научная статья по теме К УСЛОВИЯМ СМЕНЫ ЗНАКА ЭФФЕКТА РЕБИНДЕРА ПРИ ОДНОКОМПОНЕНТНОЙ АДСОРБЦИИ ПО ИЗОТЕРМЕ ФРУМКИНА Химия

Текст научной статьи на тему «К УСЛОВИЯМ СМЕНЫ ЗНАКА ЭФФЕКТА РЕБИНДЕРА ПРИ ОДНОКОМПОНЕНТНОЙ АДСОРБЦИИ ПО ИЗОТЕРМЕ ФРУМКИНА»

ФИЗИКОХИМИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ЗАЩИТА МАТЕРИАЛОВ, 2015, том 51, № 5, с. 451-455

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ НА МЕЖФАЗНЫХ ГРАНИЦАХ

УДК 541.13

К УСЛОВИЯМ СМЕНЫ ЗНАКА ЭФФЕКТА РЕБИНДЕРА ПРИ ОДНОКОМПОНЕНТНОЙ АДСОРБЦИИ ПО ИЗОТЕРМЕ ФРУМКИНА © 2015 г. Э. М. Подгаецкий

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной механики Российской академии наук 119991, Москва, Ленинский просп., 32а e-mail: Podgaetsky@mail.ru Поступила в редакцию 29.12.2014 г.

Термодинамические критерии "положительного" (уменьшение поверхностной твердости) и "отрицательного" (увеличение поверхностной твердости) эффекта Ребиндера исследуются в рамках предложенной ранее теории адсорбции на твердой поверхности с учетом ее деформации. Рассматривается одно-компонентная адсорбция по изотерме Фрумкина. Численно и аналитически исследуются условия перехода от растяжения поверхности при наличии "положительного" эффекта Ребиндера к ее сжатию и появлению "отрицательного" эффекта.

DOI: 10.7868/S0044185615050204

ВВЕДЕНИЕ

Снижение поверхностной твердости тела при появлении на нем поверхностно-активного вещества (ПАВ) — эффект Ребиндера — открытый и введенный в научный оборот П. Ребиндером [1], стал объектом исследований с 20-х годов ХХ века и темой соответствующих публикаций от классических [2, 3] до недавних [4, 5]. Трудностью для классических термодинамических критериев эффекта, например, при использовании аппроксимации Шишковского [6] для приращения поверхностного натяжения Да = -b ln(1 + kc) < 0 b,k = const, (b > 0, k > 0), c — объемная концентрация адсорбата — явились данные об "отрицательных эффектах" воздействия ПАВ, т.е. увеличение поверхностной твердости [7]. Таким образом доставка адсорбата на поверхность может и снижать ("положительный" эффект Ребиндера ) и повышать ее ("отрицательный" эффект Ребиндера). При этом в опытах на металлах была обнаружена смена знака эффекта Ребиндера при переходе от деформаций растяжения к деформации сжатия [8]. В [9] на основе термодинамической теории адсорбционного слоя на твердой поверхности с учетом ее деформации [10—13] впервые были сформулированы критерии эффекта Ребиндера обоего знака и из них условия смены знака эффекта при переходе от растяжения к сжатию. В [14] подобные условия обобщены на конечные деформации в частном случае электрохимического уравнения поверхностного слоя.

Ниже эти условия исследуются численно и аналитически, когда изотермой адсорбции явля-

ется изотерма Фрумкина, а модель поверхностного слоя — модель двух параллельных конденсаторов в частном случае [14], а деформация поверхности конечная.

ТЕОРЕТИЧЕСКИМ АНАЛИЗ

Воспользуемся уравнением изотермы одно-компонентной адсорбции на твердой металлической поверхности с учетом ее конечной деформации в частном случае [14],

Bc exp

j е^фУ Ф

Ф0

= А(Г),

(1)

где g0 = const, k0 = const, деформация & = ———

—0

(S — площадь межфазной поверхности после деформации, S0 = S 13=0 — ее значение до деформации), безразмерные переменные с, Г, ф связаны с размерными физическими £, Г, ф (объемная и поверхностная концентрация адсорбата и электрический потенциал металлической фазы) соотношениями

Г =

Ф

Ф*

ЯТГ,

ф0 — произвольное фиксированное значение ф, с*, Г*, ф* — произвольные масштабные параметры соответствующих переменных, функция б^ф)

c

входит в выражение безразмерной плотности поверхностного заряда q

q = = е0(ф, д.) + Е1(ф)г + Г ^ д, RTr* dф

(2)

где £(ф) — произвольная функция, в частном случае g = g0 = const; R — универсальная газовая постоянная, T — абсолютная температура, постоянная B и функция А(Г) определяются изотермой адсорбции на недеформированной поверхности

Bc

а=о = ДО,

Ф=Фо

а функция А(Г) удовлетворяет условиям A = — > 0, Г > 0,

dr

A(0) = 0, A'(0) = const > 0.

(3)

(за)

(зб)

д 2q

дг2

= 0

(4)

с дополнительным ограничением на скорость роста поверхностной концентрации Г по переменной &

Yв = Yв(Г,Ф).

(5)

Далее ограничимся функцией А(Г), отвечающей изотерме Фрумкина

А(Г) _ Г ехр(-2аГ) 1 -Г '

(6)

где а — аттракционная постоянная, налагая на нее ограничение

a < 2,

(7)

Da = ar(Г, ф, 9) - ar(0, ф, 9) =

= -|Г A dF- (1 + 9)(g0 +К0)Г J A

< 0

для "положительного" эффекта Ребиндера, и

Da =- fr A dr - (1 + d)(g0 + к 0)Г > 0 J A

(9)

для "отрицательного" эффекта Ребиндера .

При растяжении поверхности величина & > 0, а при сжатии & < 0, но физически возможны лишь те 9 < 0, когда 1 + 9 > 0. Поэтому переход от условия (8) к условию (9) при смене знака 9 от 9 > 0 к 9 < 0 с учетом неравенства (3а) возможен лишь при

О ^о + ко) > 0. (10)

Перепишем неравенства (8), (9) с учетом (6) в

Условия (3) соответствуют изотермам, имеющим при малых Г линейный участок, т.е. изотерме Генри.

Уравнение изотермы (1) и представление плотности заряда q (2) выведены в [14] при конечных & в модели двух параллельных конденсаторов [15]

виде

G < [Г+(1 + 0+)]-1 |ГAdГ =

= Gq(T+) A т 1 + 0+

= R+ =

при

d = -9+ > 0,

и

G > [Г_(1 + 3_)] 1 fГ Adr = R A

_Gq(T _)

1 -о _

при

(11)

(11а)

(12)

(12а)

обеспечивающее однофазность адсорбционного слоя.

Из (6) и (1) видно, что тип изотермы на деформированной поверхности (1) остается изотермой Фрумкина по переменной Г. При этом следует отметить, что формула (6) подразумевает независимость предельного значения Г, вычисляемого из (1), от & и ф, т.е. lim Г = 1.

Выпишем теперь критерии "положительного" и "отрицательного" эффекта Ребиндера в терминах приращения DCT поверхностного натяжения твердого тела а r (Г, ф, из [14]

& = -&_ < 0, где функция С0(Г)

О0 = [- 1п(1 - Г) - аГ2]Г-1. (13)

Величины адсорбции Г+, Г_ при этом рассчитываются из соответствующих изотерм, вытекающих из (1)

Ь ехр(-3+О) = А(Г+), (14)

Ь ехр(3_О) = А(Г _), (15)

где

b = Bcexp

1е^ф^ф

V Фо

(16)

Влияние переменных с, ф на условия (8), (9) и на уравнения изотерм (14), (15) является опосредованным через параметр Ь (16).

В Приложении I показано, что неравенства (11), (12) с учетом (10) для значений а < 0.5 при любых Ь > 0, О > 0, -&+ > 0, > 0 не совместны. В Приложении II выведено необходимое условие суще-

0

0

г

0

0

Таблица 1. Интервал (Хь Ь>) значений параметра Ь = 1пЬ, при которых существуют совместные решения неравенств (11), (12) с условием (10) в области 1.75 < а < 2, полученные при фиксированных а, О, 9+,

a G L Ц2)

1.9 0.5 0.3 0.02 L1= -1.924, L2= -1.870

1.8 0.55 0.03 0.1 L1= -1.858, L2 = -1.842

1.8 0.5 0.3 0.02 L = -1.81, L2= - 1.78

1.75 0.5 0.25 0.02 L = -1.732, L2 = -1.728

ствования совместного решения неравенств (11), (12) при а > 0.5

G >

Gq(T0) 1 '

(17)

где Г0 определяется уравнением

/.(Г) Г=Г0 = .

Г О(1 - Г 0)

0 < Г 0 < 1,

(18)

exp(ln Ц) = b1 < b < b2 = exp(ln L2)

(19)

следуют с учетом (16) и (19) ограничения на величину объемной концентрации адсорбата с при фиксированном значении потенциала металлической фазы ф

exp

Ц - | e1d ф

L2 -

| s1d ф

(20)

< c < exp Фо J V Фо J

В табл. 2 даны значения интервалов d1 < < d2 и d3 < < d4, рассчитанных при фик-

решение которого при a > 0.5 единственно, учитывая монотонность функции /а(Г) (27).

Далее рассматриваются значения a > 0.5. Поиск совместных решений неравенств (11), (12) с условием (10) в области 1.75 < а < 2 привел к результатам, содержащимся в в табл. 1, 2.

Интервал Ц Ц2) значений параметра L = ln b, при которых решение существует — табл. 1, получен при фиксированных a, G, -Э+, Из соответствующего интервала для параметра b

сированных а, О, Ь, внутри которых решение системы неравенств (11), (12), (10) существует.

Условие смены знака эффекта Ребиндера (20) при переходе от растяжения к сжатию твердой поверхности налагает ограничения не только на объемную концентрацию адсорбата с, но и на потенциал металлической фазы ф при фиксированном с

ф

Ь - 1п с - 1пВ < |е(ф < Ь2 - 1п с - 1пВ. (21)

Фо

Расчет границ значений с в (20) или потециала ф в (21) облегчается тем, что электроповерхностная функция в^(ф) определяется по значениям электрического поверхностного заряда (2) на неде-формированной поверхности

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Исследовались термодинамические критерии эффекта Ребиндера ("положительного" и "отрицательного" знака) в случае смены знака эффекта при переходе от растяжения поверхности к сжатию.

2. Для однокомпонентной адсорбции по изотерме Фрумкина показано, что совместное решение критериальных неравенств, отвечающих переходу от растяжения к сжатию, существует.

3. Аналитически получена точная граница малых значений аттракционной постоянной в изотерме Фрумкина , при которых решение невозможно.

4. При больших значениях аттракционной постоянной численно и аналитически получены точные границы значений объемной концентрации адсорбата, при которых решение существует.

Таблица 2. Значения интервалов ( <0+ < й2 и < < (4, рассчитанных при фиксированных а, О, Ь, при которых решение системы неравенств (11), (12), (10) существует

a G S+(db d2) 9_(d3, d4) L

1.9 0.4 dx = 0.0399, d2 = 0.1853 d3 = 0, d4 = О.О4398 -1.878

1.9 0.5 d1 = О, d2 = 0.1077 d3 = О.О327, d4 = О.1О64 -1.929

1.9 0.6 dj = О, d2 = О.О329 d3 = О.О738, d4 = О.1638 -1.979

1.8 0.5 d1 = 0.166, d2 = О.2378 d3 = 0, d4 = О.О973 -1.783

1.8 0.5 d1 = О.О267, d2 = О.19 d3 = 0, d4 = О.О756 -1.806

1.75 0.55 d1 = 0, d2 = О.О765 d3 = О.О365, d4 = О.1О6 -1.783

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Пусть параметр аттракционной постоянной в изотерме Фрумкина а < 0.5. Выразим производную О0 = с учетом представления (13) йГ

О0 = /в(Г) - а, /а =

_Г + (1 - Г) 1п(1 -Г)

Г2(1 - Г)

(22)

Найдем теперь производную / = —

йГ

2^(0 - >|(Г)|

г3 ,

где

, п _ Г(2 - 3Г) >>0 = - 1п(1 -Г), >1 = '.

2(1 - Г)2

Так как

>0 - >1 =

1 1 - 2Г

1 - Г (1 - Г)3 (1 - Г)3

> 0,

(23)

(24)

(25)

0 <Г< 1

и >0(0) = >1(0) = 0, из (25) следует неравенство >0(Г) - >1(Г) > 0, 0 < Г < 1. (26)

С учетом (26) находим, что функция /а(Г) монотонно растущая

/а > 0. (27)

При этом неравенство (27) от а не зависит. Из (27) и краевого условия /а (0) = 0.5 получим

О0 = /а - а > 0, 0 < Г < 1.

(28)

А(Г,) Ь

= 1.

(29)

— = О0Ю., = О0(Г+)

1

1 + 0+

(33)

Подставляя R_, R+ из (33) в (32) найдем

Ор(Г-) < О < О0(Г+)

1 - 1 +

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком