CC BY
22
ИЗУЧЕНИЕ ФАЗОВОГО СОСТАВА ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ Каримова Д.А.1, Жумаева Э.Ш.2, Каримова З.У.3 Email: Karimova1144@scientifictext.ru
1Каримова Дилором Амоновна - кандидат химических наук, доцент;
2Жумаева Элеонора Шухратовна - преподаватель;
3Каримова Зарифа Умаровна - преподаватель, кафедра методики преподавания химии, Навоийский государственный педагогический институт, г. Навои, Республика Узбекистан
Аннотация: в статье приведены данные исследования фазового состояния адсорбированных слоев, которое является одной из центральных проблем адсорбции. Выяснение агрегатного состояния макроскопических трехмерных фаз обычно не вызывает затруднений. Но адсорбированные фазы; определение их количества и получение сведений об их агрегатном состоянии требуют большой экспериментальной и теоретической работы. В статье рассматриваются данные о существовании фазовых переходов в двумерных системах при изучении фазового состава поверхностных слоев. Ключевые слова: фаза, поверхность, состояние, границе, графит, калориметрическим, монослой, адсорбат.
STUDY THE PHASE STRUCTURE OF THE SUPERFICIAL LAYERS
1 2 3
Karimova DA. , Jumayeva E.Sh. , Karimova Z.U.
1Karimova Dilorom Amonovna - Candidate of Chemical Sciences, Docent; 2Jumayeva Eleonora Shukhratovna - Lecturer; 3Karimova Zarifa Umarovna - Lecturer, THE DEPARTMENT OF TEACHING METHODOLOGY OF CHEMISTRY, NAVOI STATE PEDAGOGICAL INSTITUTE, NAVOI, REPUBLIC OF UZBEKISTAN
Abstract: the article emphasized that the study of the phase state of adsorbed layers is one of the central problems of adsorption. The determination of the aggregate state of macroscopic three-dimensional phases usually does not cause difficulties. But adsorbed phase determination of their number and obtaining information about their aggregate state requires a lot of experimental and theoretical work. The article considers data about the existence of phase transitions in two-dimensional systems by study the phase structure of the superficial layers. Keywords: phase, surface, state, boundary, graphite, calorimetric, monolayer, adsorbate.
УДК: 541.64.183.12
Фазовые переходы в адсорбционных слоях представляют собой одно из наиболее интересных явлений, обнаруженных в области физической химии поверхности. Системы, в которых они наблюдаются, являются как бы дважды гетерогенными, так как в них область, разграничивающая трехмерные гомогенные части, сама неоднородна по строению. Изучение таких систем представляет большой интерес с точки зрения развития общей теории фазовых переходов. Вместе с тем оно важно и потому, что позволяет глубже понять строение адсорбционных слоев, а также процессы, протекающие на поверхности раздела фаз, имеющие большое теоретическое и прикладное значение. В связи с этим исследованию и интерпретации явлений, связанных с фазовыми переходами в адсорбционных слоях, в настоящее время уделяется большое внимание. Об этом свидетельствуют ряд международных симпозиумов, посвященных данным вопросам, а также резкое увеличение числа публикаций на эту тему.
Адсорбционная фаза представляет собой двумерную систему толщиной в одну молекулу, обладающую одинаковыми физико-химическими свойствами. Следует, однако, помнить о
19
том, что широко используемый в литературе термин двумерная система, скорее, относится к математической модели адсорбционного слоя, чем к реальному объекту, так как при описании последнего, строго говоря, нельзя пренебрегать колебаниями центров, а также возможностью переориентации молекул. Это замечание особенно важно при сопоставлении теоретических результатов, полученных для чисто двумерных систем с реальными экспериментальными данными.
Впервые различные двумерные состояния вещества наблюдались на границе раздела газ-жидкость для ряда нерастворимых веществ, которые, растекаясь по поверхности жидкости; образовывали монослои. В многочисленных экспериментах было доказано, что эти монослои могут претерпевать фазовые переходы, напоминающие обычные фазовые переходы в трехмерных системах между газом, жидкостью и твердым телом. Измерение двумерного давления пленок с помощью, например, весов Ленгмюра позволило получить для них эмпирические уравнения двумерного состояния вещества, которые во многом напоминали уравнения для трехмерных фаз.
Активное изучение фазовых переходов в слоях, адсорбированных на поверхности твердого тела, началось сравнительно недавно, и было стимулировано полученными во Франции интересными и данными о переходах в слоях благородных газов, адсорбированных на поверхности специальным образом приготовленного графита. Первоначально двумерные фазовые переходы в этих системах изучались либо классическими методами измерения изотерм адсорбции, либо калориметрическими методами [1]. На фазовые переходы к адсорбционном слое при этом указывали скачкообразные изменения по плотности в изотермических условиях, а также максимумы на кривых зависимости теплоемкости адсорбированного слоя от степени заполнения или от температуры. Далее был предложен тензометрический метод исследования фазовых переходов в адсорбционных слоях, который заключается в измерении температурной зависимости равновесного давления в замкнутом адсорбционном сосуде [3]. При этом переломы на кривых \пр=/ (1/Т) соответствуют точкам двумерных фазовых переходов.
Новые возможности в изучении фазового состава поверхностных слоев связаны с использованием мощных современных методов исследования поверхности: дифракции медленных электронов и электронов высокой энергии, нейтронов, рентгеновских лучей, ядерного магнитного резонанса, мёссбауэровской спектроскопии, эллипсометрии, измерения поверхностного давления пленки путем изучения размеров адсорбента и ряда других. Применение этих методов позволило изучить структурные свойства адсорбированного слоя, такие, как положение адсорбированных молекул по отношению к их соседям, степень упорядочения поверхностных фаз, расположение адсорбированных не одноатомных молекул относительно поверхности, а также их деформацию. Проведенные исследования показали, что фазовый состав адсорбированной пленки может быть очень сложным и может включать в себя специфически двумерные фазы, такие, как «соразмерные» и «несоразмерные» рельефу поверхности адсорбента, а также фазы, характеризуемые различной ориентацией адсорбированных молекул относительно поверхности.
Эффекты, связанные с поверхностными фазовыми переходами, здесь предстают в чистом виде, так как они не осложняются неоднородностью поверхности и строением самих молекул. Но даже для этих простейших систем, несмотря на большой объем выполненных работ, строение двумерных фаз еще не выяснено до конца, и они по-прежнему привлекают интерес исследователей [2].
Не автономность адсорбционного слоя и связанное с ней влияние на его строение поверхности адсорбента являются причиной большего разнообразия поверхностных фаз по сравнению с объемными. Условно фазы адсорбированного монослоя можно подразделить на две группы: 1) фазы, структурно связанные со строением поверхности адсорбента, 2) фазы, структурно не зависящие от ее строения. Интерпретация явлений, относящихся ко второй группе, проще и основана на прямой аналогии с обычными трехмерными фазами. Молекулы двумерного газа, находящиеся в адсорбционном слое, так же, как и трехмерного, мобильны и мало влияют друг на друга, но двумерному кристаллу свойственно регулярное
20
расположение молекул в слое. Ниже температуры тройной точки возможны фазовые переходы между двумерным газом и двумерным кристаллом; в интервале температур между тройной и критической точками возможно сосуществование двух из следующих фаз: двумерный газ, двумерная жидкость, двумерный кристалл; наконец, выше критической температуры возможны переходы между кристаллом и сверхкритическим флюидом. Для теоретического описания фазовых переходов в таких слоях используются двумерные аналоги обычных уравнений состояния. В частности, нашли применение двумерное уравнение состояния Ван-дер-Ваальса, уравнения теории свободной площади (аналог теории свободного объема жидкости), двумерное вириальное уравнение состояния. Фазы, структура которых связана со строением поверхности адсорбента, представляют собой специфически двумерные фазы и не имеют трехмерных аналогов. Как правило, в этом случае молекулы локализованы вблизи определенных мест на поверхности и для их описания используются решеточные модели. При этом решетка двумерной фазы накладывается на решетку адсорбционных мест поверхности адсорбента. Эти решетки могут сочетаться, если они подобны друг другу, т.е. соразмерны, и могут быть независимыми в противном случае. Склонность вещества образовывать соразмерные фазы зависит не только от относительных размеров двух решеток, но и от соотношения энергии латерального взаимодействия адсорбат - адсорбат и высоты барьеров на поверхности потенциальной энергии взаимодействия адсорбат - адсорбент, а также от температуры.
Говоря о фазовых переходах в поверхностных слоях, нельзя не отметить больших успехов, которые были достигнуты в этой области благодаря применению методов численного эксперимента (методов Монте-Карло и молекулярной динамики). Действительно, возможности чистой теории в описании таких сложных систем, какими являются адсорбционные слои, ограниченны, в силу чего пригодные для расчетов формулы всегда содержат ряд приближений. В то же время создание мощных компьютерных технологии сделало реальным прямое моделирование процессов, протекающих на поверхности раздела фаз, и позволило получать как статистически средние характеристики системы, соответствующие реальному эксперименту, так и информацию о ее строении на молекулярном уровне. Интересно отметить, что само развитие методов численного эксперимента исторически было тесно связано с моделированием систем малых размерностей, а одним из самых важных результатов, полученных в этой области, было доказательство существования фазовых переходов в двумерных системах.
Список литературы /References
1. Каримова Д.А, Жумаева Э.Ш. Механизм элементарного акта хемосорбции на поверхности полупроводника // X-международная научно-практическая конференция. Перспективы развития науки и образование. Москва. 31 октября, 2016 год. С. 109-111.
2. Каримова Д.А., Жумаева Э.Ш. Состояние физически адсорбированных веществ в микропористых адсорбентах // Республиканская научно-техническая конференция «Перспективы развития композиционных и нанокомпозиционных материалов». Ташкент. 11-12 ноября, 2016 г.
3. Каримова Д.А., Жумаева Э.Ш., Норова З.И. Пористая структура природных адсорбентов // European research: innovation in science, education and technology. № 12 (23), 2016.
