химический каталог




Развитие химии поверхности

Автор неизвестен

Известно остроумное замечание знаменитого физика Вольфганга Паули, что если тела создал Бог, то рождение поверхности не обошлось без Дьявола.

Особая роль поверхности в формировании свойств материалов привлекает все более пристальное внимание исследователей. Нужно отметить, что успехи здесь им даются нелегко. Возникает целый комплекс сложнейших теоретических и экспериментальных проблем.

Поверхность имеет избыток свободной энергии по сравнению с объемом за счет нескомпенсированных химических связей находящихся на ней частиц. Как следствие универсального стремления систем к минимуму свободной энергии имеют место следующие явления: поверхностное натяжение, коалесценция жидкостей, адсорбция, прилипание и смачивание и др. При нагреве кристаллов уже при температурах 0,4 от температуры плавления обнаруживается перестройка конденсированной фазы типа поверхностного оплавления. Очевидно, что появление даже очень тонкой жидкой пленки способно существенно изменить диффузионные процессы, повлиять на каталитические и адсорбционные свойства материала.

Реальная поверхность твердого тела не идеальна, а имеет многочисленные микро- и макроскопические дефекты: выходы дислокаций, границы доменов, зерен, трещины и т. п. Поэтому она неоднородна по распределению потенциалов, электрически активна.

Диффузионная подвижность атомов, ионов или молекул на поверхности на несколько порядков выше, чем в объеме твердых тел. Это облегчает поверхностный транспорт частиц при взаимодействии двухфазных систем и делает понятным интенсификацию массообменных и химических процессов при диспергировании твердой фазы. Например, при взаимодействии оксидов кальция и молибдена

СаО + МоО3 = СаМоО4

коэффициент реакционной диффузии молибдена составляет 10-8 см2/с) тогда как коэффициент объемной диффузии молибдена в монокристалле СаМоО4 равен 10-13 см2/с. Твердые электролиты, получаемые прессованием порошков AgBr, имеют высокую ионную проводимость, обусловленную поверхностной подвижностью ионов Ag+.

Такие особые свойства поверхности делают очевидным предположение о том, что можно в значительной степени управлять свойствами материалов, обрабатывая тем или иным образом их поверхность. Открытый академиком П. А. Ребиндером эффект уменьшения прочности материалов под влиянием поверхностно активных веществ ПАВ, который подробнее обсуждается ниже, является тому наглядным примером. П. А. Ребиндер также обнаружил эффект снижения твердости тел при смачивании их родственными расплавами, что используется при обработке высокопрочных закаленных сталей и сплавов. Благодаря этому удалось повысить скорость сверления в 200 раз, а срок службы сверл — в 300 раз.

Поверхностная обработка может существенно повысить прочность материала (эффект Роско). Например, ионная имплантация азота на поверхности стали в 30 раз повышает стойкость слоя к истиранию. Достаточно широко используется процесс поверхностного упрочнения стекол путем ионного обмена (для авиа- и автомобилестроения).

Давно известный прием — применение смазок трущихся поверхностей — имеет весьма сложную природу. Здесь происходит физико-химическое взаимодействие смазки с трущимися поверхностями, включая пластифицирование, образование адсорбционных и хемосорбционных поверхностных слоев. Получают распространение твердые (порошковые) смазки и твердые смазочные покрытия.

Поверхностная обработка существенно изменяет коррозионные процессы. Например, полирование механическое или химическое, пассивация, обработка поверхности ингибиторами создают барьер для возникновения или распространения коррозии.

Имеются доказательства, что при гетерогенном катализе активными центрами являются места выхода на поверхность дислокаций, на которых локализуются электроны или дырки. Каталитическую активность поэтому можно модифицировать, изменяя плотность активных центров, путем циклического изменения температуры или состава газовой среды или же очищая поверхность от каталитических ядов.

Сильно зависят от состояния поверхности материалов свойства изготовленных из них электродов. При этом изменяется не только активность электрода по отношению к данной электрокаталитической реакции, но и ее механизм.

Особо следует остановиться на дисперсных и ультрадисперсных системах, которые ведут себя весьма необычно. Термодинамическое отличие дисперсных частиц может быть оценено согласно уравнению Томсона:

уравнение Томсона

ΔG— изменение свободной энергии системы при диспергировании твердой или жидкой фазы, σ — поверхностное натяжение, V — молекулярный объем, а r — радиус частицы (твердой — для суспензий, жидкой — для эмульсий и газообразной — для пузырьков газа в жидкости или твердом теле). Таким образом, при уменьшении г энергия дисперсной системы увеличивается.

При диспергировании температура плавления может изменяться на сотни градусов, что связано со значительным увеличением поверхностной энергии дисперсной фазы. Это подтверждено экспериментально, например для металлов Au, Cu, Pb, Bi, Sn. Особенно сильно диспергирование сказывается на свойствах ультрадисперсных порошков с размерами частиц менее 100 им {1-10-7 м). Такие частицы пространственно неоднородны и представляют собой своеобразную сверхструктуру, сходную в чем-то с высокой структурной организацией сильно нестехиометрических соединений. За счет поверхностного натяжения снимающее усилие сверхмелких частиц может достигать десятков килобар, причем напряжение изменяет химический потенциал подвижных компонентов решетки, повышая их диффузную способность.

На поверхности твердых тел могут проходить специфические процессы адсорбции и хемосорбции. При хемосорбции на поверхности в определенных условиях образуются продукты реакций с особыми свойствами. Еще в 1915 г. И. Лэнгмюр исследовал адсорбцию газов на раскаленных металлических нитках. Он обнаружил, что при давлении кислорода в сосуде 1 МПа поверхность вольфрамовой нити при 3000 °С покрывается наполовину моноатомным слоем кислорода.

моноатомный слой кислорода

Этот слой обладает особыми свойствами. Например, обычный WО3 легко восстанавливается водородом. Но оказалось, что сорбционное соединение молекул кислорода с поверхностью вольфрама много прочнее, и даже при 1500°С оно не реагирует с водородом. Поверхностные монослои, являясь настоящими химическими соединениями, вместе с тем являются и новыми веществами, отличающимися по атомному строению и свойствам, по значениям теплот образования и др.

Поверхностные химические реакции не дают в результате вещества, которые можно было бы выделить, так как атомы твердого тела, вступая в поверхностную химическую реакцию, не порывают связи с другими атомами - соседями в глубине твердого тела. Поэтому не образуется новой фазы. Поверхностные соединения, можно рассматривать как своеобразные радикалы, прикрепленные к определенным участкам твердой поверхности. Например, оксиды на поверхности угля могут быть связаны следующим образом:

оксиды на поверхности угля

Поверхностные соединения образуются тогда, когда энергия возникающей химической связи недостаточна, чтобы вырвать атомы твердого тела из кристаллической решетки. Если же подвести больше энергии, например, путем нагревания, то идет обычная реакция с образованием «объемных» продуктов.

Специфические свойства поверхности эффективно используются в тонкопленочной технологии получения, например, фотодиодов, интегральных магнитных элементов вычислительной техники, приемников γ и ИК-излучения, радиопоглощающих и радиоотражающих покрытий, тензодатчиков, преобразователей солнечной энергии и др. Для нанесения пленок используют следующие процессы: диффузионное насыщение, плазменное (или иное) напыление, испарение — конденсация, электрохимическое осаждение, электрофорез, ионную имплантацию, химический транспорт.

Эти процессы позволяют получить пленки толщиной от 0,5 нм и более. Новейшие тонкопленочные материалы позволили сделать качественный скачок в вычислительной, радио- и других областях техники, использующих миниатюрные эффективные материалы с металлическими, диэлектрическими, магнитными, полупроводниковыми свойствами.

Полезная информация:

Ищите мебель для кухни? Хотим вам посоветовать полезный ресурс - каталог кухонной мебели. На сайте представлена не только кухонная мебель, но и удобная форма выбора по различным параметрам. Присутствует возможность сортировки по таким параметрам, как название, цена и рейтинг.


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]    [обратная связь]

 

 

Реклама
TH-50LFB70E
табличка с номером дома и нказванием улицы
туалетный столик подвесной купить
плеер.ру кингсонг 18 цена купить

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(24.11.2017)