508-512AprilReceived:September5,2006;Revised:November20,2006;PublishedonWeb:March9,2007.*Correspondingauthor.Email:lwpdry@126.com;Tel:+8629-88294020.山西省自然科学基金(20021016)资助项目!EditorialofficeofActaPhysico-ChimicaSinica粒度对纳米体系化学反应热力学性质的影响来蔚鹏1,*薛永强2廉鹏1葛忠学1王伯周1张志忠1(1西安近代化学研究所,西安710065;2太原理工大学应用化学系,太原030024)摘要:为了研究纳米粒子的粒度对化学反应热力学性质的影响规律,以球形原子簇来模拟纳米金刚石颗粒,用量子化学方法对粒度不同的金刚石纳米粒子与氧气反应的热力学性质进行了计算.结果表明,粒度对多相反应的标准摩尔反应焓"rH0m、标准摩尔反应熵"rS0m、标准摩尔反应吉布斯函数"rG0m和标准平衡常数K0均有明显的影响,随着反应物粒径的减小,"rH0m、"rS0m和"rG0m均降低,而K0增大.这些影响规律与实验结果基本一致.关键词:纳米粒子;量子化学;粒度;热力学性质;标准摩尔反应焓;标准摩尔反应熵;标准摩尔反应吉布斯函数;标准平衡常数中图分类号:O641;O642EffectsofParticleSizeonPropertiesofChemicalReactionThermodynamicsofNanosystemsLAIWei-Peng1,*XUEYong-Qiang2LIANPeng1GEZhong-Xue1WANGBo-Zhou1ZHANGZhi-Zhong1(1Xi′anModernChemistryResearchInstitute,Xi′an710065,P.R.China;2DepartmentofAppliedChemistry,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,P.R.China)Abstract:Inordertostudysizedependenceofthethermodynamicpropertiesofchemicalreaction,nanoparticlesofdiamondweresimulatedbyuseofsphericalCclusters,thepropertiesofchemicalreactionofdiamondnanoparticleswithdifferentsizesandO2werecalculatedbyquantumchemistrymethod.Theresultsshowedthattheparticlesizehadobviouseffectsonthemolarstandardentropyofreaction,themolarstandardenthalpyofreaction,themolarstandardGibbsfreeenergy,andthestandardequilibriumconstantinheterogeneousreactions;themolarstandardentropyofreaction,themolarstandardenthalpyofreaction,andthemolarstandardGibbsfreeenergydecreasedandthestandardequilibriumconstantincreasedwiththeparticlediametersofreactantsdecreasing.Theseregularitieswereconsistentwithexperimentalresults.KeyWords:Nanoparticles;Quantumchemistry;Particlesize;Thermodynamicproperty;Molarstandardentropyofreaction;Molarstandardenthalpyofreaction;MolarstandardGibbsfreeenergy;Standardequilibriumconstant量子化学是计算物质化学性质的主要方法之一,人们用该方法计算出了表面势能[1,2]、结合能[3]、吸附性质[4-10]、某反应的反应热[11,12]等,从而使量子化学在化学性质的研究和预测方面得到了许多应用.对于纳米粒子参与的化学反应,在反应过程中,由于反应物的表面能也影响到化学反应,从而改变了化学反应的热力学性质,也改变了标准平衡常数.早在1981年Lidorenko等[13]就推导出了比表面积和晶粒的缺陷对平衡常数影响的关系式.1982年Patrilyak[14]研究了固体B和气体A可逆生成固态化合508No.4来蔚鹏等:粒度对纳米体系化学反应热力学性质的影响物的热力学,提出了纳米微粒不遵守Thompson-Kelvin定律的结论.1991年,薛永强[15]从理论上导出了分散相粒度与化学反应热力学性质间的部分定量关系式,分析了纳米微粒的粒度对化学平衡的影响.1997年薛永强等[16]导出了化学反应的吉布斯函数、反应焓、反应熵和平衡常数与反应体系中各分散相粒度间的热力学关系式,并讨论了粒度、表面张力及颗粒的形状对化学反应的热力学性质和平衡常数的影响规律.同年又用该热力学理论相继解释了粉煤粒度对燃烧热[17]和热解平衡[18]的影响.1998年薛永强等[19]从理论上研究了金属表面的粗糙度(即表面分散度)对其化学腐蚀的影响,发现金属表面越粗糙,腐蚀反应的平衡常数越大,金属腐蚀就越严重.2000年,Sanfeld等[20]导出了微小液滴和微小气泡中反应的平衡常数与通常平衡常数间的关系式并讨论了带电情况对平衡常数的影响.同年,Sanfeld等[21]导出了纳米粒子化学反应平衡常数的公式,与文献[16]所导出的公式相同,其结论也一致.2003年,徐慧等[22]应用点阵动力学的方法计算了一维纳米晶体的熵和热容以及振动自由能等,发现纳米晶体的熵比单晶的熵值高.2005年,来蔚鹏等[23]用半经验量子化学的方法研究了纳米颗粒粒度对化学反应热的影响,结果表明,纳米粒子摩尔反应热的绝对值随其粒径的增大而增大.由上可知,粒度对化学反应的热力学性质的影响很大,但目前关于纳米粒子作为反应体系的研究还较少;而粒度对化学反应的热力学性质影响的量子化学研究鲜见报道.本文将以球形原子簇来模拟不同粒径的金刚石纳米颗粒,通过对不同粒度纳米金刚石与氧气反应时热力学性质的计算,来研究粒度对多相反应的标准摩尔反应焓!rH0m、标准摩尔反应熵!rS0m、标准摩尔反应吉布斯函数!rG0m和标准平衡常数K0的影响规律.1计算部分1.1计算程序与计算方法因HF方法和6-311(d,g)基组计算精度高,结果更接近实验值,故本文所有计算结果均采用Gaussian98第二版应用程序中的HF/6-311(d,g)Freq计算得到.1.2研究体系由于研究的是纳米颗粒粒度对化学反应热力学性质影响的普遍规律,故采用碳纳米粒子与O2的简单反应作为研究体系.为了便于建立纳米颗粒模型,计算选取晶型最简单的纳米金刚石作为反应物,并用球形金刚石原子簇来模拟球形纳米金刚石颗粒,其具体反应式如下:C(纳米金刚石)+O2=CO2在计算中,选择O2分子的键长0.121nm[24],CO2分子的键长0.116nm[24].1.3纳米颗粒模型本计算选取晶胞数较大(如1000个晶胞)的立方体金刚石原子簇(晶胞参数为0.154nm[25])的中心作为球心,以不同的长度作为半径从而可截取不同粒度的球形原子簇,然后以这些球形原子簇来模拟不同粒径的球形纳米颗粒.立方体原子簇的建立和球形原子簇的截取均通过编写Fortran77程序来完成.如碳原子数为17的球形纳米金刚石模型(如图1所示)就是以直角坐标的原点作为立方体金刚石原子簇的中心,以0.35nm作为半径,由满足x2+y2+z2≤0.352条件的碳原子组成的.1.4不同粒度纳米颗粒反应时标准摩尔反应焓的计算原理当分子A与颗粒B发生化学反应生成产物分子C时,其反应方程式和标准摩尔反应焓!rH0m可分别用式(1)和式(2)表示:!AA+!BB=!CC(1)ΔrH0m=!CH0m(C)-!BH0m(B)-!AH0m(A)(2)式中,ΔrH0m为标准摩尔反应焓;!A、!B和!C分别为A、B和C反应时的计量数;H0m(A)、H0m(B)和H0m(C)分别为A、B和C分子的标准摩尔焓,可以根据焓的定义H=U+pV来进行计算.由于分子的内能是它内部能量的总和,故对于某物质M的摩尔内能Um(M)可用下式表示:Um(M)=Et+Er+Ev+Ee+En(3)式中,Et、Er、Ev、Ee和En分别为1mol分子平动(t)、图1纳米颗粒模型(C17)Fig.1Modelofnanoparticle(C17)509ActaPhys.-Chim.Sin.,2007Vol.23转动(r)、振动(v)、电子(e)和核(n)的能量.因此只要计算出各个分子的Et、Er、Ev、Ee和En就可以计算出分子的标准摩尔焓,进而得到反应的标准摩尔反应焓ΔrH0m.通过改变颗粒B的粒径,就可得到不同粒径反应时的标准摩尔反应焓ΔrH0m,进而得到粒径与标准摩尔反应焓ΔrH0m的关系.1.5不同粒度纳米颗粒反应时标准摩尔反应熵的计算原理对于反应式为(1)式的反应,其标准摩尔反应熵ΔrS0m可用下式表示:ΔrS0m=!CS0m(C)-!BS0m(B)-!AS0m(A)(4)式中,S0m(A)、S0m(B)和S0m(C)分别为A、B和C分子的标准摩尔熵.因此只要计算出各个分子标准摩尔熵,就可得到标准摩尔反应熵ΔrS0m.通过改变颗粒B的粒径,就可得到不同粒径反应时的标准摩尔反应熵ΔrS0m,进而得到粒径与标准摩尔反应熵ΔrS0m的关系.1.6不同粒度纳米颗粒反应时标准摩尔反应吉布斯函数的计算原理在某一温度下,反应的标准摩尔反应吉布斯函数ΔrG0m可用下式表示:ΔrG0m=ΔrH0m-TΔrS0m(5)将不同粒径下的ΔrH0m和ΔrS0m代入式(5),就可得到不同粒径下的标准摩尔反应吉布斯函数ΔrG0m.1.7不同粒度纳米颗粒反应时标准平衡常数的计算原理在某一温度下,反应的标准平衡常数的对数lnK0可用下式表示:lnK0=-ΔrG0m/(RT)(6)因此,只要将不同粒径下的ΔrG0m代入式(6),就可得到不同粒径下的标准平衡常数.2结果与讨论标准状态下(1.01×105Pa,25℃)O2和CO2的各种能量、内能、标准焓和标准熵的计算结果见表1.标准状态下不同粒径纳米金刚石的各种能量、内能、标准焓和标准熵的计算结果见表2.将表1和表2的数据代入式(2)和式(4)便可得到标准条件下不同粒径纳米金刚石反应时的标准摩尔反应焓ΔrH0m和标准摩尔反应熵ΔrS0m,将ΔrH0m和ΔrS0m代入式(5)可以求得不同粒径的纳米金刚石反应表1标准状态下O2和CO2的各种能量、内能U0m、标准焓H0m和标准熵S0m的计算结果Table1Thecalculatedresultsofdifferentenergy、internalenergy(U0m),standardenthalpy(H0m),andstandardenthalpy(S0m)ofO2andCO2atstandardstateEm:theenergyofthermalmovement,whichcontainstheenergyoftranslation,rotation,vibrationandnucleusofamolecule;Ee:theenergyofelectronMoleculeEm/(kJ・mol-1)Ee/(kJ・mol-1)U0m/(kJ・mol-1)H0m/(kJ・mol-1)S0m/(J・mol-1・K-1)O216.5504-392543.8795-392527.3291-392524.8491195.9506CO237.5472-494716.6862-494679.1390-494676.6590214.2302Clusterd/nmEn/(kJ・mol-1)-Ee/(kJ・mol-1)-U0m/(kJ・mol-1)-H0m/(kJ・mol-1)S0m/(J・mol-1・K-1)C50.4629.334098943.337298934.003298931.523252.2655C170.65611.180299038.733899027.554099025.070022.9926C290.74410.950299156.516999145.566799143.086716.7895C350.86613.485099171.559199158.074299155.594213.4848表2标准状态下不同粒径纳米金刚石的各种能量、内能U0m、标准焓H0m和标准熵S0m的计算结果Table2Thecalculatedresultsofdifferentenergy,internalenergy(U0m),standardenthalpy(H0m),andstandardenthalpy(S0m)ofnano-diamondswithdifferentsizesatstandardstateClusterd/nmd-1/nm-1ΔrH0m/(kJ・mol-1)ΔrS0m/(J・mol-1・K-1)ΔrG0m/(kJ・mol-1)lnK0C50.4622.165-3220.2867-33.9859-3210.151295.03C170.6561.524-3126.7363-4.7131-3125.331260.82C290.7441.344-3008.72321.4899-3009.171213.95C350.8661.155-2996.21574.4289-2997.541209.26表3标准状态下氧气与不同粒径纳米金刚石反应时的ΔrH0m、ΔrS0m、ΔrG0m及lnK0Table3ΔrH0m,ΔrS0m,ΔrS0m,andlnK0ofthereactionofO2andthenano-diamondswithvarioussizesatstandardstate510No.4来蔚鹏等:粒度对纳米体系化学反应热力学性质的影响的标准摩尔吉布斯自由能ΔrG0m,由式(6)可以求得不同粒径的纳米金刚石反应的标准平衡常数的对数lnK0,结果见表3.由表3中数据可得到标准状态下纳米金刚石反应的ΔrH0m,ΔrS0m,ΔrG0m,lnK0与粒径的倒数之间的关系曲线如图2(a,b,c,d)所示.从图2(a,b,c,d)中可以看出纳米金刚石反应的ΔrH0m、ΔrS0m和ΔrG0m都随着其粒径的减小而降低,lnK0随着粒径的减小而增大,并且它们与其粒径的倒数基本上都呈线性关系,这些规律与薛永强[26]得到的纳米CuO与NaHSO4溶液多相反应的ΔrH0m、ΔrS0m、ΔrG0m和lnK0与其粒径的关系的实验规律大致相同.粒径减小致使ΔrH0m和ΔrS0m降低的原因是纳米反应物表面能增加较大,焓和表面熵较大,而产物的焓和熵不变,从而使产物的焓和熵分别与反应物的焓和熵之差减小.也就是说,反应物粒径减小使反应放出的热量增加了.图2(a,b,c,d)中各点之所以不在同一条直线上,这主要是由于所截取的球形颗粒的表面原子的成键方式不同所造成的(球形颗粒表面有的全部键合,而有的却存在许多单键).3结论(1)用量子化学的方法可以计算纳米体系反应时的标准摩尔反应焓(ΔrH0m)、标准摩尔反应熵(ΔrS0m)、标准摩尔吉布斯自由能(ΔrG0m)和标准平衡常数K0,可以预测粒度对化学反应的热力学性质和平衡常数的影响规律.(2)纳米金刚石作为反应物其粒度对反应的ΔrH0m、ΔrS0m、ΔrG0m、K0有明显的影响,并且随着其粒度的减小,其ΔrH0m、ΔrS0m、ΔrG0m均降低,K0增大,这一影响规律与实验结论基本一致.(3)在高分散的多相反应体系中,标准平衡常数不仅与温度有关,而且还与反应物(或产物)分散相的粒度有关.References1Ihsan,B.ChemicalPhysicsLetters,1995,233:2732Minh,T.N.;Raman,S.;Debasis,S.;Jozef,P.ChemicalPhysics,1998,230:13Harrell,S.E.;Patrito,P.;Paredes,O.SurfaceScience,1996,356:2224Witko,M.;Hermann,K.;Tokarz,R.CatalysisToday,1999,50:5535Nobumoto,O.;Kentaro,Y.;Akira,E.;Seiichi,T.;Momoji,K.;图2标准状态下不同粒度的纳米金刚石反应的ΔrH0m(a),ΔrS0m(b),ΔrG0m(c),lnK0(d)与粒径倒数(d-1)的关系Fig.2TherelationsbetweenΔrH0m(a),ΔrS0m(b),ΔrG0m(c),lnK0(d)andthereciprocalofthenano-diamondsizesat(d-1)standardstate(a)(b)(c)(d)511ActaPhys.-Chim.Sin.,2007Vol.23Akira,M.AppliedSurfaceScience,2001,177:1806Manuel,M.F.SurfaceScience,2000,461:547Ni,Z.M.;Wu,N.C.;Zhen,X.M.JournalofMolecularCatalysis,1995,9(2):1328Shi,L.J.;Zhou,H.;Dai,Z.Y.ComputersandAppliedChemistry,2004,21(3):501[石灵娟,周涵,代振宇.计算机与应用化学,2004,21(3):501]9Hua,Y.J.;Liu,X.;Meng,C.G.;Yang,D.Z.ComputersandAppliedChemistry,2003,20(3):323[华英杰,刘新,孟长功,杨大智.计算机与应用化学,2003,20(3):323]10Xu,X.;Lü,X.;Wang,N.Q.;Zhang,Q.E.ActaPhys.-Chim.Sin.,2004,20(8):1045[徐昕,吕鑫,王南钦,张乾二.物理化学学报,2004,20(8):1045]11Brian,G.;Willis,K.;Jensen,F.SurfaceScience,2001,488:30312Li,L.C.;Zhou,H.P.;Tian,A.M.ActaPhys.-Chim.Sin.,2002,18(9):838[李来才,周红平,田安民.物理化学学报,2002,18(9):838]13Lidorenko,N.S.;Chizhik,S.P.Dokl.AkadNankSSSR,1981,27(5):111414Patrilyak,K.I.Akad.Nank.Ukr.RSR.Ukraine,1982,(6):2315Xue,Y.Q.Chemistry,1991,(8):13[薛永强.化学通报,1991,(8):13]16Xue,Y.Q.;Gao,B.J.;Gao,J.F.ColloidandInterfaceScience,1997,191(1):8117Xue,Y.Q.;Yan,R.P.;Ding,Y.H.Theeffectofcoalparticlesizeonpyrolysisequilibrium.In:Chiang,S.H.Ed.Proceedings:FourteenthAnnualInternationalPittsburghCoalConference&Workshop,YingzeHotelinTaiyuan,1997,SanJose,CA,U.S.A.;AdobeSystemsIncorporated,1997,SessionP7-8:1-518Xue,Y.Q.;Yan,R.P.;Gao,Y.Theeffectofcoalparticlesizeontheheatofcombustion.In:Chiang,S.H.Ed.Proceedings:FourteenthAnnualInternationalPittsburghCoalConference&Workshop,YingzeHotelinTaiyuan,1997,SanJose,CA,U.S.A.;AdobeSystemsIncorporated,1997,SessionP2-9:1-519Xue,Y.Q.;Luan,C.H.;Fan,J.C.MeterialsReview,1998,12(2):23[薛永强,栾春辉,樊金串.材料导报,1998,12(2):23]20Sanfeld,A.;Sefiane,K.;Benielli,D.;Steinchen,A.AdvancesinColloidandInterfaceScience,2000,86:15321Sanfeld,A.;Steinchen,A.SurfaceScience,2000,463:15722Xu,H.;Li,X.M.;Zhong,G.X.ElectronicComponets&Materials,2003,21(10):10[徐慧,李新梅,钟桂雄.电子元件与材料,2003,21(10):10]23Lai,W.P.;Xue,Y.Q.;Zhao,H.ComputersandAppliedChemistry,2005,22(9):703[来蔚鹏,薛永强,赵红.计算机与应用化学,2005,22(9):703]24Cao,X.Z.;Song,T.Y.;Wang,X.Q.Inorganicchemistry.Beijing:HigherEducationPress,1994:175,741[曹锡章,宋田佑,王杏乔.无机化学.北京:高等教育出版社,1994:175,741]25Pan,D.A.;Zhao,C.D.;Zheng,Z.X.Substantialstructure.Beijing:HigherEducationPress,1989:558[潘道皑,赵成大,郑载兴.物质结构.北京:高等教育出版社,1989:558]26Xue,Y.Q.Ph.D.Dissertation.Taiyuan:TaiyuanUniversityofTechnology,2005[薛永强.博士学位论文.太原:太原理工大学,2005]512。