ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Термодинамика поверхности и поверхностей раздела из "Физико-химия нанокластеров наноструктур и наноматериалов" Атомы на поверхности раздела твердого тела или жидкости обладают окружением, отличным от окружения в объеме. Читатель, наверно, уже обратил внимание, что в главе 3 приводилось это утверждение, однако здесь речь пойдет о характеристике и свойствах поверхности и межфазных границ на языке термодинамических параметров. Появление поверхности или поверхностей раздела ведет к увеличению энергии системы. Ранее был введен важнейший параметр — химический потенциал, который характеризует химические превращения вещества, в том числе на поверхности. В этом пункте вводится другой параметр, специфичный для поверхности, — поверхностное натяжение. Здесь опять целесообразно начать рассмотрение с аналогии силы в механике. [c.158] Можно рассмотреть схему на рис. 4.1, на которой изображена петля из материала, включающего жидкость. [c.158] Это уравнение может применятся и для системы, включающей твердую фазу. [c.159] Поверхностное натяжение 7 для твердых тел определяется как обратимая работа по созданию новой поверхности путем добавления других атомов на поверхности. Это работа необходима, чтобы деформировать поверхность твердого тела и представляет собой меру искажений поверхности, которая может быть как за счет сжатия, так и растяжения твердого тела. Для жидкости поверхностное растяжение и сжатие равны, а для твердого тела — могут отличатся. [c.159] Читателю, вероятно, известно, что наиболее наглядно действие поверхностного натяжения проявляется в образовании сферических капель воды, мыльных пузырей и т.д., что связано с минимизацией площади поверхности и поверхностной энергии. [c.159] Для кристаллов 7 = /(в) зависит от кристаллических направлений. Аналогичное рассмотрение применимо для поверхностей, включающих интерфейсный слой, изображенный, например, на рис. 4.2, где вместо общей системы рассматриваются параметры поверхности интерфейсного слоя (избыточные параметры) [4]. [c.160] Таким образом, распределение нескольких сортов атомов на границе определяется суммарным понижением свободной энергии и характеризуется сильным влиянием малых количеств веществ с низким поверхностным натяжением. Эти вещества имеют тенденцию концентрироваться в поверхностном слое, уменьшая поверхностное натяжение. Для компонент с высоким поверхностным натяжением добавление в поверхностный слой с более низкой поверхностной энергией ведет к уменьшению их концентрации на поверхности и оказывает весьма слабое влияние на поверхностное натяжение. Следовательно поверхностная энергия не меняется линейно при перераспределении содержания того или иного компонента. Этот факт демонстрируется на рис. 4.3. [c.161] При низкой концентрации Г2 может быть измерена в координатах 7 — 1п С2 по наклону зависимости. Наклон может оставаться постоянным в некотором интервале с высокой поверхностной активностью, соответствующем, например, образованию монослоя на поверхности. Для веществ с высокой поверхностной энергией, таких как металлы, влияние поверхностных примесных атомов очень велико. Например, кислород и сера могут понизить поверхностное натяжение жидкого железа от 1,84 н/м до 1,2 н/м при добавлении всего 0,05 %. То же самое справедливо и для поверхностей твердых металлов, карбидов и нитридов. [c.161] Значения рассмотренной поверхностной энергаи изменяются в очень широких пределах от 0,072 Дж/м для воды до нескольких единиц для алмаза и карбида кремния. В качестве примеров приведем данные [4] медь (твердая) — 1,43, серебро (твердое) — 1,14, платина (жидкая) — 1,86, поваренная соль (кристалл (100)) — 0,30, оксид железа (жидкий) — 0,59, оксид алюминия (твердый) — 0,91, карбид титана (твердый) 1,19 Дж/м В целом поверхностная энергия для твердых вешеств может превышать аналогичные значения для жидкости на 15 Ч- 25 %. [c.162] Избыточная поверхностная энергая для материалов с развитой поверхностью достаточна для обеспечения многих процессов на поверхности, например спекания нанокластеров, как это будет показано далее. [c.162] Вернуться к основной статье