Статистична теорія розбавлених водно-спиртових розчинів
Вантажиться...
Дата
2018
Науковий керівник
Укладач
Редактор
Назва журналу
ISSN
E-ISSN
Назва тому
Видавець
Одеський національний університет імені І. І. Мечникова
Анотація
Тимофєєв М. В. Статистична теорія розбавлених водно-спиртових розчинів. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.02 – теоретична фізика. – Одеський національний університет імені І. І. Мечникова МОН України, Одеса, 2018.
Роботу присвячено дослідженню рівняння стану водно-спиртових розчинів, зокрема його контракції – зменшенню об’єму розчину відносно сумарного об’єму його компонентів. Основна увага приділяється дослідженню структури мікроскопічних та усереднених потенціалів між компонентами розчину, а також природі водневих зв’язків у воді.
У роботі побудовано мікроскопічні потенціали міжмолекулярної взаємодії в парах води і спиртів. Їх далека асимптотика відповідає мультипольному розкладу електростатичної взаємодії, а самі потенціали відтворюють основні характеристики димерів та другі віріальні коефіцієнти.
23
Теплове обертання молекул призводить до самоусереднення потенціалів міжмолекулярної взаємодії за їх кутовими змінними. Термодинамічні властивості рідких і газоподібних води та спиртів в широкому інтервалі температур будуть визначатися усередненими радіально-симетричними потенціалами взаємодії. Усереднені потенціали отримано з вимоги, що усереднені і вихідні мікроскопічні потенціали взаємодії мають приводити до тих самих конфігураційних інтегралів в парному наближенні. Їх структура подібна до потенціалу Ленард-Джонса. Це обумовлює можливість застосування принципу подібності для визначення їх термодинамічних властивостей. Показано, що принцип подібності дозволяє із задовільною точністю оцінити критичні температури води та метанолу, використовуючи аргон як базисну систему.
Досліджується фізична природа водневого зв’язку в димерах води шляхом аналізу ступеня перекриття їх електронних оболонок. Отримано, що ступінь перекриття електронних оболонок не перевищує кількох відсотків. Це свідчить, що внесок обмінних ефектів має той самий порядок величини. Водневий зв’язок, таким чином, спричинений, головним чином, електростатичними силами.
Для опису контракції та надлишкової ентальпії водно-спиртових розчинів застосовується рівняння стану, побудоване на основі віріального розкладу для тиску. Показано, що воно дозволяє відтворити найбільш загальні особливості поведінки контракції та надлишкової ентальпії водно-спиртових розчинів. Зокрема, у такий спосіб вдається відтворити положення, глибину та температурну залежність мінімуму для концентраційних залежностей контракції та надлишкової ентальпії, а також тангенси нахилів кривих контракції при малих частках води та спирту.
Timofeev M. V. Statistical theory of dilute water-alcohol solutions. – Qualification scientific paper, manuscript. Thesis for a Candidate degree (PhD) of Physical and Mathematical Sciences in specialty 01.04.02 – theoretical physics. – Odessa I. I. Mechnikov National University, the Ministry of Education and Science of Ukraine, Odessa, Ukraine, 2018. The present work is devoted to investigation of the equation of state for aqueous solutions of alcohol, in particular, contraction of water-alcohol solutions, i. e. a value of relative deviation of solution total volume from sum of volumes for its components. The main attention is focused on the investigation of microscopic and averaged interaction potentials between molecules for components as well as the nature of H-bonds in water. Microscopic potentials of interparticle interaction in water and methanol vapor are built. Their distant asymptotic corresponds to the electrostatic multipole expansion of interaction energy. They reproduce main characteristics of isolated dimers and virial coefficients of vapor phase. Thermal rotation of molecules leads to self-averaging of microscopic interaction potentials on their angular variables. The thermodynamic properties of water and alcohols in liquid and vapor phases in wide temperature range are determined by averaged interaction potentials. Averaged potentials are obtained from the requirement that initial microscopic and averaged potentials should lead to the same configuration integral in a pair approximation. It is found that their structures are similar to the Lennard-Jones potential. Thus, it is possible to apply the similarity principle to determine their thermodynamic properties. It is shown that the similarity principle allows to estimate the critical temperatures of water and methanol, using argon as a basic system with satisfactory accuracy. The physical nature of the H-bonds is investigated. For this purpose, the degree of overlapping for electron shells of molecules forming water dimers is analyzed. It had been shown that the overlapping degree of electron shells does not exceed several percent (less than 4%). This indicates that the exchange effects lead to the same contribution in order of magnitude to the H-bond energy. Therefore, the H-bond is mainly caused by electrostatic forces. To describe the contraction and excess enthalpy of water-alcohol solutions, an equation of state based on the virial expansion is used. It is shown, that it allows to reproduce the most general features of the contraction and excess enthalpy of water-alcohol solutions. In particular, in this way, it is possible to reproduce the position, depth and the temperature dependence of the minimum on the concentration curves, as well as slopes of the contraction curves at small molar fractions of water and alcohol.
Timofeev M. V. Statistical theory of dilute water-alcohol solutions. – Qualification scientific paper, manuscript. Thesis for a Candidate degree (PhD) of Physical and Mathematical Sciences in specialty 01.04.02 – theoretical physics. – Odessa I. I. Mechnikov National University, the Ministry of Education and Science of Ukraine, Odessa, Ukraine, 2018. The present work is devoted to investigation of the equation of state for aqueous solutions of alcohol, in particular, contraction of water-alcohol solutions, i. e. a value of relative deviation of solution total volume from sum of volumes for its components. The main attention is focused on the investigation of microscopic and averaged interaction potentials between molecules for components as well as the nature of H-bonds in water. Microscopic potentials of interparticle interaction in water and methanol vapor are built. Their distant asymptotic corresponds to the electrostatic multipole expansion of interaction energy. They reproduce main characteristics of isolated dimers and virial coefficients of vapor phase. Thermal rotation of molecules leads to self-averaging of microscopic interaction potentials on their angular variables. The thermodynamic properties of water and alcohols in liquid and vapor phases in wide temperature range are determined by averaged interaction potentials. Averaged potentials are obtained from the requirement that initial microscopic and averaged potentials should lead to the same configuration integral in a pair approximation. It is found that their structures are similar to the Lennard-Jones potential. Thus, it is possible to apply the similarity principle to determine their thermodynamic properties. It is shown that the similarity principle allows to estimate the critical temperatures of water and methanol, using argon as a basic system with satisfactory accuracy. The physical nature of the H-bonds is investigated. For this purpose, the degree of overlapping for electron shells of molecules forming water dimers is analyzed. It had been shown that the overlapping degree of electron shells does not exceed several percent (less than 4%). This indicates that the exchange effects lead to the same contribution in order of magnitude to the H-bond energy. Therefore, the H-bond is mainly caused by electrostatic forces. To describe the contraction and excess enthalpy of water-alcohol solutions, an equation of state based on the virial expansion is used. It is shown, that it allows to reproduce the most general features of the contraction and excess enthalpy of water-alcohol solutions. In particular, in this way, it is possible to reproduce the position, depth and the temperature dependence of the minimum on the concentration curves, as well as slopes of the contraction curves at small molar fractions of water and alcohol.
Опис
Ключові слова
вода, спирти, розчини, рівняння стану, потенціали взаємодії, водневий зв’язок, контракція, water, alcohols, methanol, solutions, equation of state, interaction potential, H-bond, contraction
Бібліографічний опис
Тимофєєв М. В. Статистична теорія розбавлених водно-спиртових розчинів : автореф. дис ... канд. фіз.-мат. наук : [спец.] 01.04.02 " теоретична фізика" / М. В. Тимофєєв; Одеський нац. н-т. імені І. І. Мечникова – Одеса, 2018 . – 26 с.