Плотность и поверхностные свойства жидких щелочных и легкоплавких металлов и сплавов (стр. 10 )

На рис. 2.7 приводятся линии, изображающие составы тройных сплавов на площади концентрационного треугольника системы Na–K–Cs, имеющие равные значения плотности (изолинии плотности). Так, тройные сплавы линии 1 имеют плотность 900 кг×м-3 при 373 К, что соответствует плотности керосина; линия 2 изображает составы тройных сплавов, которые имеют плотность 1000 кг×м-3 , что соответствует плотности воды и т. д. Отметим, что высокодисперсные частицы (наноразмерные частицы) любого тройного сплава линии 1 (рис. 2.7) могут быть рекомендованы в качестве высокоэффективной добавки к жидким авиационным топливам для повышения их теплотворной способности. Значения плотности Na, K и Cs и девяти исходных двойных сплавов Na–K для изотерм 2–10 при 373 К приводятся в табл. 11.

Рис. 2.7. Изолинии плотности системы Na–K–Cs при 373 К

Проведены расчеты мольных объемов всех изученных 90 тройных сплавов. На рис. 2.8 приводятся изотермы мольных объемов двойных систем Na–Cs (линия 1), K–Cs (линия 8) и тройных сплавов ряда сечений (линии 2–7).

Линии 1–10 – составы сплавов, имеющих плотности равных значений в кг/м3: 1 – 900, 2 – 1000, 3 – 1100, 4 – 1200, 5 – 1300, 6 – 1400,
7 – 1500, 8 – 1600, 9 – 1700, 10 – 1760. Плотность натрия 925,5, цезия 1802,4 и калия 818,3 кг/м3.

Рис. 2.8. Изотермы мольных объемов тройных сплавов

системы Na–K–Cs при 373 К

Изотермы мольных объемов сплавов как двойных систем
Na–Cs и K–Cs, так и тройных сплавов системы Na–K–Cs, образованных добавлением цезия к исходному двойному сплаву Na–K с постоянным соотношением концентраций XNa:XK=a, обнаруживают небольшое отрицательное отклонение (малую объемную компрессию). Оно свидетельствует о том, что тройные сплавы системы Na–K–Cs не являются регулярными растворами.

Таким образом, рассчитаны составы 90 тройных сплавов системы Na–K–Cs, соответствующих точкам пересечения лучевых разрезов, идущих к вершинам K и Cs, и определены их плотности и мольные объемы при 373 К. С использованием экспериментальных данных по плотности тройных сплавов на линиях разрезов, идущих к вершине калия, построены изотермы плотности тройных сплавов для 9 лучевых сечений, идущих к вершине цезия. Относительная погрешность результатов расчета плотности составляет около 0,3 %.

Цезий в сплавах двойных систем Na–Cs и K–Cs и во всех тройных сплавах системы Na–K–Cs ведет себя как добавка, проявляющая заметное влияние на физические свойства, в частности, на плотность тройных сплавов, приводя к заметному положительному отклонению изотерм плотности от аддитивной прямой. Изотермы мольных объемов тройных сплавов изученных сечений с соотношениями концентраций XNa:XK=a обнаруживают слабое отрицательное отклонение, свидетельствующее о близости изученной тройной системы к регулярному раствору.

Построены линии тройных сплавов, имеющих равные значения плотности – изолинии плотности, на площади концентрационного треугольника системы Na–K–Cs, которые показывают более сложную форму вблизи вершины цезия (рис. 2.7), т. е. для богатых цезием тройных сплавов.

10.4. Плотность и мольные объёмы сплавов сечений, идущих к вершине натрия треугольника составов системы K–CS–Na

Способом, изложенным в параграфе 10.3, определены плотности тройных сплавов 9 сечений, идущих к вершине Na треугольника составов системы K–Cs–Na и имеющих постоянные отношения концентраций XK:XCs=const. В табл. 14 приводятся значения плотности и мольных объемов тройных сплавов сечений системы K–Cs–Na, идущих к вершине натрия.

Таблица 14

Плотность ρ (кг/м3) и мольные объемы V×106 (м3/моль) тройных

сплавов1) лучевых разрезов, идущих к вершине Na треугольника

составов системы K–Cs–Na при 373 K

XK : XCs a	90:10 9.00	80:20 4.00	70:30 2.333	60:40 1.50	50:50 1.00	40:60 0.667	30:70 0.428	20:80 0.250	10:90 0.111
XNa 0	XCs ρ V	10 992 48.87	20 1144 50.31	30 1262 53.28	40 1370 55.90	50 1464 58.74	60 1548 61.61	70 1628 64.35	80 1694 67.38	90 1756 70.34
10	XCs ρ V	9 982 46.77	18 1125 48.33	27 1237.5 50.75	36 1336 53.33	45 1432 55.66	54 1512 58.30	63.02 1590 60.74	72 1665 63.08	81.01 1736 65.36
20	XCs ρ V	8 980 44.27	16 1104 46.09	24 1214 48.09	32 1306 50.45	40 1395 52.62	48 1475 54.84	56 1566 56.67	64 1645 58.32	72.01 1708 60.54
30	XCs ρ V	7 974 41.92	14 1090 43.43	21 1198 45.04	28 1284 47.14	35 1368 49.04	42 1450 50.80	49 1546 51.90	56 1604 54.11	63 1675 55.73
40	XCs ρ V	6 968 39.55	12 1080 40.66	18 1176 42.13	24 1262 43.72	30 1342 45.31	36 1425 46.61	42 1492 48.28	48 1566 49.60	54.01 1635 50.95
50	XCs ρ V	5 972 36.76	10 1070 37.78	15 1160 38.89	20 1238 40.23	25 1314 41.47	30 1392 42.52	35.01 1454 43.93	40 1525 44.96	45 1580 46.37
60	XCs ρ V	4 964 34.43	8 1050 35.18	12 1136 35.82	16 1210 36.72	20 1275 37.80	24 1340 38.76	28 1402 39.73	32 1467 40.53	36 1510 41.08
Продолжение таблицы 14
70	XCs ρ V	3 960 31.90	6 1030 32.48	9 1100 32.96	12 1162 33.63	15 1222 34.23	18 1272 35.12	21 1330 35.73	24 1376 36.58	27 1420 37.43
80	XCs ρ V	2 944 29.75	4 995 30.11	6 1043 30.53	8 1100 30.85	10 1146 31.06	12 1200 31.22	14 1242 31.62	16 1274 32.36	18 1310 32.83
90	XCs ρ V	1 932 27.40	2 960 27.58	3 987 27.76	4 1019 27.82	5 1050 27.89	6 1080 27.99	7 1102 28.28	8 1124 28.56	9 1149 28.75
100	XCs ρ V	0 925.5 24.74	0 925.5 24.74	0 925.5 24.74	0 925.5 24.74	0 925.5 24.74	0 925.5 24.74	0 925.5 24.74	0 925.5 24.74	0 925.5 24.74

1) Значения XK в ат. % определяются соотношением

Изотермы плотности представлены на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Изотермы плотности сплавов 9 сечений системы

K–Cs–Na при 373 К, идущих к вершине Na треугольника составов

Легко видеть, что изотермы плотности обнаруживают также положительные отклонения от аддитивных прямых для богатых цезием сплавов сечений 4–11.

Вопрос о близости многокомпонентных систем к идеальным или регулярным растворам корректнее решить по характеру изотерм мольных объемов. На рис. 2.10 приводятся изотермы мольных объемов тройных сплавов при 373 К, рассчитанных по изотермам плотности систем K–Cs–Na (рис. 2.9).

Как видно из рис. 2.10, изотермы мольных объемов сплавов двойных и тройных сплавов, богатых цезием, обнаруживают отрицательные отклонения от аддитивного хода в зависимости от концентрации компонента цезия. Компрессия мольных объемов указанных сплавов, по-видимому, связана с ростом влияния степени взаимодействия Cs с Na и К при увеличении концентрации цезия в сплавах. Отсюда можно предположить, что тройные сплавы системы Na–K–Cs, составы которых находятся в области примерно между линией сечения XК:XCs = 50:50 и боковой стороной Cs–Na концентрационного треугольника, не являются идеальными растворами. К подобному выводу пришли авторы [8].

Анализ изотерм мольных объемов тройных сплавов сечений данной тройной системы, идущих к вершинам К и Cs треугольника составов, также подтверждает, что богатые цезием растворы этой системы нельзя считать идеальными.

Рис. 2.10. Изотермы мольных объемов тройных сплавов

системы K–Cs–Na при 373 К

В заключении этого параграфа отметим, что изложенный в пунктах 10.3–10.4 расчетно-графический способ определения плотности тройных систем дает возможность определить расчетным путем поверхностные натяжения тройной системы, адсорбции всех компонентов, их поверхностные концентрации без проведения дополнительных экспериментов. Способ позволяет уменьшить число экспериментально изучаемых разрезов треугольника составов, автоматизировать процесс расчетов, следовательно, экономить дорогостоящие расходные материалы и время получения результатов.

11. Поверхностное натяжение щелочных металлов и их двой­ных и тройных сплавов системы натрий–калий–цезий

Как отмечалось выше, жидкие щелочные металлы, их сплавы и соединения с их участием обладают такими физико-химическими свойствами среди металлических систем, как самые низкие плотность и вязкость, малые значения поверхностного натяжения и работы выхода электрона, рекордно низкая температура плавления и широкая область жидкого состояния, высокая химическая активность и большая упругость собственных паров. Эти уникальные свойства обеспечивают им широкое практическое применение в таких важных областях, как ядерно-космическая энергетика, производство топливных элементов с высокой удельной энергоемкостью и долговечностью, создание сверхлегких композиционных материалов с высокой механической прочностью, тепловой и химической стойкостью, повышенной пластичностью. Они также могут служить в качестве высококалорийной добавки к жидким и твердым топливам для повышения удельной теплоты сгорания, как эффективная зашита от тепловых нейтронов и g-излучений и т. д. Плотность, поверхностное натяжение, работа выхода электрона, вязкость, электропроводность и другие свойства щелочных металлов и сплавов их бинарных систем изучены подробно, исключая бинарные системы с участием лития [41, 52–55]. Однако мало исследований свойств сплавов тройных систем щелочных металлов - в литературе до наших исследований имелись результаты эксперимен­таль­но­го определения плотности только трех тройных сплавов системы Na–K–Cs [5–8].

Представляет интерес определение поверхностного натяжения сплавов системы Na–K–Cs в условиях, когда тройные сплавы формируются по сечениям концентрационного треугольника, идущим к вершинам К, Cs и Na. Это дает возможность исследовать влияние всех трех компонентов Na, K и Сs на поверхностные свойства сплавов – вклад каждого из них в адсорбцию, поверхностные концентрации компонентов, электронную эмиссию тройных сплавов и т. д.

Поверхностное натяжение системы Na–K–Cs экспериментально изучено, когда тройные сплавы готовились по сечениям, идущим к вершине калия треугольника составов [3, 4, 23, 22]. Требуется определить и поверхностное натяжение (ПН) тройных сплавов сечений системы Na–K–Cs, идущих к вершинам Cs и Na треугольника составов. Это можно выполнить изложенным выше расчетно-графическим способом, используя экспериментальные данные по ПН системы Na–Cs–K.