Granica faz

Granica faz, powierzchnia międzyfazowa, granica międzyfazowa – granica między fazami układu dwufazowego (ciecz–ciało stałe, ciecz–gaz, ciało stałe–gaz, ciało stałe–ciało stałe, dwie ciecze niemieszające się), na której następuje szybka zmiana fizykochemicznych właściwości układu (często określana jako skokowa)^[1].

Wewnętrzne granice faz w stopach metali

Gdy obie sąsiadujące fazy są ciałami krystalicznymi (na przykład fazy w stopach metali, tworzące ich strukturę) wyróżnia się typy wewnętrznych granic o różnej koincydencji (zgodności położenia atomów) obu sieci krystalicznych^[2][3]:

Przykłady koherentnych i półkoherentnych granic międzyfazowych

• granice koherentne – zgodność położenia wszystkich węzłów obu sieci
• granice półkoherentne (semikoherentne) – część węzłów wspólnych (duża liczba defektów sieci krystalicznych w okolicy ich spojenia)
• granice niekoherentne – węzły granicy faz znacznie przemieszczone względem położeń charakteryzujących obie sieci (zerwanie spójności, konsekwencją jest największe umocnienie metalu)

Granice koherentne lub semikoherentne występują na przykład między siecią przesyconego roztworu stałego węgla w sieci γ-Fe (austenit szczątkowy) a martenzytem, powstającym w czasie hartowania stali.

Mikrofotografie zgładów metalograficznych (przykłady)

Korozja międzykrystaliczna

Mikrofotografia stali martenzytycznej

Wzrost liczby wewnętrznych naprężeń sieci w otoczeniu granic międzyfazowych powoduje spadek plastyczności metalu. Zmniejsza też odporność na korozję elektrochemiczną, ponieważ zdefektowane granice faz mają mniejszy potencjał niż ich uporządkowane wnętrze (są anodami ogniw korozji międzykrystalicznej).

Inne granice faz (przykłady)

Wiedza na temat powierzchni międzyfazowych ciało stałe–ciecz, ciało stałe–gaz, ciecz–ciecz, ciecz–gaz wchodzi w zakres termodynamiki i kinetyki przemian fazowych. Stanowi teoretyczną podstawę adsorpcji, absorpcji, krystalizacji, destylacji (parowania i skraplania), ekstrakcji. Procesy te prowadzą do ustalenia się stanu równowagi dynamicznej między graniczącymi fazami. Występują między nimi warstwy amorficzne, 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 (powstają roztwory 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 zarodków krystalizacji obszar przejściowy obejmuje przypowierzchniową warstewkę cieczy i zewnętrzną warstwę rosnącego kryształu)
• procesy wymiany masy między fazami, między innymi dyfuzja, 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)

Schemat dwuwarstwy lipidowej i miceli

Budowa liposomu

Schemat podwójnej warstwy elektrycznej

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

• parowanie i skraplanie
• absorpcja i desorpcja
• powstawanie warstw niemieszających się cieczy lub emulsji

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 w biologii, odgrywają bardziej ostre granice między roztworami (np. cytoplazma, płyn zewnątrzkomórkowy, błona komórkowa). Powstawanie i trwałość granic między roztworami wodnymi i cieczami niepolarnymi (np. tłuszcze) jest często związana z obecnością związków o właściwościach amfifilowych, między innymi fosfolipidów lub glikolipidów. Takie związki samorzutnie gromadzą się na powierzchni roztworów wodnych, tworząc uporządkowane warstwy, w których są skierowane grupą hydrofilową w kierunku wody. Mechaniczne wstrząsanie może wówczas prowadzić do utworzenia liposomów, zbudowanych analogicznie do błony komórkowej wszystkich organizmów żywych. Analogiczne zjawiska umożliwiają stabilizację emulsji.

W niektórych układach ciecz–ciecz trwałość koloidów jest związana z powstawaniem na granicy faz podwójnej warstwy elektrycznej (np. koloidy liofobowe, mleko). Takie warstwy powstają również w procesie polaryzacji błony komórkowej neuronów.

Międzyfazowe warstwy graniczne o charakterystycznym, amorficznym rozkładzie ładunków elektrycznych (jonów) powstają również na powierzchni znajdujących się w elektrolicie cząstek stałych lub pęcherzyków gazu.

Przypisy

Bibliografia

• Zjawiska powierzchniowe. W: S Bursa: Chemia fizyczna. Warszawa: PWN, 1979. ISBN 83-01-00152-6.
• P.W. Atkins: Chemia fizyczna. Warszawa: PWN, 2001. ISBN 83-01-13502-6.
• J. Ościk: Adsorpcja. Warszawa: PWN, 1973. ISBN 83-01-00554-8.