Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

АДСОРБЦИЯ КОМПОНЕНТОВ РАСПЛАВОВ БИНАРНЫХ СИСТЕМ AG-TE И SB-SE

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»
В работе приводится краткий обзор методов расчета адсорбций компонентов бинарных растворов, указаны их достоинства и недостатки. Предложена методика расчета адсорбции, которая основана на определении N – варианта адсорбции по Гуггенгейму – Адаму и использовании параметра обмена частицами поверхностного слоя расплава с его объемом. Показано, что новая методика дает результаты близкие реальным растворам. Методика применена для вычисления адсорбций компонентов бинарных систем Ag-Te и Sb-Se, которые образуют устойчивые химические соединения Ag2Te и Sb2Se3. Показано, что при расчетах адсорбций системы Ag-Te и Sb-Se необходимо разделить на составляющие вторичные Ag-Ag2Te, Ag2Te-Te и Sb-Sb2Se3, Sb2Se3–Se. Все расчеты проводятся в системе приведенных концентраций х?, затем результаты расчетов обратно пересчитывают в систему нормальных концентраций x. Расчеты показывают, что молекулы химических соединений Ag2Te и Sb2Se3 проявляют поверхностную активность по отношению к серебру в областях 0 < х < 0,33 и 0 < х < 0,6. При этом Te более активен, чем Se. В остальных областях на поверхности расплавленных химических соединений Ag2Te и Sb2Se3 выходят – атомы Te и Sb.
раствор
адсорбция
изотерма
химическое соединение
поверхностное натяжение
металлы
1. Алчагиров Б.Б., Афаунова Л.К., Таова Т.М., Архестов Р.Х., Коков З.А., Алчагирова Л.Г., Тлупова М.М. Расчет адсорбции калия в сплавах натрий-калий: учет активности компонентов // Вестник Кабардино-Балкарского государственного университета. Серия физических наук. – 2009. – № 12. – 84 с.
2. 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. 17, № 21. – С. 104–107.
3. 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.
4. Кузнецов В.А., Синянская Р.И., Портная Г.Н., Волынская М.П. // Электрокапиллярные явления на сплавах Te-Ag и поверхностное натяжение этих сплавов в вакууме. – Известия вузов. Химия и химическая технология. – 1962. – Т. 5, № 3. – С. 428–432.
5. Покровский Н.Л., Пугачевич П.П., Голубев Н.А. // Исследование поверхностного натяжения растворов системы свинец-висмут. ЖФХ. – 1969. – Т. 43, № 8. – С. 2158–2159.
6. Cеменченко В.К. Поверхностное явления в металлах и сплавах / В.К. Семенченко. – М.: Гостехтеориздат, 1957. – 491 с.
7. 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. – P. 440–443.
8. Wobst M. Oberflachenspannung Dichte Schmelzflussiger Legierungen von binaren Tellir- und Selen-system mit gleichzeiting vorliegenden Mischungslucken und Verbindungen. – Wiss. Z.d. Techn. Hochsch. Karl-Marx Stadt, 1970, Bd 12, № 4. – P. 393–414.

Для расчета адсорбции второго компонента бинарной системы А-В, где А и В компоненты системы следует использовать выражение [6]

herip01.wmf, (1)

где a(x) – термодинамическая активность второго компонента системы А-В, σ(a) – функция изотермы поверхностного натяжения (ПН), x – термодинамическая концентрация второго компонента. Однако из-за сложности аналитического определения функций a(x), при условии herip02.wmf, где i = A и B, γi – коэффициент активности от (1), переходят к выражению

herip03.wmf. (2)

В (2) изотерму ПН или σ(х) – определяют в эксперименте, а величину herip04.wmf находят способом графического дифференцирования экспериментальной кривой σ(х), что допускает ошибки до 13 и более процентов [1]. Для уменьшения ошибок в расчетах в [7] было предложено уравнение изотермы ПН

herip05.wmf. (3)

Здесь β и F – параметры, независящие от состава раствора, σА и σВ – ПН чистых компонентов системы А-В.

В [2] показано, что (3) описывает эксперимент с высокой точностью и предложена методика определения β и F из данных эксперимента по изучению изотерм ПН (см. ниже). В [7] было показано, как использовать (3) при вычислении herip06.wmf для расчета адсорбции компонентов раствора.

Оценка величины адсорбции компонентов в приближении идеальных растворов

Продифференцировав (3) по х и подставляя полученное выражение в (2), было получено [7] выражение для расчета адсорбции второго компонента.

herip07.wmf. (4)

Формула (4) значительно уменьшает ошибки, допускаемые при графическом дифференцировании экспериментальной кривой σ(x), 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 [3] было предложено вычислить адсорбцию второго компонента бинарной системы А-В с использованием определения адсорбции в N – варианте Гуггенгейма – Адама [1]

herip08.wmf, (5)

где

herip09.wmf; (6)

herip10.wmf. (7)

В (7) herip11.wmf – молярный объем раствора состава х, который определим как

herip12.wmf, (8)

где VA и VВ – молярные объемы компонентов А и В. Результаты вычислений по (7) будут точнее при использовании экспериментальных herip13.wmf. Нами расчеты были проведены в приближении жесткого раствора (k и n = 1).

Для определения параметров β и F уравнения (3) перепишем в виде [4]

herip14.wmf, (9)

herip15.wmf, (10)

sэ(х) – ПН расплава состава х, определенное в эксперименте. Очевидно, что из данных эксперимента можем вычислить величину herip16.wmf. 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

herip17.wmf. (11)

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

herip18.wmf. (12)

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

Очевидно, что если эксперимент по изучению изотермы ПН дает прямую линию, то уравнение (3) для данной системы справедливо и может быть использовано для расчетов адсорбции компонентов в приближении идеальных растворов по (4) и для расчетов адсорбции компонентов в приближении реальных растворов по (5)–(8).

Действительно, расчет адсорбции висмута в хорошо изученной системе Pb-Bi по формулам (1), (4) и (5)–(8) показал [5] хорошее совпадение данных, полученных по (1) и (5)–(8) (см. рис. 1).

her1.tif

Рис. 1. Результаты расчетов адсорбции висмута в расплавах системы Pb-Bi при Т = 673 К: – в приближении идеального раствора по (2); о – с учетом термодинамической активности по (1); Δ – по формуле (4)

Как видно из сравнения результатов (рис. 1), расчет адсорбции по (5)–(8) дает данные более близкие к реальным растворам. Итак, этот способ может быть использован для расчетов адсорбций 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. Ниже рассмотрим эту задачу для систем Ag-Te и Sb-Se, в которых компоненты образуют интерметаллические соединения Ag2Te и Sb2Se3 [4, 8].

Изотермы ПН бинарных систем Ag-Te и Sb-Se

На рис. 2 и 3 представлены экспериментальные изотермы ПН бинарных систем Ag-Te и Sb-Se, построенные в [4] и [8]. Точки – при температурах Т = 1473 К и 923 К соответственно. Здесь же приведены теоретические изотермы ПН (сплошные линии), построенные по уравнению (3).

Как видно из рис. 2 и 3, уравнение (3) описывает экспериментальные изотермы ПН вполне удовлетворительно.

В [9] 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

herip19.wmf; (8)

и для Аm Bn-В

herip20.wmf. (9)

Здесь хс – концентрация, определяющая состав химсоединения АmBn.

После расчетов адсорбции компонентов в системе x’ результаты следует обратно переводить в систему нормальных концентраций х второго компонента В по формулам (8) и (9).

Таблица 1

Граничные значения ПН и результаты вычислений β и F

№ п/п

Система

Вторичная

система

sA

мН/м

sB

мН/м

b

мН/м

F

1

Ag-Te

Ag-Ag2Te

880

340

– 50

21

Ag2Te-Te

340

150

– 243

1,95

2

Sb-Se

Sb- Sb2Se3

380

155

– 417

1,6

Sb2Se3-Se

155

50

– 250

1,36

Таблица 2

Входные данные для расчетов herip21.wmf для систем Ag-Te и Sb-Se

Система

МA•103,

кг/моль

МB•103,

кг/моль

ρA, кг/м3

ρB, кг/м3

ωA•10-4

м2/моль

ωB•10-4

м2/моль

Ag-Te

102,87

127,6

10500

6240

3,99

6,30

Sb-Se

121,75

78,96

6690

4800

5,88

5,40

her2.tif

Рис. 2. Изотерма ПН бинарной системы Ag-Te: °- – эксперимент [4]; – – расчет по (3)

her3.tif

Рис. 3. Изотерма ПН бинарной системы Sb-Se: °- – эксперимент [8]; – – расчет по (3)

her4.tif

Рис. 4. Адсорбция компонентов бинарной системы Ag-Te: 1 – адсорбция молекул Ag2Te; 2 – адсорбция атомов Te

her5.tif

Рис. 5. Адсорбция компонентов бинарной системы Sb-Se: 1 – адсорбция молекул Sb2Se3; 2 – адсорбция атомов Se

Результаты экспериментов [4] и [8] нами обработаны по методике [2], построены теоретические изотермы по (3) (сплошные линии на рис. 2 и 3) и найдены параметры b и F уравнения (3) для каждой вторичной системы Ag-Ag2Te и Ag2Te-Te; Sb-Sb2Se3 и Sb2Se3-Se (cм. табл. 1).

В табл. 2 приведены входные данные для расчетов мольных поверхностей чистых компонентов серебра, теллура, сурьмы и селена.

Результаты расчетов адсорбций компонентов систем Ag-Te и Sb-Se

Результаты наших расчетов адсорбций молекул Ag2Te, Sb2Se и чистых металлов в расплавах бинарных систем Ag-Te и Sb-Se представлены на рис. 4 и 5.

Как видно из рис. 3 и 4, молекулы химсоединений Ag2Te и Sb2Se3 проявляют поверхностную активность в областях 0 < х < 0,33 и 0 < х < 0,6, соответственно. При этом молекулы Ag2Te являются более поверхностно активными, чем Sb2Se3 по отношению к серебру и сурьме. В областях 0,33 < х < 1 и 0,6 < х < 1 на поверхностях расплавленных химсоединений Ag2Te и Sb2Se выходят атомы чистых компонентов Te и Se, а молекулы Ag2Te и Sb2Se3 проявляют поверхностную инактивность по отношению к атомам Te и Se.

Выводы

1. Для расчетов адсорбций компонентов бинарного расплава системы A-B, компоненты которой образуют устойчивые химические соединения AmBn, при температурах измерений поверхностного натяжения бинарную систему A-B необходимо разделить на составляющие вторичные A-AmBn, AmBn-B и расчеты проводить для каждой вторичной системы в приведенной системе концентрации с последующим перерасчетом результатов в нормальную систему концентрации.

2. На примерах бинарных систем Ag-Te и Sb-Se показано, что молекулы Ag2Te и Sb2Se3 могут значительно повлиять на ход изотерм адсорбции Te и Se.

3. Оказалось, что молекулы Ag2Te и Sb2Se3 ведут себя как поверхностно активные по отношению к серебру и сурьме в областях 0 < х < 0,33 и 0 < х < 0,6, и поверхностноинактивные по отношению к Te и Se при х > 0,33 и х > 0,6.


Библиографическая ссылка

Шериева Э.Х., Реуцкая Н.С., Калажоков З.Х., Калажоков Х.Х. АДСОРБЦИЯ КОМПОНЕНТОВ РАСПЛАВОВ БИНАРНЫХ СИСТЕМ AG-TE И SB-SE // Фундаментальные исследования. – 2016. – № 12-1. – С. 107-111;
URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=41055 (дата обращения: 01.12.2021).

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 = 1.074