Материал: posobie

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам
background image

61 

где

 N

1

N

j

– 

концентрация

мономера

и

j

-

мерных

кластеров

 (

см

-1

),  

j

 = 2, 3, …

k

j

 – 

константа

скорости

роста

 (

см

3

/

с

), 

'

j

k

 – 

константа

скорости

диссоциации

j

-

мерного

кластера

 (

с

-1

). 

5.2.3. 

Кинетика

фазообразования

с

участием

твердых

тел

Процесс

фазообразования

1)

лимитируется

скоростью

химического

превращения

 (

реакция

диссо

-

циации

полимеризационные

превращения

); 

2)

лимитируется

диффузией

К

ним

относится

большинство

твердофаз

-

ных

процессов

протекающих

при

достаточной

толщине

диффузионного

слоя

реакции

на

частицах

какого

-

либо

реагента

3)

лимитируется

испарением

Скорость

таких

реакций

зависит

от

упру

-

гости

пара

и

размера

частиц

Процессы

образования

шпинелей

альдегидов

.  

Для

твердофазных

реакций

протекающих

без

участия

газообразных

фаз

в

частности

реакций

термического

разложения

особенностью

является

лока

-

лизация

процесса

в

пределах

реакционной

зоны

между

исходным

твердым

веществом

и

продуктами

реакции

Скорость

реакции

прямо

пропорциональна

величине

реакционной

зоны

в

каждый

момент

времени

В

свою

очередь

по

-

следняя

зависит

от

числа

зародышей

и

поверхности

каждого

из

них

Если

число

зародышей

постоянно

скорость

реакции

растет

до

тех

пор

пока

зародыши

не

станут

перекрываться

после

чего

реакционная

поверх

-

ность

начнет

уменьшаться

и

скорость

реакции

падает

Обозначим

через

х

 – 

количество

прореагировавшего

вещества

а

 – 

на

-

чальное

количество

вещества

S

 – 

реакционную

поверхность

каждого

заро

-

дыша

Скорость

реакции

в

начальный

период

равна

'

dx

= k S

dt

.                                           (5.46) 

Но

S

имеет

размерность

площади

[L]

2

а

объем

реагирующего

вещества

прямо

пропорционален

массе

имеет

размерность

[L]

3

Следовательно

ре

-

акционная

поверхность

каждого

зародыша

при

постоянстве

их

числа

прямо

пропорциональна

массе

в

степени

 2/3.  

2/ 3

dx

= kx

dt

,                                         (5.47) 

x = const · t

3

,

                                                               

(5.48) 

S = const · t

2

.                                        

(5.49) 

Таким

образом

для

начального

периода

скорость

прямо

пропорцио

-

нальна

массе

в

степени

 2/3, 

общее

количество

прореагировавшего

вещест

-

ва

 – 

кубу

времени

а

величина

поверхности

зародышей

 – 

квадрату

времени

Начиная

с

момента

когда

зародыши

начнут

перекрываться

скорость

реак

-

ции

будет

определяться

массой

непрореагировавшего

вещества

background image

62 

2/ 3

dx

= k(a – x)

dt

,                                         (5.50) 

1/ 3

1/ 3

kt = a – (a – x)

,                                        (5.51) 

1/ 3

3

x = a – (a – kt)

.                                         (5.52) 

Последнее

уравнение

справедливо

для

реакций

разложения

 KMnO

4

углекислых

солей

серебра

, Zn, Cu, 

в

которых

реакция

возникает

по

всей

по

-

верхности

Это

наблюдается

не

везде

Если

скорость

образования

зароды

-

шей

новой

фазы

относительно

невелика

то

зародыши

новой

фазы

образу

-

ются

в

объеме

исходной

фазы

Если

их

число

постоянно

то

общая

поверх

-

ность

реакционной

зоны

будет

расти

пропорционально

квадрату

времени

по

закону

2

0

S = kN t

,                                          (5.53) 

где

 N

0

 – 

число

зародышей

Обозначим

через

α

долю

прореагировавшего

вещества

за

время

t

,         

(

1 – 

α

) – 

доля

оставшегося

исходного

вещества

'

2

0

d

d(1 – )

= –

= k S(1 – )= k(1 – )N t

dt

dt

α

α

α

α

.           (5.54) 

После

интегрирования

при

 t

 = 0, 

α

 = 0: 

3

– kt

= 1 – e

α

,                                         (5.55) 

3

0

t

ln(1 – ) N k

3

α =

.                                   (5.56) 

Если

число

зародышей

переменно

но

скорость

их

роста

постоянна

то

' m

N = k t

,                                           (5.57) 

"

2

m+2

d(1 – )

= k Nt (1 – )= kt

(1 – )

dt

α

α

α

.                     (5.58) 

При

t

 = 0, 

α

 = 0: 

n

– kt

= 1 – e

α

,                                           (5.59) 

где

  

n = m+3, n 

 3. 

Если

k

мало

то

n

– kt

n

1 – e

kt

α =

.                                      (5.60) 

Последнее

уравнение

имеет

такой

же

вид

что

и

уравнение

диффузион

-

ной

кинетики

но

с

другим

численным

значением

n

Если

имеет

место

бес

-

конечная

или

полубесконечная

диффузия

вещества

которая

носит

необра

-

тимый

характер

то

количество

прореагировавшего

вещества

растет

по

па

-

раболическому

закону

1/ 2

kt

α =

.                                            (5.61) 

При

стационарной

диффузии

количество

вещества

Q

прошедшее

через

поверхность

раздела

 (

т

.

е

прореагировавшего

за

время

t

равно

background image

63 

t

1

2

0

c – c

Q

D

dt const t

=

=

=

δ

,                         (5.62) 

kt

α =

.                                               (5.63) 

Таким

образом

при

диффузионной

кинетике

  n

меняется

от

1

1

2

n

≤ ≤

Если

нельзя

считать

диффузию

бесконечной

или

полубесконечной

  (

или

стационарной

), 

то

n

не

остается

постоянной

в

ходе

процесса

5.2.4. 

Скорость

кластерообразования

в

матрицах

Кинетика

процесса

кластерообразования

с

участием

лигандов

L

описы

-

вается

последовательностью

необратимых

бимолекулярных

реакций

и

се

-

рией

линейных

уравнений

1

2

3

n

k

k

2

k

2

2

2

k

j 1

j

2

Me L

MeL

MeL L

MeL

MeL

Me

Me L

Me

Me

Me L

+ ⎯⎯→

+ ⎯⎯→

+

⎯⎯→

− − − − − − − − − − − − − −

+

⎯⎯→

Скорость

кластерообразования

может

быть

представлена

как

непре

-

рывное

отложение

атомов

металла

на

пленке

полимера

во

времени

t

со

ско

-

ростью

v

[ ]

[ ]

p

m

j 2

j=0

d Me

=

k Me Me L

dt

ν −

,                         (5.64) 

[

]

[ ]

[

] [

]

(

)

n 2

m

n-1 2

n 2

d Me L

= k Me

Me L - Me L

dt

.                  (5.65) 

Концентрация

кластерных

центров

различной

нуклеарности

описыва

-

ется

выражением

[

]

[

] [

]

[ ]

[

]

n-1

n-1

n-1

n 2

0

0

n-1

2

0

Me L

2

= Me

= k Me

MeL

n! L

,                  (5.66) 

где

Me

0

– 

общая

масса

атомов

Ме

отложенных

на

полимерных

пленках

за

время

t

п

 – 

нуклеарность

кластера

Наклон

кривых

изображенных

на

рис

. 5.6, 

дает

значение

n – 1

т

е

по

-

зволяет

определить

нуклеарность

кластеров

MeL

2

формирующихся

под

дей

-

ствием

аргона

 (

лиганда

 – 

матрицы

). 

background image

64 

Рис

. 5.6. 

Линейные

кинетические

кривые

для

определения

нуклеарности

  

кластеров

формирующихся

из

моноядерных

 Ar

2

 – Mo 

центров

Нанокластеры

металлов

и

оксидов

металлов

малого

размера

обладают

способностью

к

динамике

движения

атомов

внутри

кластеров

и

самих

кла

-

стеров

Матрицы

полимерных

или

активных

углей

включают

нанопоры

в

которых

как

в

нанореакторе

могут

происходить

химические

реакции

при

-

водящие

к

образованию

нанокластеров

Скорость

таких

реакций

возрастает

по

сравнению

со

скоростью

в

макроскопическом

пространстве

а

размер

кластера

регулируется

размерами

нанопоры

подобно

нуклеации

кластеров

в

обратной

мицелле

Простая

нуклеация

сопровождается

образованием

кри

-

тического

минимального

размера

кластера

3

min

2

3

32 a

r

3

=

ρ Δμ

,                                                 (5.67) 

где

 a

 – 

плотность

поверхностной

энергии

кластера

ρ

 – 

плотность

кластера

Δμ

 – 

изменение

химического

потенциала

при

образовании

кластера

Мак

-

симальный

размер

кластера

в

нанопоре

max

0

r

n

2 +

Δμ

Δμ

                                               (5.68) 

определяется

количеством

атомов

в

нанопоре

n

0

из

которых

образуется

кластер

т

.

е

должен

увеличиваться

с

увеличением

размера

нанопоры

В

то

же

время

минимальный

критический

размер

зародыша

в

поре

определяется

термодинамикой

нуклеации

и

исходной

концентрацией

атомов

кластера

в

пространстве

что

с

ростом

размера

поры

приводит

к

образованию

несколь

-

ких

кластеров

меньшего

размера

в

одной

поре

Скорость

нуклеации

в

нано

-

поре

возрастает

из

-

за

понижения

потенциального

барьера

нуклеации

Δ

вследствие

влияния

стенки

поры

 (

фактор

гетерогенности

k << 1

согласно

уравнению

background image

65 

3

2

2

16

k

G

3

πα

Δ =

ρ Δμ

.                                              (5.69) 

Таким

образом

в

пористых

материалах

с

размерами

пор

до

 10 

нм

мо

-

гут

образовываться

изолированные

нанокластеры

с

размерами

от

одного

до

нескольких

нанометров

в

зависимости

от

размера

пор

и

исходной

концен

-

трации

Рассмотрим

пример

движения

кластера

как

целого

в

нанопоре

суль

-

фосмолы

 (

рис

. 5.7). 

Топохимия

металлических

смол

вдоль

поперечного

се

-

чения

полимерной

матрицы

определяется

шириной

реакционной

области

в

свою

очередь

зависящую

от

коэффициента

диффузии

D

и

константы

скоро

-

сти

химической

реакции

k

При

D << k

скорость

отложения

металлических

частиц

лимитируется

скоростью

диффузии

и

ширина

реакционной

области

минимальна

тогда

как

при

D >> k

ситуация

прямо

противоположная

реак

-

ционная

область

распространяется

на

все

поперечное

сечение

полимерной

пленки

Поскольку

с

повышением

температуры

константа

скорости

k

возраста

-

ет

значительно

быстрее

чем

коэффициент

диффузии

D

с

ростом

Т

процесс

переходит

в

диффузионную

область

что

сопровождается

уменьшением

размера

металлического

слоя

Рис

. 5.7. 

Зависимость

массовой

концентрации

НЧ

в

полимере

от

времени

  

и

температуры

восстановления

5.2.5. 

Фрактальные

самоорганизующиеся

структуры

Происходящая

в

природе

агрегация

кластеров

приводит

к

возникнове

-

нию

нового

типа

кластеров

самоорганизующихся

наноструктур

под

назва

-

нием

фрактальные

кластеры

 (

рыхлая

ветвистая

структура

кластеры

жестко

соединены

между

собой

). 

Основное

свойство

фрактального

кластера

связа

-

но

с

уменьшением

средней

плотности

вещества

в

объеме

ограниченном

кластером

Такой

агрегат

представляет

собой

объединение

первичных

кла

-

стеров

включающих

N

атомов

которые

образуют

рыхлую

надмолекуляр

-

ную

структуру

Под

фрактальным

кластером

подразумевается

агрегат

с

ми

-

нимальным

размером

составляющей

частицы

 (

кластера

r

0

и

максимальным

Источник: https://files.student-it.ru/previewfile/15347