Растворимость газов в твердых телах

Концентрация газов, растворенных в твердом теле, зависит от его температуры, давления и типа кристаллической решетки. В металлах, для которых характерна гомополярная металлическая связь между электроположительными атомами, зависимость растворимости от давления и температуры имеет следующий вид:

 

, (2.20)

 

где п – число атомов в молекуле газа; Q_s – энергия активации при растворении; S₀ – постоянный коэффициент.

Знак «+» в формуле (2.20) характерен для газов, образующих с металлом химическое соединение, а знак «—» – для газов, образующих истинные растворы. Растворимость газов, образующих истинные растворы, с повышением температуры возрастает (Н₂ в Сu, Fe и Ni), а образующих химические соединения уменьшается (Н₂ в Ti).

Зависимость растворимости газов в металлах от давления представляет собой степенную функцию с показателем степени 1/п. Это связано с тем, что газы растворяются в металлах в атомарном состоянии и перед растворением происходит диссоциация молекул на атомы. Например, для кислорода n = 2, реакция диссоциации имеет вид Q₂↔0+0.

По закону действующих масс, константа равновесия такой реакции ; и – давления атомарного и молекулярного кислорода.

Очевидно, что , т. е. растворимость газов в металлах пропорциональна давлению диссоциированного газа.

В неметаллах, атомы кристаллической решетки которых связаны между собой ионной или ковалентной связью, растворение газов происходит в молекулярном состоянии. Образуются истинные растворы, и зависимость растворимости газов от температуры и давления имеет вид

. (2.21)

 

Постоянных S₀ и Q_S, характеризуют растворимость основных газов в металлах. Абсорбционный процесс растворения газов в твердых телах осуществляется за счет диффузии молекул газа в кристаллическую решетку или по границам зерен. Диффузионный поток пропорционален градиенту концентрации. Так как для стационарного газового потока через стенку толщиной 2h градиент концентрации равен

 

, (2.22)

то

, (2.23)

 

где q — число молекул, проходящих в единицу времени через единицу площади поперечного сечения в направлении оси х; D — коэффициент диффузии; S₁ и S₂ — концентрации газа на границах стенки.

При повышении температуры коэффициент D сильно возрастает:

 

, (2.24)

 

где Q_D — энергия активации при диффузии; n – число атомов в молекуле газа для металлов, для неметаллов n =1; D_О — коэффициент пропорциональности, не зависящий от температуры.

Подставляя в (2.23) выражение для D и S из (2.20), получим выражение для газопроницаемости металлов

 

, (2.25)

 

где K₀=D₀S₀ — константа проницаемости.