Взаимодействие платины с расплавами боратов висмута Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

Journal of Siberian Federal University. Chemistry 2 (2014 7) 221-225

УДК 532.614+546.873

Взаимодействие платины с расплавами боратов висмута

Л.Т. Денисова*, Н.В. Белоусова, В.М. Денисов, О.В. Кучумова

Сибирский федеральный университет Россия, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79

Received 27.12.2013, received in revised form 18.01.2014, accepted 21.02.2014

Исследовано контактное взаимодействие расплавов боратов висмута с платиной методом лежащей капли. Установлено, что расплав эвтектического состава (18,5 мол. % оксида бора) при своей температуре плавления образует на Pt стационарные значения контактных углов. Это позволило определить влияние температуры на смачивание платины данным расплавом. При контакте Pt с расплавами, содержащими 33,3; 43,5; 50,0; 62,5 и 75 мол. % оксида бора, происходит полное их растекание.

Ключевые слова: смачивание, растекание, краевой угол, платина, оксиды висмута и бора.

Введение

Для целенаправленного решения ряда научных и прикладных задач необходимы сведения о параметрах, характеризующих границы раздела фаз. Так, например, при получении кристаллов оксидных соединений на основе Bi2Oз происходит растворение в них платинового тигля [1, 2]. Известно, что материал тигля влияет на свойства получаемых оксидных соединений [3, 4]. Тем не менее особенности контактного взаимодействия расплавов Bi2O3 - В203 с платиной к настоящему времени не изучены, хотя именно значение макроскопического краевого угла смачивания, характеризующего поверхность исследуемого объекта в целом, позволяет судить о применимости этой поверхности к решению практических задач. Поэтому целью настоящей работы является исследование контактного взаимодействия расплавов Bi203 - В203 с твердой платиной.

Результаты и их обсуждение

Эксперименты по смачиванию Pt расплавами Bi203 - В203 проводили на воздухе при раздельном нагреве образца и подложки методом лежащей капли [5, 6]. Фотографировали капли

© Siberian Federal University. All rights reserved Corresponding author E-mail address: antluba@mail.ru

*

цифровой камерой Canon EOC 400 Digital с разрешением 10,1 MP с использованием специальных колец-насадок. Изображение капли, получаемое в эксперименте, обрабатывали на компьютере. Для приготовления образцов использовали Bi2O3 и B2O3 - ос.ч. и Pt - 99,99.

Смачивание Pt расплавами 18,5 (е^ и 43,5 (е2) мол. % B2O3 (эвтектические составы) Bi4B2O9, BiBO3, Bi3B5O!2 и BiB3O6 проводили в зависимости от времени и в ряде случаев - от температуры. При этом принимали во внимание особенности диаграммы состояния системы Bi2O3 - B2O3 [7].

На рис. 1 в качестве примера приведены данные по смачиванию Pt расплавами эвтектического состава е! при температуре плавления последнего. Такое сильное изменение 0 в течение очень малого времени и последующее длительное растекание связывают [8] с еязкостным режимом. Поскольку еначения 0в течение длительного времени his меняются, то ех приняли за равновесные. Это позвслило определижь влияние температуры на смачивание Pt таким расплавом. Из рис. 2 следует, что в некотором интервале темперотур значения 0 остаются постоянными, а затем происходит довольно сильное уменьшение краевых углов смачивания, т.е. зависимоссь 0 = f(T) имеет нелинейный вид. Это согласно [8] может свидетельствовать о химическом взаимодействии р асплав - подложка.

Исследование контактного взаимодействия расплавов Bi4BBO9, e2, Bi3B5O!e и BiB3O6 с платиной показало, что уже при своей температура плавленея стационарные краевые углы смачивания не образоются и происходит практически полное растекание (рис. 3). Подобные результаты по лучены и при смачивании Pt расплавнм ВШ03 (на рис. 3 не полазано).

Существует мнениа [9а], что в таком случае растекание происходит не при постоянном усилии на пвримевре смачивания До, как это чавто принимается, а при пероменном. 1В приближении неизменности межфазных натяжений в процессв растекания было получено

До = o(coe0o - cos0), (1)

где 0о - угол смачиванин подложки) 0 - ко нтактный у го л в момент времени т.

Полное смачивание и положительный коэффициент растекония Kp

Kp = Wa -WK=a(cos0- 1) (2)

Рис. 3. Кинетика растекания по платине расплавов В^03 - В203, содержащих: а - 33,3 мол. % В203; б - 43,5 мол. % В203; в - 62,5 мол. % В203; г - 75 мол. % В203

означает [10], что

G- > Стж + Од.. (3)

IB у равнениях (2) и (3) WK - работа когезии, отг, о^ ожг - повереоостные натяжения на границах раздела авердое - газ, твердое - жидкость , жидкость - газ соответственно.

Обращают ма с ебя внимание достаточно низкие значения краевых углов смачивания. Подобное на платине отмечалось и для рас плавов PbO - GeO2 [6]. Это может быть связано со следующими явлениями:

- применение раздельного нагрева образца и подложки. Это согласно [11] устраняет протекание ре акций между контактирующими веществами до достижения заданной температуры. В ряде случаев эео дает бооее низкие значения 6);

- наличие кислррода в гаровоо среде. Это является наиболее значимым фактором, влияющим на величину измеряемого краевого вгла [01] ;

- низкие значения поверхностного натяже ния расплавов Bi2O3 - B2O3 [12]. Связь между значениями ожг и 0 отражает уравнение Юнга [8]

ст —ст

cos 0=-^-тк. (4)

стжг

Кроме того, при низких величинах ожг хорошее смачивание может реализовываться и за счет физического взаимодейсквия расплав - подложка.

-а 223 -

Тем не менее изменение цвета исходных образцов после их контакта с платиной может свидетельствовать о химической природе такого взаимодействия [3]:

Состав образца, Цвет исходного Цвет образца после

мол.% образца контакта с Pt

81,5Bi 2O3 - 18,5B2O3 желтый серо-коричневый

66,7Bi2O3 - 33,3B2O3 желтый оранжевый

56,5Bi2O3 - 43,5B2O3 оранжевый желтый

50Bi2O3 - 50B2O3 оранжевый желтый

37,5Bi 2O3 - 62,5B2O3 оранжевый бело-желтый

25Bi2O3 - 75B2O3 коричневый белый

При изучении межфазного взаимодействия жидких оксидов, содержащих 43,5; 50,0; 62,5 и 75,0 мол. % B2O3, с платиной отмечено появление прекурсионной пленки, которая располагалась перед условной линией трехфазного контакта. По данным [13-15], в этом случае доставка жидкости не успевает за перемещением периметра и движение массивных слоев осуществляется по растекающейся впереди капли пленке.

Рассматривая особенности контактного взаимодействия расплавов Bi2O3 - B2O3 с металлической платиной в атмосфере воздуха, нужно принимать во внимание следующее. В системе Pt - O2 образуются Pt3O4, PtO2 и PtO [16]. Температуры плавления равны для PtO3 - 723 К, PtO -780 К. Кроме того, согласно диаграмме состояния Bi2O3 - PtO2 между ними образуется одно соединение со структурой пирохлора Bi2Pt2O7, которое распадается в твердом состоянии при 1053 К на 5 - Bi2O3, металлическую платину и кислород [17]. По данным [18], при температурах выше 1100 К в расплаве Bi2O3 на поверхности Pt образуются пленки, в состав которых входит соединение Bi2PtO4.

Из вышесказанного следует, что расплавы Bi4B2O9, BiBO3, Bi3B5O12 и BiB3O6 и расплавы эвтектических составов (18,5 и 43,5 мол. % B2O3) на воздухе имеют сильную адгезию к металлической платине. Это не позволяет рекомендовать Pt в качестве тигельного материала для использования в окислительной атмосфере.

Список литературы

1. Тананаев И.В., Скориков В.М., Кутвицкий В.А. и др. Растворимость Pt в расплавах систем BÍ2O3 - ЭхОу, где Э - Si, Ti, Ge, Zn, Cd // Изв. АН СССР. Неорган. материалы. 1981. Т. 17 № 4. С. 663 - 668.

2. Денисов В.М., Белоусова Н.В., Моисеев Г.К. и др. Висмутсодержащие материалы: строение и физико - химические свойства. Екатеринбург: УрО РАН, 2000. 526 с.

3. Lezal D., Pedlikova J., Kostka P. et al. Haave metal oxide glasses: preparation and physical properties // J. Non-Cryst. Solids. 2001. V. 294. P. 288 - 295.

4. Sanz O., Haro-Poniatowski E., Gonzalo J. et al. Influence of the melting conditions of heavy metal oxide glasses containing bismuth oxide on their optical absorption // J. Non-Cryst. Solids. 2006. V. 352. P. 761 - 768.

5. Денисов В.М., Жереб В.П., Денисова Д.Т. и др. Контактное взаимодействие расплавов системы Bi2O3 - SiO2 с золотом // Неорган. материалы. 2012. Т. 48. № 2. С. 254 - 256.

6. Denisov V.M., Kuchumova O.V., Denisova L.T. et al. Interaction of leade oxide - germanium oxide melts with platinum and palladium // Журнал СФУ Химия. 2012. Т. 5. № 1. С. 18 - 23.

7. Levin E.M., McDaniel C.L. The system Bi2O3 - B2O3 // J/ Am. Cer. Soc. 1962. V. 45. № 8. P. 355 - 360.

8. Сумм Б.Д., Горюнов Ю.В. Физико-химические основы смачивания и растекания. М.: Химия, 1976. 232 с.

9. Попель П.С., Захарова Т.В, Павлов В.В. Растекание свинцово-оловянистых расплавов и цинка по поверхности железа // Адгезия расплавов. Киев: Наукова думка, 1974. С. 53 - 58.

10. Найдич Ю.В., Перевертайло В.М., Лебович Э.М. и др. Межфазные и капиллярные явления в однокомпонентных системах кристалл - расплав // Адгезия расплавов. Киев: Наукова думка, 1974. С. 3 - 7.

11. Найдич Ю.В., Журавлев В.С. О методике определения степени смачивания твердых тел металлическими расплавами // Адгезия расплавов. Киев: Наукова думка, 1974. С. 32 - 41.

12. Fujino S., Hwang C., Morinaga K. Surface tension if PbO - B2O3 and Bi2O3 - B2O3 glass melts // J. Mater. Sci. 2005. V. 40. P. 2207 - 2212.

13. De Gennes P.G. Wrtting: statics and dynamics // Rev. Mod. Phys. 1985. V. 57. P. 827 - 863.

14. де Жен П.Ж. Смачивание: статика и динамика // УФН. 1987. Т. 151. № 4. С. 610 - 681.

15. Денисов В.М., Белоусова Н.В., Истомин С.А. и др. Строение и свойства расплавленных оксидов. Екатеринбург: УрО РАН, 1999. 498 с.

16. Каргин Ю.Ф., Бурков В.И., Марьин А.А. и др. Кристаллы Bii2MxO20±6 со структурой сил-ленита. Синтез, строение, свойства. М.: ИОНХ, 2004. 316 с.

17. Воскресенская Е.Н. Взаимодействие платины с расплавленными висмутсодержащими оксидами: автореф. дис. ... канд. хим. наук. М.: ИОНХ, 1983. 24 с.

Interaction of Platinum with the Bismuth Borate Melts

Liubov T. Denisova, Natalia V. Belousova, Viktor M. Denisov and Оksana V. Кuchumova

Siberian Federal University, 79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041, Russia

The contact interaction of liquid bismuth borates with platinum was investigated by the sessile drop method. In was established that the contact angles forming during wetting of Pt by the eutectic melt (18.5 mole % of boron oxide) at its melting temperature had stationary values. This enabled to determine the effect of temperature on the wetting ofplatinum by this melt. At the contact of Pt with melts containing 33.3, 43.5, 50.0, 62.5 and 75 mole % of boron oxide, their complete spreading were observed.

Keywords: wetting, spreading, contact angle, platinum, oxides of bismuth and boron.