Granica faz

Granica faz,powierzchnia międzyfazowa,granica międzyfazowa– granica międzyfazami układudwufazowego (ciecz–ciało stałe,ciecz–gaz,ciało stałe–gaz, ciało stałe–ciało stałe, dwie ciecze niemieszające się), na której następuje szybka zmianafizykochemicznychwłaściwości układu (często określana jako skokowa)^[1].

Wewnętrzne granice faz w stopach metali

Gdy obie sąsiadujące fazy sąciałami krystalicznymi(na przykład fazy wstopach metali,tworzące ichstrukturę) wyróżnia się typy wewnętrznych granic o różnejkoincydencji(zgodności położenia atomów) obusieci krystalicznych^[2]^[3]:

granice koherentne – zgodność położenia wszystkich węzłów obu sieci
granice półkoherentne (semikoherentne) – część węzłów wspólnych (duża liczbadefektów sieci krystalicznychw okolicy ich spojenia)
granice niekoherentne – węzły granicy faz znacznie przemieszczone względem położeń charakteryzujących obie sieci (zerwanie spójności, konsekwencją jest największeumocnienie metalu)

Granice koherentne lub semikoherentne występują na przykład między siecią przesyconegoroztworu stałegowęgla w sieciγ-Fe(austenitszczątkowy) amartenzytem,powstającym w czasiehartowaniastali.

Mikrofotografiezgładówmetalograficznych (przykłady)

Wzrost liczby wewnętrznych naprężeń sieci w otoczeniu granic międzyfazowych powoduje spadekplastycznościmetalu. Zmniejsza też odporność nakorozję elektrochemiczną,ponieważ zdefektowane granice faz mają mniejszypotencjałniż ich uporządkowane wnętrze (sąanodamiogniwkorozji międzykrystalicznej).

Inne granice faz (przykłady)

Wiedza na temat powierzchni międzyfazowych ciało stałe–ciecz, ciało stałe–gaz, ciecz–ciecz, ciecz–gaz wchodzi w zakrestermodynamikiikinetyki przemian fazowych.Stanowi teoretyczną podstawęadsorpcji,absorpcji,krystalizacji,destylacji(parowania i skraplania),ekstrakcji.Procesy te prowadzą do ustalenia się stanurównowagi dynamicznejmiędzy graniczącymi fazami. Występują między nimi warstwyamorficzne,na przykład fazy o pośrednich wartościach stężenia składników graniczących faz.

Granice ciało stałe–gaz i ciało stałe–ciecz

Granica (b) między powierzchnią ciała stałego (a) i wieloskładnikowym gazem (c). Granica jest rozmyta przez procesy adsorpcji i desorpcji (równowaga dynamiczna). Niekiedy te procesy obejmują również część powierzchniową fazy stałej (powstająroztwory stałe).

Graniczne warstwy przejściowe o różnej grubości powstają między powierzchnią ciał stałych i cieczą lub gazem w układach, w których zachodzą na przykład:

przemiany fazowe(np. w czasie powstawania zarodkówkrystalizacjiobszar przejściowy obejmuje przypowierzchniową warstewkę cieczy i zewnętrzną warstwę rosnącego kryształu)
procesy wymiany masy między fazami, między innymidyfuzja,adsorpcja, absorpcja (np. w przypadku procesu adsorpcji z cieczy na powierzchni ciała stałego stężenia składników w ciekłej „fazie objętościowej” są inne niż w fazie powierzchniowej – większe lub mniejsze – co wyraża się przez dodatni lub ujemny „nadmiar powierzchniowy”;grubość fazy powierzchniowej odpowiada często kilku średnicom cząsteczek adsorbatu).

Granice ciecz–ciecz i ciecz–gaz

Faza powierzchniowa ciecz–ciecz (schemat)

Granice ciecz–ciecz i ciecz–gaz występują w układach, w których zachodzą na przykład:

parowanieiskraplanie
absorpcjaidesorpcja
powstawanie warstwniemieszających się cieczylubemulsji

Charakterystycznym przykładem fazy powierzchniowej jest warstwa cieczy, znajdująca się między dwoma ciekłym fazami objętościowymi o różnych właściwościach, np. określonych wartościach stężeń składników. W fazie powierzchniowej stężenia tych składników monotonicznie rosną lub maleją w miarę przemieszczania się punktu od fazy pierwszej do drugiej (amorfizm).

Najważniejszą rolę wbiologii,odgrywają bardziej ostre granice między roztworami (np.cytoplazma,płyn zewnątrzkomórkowy,błona komórkowa). Powstawanie i trwałość granic między roztworami wodnymi icieczami niepolarnymi(np.tłuszcze) jest często związana z obecnością związków o właściwościachamfifilowych,między innymifosfolipidówlubglikolipidów.Takie związki samorzutnie gromadzą się na powierzchni roztworów wodnych, tworząc uporządkowane warstwy, w których są skierowane grupąhydrofilowąw kierunku wody. Mechaniczne wstrząsanie może wówczas prowadzić do utworzenialiposomów,zbudowanych analogicznie dobłony komórkowejwszystkich organizmów żywych. Analogiczne zjawiska umożliwiają stabilizacjęemulsji.

W niektórych układach ciecz–ciecz trwałośćkoloidówjest związana z powstawaniem na granicy fazpodwójnej warstwy elektrycznej(np. koloidy liofobowe, mleko). Takie warstwy powstają również w procesiepolaryzacjibłony komórkowejneuronów.

Międzyfazowe warstwy graniczne o charakterystycznym, amorficznym rozkładzieładunków elektrycznych(jonów) powstają również na powierzchni znajdujących się welektroliciecząstek stałych lub pęcherzyków gazu.

Przypisy

↑Encyklopedia techniki; Metalurgia.T. Metalurgia. Katowice: Wydawnictwo „Śląsk”, 1978, s. 186.
↑Encyklopedia techniki, Materiałoznawstwo.T. Materiałoznawstwo. Warszawa: PWN, 1969, s. 263–264.
↑Defekty (defekty liniowe, defekty powierzchniowe).[w:]Fizyka; Rzeczywista struktura materii[on-line]. oen.dydaktyka.agh.edu.pl. [dostęp 2016-03-21].

Bibliografia

Zjawiska powierzchniowe. W: S Bursa:Chemia fizyczna.Warszawa: PWN, 1979.ISBN83-01-00152-6.
P.W. Atkins:Chemia fizyczna.Warszawa: PWN, 2001.ISBN83-01-13502-6.
J. Ościk:Adsorpcja.Warszawa: PWN, 1973.ISBN83-01-00554-8.

[EncyTech-Metalurgia-1] Encyklopedia techniki; Metalurgia.T. Metalurgia. Katowice: Wydawnictwo „Śląsk”, 1978, s. 186.

[EncyTech-Materiał-2] Encyklopedia techniki, Materiałoznawstwo.T. Materiałoznawstwo. Warszawa: PWN, 1969, s. 263–264.

[AGH_Defekty-3] Defekty (defekty liniowe, defekty powierzchniowe).[w:]Fizyka; Rzeczywista struktura materii[on-line]. oen.dydaktyka.agh.edu.pl. [dostęp 2016-03-21].

[1]

[2]

[3]