Механизм кристаллизации представлен на рис.1.
Кристаллизация, образование кристаллов из паров, растворов, расплавов, вещества в твёрдом состоянии (аморфном или другом кристаллическом), в процессе электролиза и при химических реакциях. Кристаллизация приводит к образованию минералов. Кристаллизация воды играет важную роль в атмосферных и почвенных явлениях. Кристаллизация лежит в основе металлургии, получения полупроводниковых, оптических, пьезоэлектрических и других материалов, плёнок для микроэлектроники, металлических покрытий, широко используется в химической, пищевой, медицинской промышленности (очистка веществ, производство удобрений, соли, сахара, химикалиев, лекарств).
Применение эффекта
Ключевые слова Разделы наук
Выращивание крупных совершенных монокристаллов часто ведут из метастабильных растворов и расплавов, вводя в них небольшие затравочные кристаллы и избегая самопроизвольного зарождения. Наоборот, в металлургических процессах стремятся иметь максимальное число зародышей.
Зависимость числа зародышей кристаллов глицерина от температуры
Агрегат, для которого работа образования максимальна, называется критическим зародышем (rкр). Чем меньше работа образования зародыша, тем вероятнее его появление. С этим связано преимущественное зарождение на посторонних частицах (в особенности заряженных), на поверхностях твёрдых тел и на их дефектах. Такое зарождение называется гетерогенным. При кристаллизации на поверхности твёрдого тела зарождение происходит преимущественно на неоднородностях поверхности. При этом кристаллики "декорируют" дефекты и неоднородности. Гомогенное зарождение в объёме чистой жидкости возможно лишь при очень глубоких переохлаждениях. С понижением температуры и с ростом переохлаждения уменьшается работа образования зародыша, но одновременно падает и вязкость жидкости, а с нею и частота присоединения новых частиц к кристаллическим агрегатам. Поэтому зависимость скорости зарождения от температуры имеет максимум (рисунок 4). При низких температурах подвижность частиц жидкости столь мала, что расплав твердеет, оставаясь аморфным, – возникает стекло.
Зависимость работы А, требующийся для образования кристаллического агрегата, от его размера r
При зарождении атомы или молекулы кристаллизующегося вещества объединяются в кристаллические агрегаты. Объединение частиц в агрегат уменьшает свободную энергию системы, а появление новой поверхности – увеличивает. Чем меньше агрегат, тем большая доля его частиц лежит на поверхности, тем больше роль поверхностной энергии. Поэтому с увеличением размера r агрегата работа А, требующаяся для его образования, вначале увеличивается, а затем падает (рис.3).
Зародыши кристаллизации. Переохлажденная среда может долго сохранять, не кристаллизуясь, неустойчивое метастабильное состояние (например, мелкие, диаметром 0,1 мм капли хорошо очищенных металлов можно переохладить до температуры ~ 0,8 Тпл). Однако при достижении некоторого предельного для данных условий критического переохлаждения в жидкости или паре почти мгновенно возникает множество мелких кристалликов (зародышей). Происходит спонтанная кристаллизация. Возникшие кристаллики растут и, т. к. переохлаждение уменьшается, новые зародыши, как правило, больше не возникают. Критическое переохлаждение зависит от температуры, концентрации, состава среды, её объёма, от присутствия посторонних частиц (например, пылинок, на которых образуются зародыши, кристалликов др. веществ), от материала и состояния поверхности стенок сосуда, от интенсивности перемешивания, действия излучений и ультразвука.
Выделение скрытой теплоты кристаллизации ведёт к нагреванию расплава, уменьшению переохлаждения и замедлению кристаллизации, которая заканчивается исчерпанием вещества или достижением равновесных значений температуры, концентрации и давления.
Кристаллизация – фазовый переход вещества из состояния переохлажденной (пересыщенной) маточной среды в кристаллическое соединение с меньшей энергией. Избыточная энергия выделяется при кристаллизации в виде скрытой теплоты кристаллизации. Часть этой теплоты может превращаться в механическую работу; например, растущий кристалл может поднимать положенный на него груз, развивая кристаллизационное давление порядка десятков кГ/см2. В частности, кристаллы солей, образующиеся в порах бетонных плотин в морской воде, могут вызывать разрушение бетона.
Условия Кристаллизации. Если кристалл не плавится, не растворяется, не испаряется и не растет, то он находится в термодинамическом равновесии с маточной средой (расплавом, раствором или паром). Равновесие кристалла с расплавом того же вещества возможно лишь при температуре плавления Тпл, а равновесие с раствором и паром - если последние насыщены. Пересыщение или переохлаждение среды – необходимое условие для роста погруженного в неё кристалла, причём скорость роста кристалла тем больше, чем больше отклонение от равновесия.
Кристаллизация начинается при достижении некоторого предельного условия, например, переохлаждения жидкости или пересыщения пара (рисунок 1, 2), когда практически мгновенно возникает множество мелких кристалликов – центров кристаллизации. Кристаллики растут, присоединяя атомы или молекулы из жидкости или пара. Рост граней кристалла происходит послойно, края незавершенных атомных слоев (ступени) при росте движутся вдоль грани. Зависимость скорости роста от условий кристаллизации приводит к разнообразию форм роста и структуры кристаллов (многогранные, пластинчатые, игольчатые, скелетные, дендритные и другие формы, карандашные структуры и т. д.). В процессе кристаллизации неизбежно возникают различные дефекты.
Кристаллизация - процесс образования кристаллов из паров, растворов, расплавов, из вещества в другом кристаллическом или аморфном состоянии.
Образование кристаллов из паров
Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии
:: Кристаллизация
Автоматизированная Интернет-система формирования баз данных репродуктивных и формализованных описаний естественнонаучных и научно-технических эффектов
Комментариев нет:
Отправить комментарий