Зависимость поверхностной энергии граней кристаллов полиморфных фаз металлов от атомного номера Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

ISSN 0321-3005 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ РЕГИОН. ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ. 2010. № 2

УДК 539.2

ЗАВИСИМОСТЬ ПОВЕРХНОСТНОЙ ЭНЕРГИИ ГРАНЕЙ КРИСТАЛЛОВ ПОЛИМОРФНЫХ ФАЗ МЕТАЛЛОВ ОТ АТОМНОГО НОМЕРА

© 2010 г И.Г. Шебзухова, Л.П. Арефьева, Х.Б. Хоконов

Кабардино-Балкарский государственный университет, Kabardino-Balkar State University,

ул. Чернышевского, 173, г. Нальчик, КБР, 360004, Chernishevskiy St., 173, Nalchik, KBR, 360004,

bsk@rect.kbsu.ru bsk@rect.kbsu.ru

С помощью электронно-статистического метода построена зависимость поверхностной энергии граней полиморфных фаз металлов от атомного номера. Результаты расчетов поверхностной энергии граней кристаллов полиморфных фаз рассматриваемых металлов согласуются с периодическим ходом других физико-химических свойств от атомного номера этих элементов.

Ключевые слова: электронно-статистическая теория, поверхностная энергия, анизотропия, атомный номер, полиморфные фазы металлов, периодическая зависимость.

The dependence of the surface energy of crystals' faces of polymorphic phases of metals from atomic number was constructed with the help of electron statistical method. The results of the calculation are in good agreement with periodic dependence of other physical and chemical properties.

Keywords: electron statistical method, surface energy, anisotropy, atomic number, polymorphic phases of metals, periodic dependence.

ISSN 0321-3005 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ РЕГИОН. ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ. 2010. № 2

В работах [1, 2] рассматривались корреляции свободной поверхностной энергии (ПЭ) жидких металлов с рядом их свойств. Используя метод функционала электронной плотности, авторы [3] рассчитали ПЭ плотноупакованных граней переходных металлов и построили графики зависимости ПЭ наиболее плот-ноупакованных граней от атомного номера. Все расчеты выполнены только для фаз, стабильных при комнатной температуре.

В данной работе, используя электронно-статистическую теорию ПЭ граней металлических кристаллов [4], рассчитали ПЭ плотноупакованных граней полиморфных фаз металлов и рассмотрели зависимость ПЭ граней кристаллов полиморфных фаз металлов от атомного номера. Результаты расчетов ПЭ наиболее плотно-упакованных граней полиморфных фаз металлов с ОЦК, ГЦК, ГПУ и ДГПУ структурами при температуре 293 К и для фаз предплавления представлены на рис. 1.

с 2500" | 20005 1500-| 1000 -Ь 5000 -2500" 2000-

~ 1500 ~ 1000 -5000 -

Рис. 1. Зависимость ПЭ плотно-упакованных граней кристаллов от атомного номера: а - полиморфных фаз металлов, стабильных при комнатной темпратуре; б - фаз предплавления

В зависимости величины ПЭ граней полиморфных фаз металлов от атомного номера наблюдается определенная периодичность (рис. 1а, б). На кривой можно выделить несколько максимумов и минимумов. Максимумы соответствуют переходным металлам 3^ 5f и 4d в порядке убывания величины ПЭ граней. Величина ПЭ граней полиморфных фаз переходных металлов, стабильных при комнатной температуре, наибольшая у металлов 3d (V, Сг, Бе), 5f (Ра, Мр) и 4f (Рг) с ОЦК, тетрагональной и ромбической структурами. Наименьшей ПЭ граней обладают полиморфные фазы металлов с другими структурами (рис. 1).

Как видно из рис. 1, значения ПЭ граней кристаллов фаз предплавления большинства металлов в несколько раз выше, чем ПЭ граней кристаллов фаз, стабильных при 293 К. Исключение составляют только хром, протактиний, кальций и железо. Это объясняется тем, что происходит переход от менее плотно-упакованной фазы к более плотной: в случае хрома ОЦК ^ ГЦК и протактиния - примитивная тетрагональная ^ ОЦК. Небольшое уменьшение ПЭ плотно-упакованной грани кальция (всего несколько мДж/м2) связано с переходом ГЦК ^ОЦК, хотя ПЭ других граней кальция увеличивается. У железа а- и 5-фазы

Поступила в редакцию_

имеют структуру ОЦК с близкими значениями параметра решетки, т.е. ПЭ граней при увеличении температуры уменьшается (рис. 1). На кривой в области 3d пика наблюдаются глубокие минимумы - хром и кобальт (так как фазы предплавления хрома, кобальта и никеля имеют ГЦК структуру).

На рис. 2 приводится график зависимости свободной ПЭ жидких металлов от атомного номера [5]. При сравнении рис. 1 и 2 видно, что наблюдается корреляция зависимостей свободной ПЭ жидких металлов и ПЭ плотноупакованных граней металлов (фаз пред-плавления) от атомного номера. Поверхностная энергия граней кристаллов полиморфных фаз металлов увеличивается от щелочных металлов к щелочноземельным (бериллию) и далее к переходным (пики соответствуют хрому, железу (3d), цирконию (4d) и нептунию (511)) и к концу периода понижается как у фаз предплавления, так и у фаз, существующих при комнатной температуре. Также ПЭ снижается в группе (например, от бериллия к стронцию). В актинидной серии от тория к урану для фаз предплавления идет повышение ПЭ граней, затем ПЭ уменьшается к кюрию. Предположительно далее ПЭ будет иметь еще два пика на кривой зависимости от атомного номера в связи с увеличением теплоты сублимации [6], но для расчета ПЭ транскюриевых металлов не хватает экспериментальных данных по их теплоте сублимации, плотности и т.д.

о, мДкЛм

□ 20 40 60 80 N

Рис. 2. Зависимость свободной ПЭ металлов в жидком состоянии от атомного номера [2, 5]

Результаты расчетов ПЭ граней кристаллов полиморфных фаз рассматриваемых металлов согласуются с периодическим ходом других свойств от атомного номера этих элементов [1, 2, 5, 6].

Литература

1. Семенченко В.К. Поверхностные явления в металлах и сплавах. М., 1957. 491 с.

2. Еременко В.Н., Марценюк П.С. Свободная поверхностная энергия и ее корреляция с другими свойствами // Капиллярные и адгезионные свойства расплавов. Киев, 1987. С. 3-18.

3. The surface energy of metals / L. Vitos [et al.] // Surf. Sci. 1998. Vol. 411. P. 166.

4. Задумкин С.Н., Шебзухова И.Г. Приближенная оценка ориентационной зависимости поверхностной энергии и поверхностного натяжения металлического кристалла // Физика металлов и металловедение. 1969. Т. 28, № 3. С. 434-439.

5. Ниженко В.И., Флока Л.И. Поверхностное натяжение жидких металлов и сплавов : справочник. М., 1981. 208 с.

6. Ионова Г. В., Вохлин В.Г., Спицын В.И. Закономерности измерения свойств лантанидов и актинидов. М., 1990. 240 с.

23 сентября 2009 г.