Нуклеация - рождение фазы

Итак, мы попытаемся разобраться в очень интимном моменте рождения новой фазы. Накануне рождения фазы в "старой" фазе - жидком растворе, газовой смеси или твердой системе - имеется очень высокая концентрация одного из компонентов. Настолько высокая, что "старая" фаза не в состоянии удерживать эту концентрацию. Такая система называется пересыщенной. (Напоминаю, что высокая концентрация - понятие относительное. Для одной системы и сто граммов растворенного вещества на литр растворителя - пустяк, а для другой и пару миллиграммов на литр - много. Все зависит от того, насколько хорошо растворенное вещество взаимодействует с растворителем.) С точки зрения свободной энергии пересыщенная система должна вкладывать энергию в поддержание самой себя, поэтому ей очень выгодно избавиться от избытка компонента, "выбросив" его в отдельную фазу. Как образуется пересыщенная система? Очень просто: она образовалась при других условиях (другом давлении, другой температуре), которые способствовали растворению. При тех условиях система не была пересыщенной, поскольку окружающая среда поддерживала ее существование. Потом условия изменились, поддержка со стороны окружающей среды уменьшилась, и прежде приемлемая концентрация стала обременительной.

Новая фаза образуется сначала в виде очень маленьких фрагментов - зародышей или, по латыни, нуклеусов (дословно, "ядер"). Типичный нуклеус - это совсем крохотный пузырек, если новая фаза газообразная или жидкая, или крохотный кристаллик, если новая фаза твердая. Типичные размеры нуклеуса - 1 - 20 нм. Само собой разумеется, мы с вами увидеть его не в состоянии. Нуклеус отделен от старой фазы границами раздела. Поскольку он маленький, значительная часть его атомов находится на поверхности. Как мы уже знаем, поверхностные атомы обладают более высокой энергией, чем атомы балка. Именно поэтому на образование нуклеуса система должна затратить энергию. Причем получается этакий "тройной проигрыш":

- Во-первых, из-за образования новой фазы часть атомов балка старой фазы станут поверхностными.

- Во-вторых, часть атомов новой фазы тоже будут поверхностными.

- В-третьих, из-за малых размеров нуклеусов поверхностными станут ненормально многие атомы новой фазы.

Таким образом, потенциальный барьер в процессе образования новой фазы связан с затратами энергии на образование новых поверхностей раздела.

Процесс образования зародышей является критическим в образовании новой фазы. Он называется нуклеацией (в русской литературе также зародышеобразованием, но лично я слишком ленив, чтобы вместо 9 букв слова нуклеация писать аж 18 букв слова зародышеобразование).

Нуклеация бывает гомогенной и гетерогенной. В случае гомогенной нуклеации зародыши образуются по всему объему старой фазы. В случае гетерогенной зародыши образуются на границах раздела - на стенках сосуда, на соломинке для коктейля, на пальце в стакане с газированным напитком, на нагревательной спирали электрического чайника.

Какая нуклеация легче? В смысле, у какой нуклеации меньше потенциальный браьер? Разумеется, у гетерогенной! Дело в том, что из трех факторов, из которых складывается потенциальный барьер нуклеации (образование поверхности старой фазы, образование поверхности новой фазы и малый размер нуклеусов), хотя бы один в случае гетерогенной нуклеации оказывается лишним. Старая фаза уже имела границу раздела (например, со стенкой), а теперь примерно те же ее атомы будут граничить с новой фазой.

Между прочим, именно по этой причине пузырьки в шампанском мельче, чем в газированной воде. В газированной воде, если в нее не совать пальцы или соломинки, нуклеация гомогенна. А вот в шампанском всегда имеются микроскопически кусочки твердых продуктов брожения, на которых и происходит более легкая гетерогенная нуклеация. Специалисты утверждают, что в хорошем шампанском размер пузырьков должен быть не более 0.2 мм. Не знаю, я не измерял, но в газировке они точно крупнее.

Еще одно "между прочим": надежным и проверенным способом понизить потенциальный барьер нуклеации является добавка ПАВ (поверхностно активных веществ). К ПАВ относится мыло, всевозможные моющие средства и масса других веществ, которые все обладают свойством понижать энергию поверхности путем создания на ней тонкой пленки. Именно за счет ПАВ образуется пена в пиве или квасе. Я стараюсь думать, что в те их сорта, которые пью я, мыло не добавляли, а просто дали образоваться "правильным" ПАВам, которые и должны образовываться в хорошем квасе или пиве.