|
Американский химик Чарльз Кэмпбелл показал и теоретически обосновал, что переходные металлы способны окисляться в гораздо более мягких условиях, чем считалось ранее. Правда, такое окисление ограничивается лишь тонким слоем на поверхности металла, но оказывает существенное влияние на его каталитические свойства.
Переходные металлы — не особо активные элементы, и для окисления некоторых из них (меди, серебра, платины) требуется довольно высокая концентрация кислорода. Если же эта концентрация ниже определенного значения, то образование оксида оказывается невыгодным (то есть идет с затратой энергии), и металл преспокойно существует в чистом виде.
Катализаторы осаждают на себе молекулы из газа и позволяют проводить химические реакции, которые в газе идут с трудом. Каталитическая способность металлической пластинки изменится, если ее покрыть тонким слоем оксида (изображение с сайта smc.edu)Кстати, это одна из причин, почему переходные металлы широко используются в качестве катализаторов, например в автомобилях для «дожигания» выхлопных газов. На поверхности пластины из такого металла активно происходят химические реакции, которые в выхлопном газе идут с трудом, но сам металл при этом не окисляется. (С различными аспектами катализа можно познакомиться в популярных статьях рубрики «Катализ» из Соросовского образовательного журнала.)
В последние годы, однако, появились подозрения, что даже при очень малой концентрации кислорода на самой поверхности такой пластины возникает тончайший слой окисла. И это при том, что из простейших термодинамических расчетов следует, что его образование энергетически невыгодно.
В принципе, ученые предполагали, что это должно быть связано с поверхностной энергией металла, но конкретных расчетов этого явления до сих пор никто не проводил. Этот пробел был восполнен в статье американского химика Чарльза Кэмпбелла (Ch. Campbell, Physical Review Letters, 96, 066106,14 February 2006), который дал теоретическое объяснение этого эффекта и подчеркнул его крайнюю важность для технических приложений, в частности для катализа.
Действительно, пишет Кэмпбелл, при низкой концентрации кислорода энергетически невыгодное окисление всей пластины не происходит. Однако тонкий слой окисла создать вполне возможно: энергия, требуемая для окисления металла, с лихвой компенсируется тем, что при этом устраняется энергетически невыгодная свободная поверхность металла. Конечно, при этом создаются две новые границы раздела (воздух—окисел и окисел—металл), но, согласно экспериментальным данным, они вовсе не столь энергоемки. Можно сказать, что поверхность свободного металла играет роль источника энергии для этого процесса.
Как показывают расчеты на примере серебра, в результате этого эффекта поверхностное окисление может начинаться при концентрации кислорода в тысячи раз (!) меньшей, чем считалось ранее. Но даже тончайшая пленка окисла толщиной в несколько молекул сможет сильно повлиять на способность пластины осаждать на себе молекулы газа, а значит, изменит и каталитические свойства образца. Конструкцию катализаторов, использующих такие «опасные» металлы, потребуется, очевидно, пересмотреть.
Автор резонно замечает, что описанный эффект вовсе не обязан ограничиваться оксидами, то есть соединением металла с кислородом. Те же самые аргументы в определенных ситуациях применимы и к тонким пленкам нитридов, гидридов и т. д. Удивительно, но ни одна из этих возможностей с нужной степенью подробности ранее не изучалась.
Стоит добавить, что это явление очень напоминает эффект поверхностного плавления. Например, обычный лед на самом деле начинает таять при температуре около –70°C, правда не целиком, а лишь в тонком приповерхностном слое. В целом же, оба эти явления прекрасно иллюстрируют тот факт, что термодинамические и химические превращения на поверхности тел могут сильно отличаться от привычных нам «трехмерных» законов.
