Водород в железе и других металлах, страница 7

Образующийся комплекс обычно называют твердым раствором переменного состава, полагая, что атомы растворяемого элемента замещают вакантные места в решетке растворителя или внедряются в межатомные пространства решетки. Применением термина «твердый раствор» подчеркивается, что поглощение газа не изменяет металлического характера растворителя. Термин «твердый раствор», так же как и связанные с ним понятия «растворимости» и «предельной растворимости», широко применяется при рассмотрении систем водород — металл. В настоящее время применение этих терминов считается неоправданным. Согласно Смиту и другим ученым для целого ряда систем (например, водород — железо, водород — никель и др.) понятие «твердый раствор» в общепринятом смысле вообще неприменимо, так как присутствующий в значительных количествах и оказывающий заметное влияние на свойства металлов водород не располагается в атомарном виде ни в узлах решетки, ни в междоузлиях, где он должен был бы находиться, если бы система представляла собой твердый раствор замещения или внедрения.

Наряду с термином «растворение» при исследованиях систем водород — металл широко применяются также термины «абсорбция» и «окклюзия». Термин «окклюзия» не содержит какой-либо трактовки сущности явления и отражает лишь самый факт поглощения и удержания газа в объеме металла. Способностью окклюдировать обладают все без исключения металлы. Способностью к окклюзии металлом обладают только газы, химически активные по отношению к металлу. Водород является химически активным по отношению ко всем элементам и поэтому окклюдируется всеми металлами.

Количество водорода, окклюдированного металлом или связанного с ним каким-либо другим образом, может быть выражено в массовых, объемных или атомных процентах, кубических сантиметрах водорода на 100 г металла, миллиграммах водорода на 1 г металла, количестве атомов водорода, приходящемся на 1 атом металла, и т. д. Все перечисленные единицы являются принятыми и используются в литературе.

Поглощению водорода и удержанию его в объеме металла обязательно предшествует предварительная диссоциация водорода на поверхности.

В некоторых случаях, например при электролитическом насыщении или при продувке водородом или водяным паром, количество водорода, фактически окклюдированного металлом, может значительно превышать величину растворимости в равновесных условиях. Так при продувке жидкой стали водородом под давлением и последующем охлаждении в герметичных условиях, сталь может содержать водорода до 62 см³/100 г. В то же время равновесная растворимость водорода в твердом железе при температуре плавления и давлении молекулярного водорода 1 атм равна примерно 13 см³/100 г, в никеле 16,5 см³/100 г. Поэтому растворимость водорода в металлах, найденная в условиях, близких к равновесным, не может характеризовать практически возможное содержание водорода в металле при данной температуре и ни в какой степени не может являться «предельной растворимостью», как иногда принято считать.

Многочисленные исследования изотерм растворимости водорода в различных металлах позволили установить, что при низких давлениях растворимость подчиняется закону квадратного корня:

, где  S - растворимость; К - константа; Р - давление. Однако в некоторых случаях зависимость имеет более сложный характер. Например, изотерма окклюзии для палладия при низких давлениях подчиняется закону квадратного корня лишь до некоторого критического давления, выше которого газ окклюдируется до достижения полного насыщения. Окклюзия водорода ниобием пропорциональна  только при температурах выше 450° С. Окклюзия водорода титаном при 600°С увеличивается с повышением давления лишь до некоторого критического значения, а в дальнейшем почти не изменяется. Также сложный характер имеют изотермы окклюзии водорода церием, лантаном и некоторыми другими металлами.