Журнал физической химии, 2020, T. 94, № 11, стр. 1583-1588
Энтропийный предвестник фазового перехода B1–B2 кристаллического оксида магния при 300 K
Л. Р. Фокин a, Е. Ю. Кулямина a, *, В. Ю. Зицерман a
a Российская академия наук, Объединенный институт высоких температур
Москва, Россия
* E-mail: kulyamina.elena@gmail.com
Поступила в редакцию 26.12.2019
После доработки 25.02.2020
Принята к публикации 17.03.2020
Аннотация
Расчетами для MgO на изотерме 300 K (как и в работах других авторов) показано, что при сжатии в 2–2.5 раза абсолютная энтропия резко падает и стремится к нулю. При этом выявлен синергетический эффект: низкие значения энтропии на изотерме для MgO – предвестник фазового перехода, в результате которого энтропия кристалла скачком увеличивается, что снимает проблему нулевой энтропии. Установлена большая группа двухатомных твердых тел типа NaCl, которые при сжатии испытывают аналогичные фазовые переходы.
Поведение энтропии в зависимости от других параметров играет важную роль при анализе свойств термодинамической системы как в качественном, так и в количественном отношении. В переменных T–V (температура–объем) производная энтропии по объему на изотерме имеет вид
(1)
${{\left( {{{\partial S} \mathord{\left/ {\vphantom {{\partial S} {\partial V}}} \right. \kern-0em} {\partial V}}} \right)}_{T}} = \alpha {{K}_{T}} = {{\left( {{{\partial p} \mathord{\left/ {\vphantom {{\partial p} {\partial T}}} \right. \kern-0em} {\partial T}}} \right)}_{V}},$Для расчета абсолютного значения энтропии на изотерме при интегрировании по объему (1) используется выражение
(2)
$S\left( {T,V} \right) = {{S}^{0}}\left( T \right) + \int\limits_{{{V}_{0}}}^V {\alpha {{K}_{T}}dV} ,$В рамках теории термоупругости твердых тел имеется значительный объем литературы, посвященный вопросам асимптотики поведения КТР и модуля сжатия на изотерме при бесконечно высоком увеличении давления [2]. Наш анализ этой проблемы показал, что требование сохранения положительной энтропии должно выступать в качестве дополнительного критерия при построении соответствующей системы расчетных зависимостей [3, 4].
Со времен П. Бриджмена область экспериментальных и теоретических исследований свойств веществ при высоких давлениях увеличилась приблизительно на два порядка: от 1 до 200–500 ГПа, а в ряде случаев и больше. Ниже для кристаллического оксида магния MgO мы рассматриваем поведение энтропии при сжатии на изотерме 300 K до 500–600 ГПа, где по разным оценкам ожидается появление отрицательных или нулевых значений абсолютной энтропии и одновременно фазового перехода кристаллической решетки. Сам по себе оксид магния (периклаз) является одним из системообразующих компонентов коры и мантии Земли, и изучению его свойств уделяется постоянное внимание (см., например, [5, 6]).
Авторы работ [7–9], используя известные к тому времени экспериментальные и теоретические данные по КТР и модулю сжатия для оксида магния MgO на изотерме 300 K, провели с помощью (2) расчеты полной энтропии. Можно видеть, что при изменении степени сжатия $\eta = {V \mathord{\left/ {\vphantom {V {{{V}_{0}}}}} \right. \kern-0em} {{{V}_{0}}}}$ от 1 до 0.3 значение энтропии уменьшается на порядок, а в [9] достигает отрицательного значения. Авторы этих работ не всегда приводят детали, связанные с выбором исходных данных, областью их экстраполяции на высокие давления и, главное, не обсуждают возможные последствия, связанные с появлением аномально низких оценок абсолютной энтропии при сильном сжатии вещества на изотерме. Позже были опубликованы новые опытные и расчетные данные о свойствах MgO, в частности, оценки параметров структурного перехода B1–B2 в области 500 ГПа. В этой ситуации мы решили провести новые расчеты изменения энтропии кристаллического оксида магния на изотерме 300 K.
Термохимические данные для MgO приведены в справочнике [10]. При атмосферном давлении для температуры плавления твердой фазы принято значение 3100 ± 15 K в шкале температур 1968 г. Стандартная энтропия кристалла S0(300 K) = = 27.181 ± 0.15 Дж/(моль К), V0 =11.248 см3/моль. Оценка температуры Дебая θD ∼ 900 K, т.е. 300 K – это область низких приведенных температур.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ. РАСЧЕТ ЭНТРОПИИ
Реализована процедура совместной обработки и согласования разнородных данных в рамках нелинейного весового метода наименьших квадратов (МНК). Исходные данные на изотерме 300 K – КТР $\alpha \left( \eta \right)$, модуль сжатия ${{K}_{T}}\left( \eta \right)$ и оценки энтропии $S\left( \eta \right)$, а также интервалы давлений Δp и принятые нами погрешности приведены в табл. 1.
Таблица 1.
Автор, год | Метод | Δp, ГПа | Число точек, ni | Погреш-ность, % | |
---|---|---|---|---|---|
α | Chopelas, 1990, [11] | DAC*, спектр колебаний решетки → S(p) → α(p) | 1–22 | 6 | 5 |
Chopelas et al., 1992, [12] | обобщение опытных данных по адиабатическому термическому коэффициенту давлений и спектру колебаний решетки | 27–130 | 12 | 5 | |
Karki et al., 2000, [13] | DFT, динамическая матрица, квазигармоническое приближение (графическое представление данных КТР) | 30–200 | 5 | 5–30 | |
Gaurav et al., 2004, [14] | обобщение опытных данных по двухпараметрическому уравнению Anderson–Isaak α(η)/α0 | 36–582 | 9 | 5–7 | |
Sun et al., 2009, [15] | МД-моделирование, три варианта потенциалов, учет трехчастичных взаимодействий | 1–200 | 13 | 5–30 | |
Соколова и др., 2013, [16] | параметрическое уравнение состояния свободной энергии F(T, η) | 100, 236 | 2 | 5 | |
Abu_Farsakh et al., 2018, [17] | DFT, динамическая матрица, квазигармоническое приближение (графическое представление данных КТР) | 25–600 | 7 | 5 | |
KT | Kushwah et al, 1998, [18] | сравнительный анализ изотермических уравнений состояния на массиве опытных и расчетных данных | 0–224 | 6 | 10 |
Srivastava et al., 2009, [19] | эмпирические модели Anderson–Isaak и Stacey для КТР и модуля сжатия | 0–1705 | 8 | 5–10 | |
Singh et al., 2012, [20] | изотермическое уравнение состояния Holzaphel и теория свободного объема для оценок модуля сжатия | 0–224 | 5 | 10 | |
Соколова и др., 2013, [16] | параметрическое уравнение состояния свободной энергии F(T, η) | 0–236 | 3 | 5 | |
Chaturvedi et al., 2018, [21] | изотермическое уравнение состояния с оценками асимптотических значений при η → 0 производных KT по давлению до третьего порядка включительно | 0–2187 | 8 | 10 | |
S | Cynn et al., 1995, [7] | расчет энтропии (2) с учетом корреляции αKT = f(η) | 9-224 | 8 | 1–20 |
Sharma et al., 2011, [6] | расчет энтропии (2) с учетом корреляции αKT = f(η) и степенной зависимости для коэффициента Грюнайзена | 9–224 | 8 | 2–50 |
На рис. 1 можно видеть масштаб изменения и полноту используемых при аппроксимации данных по КТР и модулю сжатия, а также результаты нашей обработки этих данных.
Можно видеть, что при сжатии в 2–2.5 раза КТР падает, а модуль сжатия растет приблизительно на порядок. При этом произведение αKT с ростом давления растет, что следует иметь в виду при взятии интеграла (2) и расчете энтропии.
В перечне работ по КТР MgO можно отметить цикл экспериментальных исследований [11, 12]. Вначале [11] на изотермах при разных давлениях с помощью методов спектроскопии были проведены измерения частот колебаний решетки и в квазигармоническом приближении рассчитаны значения энтропии, что позволило при дифференцировании по давлению (∂S/∂p)T = −αV получить оценки КТР до 20 ГПа. В другом цикле работ [12] измерения температурного отклика в веществе при резком повышении давления на адиабате (∂T/∂p)S = αVT/Cp, где Cp – изобарная теплоемкость, послужили независимым источником информации о КТР при давлениях до 100–130 ГПа. В той же работе [12] авторы представили результаты дополнительного анализа и согласования рассмотренных данных, которые включены в процедуру нашей дальнейшей обработки (см. табл. 1).
При построении изотермических уравнений состояния твердых тел в области высоких давлений обычно подчеркивается, что именно модуль сжатия является ключевой величиной (K – prime) при расчете свойств. На рис. 1 можно видеть, что для модуля сжатия $\eta > 0.6$ имеется представительный массив опытных и расчетных данных. В то же время при более высокой степени сжатия $\eta < 0.6$ имеются только две работы с близкими результатами [19, 21]. Сривастава и соавторы [19] при построении зависимости KT(η) для модуля сжатия использовали, в основном, два источника информации: 1) многочисленные широкодиапазонные обобщения коэффициента Грюнайзена $\gamma = {{\alpha {{K}_{T}}V} \mathord{\left/ {\vphantom {{\alpha {{K}_{T}}V} {{{C}_{V}}}}} \right. \kern-0em} {{{C}_{V}}}}$ (CV – изохорная теплоемкость), 2) результаты квантово-механических расчетов потенциалов межионных взаимодействий (здесь Mg–Mg, O–O, Mg–O) и одновременно сжимаемости твердых тел [22]. Позже в работе [21], в частности, для оксида магния было построено уравнение состояния, включающее асимптотические оценки при $\eta \to 0.2$ производных модуля сжатия по давлению до третьего порядка включительно. Рассчитанные здесь оценки KT(η) при степени сжатия $\eta = 1 - 0.2$ и данные [19, 22] близки (см. рис. 1). Тем не менее, для этой области сильного сжатия $\eta < 0.6$ новые экспериментальные и теоретические исследования сжимаемости MgO будут весьма полезны.
Отметим, что расчеты модуля сжатия MgO методом минимизации энергии атомизации при давлениях до 60 ГПа были проведены также в МГУ и опубликованы в 2002 г. [23].
При формировании функционала МНК были использованы следующие параметрические зависимости: для КТР $Y\left( \alpha \right) = {{a}_{1}}\exp [ - {{a}_{2}}(1 - {{\eta }^{{{{a}_{3}}}}})]$, для модуля сжатия $Y\left( {{{K}_{T}}} \right) = {{a}_{4}}\exp [{{a}_{5}}(1 - {{\eta }^{{{{a}_{6}}}}})]$, для энтропии Y(S) выражение (2), где под интегралом стоит произведение $Y\left( \alpha \right)Y\left( {{{K}_{T}}} \right)$ c варьируемыми параметрами ${{a}_{{1 - 6}}}$. При совместной аппроксимации набора независимых данных n = 100 (табл. 1) и числе параметров m = 6 были найдены минимум МНК функционала M = 119, оптимальный набор параметров ${{a}_{{1 - 6}}}$, а также вариационно-ковариационная матрица их погрешностей с элементами $\operatorname{cov} \left( {{{a}_{i}},{{a}_{j}}} \right)$. Вектор параметров:
Таблица 2.
i, j | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
---|---|---|---|---|---|---|
1 | 0.339E+0 | –0.551E–1 | 0.381E–1 | –0.402E–1 | 0.684E–2 | –0.435E–3 |
2 | –0.50E+0 | 0.358E–1 | –0.170E–1 | 0.153E–2 | 0.503E–3 | –0.377E–4 |
3 | 0.70E+0 | –0.96E+0 | 0.881E–2 | –0.216E–2 | –0.358E–4 | 0.552E–5 |
4 | –0.39E–1 | 0.45E–2 | –0.13E–1 | 0.319E+1 | 0.469E+0 | –0.381E–1 |
5 | 0.10E–1 | 0.23E–2 | –0.34E–3 | 0.23E+0 | 0.128E+1 | –0.880E–1 |
6 | –0.95E–2 | –0.26E–2 | 0.75E–3 | –0.27E+0 | –0.99E+0 | 0.610E–2 |
Знание матрицы ошибок дает возможность, в частности, предложить оценки доверительных погрешностей рассматриваемых функций Y, включая энтропию
(3)
$\Delta {{Y}_{P}} = {{t}_{P}}{{\left[ {\frac{M}{{n - m}}\sum\nolimits_i {\sum\nolimits_j {\frac{{\partial Y}}{{\partial {{a}_{i}}}}\frac{{\partial Y}}{{\partial {{a}_{j}}}}\operatorname{cov} \left( {{{a}_{i}}{{a}_{j}}} \right)} } } \right]}^{{1/2}}},$Таблица 3.
η | p, ГПа [14] | S | ΔS | S | ||
---|---|---|---|---|---|---|
[7] | [8] | [9] | ||||
1 | 0.6705 | 0.6705 | 0.6705 | 0.6705 | ||
0.9 | 21.1 | 0.5317 | 0.002 | 0.5384 | 0.5355 | 0.5295 |
0.8 | 56.6 | 0.4209 | 0.003 | 0.4201 | 0.4162 | 0.3876 |
0.7 | 117 | 0.3287 | 0.005 | 0.3102 | 0.3068 | 0.2437 |
0.6 | 224 | 0.2300 | 0.006 | 0.2033 | 0.2004 | 0.0958 |
0.5 | 421 | 0.1195 | 0.008 | 0.0902 | –0.059 | |
0.4 | 815 | 0.0093 | 0.011 | |||
0.3 | 1705 | –0.1234 | 0.018 |
На рис. 2 показана картина изменения энтропии и соответствующий коридор ошибок.
Выполненные ранее и проведенные нами расчеты показывают, что на изотерме 300 K при сжатии в 2–3 раза при давлениях 400–600 ГПа энтропия кристаллической решетки уменьшается на порядок по сравнению с величиной при атмосферном давлении, и абсолютная энтропия стремится к нулевому значению. В то же время расчеты и эксперименты последних лет свидетельствуют о том, что в этой области параметров в кристалле MgO происходит фазовый B1(ГЦК)–B2(ОЦК)-переход [25–27]. Линия фазового перехода имеет отрицательный наклон и отрицательный скачок объема ∼6–8%. По нашему мнению, выполненные расчеты абсолютной энтропии указывают на то, что в этой ситуации мы наблюдаем синергетический эффект: резкое падение энтропии является предвестником фазового перехода, а фазовый переход, со своей стороны, приводит к скачкообразному росту энтропии и снимает намечающийся энтропийный кризис в системе.
Следует отметить, что этот результат для MgO мы не можем распространить на более высокие температуры: стандартная энтропия кристалла растет, и чтобы скомпенсировать ее значение на изотерме, необходимо осуществить сжатие вещества в 4–5 раз, далеко за линией фазового перехода. С другой стороны, многие двухатомные кристаллы, например, оксиды щелочно-земельных металлов (Be, Ca, Sr, Ba)O, галогениды щелочных металлов (Na, K, Rb, Cs)Cl, халькогениды бария, церия (S, Se,Te) и другие [28] испытывают фазовые переходы типа B1–B2, и роль энтропии, стремящейся к нулю при сжатии на изотерме, при анализе этих переходов заслуживает дальнейшего изучения, как и вся проблема Бриджмена в ее термодинамической постановке (1) [1].
Таким образом, на примере кристаллического оксида магния при сжатии в 2–3 раза на изотерме 300 K выявлены резкое падение энтропии и ее стремление к нулю. Это дает основание расширить исходную формулировку П. Бриджмена применительно к проблеме поведения энтропии твердого тела на изотерме при бесконечно высоком сжатии. Если пример с MgO не является исключением, то для термодинамической системы задача преодоления нулевой энтропии может возникать также при сжатии других веществ в 2–3 раза и более. Мы знаем механизмы в виде отрицательных значений КТР и структурных превращений, которые позволяют преодолеть энтропийный кризис. Но мы пока что не знаем, какие сенсорные датчики имеет система для восприятия приближающейся катастрофы и для сохранения своей термодинамической идентичности.
Работа подготовлена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта № 17-08-00736).
Список литературы
Bridgmen P.W. // Rev. Modern Phys. 1935. V. 7. P. 1.
Stacey F.D., Davis P.M. // Phys. Earth Planet. Inter. 2004. V. 142. P. 137.
Фокин Л.Р., Кулямина Е.Ю., Зицерман В.Ю. // Журн. физ. химии. 2020. Т. 94. № 2.
Фокин Л.Р., Кулямина Е.Ю., Зицерман В.Ю. // Изв. КБГУ. 2020. (в печати)
Кусков О.Л., Галимзянов Р.Ф., Калинин В.А. и др. // Геохимия. 1982. Т. 20. № 7. С. 984.
Паньков В., Ульман В., Хайрих Р., Краке Д. // Российский журнал наук о Земле. 1998. Т. 1. С. 11.
Cynn H., Anderson O.I., Isaak D.G. // J. Phys. Chem. 1995. V. 99. P. 7813.
Srivastava S.K., Sharma S.K., Vinod K., Malik V.S. // J. Phys. Chem. Solids. 2008. V. 69. P. 1029.
Sharma S.K., Sharma B.K., Kumar R., Sharma B.S. // Modern Phys. Lett. B. 2011. V. 25. P. 218.
Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справочное издание в 4-х т. / Л.В. Гурвич, И.В. Вейц, В.А. Медведев и др. Т. III. Кн. 1, 2. М.: Наука, 1981.
Chopelas A. // Phys. Chem. Minerals. 1990. V. 17. P. 142.
Chopelas A., Boehler R. // Geophys. Res. Lett. 1992. V. 19. P. 1983.
Karki B.B., Wentzcovitch R.M., de Gironcoli S., Baroni S. // Phys. Rev. B. 2000. V. 61. P. 8793.
Gaurav S., Sharma B.S., Sharma S.B., Upadhyaya S.C. // J. Phys. Chem. Solids. 2004. V. 65. P. 1635.
Sun X.-W., Liu Z.-J., Chen Q.-F. et al. // Chin Phys B. 2009. V. 18. P. 5001.
Соколова Т.С., Дорогокупец П.И., Литасов К.Д. // Геология и геофизика. 2013. Т. 54. № 2. С. 237.
Abu-Farsakh H., Al-Qasir I., Qteish A. // Computational Materials Science. 2018. V. 154. P. 159.
Kushwah S.S., Shanker J.A. // Physica B. 1998. V. 253. P. 90.
Srivastava S.K., Sharma S.K., Sinha P. // J. Phys. Chem. Solids. 2009. V. 70. P. 255.
Singh B.P., Chandra H., Shyam R., Singh A. // Bull. Mater. Sci. 2012. V. 35. P. 631.
Chaturvedi P., Goyal M. // Chin. J. Phys. 2018. V. 56. P. 2069.
Hama J., Saito K. // J. Phys. Condens. Matter. 1996. V. 8. P. 67.
Урусов В.С., Кантор И.Ю. // Докл. РАН. 2002. Т. 386. № 5. С. 614.
Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1991. 304 с.
Coppari F., Smith R.F., Eggert J.H. et al. // Nature Geosci. 2013. V. 6. P. 926.
Gour A., Shareef F., Singh S. // Phase Transitions. 2015. V. 88. P. 1.
Dubrovinskaia N., Petitgirard S., Charliton S. et al. // 2019. arXiv: 1904.00476
Kholiya K. Pressure Induced B1-B2 Phase Transition in Binary Solids: A simple potential model approach. LAP LAMBERT Publ., 2012. 96 p.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Журнал физической химии