Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,969

К РАСЧЕТУ АДСОРБЦИИ КОМПОНЕНТОВ БИНАРНЫХ СИСТЕМ, В КОТОРЫХ ОБРАЗУЮТСЯ УСТОЙЧИВЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ ТИПА АMBN

Шериева Э.Х. 1 Реуцкая Н.С. 1 Калажоков З.Х. 1 Калажоков Х.Х. 1
1 ФГБОУ ВО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова»
Для расчета адсорбций компонентов бинарного расплава использована методика, предложенная авторами на основе определения N-варианта адсорбции по Гуггенгейму – Адаму. В качестве примера применения новой методики рассмотрены металлические системы Al-La и Al-Nd, в которых образуются устойчивые химические соединения Al2La и Al2Nd. При расчете адсорбции компонентов системы были разбиты на составляющие вторичные Al-Al2La, Al2La-La и Al-Al2Nd, Al2Nd-Nd и к каждой вторичной системе применяется предложенная методика. Все расчеты проводятся в приведенной системе концентраций, а затем полученные данные переводятся в обычную систему. В работе показана существенная разница полученных результатов по новой и по традиционной методике. Показано, что результаты, полученные по новой методике, ближе к действительным. Новая методика впервые позволила выяснить роль образующихся в системах молекул Al2La и Al2Nd в формировании поверхностных свойств расплавов бинарных систем Al-La и Al-Nd. Показано, что в областях составов 0 < х < 0,33 молекулы Al2La и Al2Nd проявляют поверхностную активность по отношению к алюминию. А в областях 0,33 < х < 1 металлы La и Nd поверхностноактивны по отношению к расплавленным химическим соединениям Al2La и Al2Nd.
адсорбция
химическое соединение
компоненты
изотерма
поверхностное натяжение
1. Семенченко В.К. Поверхностные явления в металлах и сплавах. – М.: Гостехтеориздат, 1957. – 492 с.
2. Kalazhokov Z.Kh., Zikhova K.V., Kalazhokov Z.Kh., Kalazhokov Kh.Kh., Taova Т.М. Calculation of Surface Tension Isotherms of Multicomponent Metal Systems in the Molten State High Temperature. – 2012. –Vol. 50, № 3. – Р. 440–443.
3. Калажоков З.Х., Калажоков З.Х., Калажоков Х.Х., Карамурзов Б.С., Хоконов Х.Б. Уравнение изотермы поверхностных натяжений бинарных сплавов металлических систем // Вестник Казанского технологического университета. – 2014. – Т. 7, Т. 21. – С. 104–107.
4. Калажоков З.Х., Калажоков Заур Х., Шериева Э.Х., Барагунова З.В., Калажоков Х.Х. Об одном способе расчета адсорбций компонентов бинарных металлических систем // Труды международного междисциплинарного симпозиума. Физика поверхностных явлений, межфазных границ и фазовые переходы. – (пос. Южный, 16–21 сентября 2016 г). – Т.1, № 6. – С. 69–71.
5. Cеменченко В.К. Избранные главы теоретической физики. – М.: Просвещение, 1966. – 560 с.
6. Покровский Н.Л., Пугачевич П.П., Голубев Н.А. Исследование поверхностного натяжения растворов системы свинец-висмут // ЖФХ. – 1969. – Т. 43, № 8. – С. 2158–2159.
7. Шериева Э.Х., Калажоков З.Х., Калажоков З.Х., Калажоков Х.Х., Хоконов Х.Б. Расчет адсорбции компонентов металлических систем при образовании компонентами систем устойчивого химсоединения АmBn // Труды международного междисциплинарного симпозиума. Физика поверхностных явлений и фазовых переходов. – (п. Южный 16–21 сентября 2016 г.). – Т. 1, № 6. – С. 72–76.
8. Кононенко В.И., Сухман А.Л., Торокин В.В., Шевченко В.Г., Семенов Е.В. Поверхностное натяжение и молярные объемы расплавов алюминия с легкими редкоземельными металлами // Поверхностные свойства расплавов: сб. научных трудов / под ред. Ю.В. Найдич. – Киев: Наук думка, 1982. – С. 117–122.

Для расчетов адсорбции компонентов бинарных систем А–В, где А и В – компоненты системы, используют уравнение Гиббса [1]:

Sherieva01.wmf (1)

где х – термодинамическая концентрация; а(х) – термодинамическая активность компонента В; σ(x) – функция изотермы поверхностного натяжения (ПН).

Часто функции а(х) и σ(x) оказываются неизвестными. Изотерму σ(x) можно построить экспериментально, измерив ПН около полутора десятка приготовленных расплавов системы А–В, равномерно распределенных по составу в области 0 ? х ? 1.Установить функциональную зависимость термодинамической активности второго компонента В от состава расплава a(х) сложнее. Поэтому от выражения (1), при условии a(х) = γix, γi = 1 (приближение идеальных расплавов), переходят к

Sherieva02.wmf (2)

Для вычисления величины Sherieva03.wmf можно использовать уравнение изотермы ПН, предложенное в [2]:

Sherieva04.wmf (3)

где β и F – параметры уравнения (3) и постоянные для рассматриваемой системы; σA и σB – ПН чистых компонентов А и В системы А–В.

В [3] показано, что уравнение (3) описывает экспериментальные изотермы ПН с высокой точностью и может быть использовано для расчета величины Sherieva05.wmf, которая необходима для расчета адсорбции по (2).

Оценка величины адсорбции компонентов в приближении идеальных растворов

Продифференцировав (3) по х и подставляя полученное выражение в (2), было получено [2]

Sherieva06.wmf (4)

Формула (4) значительно уменьшает ошибки, допускаемые при графическом дифференцировании экспериментальной кривой, однако она позволяет вычислить адсорбцию в приближении идеального раствора (γi = 1).

Расчет адсорбции компонентов в приближении реальных растворов

Чтобы приблизиться к данным для реальных растворов, в [4] было предложено вычислить адсорбцию второго компонента бинарной системы А–В с использованием определения адсорбции в N – варианте Гуггенгейма-Адама [1]:

Sherieva07.wmf (5)

где [5]

Sherieva08.wmf (6)

Sherieva09.wmf (7)

В (7) Vm(x) – молярный объем раствора состава х, который определим как

Sherieva10.wmf (8)

где VA и VВ – молярные объемы компонентов А и В. Результаты расчетов будут точнее, если использовать экспериментальные Vm(x). В наших расчетах принято k и n = 1.

Для определения параметров β и F уравнения (3) перепишем в виде [3]

Sherieva11.wmf (9)

Sherieva12.wmf (10)

где sэ(х) – ПН расплава состава х, определенное в эксперименте. Очевидно, что можем вычислить величину Sherieva13.wmfиз данных эксперимента. Тогда, построив график функции y(х), будем иметь прямую (9), наклоненную к оси х под углом a. Продолжив прямую до пересечения с осью OY, определим отрезок, равный

Sherieva14.wmf (11)

Угол наклона прямой (9) к оси OX определяет величину b:

Sherieva15.wmf (12)

Решив совместно (11) и (12), найдем значения b и F для данной системы.

Очевидно, что если эксперимент по изучению изотермы ПН дает прямую линию (см. (9)), то уравнение (3) для данной системы справедливо и может быть использовано для расчетов адсорбции компонентов по (4) – в приближении идеальных растворов и по (5)–(8) – для расчетов адсорбции компонентов в приближении реальных растворов. Действительно, расчет адсорбции висмута в хорошо изученной системе Pb–Bi по формулам (1), (4) и (5)–(8) [6] показал хорошее совпадение данных, полученных по (1) и (5)–(8) (рис. 1).

pic_104.tif

Рис. 1. Результаты расчетов адсорбции висмута в расплавах системы Pb-Bi по [6]: ? – в приближении идеального раствора по (2); о – с учетом термодинамической активности по (1); Δ – по формуле (4)

Как видно из сравнения результатов (рис. 1), второй способ расчета адсорбции (4) дает данные, более близкие к реальным. Итак, второй способ может быть использован для расчетов адсорбции компонентов расплавов бинарных систем в случае монотонного изменения ПН в зависимости от состава. Представляет определенный интерес применить этот метод к системам, в которых компоненты образуют устойчивые химические соединения типа AmBn.

При вычислениях изотерм адсорбции Sherieva16.wmf (i = A и В) компонентов А и В уравнения (2) и (3) применяют ко всей области определения расплавов бинарных систем А–В (0 ? х? 1), что справедливо, когда компоненты системы не склонны образовывать устойчивые химические соединения типа АmBn. В противном случае, то есть, при образовании компонентами устойчивых химических соединений АmBn, систему разбивают на вторичные А–АmBn и АmBn–B [7] и к каждой вторичной системе применяют уравнения (2) и (3). Такая методика расчета адсорбции компонентов системы А–В позволяет нам выяснить роль устойчивых молекул АmBn в формировании свойств поверхностей расплавов системы А–В. Однако при этом вычисления адсорбции компонентов проводят в приближении идеальных растворов. Для приближения результатов расчетов к реальным значениям в [7] разработана методика, позволяющая получить более достоверные данные. Здесь показано, что при вычислениях адсорбции компонентов системы А–В, в которых компоненты образуют химические соединения АmBn, необходимо переходить к приведенным концентрациям:

для А–Аm Bn

Sherieva17.wmf (13)

и для Аm Bn–В

Sherieva18.wmf (14)

где хс – концентрация, определяющая состав химсоединения АmBn.

После расчетов адсорбции компонентов в системе x′ результаты следует обратно перевести в систему нормальных концентраций х второго компонента В по формулам (13) и (14).

Ниже, в качестве примера рассмотрим расчет адсорбции компонентов бинарных систем Al-La и Al-Nd, в которых образуются устойчивые при температурах измерения ПН химические соединения Al2La и Al2Nd.

Изотермы ПН бинарных систем Al-La и Al-Nd

На рис. 1 и 2 представлены изотермы ПН бинарных систем Al-La и Al-Nd, построенные в [8] при температурах 1773 К. Эти изотермы отличаются от рассмотренных в [3] тем, что первые части их (до химсоединений) находятся выше аддитивной прямой, тогда как остальные части изотерм ПН, как и в [3], находятся ниже аддитивной прямой (рис. 2 и 3).

pic_105.tif

Рис. 2. Изотермы ПН бинарных систем Al-La: o – эксперимент [8]; – – расчет по (3)

pic_106.tif

Рис. 3. Изотерма ПН бинарных систем Al-Nd: o – эксперимент [8]; – – расчет по (3).

Результаты экспериментов [8] нами обработаны по методике [3], построены теоретические изотермы по (3) (см. сплошные линии на рис. 2 и 3), и найдены параметры b и F уравнения (3) для каждой вторичной системы Al-Al2La и Al2La-La; Al-Al2Nd и Al2Nd-Nd (табл. 1).

Результаты расчетов адсорбции компонентов систем Al-La и Al-Nd

Результаты наших расчетов адсорбции молекул Al2La, Al2Nd и металлов La и Nd в расплавах бинарных систем Al-La и Al-Nd представлены на рис. 4 и 5.

Таблица 1

Входные данные для расчетов bi и Fi и их значения

№ п/п

Система

Вторичная система

sA, мН/м

sB, мН/м

bi, мН/м

Fi

1.

Al-La

Al-Al2La

731

710

91

1,24

Al2La –La

710

670,5

–55,5

2,63

2.

Al-Nd

Al-Al2Nd

731

690

100

1,63

Al2Nd-Nd

690

645

–41,6

3,82

Таблица 2

Входные данные для расчетов ωm для систем Al-La и Al-Nd

Система

МA•103, кг/моль

МB•103, кг/моль

rA, кг/м3

rB, кг/м3

wA•10–4, м2/моль

wB•10–4, м2/моль

Al-La

26,98

138,91

2700

6162

3,9

6,7

Al-Nd

26,98

144,24

2700

7007

3,9

6,3

Здесь следует иметь в виду, что адсорбция растворителя равна адсорбции добавляемого в раствор компонента, взятой с противоположным знаком.

pic_107.tif

Рис. 4. Адсорбция компонентов бинарной системы Al-La: 1 – адсорбция молекул Al2La; 2 – адсорбция атомов La на поверхности жидкого химсоединения Al2La

pic_108.tif

Рис. 5. Адсорбция компонентов бинарной системы Al-Nd: 1 – адсорбция молекул Al2Nd; 2 – адсорбция атомов Nd на поверхности жидкого химсоединения Al2Nd

Как видно из рис. 4 и 5, молекулы химсоединений Al2La и Al2Nd проявляют поверхностную активность в области 0 < х < 0,33. При этом молекулы Al2Nd являются более поверхностно активными, чем Al2La по отношению к алюминию. В области 0,33 < х < 1 на поверхности расплавленных химсоединений Al2La и Al2Nd выходят атомы чистых металлов La и Nd, а молекулы Al2La и Al2Nd проявляют поверхностную инактивность по отношению к La и Nd.

Выводы

1. Предложена методика расчета адсорбции компонентов бинарных расплавов системы А–В, компоненты которых образуют устойчивые при температурах измерений поверхностного натяжения химические соединения типа АmBn.

2. На примерах бинарных систем Al-La и Al-Nd показано, что молекулы Al2La и Al2Nd могут значительно повлиять на ход изотерм адсорбции La и Nd.

3. Оказалось, что молекулы Al2La и Al2Nd ведут себя как поверхностно активные по отношению к алюминию в области 0 < х < 0,33 и поверхностноинактивные по отношению к La и Nd при х > 0,33.


Библиографическая ссылка

Шериева Э.Х., Реуцкая Н.С., Калажоков З.Х., Калажоков Х.Х. К РАСЧЕТУ АДСОРБЦИИ КОМПОНЕНТОВ БИНАРНЫХ СИСТЕМ, В КОТОРЫХ ОБРАЗУЮТСЯ УСТОЙЧИВЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ ТИПА АMBN // Современные наукоемкие технологии. – 2016. – № 12-1. – С. 98-102;
URL: http://www.top-technologies.ru/ru/article/view?id=36483 (дата обращения: 24.07.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252