Общее понятие нуклеации

Начальная стадия образования кристалла. Прежде чем говорить о росте уже имеющегося кристалла, следует рассмотреть самую начальную стадию его образования. Вот имеется раствор соли в воде. Вода при данной температуре может растворить строго определенное количество соли - это равновесная растворимость. Затем растворим соль при высокой температуре и охладим этот раствор до более низкой. Тогда раствор будет пересыщенным, и из него начнут выпадать кристаллы соли. Отношение количества вещества, растворенного в жидкости, к количеству вещества при равновесной растворимости называют пересыщением. Пересыщение - движущая сила процесса кристаллизации.

Теперь возьмем вместо воды расплавленный металл, а вместо соли - графит и проведем ту же операцию. При низких давлениях (например, атмосферном) в растворе образуется графит, а при высоких давлениях - алмаз.

Проделаем подобный опыт с водяным паром. При небольшом охлаждении водяных паров в воздухе образуются капельки воды, а при сильном - льдинки. Во всех этих примерах движущая сила, переводящая систему из одного состояния в другое, - пересыщение.

Эти процессы изучает раздел физической химии, посвященный образованию новой фазы. В него, в свою очередь, входит раздел о начальной стадии образования новой фазы - образовании ее зародыша. Этот раздел физической химии носит название теории образования зародышей, теории нуклеации.

Что такое нуклеация. Греческому слову "нуклеос" (ядро) повезло: его использовали для создания нескольких важных научных терминов. В физике это нуклоны - частицы, образующие ядро атома. В биологии это нуклеиновые кислоты - главные составляющие ядра клетки. В физической химии это нуклеация - процесс образования критического зародыша капли (или кристалла).

Почему именно критического, будет сказано чуть позже, а сейчас посмотрим, что же нужно для того, чтобы из паров какого-нибудь вещества образовалась капелька. Для этого нужно, чтобы две молекулы пара столкнулись и образовали двойняшку, затем к ним присоединилась третья молекула, потом четвертая и т. д.

Однако подобный комок молекул растет вовсе не так спокойно и бесперебойно, как растет, скажем, из слипающихся снежинок снежный ком. Одни молекулы могут прилипать, а другие в то же самое время отрываться. И все зависит от того, какой процесс идет быстрее - прилипание или отрыв молекул.

Эти процессы повсеместны: в атмосфере, в жидкости, в промышленных аппаратах, при горении, даже при движении самолета, оставляющего за собой хвост тумана.