1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Российские нанотехнологии
  4. T. 19, № 2, 2024

Российские нанотехнологии, 2024, T. 19, № 2, стр. 183-202

Три типа двухфазного поверхностного натяжения молекул в мезопористых системах и методы их расчета

Ю. К. Товбин 1, *, Е. С. Зайцева 1

1 Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН
Москва, Россия

* E-mail: tovbinyk@mail.ru

Поступила в редакцию 16.12.2023
После доработки 09.02.2024
Принята к публикации 09.02.2024

Аннотация

При температурах Т < Тс(Н) (где Тс(Н) – критическая температура, Н – характерный размер поры) во всех мезопористых системах сорбируемые молекулы адсорбата расслаиваются на две сосуществующие фазы “пар в поре” и “жидкость в поре”. Условия такого расслоения адсорбата зависят от ширины пор и энергий взаимодействия адсорбент–адсорбат. Распределение адсорбата по объему пор в разных материалах играет важную роль в процессах переноса вещества и установления в них равновесного состояния. Расслоение молекул сопровождается образованием менисков границ раздела пар–жидкость. Они в значительной степени определяют общее сопротивление процессу массопереноса через пористые материалы. Наиболее продвинутые результаты по описанию границ раздела пар–жидкость получены на основе так называемой молекулярной модели решеточного газа, позволяющей с одинаковой точностью рассчитывать молекулярные распределения в гетерогенно-распределенных моделях переходных областей границ раздела. Недеформируемые стенки пор создают внешнее поле, влияющее на молекулярное распределение и образующее адсорбционные пленки за счет потенциала взаимодействия адсорбат–адсорбент. Поверхностное натяжение обсуждаемых менисков, а также на границах между адсорбатом в виде пар и жидкости с твердыми стенками рассчитывается по избытку свободной энергии границы раздела (по Гиббсу). Состояние сосуществующих фаз “пар в поре” и “жидкость в поре” должно удовлетворять равенству химических потенциалов, исключающему появление метастабильных состояний. Излагаются способы расчета трех видов двухфазных поверхностных натяжений в трехагрегатной системе и метод локализации областей трехфазного контакта, а также микроскопического описания молекулярных распределений и свойств этих областей. Подход демонстрируется на примере щелевидных пор с гладкими и шероховатыми стенками, а также для цилиндрических пор и их сочленений между порами разного радиуса. Исследованы размерные эффекты угла смачивания в зависимости от геометрии поперечного сечения пор и потенциала стенок пор. Полученные результаты опережают уровень имеющихся работ в литературе.

Список литературы

  1. Дубинин М.М. // Журн. физ. химии. 1965. Т. 39. С. 1305.

  2. Грег С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. М.: Мир, 1984.

  3. Плаченов Т.Г., Колосенцев С.Д., Порометрия. Л.: Химия, 1988. 176 с.

  4. Черемской П.Г., Слезов В.В., Бетехтин В.И. Поры в твердом теле. М.: Энергоатомиздат 1990. 376 с.

  5. Товбин Ю.К. Молекулярная теория адсорбции в пористых телах. М.: Физматлит, 2012. 624 с.

  6. Лыков А.В. Явления переноса в капиллярно-пористых телах. М.: ГИТТЛ, 1954.

  7. Carman P.C. Flow of Gases Through Porous Media. London: Butterworths, 1956.

  8. Хейфец Л.И., Неймарк А.В. Многофазные процессы в пористых телах. М.: Химия, 1982. 320 с.

  9. Тимофеев Д.П. Кинетика адсорбции. М.: изд-во АН СССР, 1962. 252 с.

  10. Рачинский В.В. Введение в общую теорию динамики адсорбции и хроматографии. М.: Наука, 1964. 134 с.

  11. Чизмаджев Ю.А., Маркин В.С., Тарасевич М.Р., Чирков Ю.Г. Макрокинетика процессов в пористых средах. М.: Наука, 1971. 364 с.

  12. Satterfield C.N. Mass Transfer in Heterogeneous Catalysis. Cambridge; Massachusetts: MIT Press, 1970.

  13. Ruthven D.M. Principles of Adsorption and Adsorption Processes. New York: J. Willey & Sons, 1984.

  14. Мэйсон Э., Малинаускас А. Перенос в пористых средах: модель запыленного газа. М.: Мир, 1986. 200 с.

  15. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М.: Мир, 1979.

  16. Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. М.: Высшая школа, 1992. 414 с.

  17. Ролдугин В.И. Физикохимия поверхности. Долгопрудный: Издательский Дом “Интеллект”, 2008. 568 с.

  18. Радушкевич Л.В. Основные проблемы теории физической адсорбции. М.: Наука, 1970. 270 с.

  19. Steele W.A. The Interactions of Gases with Solid Surfaces. New York: Pergamon, 1974.

  20. Авгуль Н.Н., Киселев А.В., Пошкус Д.П. Адсорбция газов и паров на однородных поверхностях. М.: Химия, 1975. 284 с.

  21. Киселев А.В., Пошкус Д.П., Яшин Я.И. Молекулярные основы адсорбционной хроматографии. М.: Химия, 1986. 269 с.

  22. Физическая химия адсорбционных процессов / Под ред. Цивадзе А.Ю. и др. Москва: Граница, 2011.

  23. Гиббс Дж. В. Термодинамика. Статистическая механика. М.: Наука, 1982. 584 с.

  24. Volmer M. Kinetik der Phasenbildung. Dresden: Verlag Theodor Steinkopff, 1939.

  25. Джейкок М., Парфит Дж. Химия поверхностей раздела фаз. М.: Мир, 1984. 270 с.

  26. Роулинсон Дж., Уидом Б. Молекулярная теория капиллярности. М.: Мир, 1986.

  27. Hill T.L. Advanced in Catalysis and related subjects / Eds. Frankenburg W.G. et al. New York: Academic Press, 1952.

  28. Tовбин Ю.К., Петухов A.Г. // Изв РАН. Сер. хим. 2008. № 1. С. 18.

  29. Товбин Ю.К. Малые системы и основы термодинамики. М.: Физматлит, 2018. 408 с.

  30. Товбин Ю.К. // Журн. физ. химии. 1992. Т. 66. № 5. С. 1395.

  31. Товбин Ю.К. Теория физико-химических процессов на границе газ–твердое тело. М.: Наука, 1990. 288 с.

  32. Товбин Ю.К., Еремич Д.В., Гвоздева Е.Е. // Химическая физика 2007. Т. 26. № 4. С. 88.

  33. Товбин Ю.К. // Российские нанотехнологии. 2010. Т. 5. № 11–12. С. 715.

  34. Зайцева Е.С., Товбин Ю.К. // Журн. физ. химии. 2020. Т. 94. № 9. С. 1317.

  35. Товбин Ю.К., Зайцева Е.С. // Журн. физ. химии. 2020. Т. 94. № 12. С. 1889.

  36. Зайцева Е.С., Товбин Ю.К. // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2021. Т. 57. № 2. С. 141.

  37. Товбин Ю.К. // Изв РАН. Сер. хим. 2003. № 4. С. 827.

  38. Рабинович В.А., Вассерман A.A., Недоступ В.И., Векслер Л.С. Тепловые свойства неона, аргона криптона и ксенона. М.: Стандартиздат, 1976.

  39. Ривкин С.Л. Термодинамические свойства газов. Справочник. М.: Энрегоатомиздат, 1987.

  40. Оно С., Кондо С. Молекулярная теория поверхностного натяжения. М.: Изд-во иностр. лит., 1963.

  41. Товбин Ю.К. // Журн. физ. химии. 2018. Т. 92. С. 2424.

  42. Товбин Ю.К. // Журн. физ. химии. 2019. Т. 92. С. 1662.

  43. Товбин Ю.К. // Журн. физ. химии. 2020 Т. 94. С. 2391.

  44. Товбин Ю.К. // Журн. физ. химии. 2020 Т. 94. С. 1515.

  45. Товбин Ю.К., Зайцева Е.С., Рабинович А.Б. // Журн. физ. химии. 2018. Т. 92. № 3. С. 473.

  46. Зайцева Е.С., Товбин Ю.К. Физикохимия поверхности и защита материалов. 2022. Т. 58. № 2. С. 144.

  47. Товбин Ю.К., Рабинович А.Б. // Изв РАН. Сер. хим. 2010. № 4. С. 677.

  48. Yang C.N., Lee T.D. // Phys. Rev 1952. V. 87. P. 404.

  49. Huang K. Statistical Mechanics. New York; London: Wiley, 1963.

  50. Hill T.L. Statistical Mechanics. Principles and Selected Applications. New York: McGraw-Hill Book Comp. Inc., 1956.

  51. Prigogine I., Defay R. Chemical Thermodynamics. London: Longmans Green, 1954.

  52. Товбин Ю.К., Рабинович А.Б. // Докл. РАН. 2008. Т. 422. С. 234.

  53. White L.R. // J. Chem. Soc. Farad. Trans. I. 1977. V. 73. P. 390.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Российские нанотехнологии

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал