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成核Nucleation),也称形核,是相变初始时的“孕育阶段”。天空中的燃烧生成的烟,冰的结晶汽水啤酒的冒出的泡等的形成,均为成核现象。

成核现象需要成核位点(nucleation site)才可发生。汽化时,液相分子聚集于固相物质上面,分子不断碰撞使得能量聚集,进而形成“汽化中心”;结晶时,若使局部的溶质浓度升高而导致晶体碰撞次数增加,则结晶的晶形构造加快,从而形成“结晶中心”。晶核的成核有两种形式:初级成核(包括初级均相成核和初级非均相成核)及二次成核。在高于饱和度的情况下,溶液自发形成晶核的过程,称作初级均相成核;若晶核是在溶液外来物的诱导下生成,则称其为初级非均相成核;晶核如在含有溶质晶体的溶液中生成,则称为二次成核。

例子编辑

液体/气体成核编辑

  • 的形成来源于潮湿的空气上升到一定高度受到冷却后,小水滴从过饱和的空气中成核而来[1]。小水滴的成核是异质的(heterogeneous),其成核点也被称作云凝结核人工降雨正是利用了此原理,在可能降雨的云层中撒播人工降雨剂以加强成核效率。
  • 碳酸水在被开启后,二氧化碳气泡在容器表面成核。
 
二氧化碳气泡在手指的形核位置。

晶体成核编辑

  • 地球上最常见的结晶现象应该是冰的形成。纯净的液态水在0°C时,如果液体中没有任何冰晶则不会结冰,需要冷却到更低的温度才开始结冰。[1]
  • 我们日常使用的不少材料都是从液体中生产出的晶体,例如铁具是由铁水倒入模具铸造而成的;因此这些材料的成核在工业中被广泛研究[2]。在化学工业中,制造被用作催化剂的金属超分散粉末(metallic ultradispersed powder)也有运用到成核,例如在TiO2纳米颗粒上沉积铂(被用于从水中催化获取氢气的催化剂)[3]。成核也是半导体工业中重要的考虑因素,因为半导体中的能隙也受到纳米团簇大小的影响[4]

参考资料编辑

  1. ^ 1.0 1.1 H. R. Pruppacher and J. D. Klett, Microphysics of Clouds and Precipitation, Kluwer (1997).
  2. ^ Kelton, Ken; Greer, Alan Lindsay. Nucleation in Condensed Matter: Applications in Materials and Biology. Amsterdam: Elsevier Science & Technology. 2010. ISBN 9780080421476. 
  3. ^ Palmans, Roger; Frank, Arthur J. A molecular water-reduction catalyst: Surface derivatization of titania colloids and suspensions with a platinum complex. The Journal of Physical Chemistry. 1991, 95 (23): 9438. doi:10.1021/j100176a075. 
  4. ^ Rajh, Tijana; Micic, Olga I.; Nozik, Arthur J. Synthesis and characterization of surface-modified colloidal cadmium telluride quantum dots. The Journal of Physical Chemistry. 1993, 97 (46): 11999. doi:10.1021/j100148a026. 

延伸阅读编辑