АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция

L.2. Зарождение кристаллов

Читайте также:
  1. II. Зарождение и развитие профсоюзного движения в Англии.
  2. L.3.3. Влияние примесей на рост и форму кристаллов.
  3. Q.1.2. Поляризационно-оптический метод исследования кристаллов.
  4. Q.3. Магнитные свойства кристаллов.
  5. Вопрос №12 «Восстановление государственности и в 1 пол 17 века и зарождение институтов абсолютизма»
  6. Зарождение диссидентского движения в Украине.
  7. Зарождение и развитие основных направлений в экономической теории
  8. Зарождение и развитие философской мысли на Беларуси. С .Будный.
  9. Зарождение и развитие философской мысли на Беларуси. Ф.Скорина.
  10. Зарождение идеи о всестороннем развитии человека (Аристотель).
  11. Зарождение классов-больших групп людей одна из которых эксплуатировала другую

Кристаллизация пересыщенной маточной среды происходит в два этапа – зарождение кристаллов и их рост.

Рассмотрим сначала процесс образования кристаллических зародышей. На рис.L.9 показана диаграмма состояния двухкомпонентного раствора. В области выше кривой растворимости PQ устойчива кристаллическая фаза. Однако переохлаждение или концентрирование ненасыщенного раствора (точка А) сверх насыщения (точки В и С) не приводит к кристаллизации – раствор остается в пересыщенном состоянии. Лишь по достижении определенной критической степени пересыщения (кривая ML) происходит кристаллизация. Кривая MLназывается границей метастабильности, а область устойчивых пересыщенных растворов между кривыми MLи PQ– метастабильной областью. Обращаем внимание, что не происходит именно самопроизвольная

(спонтанная) кристаллизация метастабильного раствора, а помещенный в этот растворкристалл будет, конечно, расти.

Устойчивость метастабильных фаз связана с существованием энергетического барьераΔU*, препятствующего кристаллизации. Природа этого барьера – поверхностная энергия γ - избыточная энергия нескомпенсированных связей на поверхности кристалла.При образовании в пересыщенной среде микроскопического кристаллика (зародыша) изменение энергии системы ΔU складывается из отрицательной объемной части -ΔUV (энергия снижается, так как кристалл устойчивее метастабильной среды) и положительной поверхностной части +ΔUS. Суммарный результат ΔUΣ = -ΔUV + ΔUSзависит от размера кристаллика, т.к. ΔUV/ΔUS V/S r, где r – радиус,

V – объем, S – площадь поверхности зародыша. При малых r, ΔUΣ 0, образование зародыша энергетически не выгодно, и он распадается под действием теплового движения частиц. При большихr, ΔUΣ 0, и зародышу выгоднее расти. На рис.L.10 показана зависимость суммарного изменения энергии системы при образовании зародыша от его размера, для двух значений пересыщения. Максимальное значение ΔUΣи есть энергетический барьер зарождения ΔU*, а отвечающий ему кристаллик размера rк называется критическим зародышем. Агрегаты меньшего размера r rк распадаются, кристаллики большего размера r rк растут. С увеличением пересыщения σ уменьшаются размер критического зародыша rк γ/σ и высота энергетического барьера ΔU* γ32 (рис.L.10). Вероятность преодоления энергетического барьера, а значит, и вероятность зародышеобразованияW, экспоненциально зависит от высоты барьера, т.е. от квадрата обратного пересыщения: где T–абсолютная температура, k–константа Больцмана.Эта зависимость показана на рис.L.11, кривая 1. Ниже определенного критического пересыщения σквероятность зарождения практически равна нулю, а выше этого пересыщения резко возрастает, и происходит лавинообразная кристаллизация. Критическое пересыщениеσк и есть граница метастабильности. Область пересыщений выше границы метастабильности называется лабильной областью, здесь пересыщенная фаза абсолютно неустойчива.

Образование кристаллических зародышей путем случайного столкновения частиц в гомогенной (греч. homogenes –однородный) пересыщенной фазе так и называется – гомогенное зарождение. Однако реально зародыши образуются на поверхностях посторонних твердых частиц (пыль, кристаллики других минералов), на стенках кристаллизаторов, а также полостей и трещин, в которых кристаллизуются минералы. Такое зарождение именуется гетерогенное (греч. heterogenes – неоднородный). Критическоепересыщение гетерогенного зарождения существенно меньше, чем гомогенного, а вероятность зарождения при равных пересыщениях гораздо выше (кривая 2 на рис.L.11). Причиной этого является частичная компенсация ненасыщенных связей зародыша при его адгезии (лат. adhaesio – прилипание) к твердой поверхности. Это снижает эффективную поверхностную энергию и энергетический барьер зарождения ΔU*гет< ΔU*гом.

Особенно активны в отношении гетерогенного зарождения частицы, имеющие трехмерное или двумерное структурное подобие с кристаллизующейся фазой. Например, кристаллики PbS, изоструктурные с NaCl, существенно уменьшают ширину метастабильной области растворов хлорида натрия. Частицы AgI, имеющие двумерное структурное сходство сеток {111} с сетками {0001} кристаллов льда, резко снижают критическое переохлаждение водяного пара в атмосфере. Этот эффект используют для управления погодой.

Образующиеся кристаллы нарастают на структурно подобные им инородные поверхностиориентированно – это явление называется эпитаксия (греч. epi – на, taxis – расположение). Эпитаксиальные подложки широко используются при получении тонких пленок полупроводников (раздел L.1). Эпитаксические срастания минералов распространены и в природе, самый известный пример – графические срастания кварца и полевого шпата в письменных гранитах.

 


1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |

Поиск по сайту:



Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Студалл.Орг (0.004 сек.)