УДК 530.1

Влияние органической жидкости на межфазную энергию поликристалла меди

Апеков А.М., Шебзухова И.Г.

Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова

КБР, г. Нальчик, ул. Чернышевского 173

Поверхностные свойства металлических систем зависят от среды с которой система граничит. Существенно влиять на поверхностные свойства могут диэлектрические среды. В литературе имеется мало данных по межфазной энергии (МЭ) на границе грань металла – диэлектрическая среда [1-9].

В данной работе рассчитана МЭ меди на границе с органическими жидкостями по краевому углу смачивания малой капли тонкой металлической нити и электронно – статистическим методом Томаса-Ферми [1].

Межфазная энергия на границе медь – органическая жидкость вычислялась по формуле Юнга

, (1)

где - поверхностная энергия на границе твердое тело – газ, - поверхностная энергия на границе жидкость – газ. Краевые углы смачивания меди органическими жидкостями измеряли методом малой капли на тонкой нити.

Непосредственное измерение краевого угла по наклону касательной к меридиональной кривой профиля капли в точке периметра смачивания вряд ли возможно, так как вблизи от нити ход этой кривой довольно сложен и построение самой касательной становится затруднительным, а практически - почти невозможным. Общий вариационный метод решения подобных задач, основывается на экстремальных критериях термодинамического равновесия.

Рис. 1. К определению краевого угла.

В [10] предлагается простой метод определения по формуле:

, (2)

где и .

Полученное уравнение определяет краевой угол через вспомогательный угол , который касательная к меридиональной кривой, проведенная в произвольной ее точке, образует с осью ординат, - экваториальный радиус капли, r₀ - радиус нити и r - расстояние от произвольной точки куда проводится касательная до середины нити. Как отмечалось выше, провести касательную непосредственно в точке периметра смачивания довольно затруднительно. Выполнить же аналогичное построение в произвольно выбранной точке значительно проще, причем, всегда можно найти соответствующий участок кривой, где указанная операция может быть выполнена с достаточной степенью точности.

Методика определения краевого угла следующая. Выбирается подходящая точка на меридиональной кривой и проводится касательная, после чего замеряются , , и . Так как в правую часть уравнения (2) входят безразмерные величины и и угол ,то масштаб измерений может быть выбран произвольно. Итак, все замеры можно производить непосредственно по фотографии профиля капли, сделанной с произвольным увеличением.

Измерения угла смачивания медной нити гексаном (бензолом, толуолом) проведены следующим образом. С помощью микрошприца сажали каплю на медную нить, в закрытой ячейке, создавалось условие равновесия органическая жидкость–пар для чего в ячейке устанавливался сосуд с исследуемой жидкостью. Затем производилось фотографирование капли через плоское стеклянное окошко. Для измерений нами использовалась медь высокой чистоты – общее содержание примесей не превышало 10^-3 весовых процента и органические жидкости гексан марки “х.ч.”, бензол и толуол марки “ч.д.а.”.

Фотографии обрабатывались в программе CorelDRAW, которая позволяет производить произвольное увеличение фотографии, что повышает точность определения параметров , , и и позволяет замерять параметры капли необходимые для определения краевого угла с высокой точностью.

Измерения производились для 7 различных капель и по 3-4 замера для каждой капли, затем по формуле (3) рассчитывали и определяли . В таблице приведены среднестатистические значения и для каждой органической жидкости (гексан, бензол, толуол). Значение МЭ полученные для границы медь – гексан (бензол, толуол) по формуле (2) приведены в таблице.

Электронно-статистическим методом нами определены значения МЭ граней металлических кристаллов на границе с органическими жидкостями. Исходя из модели металла, в которой ионы считаются погруженными в электронную жидкость, плотность которой при наличие плоской границы раздела кристаллическая грань (hkl) – диэлектрическая жидкость, ход электронной плотности и потенциала на границе раздела металл – органическая жидкость находится из решения уравнения Томаса – Ферми с учетом макроскопической диэлектрической проницаемостью . Ось перпендикулярна к поверхности и направлена в сторону диэлектрической среды. Физическая поверхность раздела проводится касательно поверхностным ионам таким образом, чтобы все положительные ионы твердого металла целиком относились к внутренней области металла занятой решеткой. Оценка МЭ на границе металл – органическая жидкость проводилась, используя гиббсово определение свободной поверхностной энергии относительно эквимолярной поверхности раздела металл – жидкость. Координата гиббсовой поверхности раздела для системы металл – органическая жидкость находится из условия электронейтральности на этой границе.

Формула для расчета МЭ на границе грань металлического кристалла – органическая жидкость записывается в виде:

,(3)

где , , - внутренний, внешний и температурный вклады в МЭ соответственно, - поляризационная поправка (учитывает поляризацию поверхностных ионов), - дисперсионная поправка (учитывающая влияния дисперсионных сил и сил отталкивания на МЭ металлов), - осцилляционная поправка (учитывает осцилляцию электронной плотности), - число частиц приходящихся на 1 м², , f зависит от координационного числа: f=1,09 для плотных упаковок (12 соседей) и f=1,12 для случая 8 соседей, - число Авогадро, А - атомная масса металла, D - плотность металла. При расчете внутреннего и внешнего вкладов в МЭ металла на границе с диэлектрической жидкостью в формулах, полученных в [11, 12] для границы металл – вакуум учтены зависимости хода электронной плотности и координаты гиббсовой поверхности раздела от макроскопической диэлектрической проницаемости жидкости.

Для поликристалла меди на границе с органической жидкостью рассчитаны среднестатистические значения МЭ по формуле

, (4)

где , g_к – статистический вес, равный 6, 12 и 8 соответственно граням (100), (110), (111) кубического кристалла, k – постоянная Больцмана. В таблице приводятся значения , а также , [13, 14].

Таблица

Значения краевых углов смачивания и межфазной энергии для границы медь – органическая жидкость

Жидкость			, ^0	(мДж/м^2)	(мДж/м^2)	(1) (мДж/м^2)	(4) (мДж/м^2)
Гексан	1,900	0,857	30,8	1520 [14]	18,41	1504,2	1085,94
Бензол	2,275	0,870	29,4		28,87	1494,9	1056,88
Толуол	2,378	0,950	18,1		28,53	1492,9	1037,85

Как видно из таблицы, значение МЭ снижается с увеличением диэлектрической проницаемости жидкости. Сравнение МЭ, полученных по углу смачивания, и среднестатистического значения на границе меди с органическими жидкостями, показывают общий характер снижения МЭ с увеличением диэлектрической проницаемости жидкости.

Литература

1. Шебзухова И.Г., Апеков А.М., Хоконов Х.Б. Ориентационная зависимость МЭ границы монокристалл щелочных металлов – органическая жидкость // Известия вузов. Северо-кавказский регион. Естественные науки. – 2009. – №3. – С. 67–69.

2. Шебзухова И.Г., Апеков А.М. Межфазная энергия граней кристаллов IA металлов на границе с гексаном и бензолом // Труды I Международного междисциплинарного симпозиума “Физика низкоразмерных систем и поверхностей” (LDS-2008). Ростов – на – Дону: СКНЦ ВШ ЮФУ АПСН, 2008. – С. 326–329.

3. Шебзухова И.Г., Апеков А.М., Арефьева Л.П. Межфазная энергия на границе контакта грань кристалла – собственный расплав и грань – органическая жидкость // Труды II Международного симпозиума «Плавление – кристаллизация металлов и оксидов» МСМО-2009. – Ростов-на-Дону : 2009. – С. 7 – 10.

4. Шебзухова И.Г., Апеков А.М. Межфазная энергия на границе металлический кристалл – органическая жидкость // Труды ХХ Симпозиума “Современная химическая физика”. МГУ. Туапсе, 2008. С. 406-407.

5. Шебзухова И.Г., Апеков А.М. Межфазная энергия граней бария на границе с органическими жидкостями // Материалы V Международной научно-технической школы-конференции “Молодые ученые – науке, технологиям и профессиональному образованию”. 2008г., Ч 1, С. 103-105.

6. Шебзухова И.Г., Апеков А.М., Арефьева Л.П. Межфазная энергия на границе контакта полиморфных фаз щелочноземельных металлов с собственным расплавом и с органическими жидкостями // Межвуз. сб. науч. тр. “Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов”: / под общей редакцией В.М. Самсонова, С.Ю. Сдобнякова. – Тверь: Твер. гос. ун – т, 2009. – Вып. 1, C. 129 – 133.

7. Задумкин С.Н., Карашаев А.А. Межфазная поверхностная энергия металлов на границе с диэлектрическими жидкостями // Физико-химическая механика материалов –1965. - №2. – C. 139-141.

8. Созаев В.А., Чернышова Р.А. Влияние диэлектрических покрытий на межфазную энергию тонких пленок сплавов системы Al – Li // Письма в ЖТФ. – 2005. – Т. 31. – Вып. 10 – С. 1 – 4.

9. Созаев В.А., Чернышова Р.А. Межфазная энергия и работа выхода на границах раздела ”тонкие пленки сплавов щелочных металлов - диэлектрик” // Письма в ЖТФ. – 2003. – Т. 29. – Вып. 2. – С. 62 – 69.

10. Щербаков Л.М., Рязанцев П.П. Об одном методе измерения краевых углов. // Поверхностные явления в расплавах и возникающих из них твердых фазах. Нальчик, Кабардино-Балкарское кн. изд-во, 1965, - С. 230 – 234.

11. Задумкин С.Н. Новый вариант статистической электронной теории поверхностного натяжения металлов. // Физика металлов и металловедение. – 1961. – Т. 11. - №3. C. 331-346.

12. Шебзухова И.Г., Задумкин С.Н., Кумыков В.К. О расчете поверхностной энергий металлов IB групп электронно-статистическим методом // Сб. “Смачиваемость и поверхностные свойства расплавов и твердых тел”. Киев. Наукова думка, - 1972. – С. 146-151.

13. Справочник химика Т.1 / Ред. кол. Б.П. Никольский (гл. ред) и др. 2-е изд. – Л. – М.: Госхимиздат, 1962. – 1071 с.

14. Шебзухова И.Г., Хоконов Х.Б., Кумыков В.К., Салонин С.М., Епифанцева Т.А. Влияние аргона и водорода на поверхностное натяжение меди и свинца в твердом состоянии // Адгезия расплавов и пайка материалов. Киев, Наукова думка. – 1990. – Вып. 23. – С. 16 – 19.