VN(г). Термодинамические свойства газообразного нитрида ванадия в стандартном состоянии при температурах 100 - 6000 К приведены в табл. VN.
В табл. V.Д1 представлены молекулярные постоянные, использованные для расчета термодинамических функций VN.
Основное состояние молекулы VN, согласно экспериментальным исследованиям электронного спектра [89PET/DUN, 89SIM/MAS, 93BAL/MER, 2001RAM/BER2, 2004MA/LEU] и квантово-механическим расчетам [93MAT/DOL, 96HAR, 2002JAN/KEL, 2006WU], имеет симметрию 3Δ.
Константы (A, λ) спин-орбитального расщепления основного состояния X3Δ получены в работах [93BAL/MER] и [2008FLO/ZIU]. В табл. V.Д1 приведены энергии компонент X3Δ2 и X3Δ3, рассчитанные на основе констант [93BAL/MER]. Последние получены практически из экспериментальных значений этих энергий. Константы [2008FLO/ZIU] менее точны, они получены многопараметрической обработкой частот линий сверхтонкой структуры вращательных переходов (J=8 → J=9 ÷ J=13 → J=14 в каждой из компонент X3Δ и J=7 → J=8 в компонентах X3Δ1 и X3Δ2). Энергии X3Δ2 и X3Δ3, рассчитанные на основе констант [2008FLO/ZIU], меньше примерно на 7 см-1 и 2 см-1.
Колебательные константы (we, wexe) в состоянии X3Δ экспериментально не определены. В [89SIM/MAS] (из спектра флуоресценции низкого разрешения) получено лишь значение колебательного кванта ΔG1/2 = 1020 ± 5 см-1. Значения we и wexe, приведенные в табл. V.Д1, рассчитаны на основе данного значения ΔG1/2 по формуле 1.67, при принятом значении энергии диссоциации D0 = 38200 см-1.
Вращательные константы X3Δ получены экспериментально только для колебательного уровня v=0: в том числе для состояния X3Δ в целом в [89PET/DUN, 93BAL/MER, 2008FLO/ZIU] и для компоненты X3Δ1 в [89PET/DUN, 89SIM/MAS, 2001RAM/BER2]. Расхождения в значениях B0 не превышают 0.00005 см-1 для X3Δ и 0.0005 см-1 для X3Δ1. Константы Be и a1 в табл. V.Д1 рассчитаны с использованием значения B0 = 0.6253286(60) см-1 [93BAL/MER] и формулы 1.69. В качестве De принято значение D0 из [93BAL/MER].
Энергии возбужденных состояний VN определены экспериментально в работах [89PET/DUN] (A 3Φ), [89SIM/MAS] (d1Σ+), [93BAL/MER] (D3Π), [2001RAM/BER2] (b1Σ+), [2004MA/LEU] (E3Δ). Энергии состояний e1Π и f1Φ определены относительно состояния a1Δ в [2001RAM/BER2, 2002RAM/BER3], энергия a1Δ оценена в 3390 см-1 [93BAL/MER] и в 2949 см-1 [2008FLO/ZIU] относительно компоненты X3Δ2. (В первой работе оценка основана на величине спин-орбитальной константы второго порядка λ, во второй работе – на константах сверхтонкой структуры в основном состоянии X3Δ). Среднее значение из двух оценок дает энергию a1Δ относительно X3Δ1 3300 см-1, погрешность оценена в ± 500 см-1. Энергии триплетных состояний A 3Φ, D 3Π, E 3Δ в работах [89PET/DUN, 93BAL/MER, 2004MA/LEU] определены относительно центра мультиплета X3Δ. В табл. V.Д1 энергии этих состояний увеличены на 148.7614 см-1. Данная величина соответствует энергии центра мультиплета X3Δ относительно нижней компоненты X3Δ1 и рассчитана по формуле 2A – 2/3λ из констант спин-орбитального расщепления X3Δ [93BAL/MER].
Квантово-механические расчеты возбужденных состояний выполнены в работах [93MAT/DOL] (MRSD-CI, LDF) и [96HAR] (MRCI). В [93MAT/DOL] с хорошей точностью воспроизведена энергия состояния D 3Π. В [96HAR] рассчитаны энергии 8 возбужденных состояний, 7 из которых могут быть соотнесены с наблюдавшимися состояниями a 1Δ, b 1Σ +, d 1Σ +, D 3Π, A 3Φ, e 1Π, f 1Φ. Расхождения между рассчитанными и экспериментальными энергиями достигают 0.45 эВ (d 1Σ +). Для не наблюдавшегося состояния 3Σ – расчет дал энергию 0.657 эВ (5300 см-1). Из-за низкой точности расчета состояние 3Σ – не включено в табл. V.Д1 индивидуально, оно учтено в синтетическом состоянии 10000 см-1, см. ниже.
Колебательные и вращательные константы возбужденных состояний VN в расчетах термодинамических функций не использовались и приведены в таблице V.Д1 для справки. Использованы данные работ [89PET/DUN] (A 3Φ), [89SIM/MAS] (d 1Σ +), [93BAL/MER] (D 3Π), [2001RAM/BER2] (b 1Σ +, d 1Σ +, e 1Π), [2002RAM/BER3] (a 1Δ, f 1Φ), [2004MA/LEU] (E 3Δ).
В расчет термодинамических функций были включены: а) основное состояние X 3Δ1; б) компоненты спин-орбитального расщепления X 3Δ2 и X 3Δ3, как отдельные состояния; в) возбужденные состояния, наблюдавшиеся экспериментально; г) синтетические состояния, объединяющие прочие возбужденные состояния молекулы с оцененной энергией до 40000 см-1.
Статистические веса синтетических состояний оценены с использованием ионной модели. Использовалось также сравнение с изоэлектронной молекулой TiO. К уровню энергии 10000 см-1 отнесено состояние 3Π ионной конфигурации V3+(3d4s)N3- и два состояния, 3Σ- и 1Γ, ионной конфигурации V3+(3d2)N3-. Синтетическое состояние 15000 см-1 – это состояние 1Π ионной конфигурации V3+(3d4s)N3-. Остальные не наблюдавшиеся состояния модели V3+N3- (за исключением одного) общим статистическим весом 20 вошли в синтетические состояния 25000 – 40000 см-1. Одно состояние, 1Σ + конфигурации 4dσ2, по оценке лежит выше этого интервала энергий. Основной вклад в синтетические состояния 20000 – 40000 см-1 дают состояния модели V2+N2- (двухвалентные состояния). Учтены состояния ионных конфигураций V2+(3d4s2)N2-(2p5) и V2+(3d24s)N2-(2p5). Принималось, что состояния V2+(3d4s2)N2-(2p5, 2Π) лежат выше соответствующих состояний V3+(3d4s)N3- на 20000 см-1, а состояния V2+(3d4s2)N2-(2p5, 2Σ) – на 25000 см-1. Таким же принималось относительное расположение для состояний V2+(3d24s)N2-(2p5) и V3+(3d2)N3-. Состояния модели V+N- (одновалентные состояния) не учтены.
Термодинамические функции VN(г) были вычислены по уравнениям (1.3) - (1.6), (1.9), (1.10), (1.93) - (1.95). Значения Qвн и ее производных рассчитывались по уравнениям (1.90) - (1.92) с учетом семнадцати возбужденных состояний в предположении, что Qкол.вр(i) = (pi/pX)Qкол.вр(X). Колебательно-вращательная статистическая сумма состояния X 3Δ1 и ее производные вычислялись по уравнениям (1.70) - (1.75) непосредственным суммированием по колебательным уровням и интегрированием по вращательным уровням энергии с помощью уравнения типа (1.82). В расчетах учитывались все уровни энергии со значениями J < Jmax,v, где Jmax,v находилось из условий (1.81). Колебательно-вращательные уровни состояния X 3Δ1 вычислялись по уравнениям (1.65), значения коэффициентов Ykl в этих уравнениях были рассчитаны по соотношениям (1.66) для изотопической модификации, соответствующей естественной смеси изотопов ванадия и азота из молекулярных постоянных 51V14N, приведенных в табл. V.Д1. Значения коэффициентов Ykl, а также величины vmax и Jlim приведены в табл.V.Д2.
При комнатной температуре получены следующие значения:
Cpo(298.15 К) = 32.850 ± 0.27 Дж×К‑1×моль‑1
So(298.15 К) = 231.367 ± 0.026 Дж×К‑1×моль‑1
Ho(298.15 К)-Ho(0) = 9.749 ± 0.004 кДж×моль‑1
Основной вклад в погрешность рассчитанных термодинамических функций VN(г) при температуре 298.15 K дает метод расчета. При 1000, 3000 и 6000 K сравнимый или превосходящий вклад в погрешность дает неопределенность энергий возбужденных электронных состояний. Погрешности в значениях Φº(T) при T = 298.15, 1000, 3000 и 6000 K оцениваются в 0.01, 0.07, 0.34 и 0.8 Дж×K‑1×моль‑1, соответственно.
Ранее термодинамические функции VN(г) вычислялись для таблиц JANAF [98CHA]. Расхождения таблиц JANAF и табл. VN в величине Φº(T) составляют 5.2, 2.9, 2.3 и 1.0 Дж×K‑1×моль‑1 при 298.15, 1000, 3000 и 6000 K, соответственно. При 298.15 K расхождение обусловлено тем, что авторы [98CHA] не учитывали мультиплетное расщепление состояния X3Δ. Действие этого фактора быстро снижается с увеличением температуры; при 1000 K и выше расхождения «поддерживаются» состоянием с энергией 1000 см-1 (g = 2), которое включено в расчет [98CHA] и отсутствует в настоящем расчете. Некоторый вклад в расхождения дает заниженное в [98CHA] значение вращательной константы Be = 0.5905 см-1.
Термохимические величины для VN(г).
Константа равновесия реакции VN(г)=V(г)+N(г) вычислена по принятому значению энергии диссоциации:
Dº0(VN) = 457 ± 10 кДж·моль-1.
Это значение получено в результате обработки результатов масс-спектрометрических измерений константы равновесия реакции VN(г)=V(г)+0.5N2(г) (13 измерений для температур 1900-2412 К [73FAR/SRI]). Обработка представленного в работе материала приводит к значениям ΔrHº(0 К)/(кДж·моль-1), равным ‑6 ± 28(II закон) и ‑13.7 ± 9(III закон), соответственно. Эти величины приводят к значениям: Dº0(VN) = 465 ± 28 кДж·моль-1 (II) и Dº0(VN) = 457 ± 10 кДж·моль-1 (III).
Принятое значение базируется на результате, основанном на использовании III закона термодинамики. Погрешность основывается в основном на неточности принятых сечений ионизации.
Принятому значению соответствуют величины:
ΔfHº(VN, г, 0 K) = 527.991 ± 10.3 кДж·моль-1 .
ΔfHº(VN, г, 298.15 K) = 528.825 ± 10.3 кДж·моль-1 .
Класс точности, оцененный в соответствии с погрешностями принятых величин: 4-E.
Авторы
Куликов А.Н. aleksej-kulikov@km.ru
Гусаров А.В. a-gusarov@yandex.ru
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
14.10.11
Таблица V.Д1 Молекулярные постоянные V2, VO, VH, VF, VCl.
Примечания: все постоянные ниже даны в см-1. V2 a Оцененные электронные состояния:
б рассчитано по формуле 1.67 из среднего для X 3Σ0– и X 3Σ1– значения DG1/2 = 535 [84LAN/MOR] при D0 = 22201 [92SPA/MOR2], см. текст; в среднее значение для X 3Σ0– и X 3Σ1–; г рассчитано по формуле 1.68; е константы для уровня v=0, T0, DG1/2; ж расчет [2000O'B/ALB]; з в матрице Ar [80COS/FOU], колебательные уровни в газовой фазе 846, 1339, 1867, 2388(±15) [2009BAL/LI].
VO a Оцененные электронные состояния:
б λ0 = 2.03087, λ1 = 2.028; в константы для уровня v=0, T0, DG1/2; г A = 56.93; д A = 35.19; е A = ~ 158; ж A = 63.0; з A ~ 66; и A ~ 207; к λ = 0.747; л A = 119.6; м A = 47.83; н A ~ 167; о A ~ 50;
VH a Оцененные электронные состояния:
б усредненные значения по результатам квантово-механических расчетов, см. текст; в рассчитано по формулам 1.67 – 1.69; г рассчитано по формуле 1.38; д среднее из вариантов расчета [2004KOS/ISH]; е ~ среднее из результатов расчетов[74SCO/RIC, 75HEN/DAS, 81DAS, 83WAL/BAU, 96FUJ/IWA, 2004KOS/ISH]; ж расчет [2004KOS/ISH]; з из рисунка потенциальных кривых [2004KOS/ISH];
VF a Оцененные электронные состояния:
б экспериментальные константы низколежащего состояния (A 5Δ) [2002RAM/BER] , принятые для расчета колебательно-вращательной статистической суммы основного состояния; в рассчитано по формуле 1.68; г спин-орбитальное расщепление X 5Π оценено из расщепления терма a5F иона V+ [71MOO]; д расчет [2004KOU/KAR] (C-MRCI+Q);
VCl a Оцененные электронные состояния:
б усредненные константы для компонент X 5Δ [2003RAM/LIE]; в константы для уровня v = 0, DG1/2; г возможное положение компонент X 5Δ и A 5Π с учетом данных [2009HAL/ZIU] о возмущениях в сверхтонкой структуре X 5Δ; д расчет [2003RAM/LIE]; е T0(E 5Δ2) = T0(X 5Δ2) + 6941.77; |
Таблица V.Д2. Значения коэффициентов в уравнениях, описывающих уровни энергии (в см‑1), а также значения vmax и Jlim, принятые для расчета термодинамических функций V2, VO, VH, VF, VCl.
Примечание. а энергии возбужденных состояний приведены в таблице V.Д1; |
[71MOO] | Moore Ch.E. -'Atomic energy levels.' , Washington: NSRDS-NBS, No.35., 1971, 1-3 |
[73FAR/SRI] | Farber B.M., Srivastava R.D. -"Effusion-mass spectrometric study of thermodynamic properties of vanadium and vanadium nitride." J.C.S. Faraday Trans. 1973, 69, No.2, p. 390-398 |
[74SCO/RIC] | Scott P.R., Richards W.G. -"On the ligand field effect of the H atom in the TiH and VH." J. Phys. B.: Atom. and Mol. Phys., 1974, 7, No.11, p.L347-L349 |
[75HEN/DAS] | Henderson G.A., Das G., Wahl A.C. -"Multiconfiguration studies of some low-lying bound states of VH." J. Chem. Phys., 1975, 63, No.7, p.2805-2809 |
[80COS/FOU] | Cosse C., Fouassier M., Mejean T., Tranguille M. -"Dititanium and divanadium." J. Chem. Phys., 1980, 73, No.12, p.6076-6085 |
[81DAS] | Das G. -"A pseudopotential study of the iron-series transition metal hydrides." J. Chem. Phys., 1981, 74, No.10, p. 5766-5774 |
[83WAL/BAU] | Walch S.P., Bauschlicher C.W.(Jr.). -"CASSCF/CI calculations for first row transition metal hydrides: The TiH (4Ф), VH(5DELTA), CrH(6SIGMA+), MnH(7SIGMA+), FeH(4,6DELTA), and NiH(2DELTA) states." J. Chem. Phys., 1983, 78, No.7, p.4597-4605 |
[84LAN/MOR] | Langridge-Smith P.R.R., Morse M.D., Hansen G.P., Smalley R.E., Merer A.J. -"The bond length and electronic structure of V2." J. Chem. Phys., 1984, 80, No.2, p.593-600 |
[89PET/DUN] | Peter S.L., Dunn T.M. -"Rotational analysis of the 7000A (A3Ф - X3DELTA) electronic emission system of diatomic vanadium mononitride (VN)." J. Chem. Phys., 1989, 90, No.10, p. 5333-5336 |
[89SIM/MAS] | Simard B., Masoni C., Hackett P.A. -"Spectroscopy and photophysics of refractory molecules at low temperature: The d1SIGMA+ - X3DELTA1 intercombination system of vanadium nitride." J. Mol. Spectrosc., 1989, 136, p.44-55 |
[92SPA/MOR2] | Spain E.M., Morse M.D. -"Bond strengths of transition-metal dimers: TiV, V2, TiCo, and VNi." J. Phys. Chem., 1992, 96, No. 6, p.2479-2486 |
[93BAL/MER] | Balfour W.J., Merer A.J., Niki H., Simard B., Hackett P.A. - "Rotational, fine, and hyperfine analyses of the (0, 0) band of the D3PI - X3DELTA system of vanadium mononitride." J. Chem. Phys., 1993, 99, No.5, p.3288-3303 |
[93MAT/DOL] | Mattar S.M., Doleman B.J. - Chem. Phys. Lett., 1993, 216, p.369 |
[96FUJ/IWA] | Fujii T.S., Iwata S. -"Theoretical studies of the ground and low-lying excited electronic states of the early transition metal dihydrides with state averaged MC SCF method." Chem. Phys. Lett., 1996, 251, p.150-156 |
[96HAR] | Harrison J.F. -"Electronic structure of the transition metal nitrides TiN, VN, ans CrN." J. Phys. Chem., 1996, 100, p. 3513-3519 |
[98CHA] | Chase M.W. -"NIST-JANAF thermochemical tables. Fourth edition." Phys.and Chem. Ref. Data, Monograph N9, 1998, 27, No.9, p.1-1951 |
[2000O'B/ALB] | O'Brien T.A., Albert K., Zerner M.C. -"The electronic structure and spectroscopy of V2." J. Chem. Phys., 2000, 112, No.7, p.3192-3200 |
[2001RAM/BER2] | Ram R.S., Bernath P.F., Davis S.P. -"Emission spectroscopy of the d1SIGMA+ - b1SIGMA+, d1SIGMA+ - X3DELTA1, and e1PI - a1DELTA systems of VN." J. Mol. Spectrosc., 2001, 210, p.110-118 |
[2002JAN/KEL] | Jansik B., Kello V., Urban M. -"Dipole moments calculations of transition metal mononitrides: ScN, TiN, VN, and CrN: Limits of the CCSD(T) method." Int. J. Quantum Chem., 2002, 90, No.3, p. 1240-1248 |
[2002RAM/BER3] | Ram R.S., Bernath P.F., Davis S.P. -"Fourier transform emission spectroscopy of the f1Ф - a1DELTA system of VN." J. Mol. Spectrosc., 2002, 215, p.163-164 |
[2002RAM/BER] | Ram R.S., Bernath P.F., Davis S.P., Merer A.J. -"Fourier transform emission spectroscopy of a new 2Ф - 1 2DELTA system of VO." J. Mol. Spectrosc., 2002, 211, p.279-283 |
[2003RAM/LIE] | Ram R.S., Lievin J., Bernath P.F., Davis S.P. -"Infrared emission spectroscopy and ab initio calculations on VCl." J. Mol. Spectrosc., 2003, 217, p.186-194 |
[2004KOS/ISH] | Koseki S., Ishihara Y., Fedorov D.G., Umeda H., Schmidt M.W., Gordon M.S. -"Dissociation potential curves of low-lying states in transition metal hydrides. 2. Hydrides of group 3 and 5." J. Phys. Chem. A, 2004, 108, No.21, p.4707-4719 |
[2004KOU/KAR] | Koukounas C., Kardahakis S., Mavridis A. -"Ab initio investigation of the ground and low-lying states of the diatomic fluorides TiF, VF, CrF and MnF." J. Chem. Phys., 2004, 120, No.24, p.11500-11521 |
[2004MA/LEU] | Ma T., Leung J.W-H., Cheung A.S-C. -"Cavity ring-down laser absorption spectroscopy of the E3DELTA - X3DELTA transition of VN." J. Phys. Chem. A, 2004, 108, p.5333-5337 |
[2006WU] | Wu Z.L. -"Electronic structures of 3d-metal mononitrides." J. Computational Chem, 2006, 27, No.3, p.267-276 |
[2008FLO/ZIU] | Flory M.A., Ziurys L.M. -"Submillimeter-wave spectroscopy of VN(X3DELTAr) and VO(X4SIGMA-): A study of the hyperfine interactions." J. Mol. Spectrosc., 2008, 247, No.1, p.76-84 |
[2009BAL/LI] | Balfour W.J., Li R. -"Visible bands of divanadium." J. Chem. Phys., 2009, 131, No.136101, p.1-2 |
[2009HAL/ZIU] | Halfen D.T., Ziurys L.M., Brown J.M. -"Fine structure and hyperfine perturbations in the pure rotational spectrum of the VCl radical in its X5DELTAr state." J. Chem. Phys., 2009, 130, No.164301, p.1-10 |