View
10
Download
1
Category
Preview:
Citation preview
Fizykochemia powierzchni – Wprowadzenie
Wprowadzenie - Prowadzący: • Powierzchnia idealna a rzeczywista.
• Termodynamika powierzchni.
• Struktura powierzchni ciała stałego.
• Termodynamika kryształu.
• Molekularny i mechaniczny opisy powierzchni.
• Dynamika powierzchni
• Elektryczne własności powierzchni
Tematyka zajęć w formie seminarium:
• podana na końcu Wprowadzenia
Prowadzący dr hab. inż. Jerzy Jedliński e-mail : jedlinsk@agh.edu.pl
ul.Reymonta 23, D-8, pok. 86, tel. 27-16
lub
- A-3, p. 5, tel. 44-51
I. POWIERZCHNIE IDEALNE I RZECZYWISTE - 1
1. POWIERZCHNIA - Z
PUNKTU WIDZENIA
FIZYKOCHEMII JEST
JEDNYM Z RODZAJÓW
GRANICY FAZ.
NAJCZĘŚCIEJ
SPOTYKANE
POWIERZCHNIE
GRANICZNE
ODDZIELAJĄ :
• GAZ I CIECZ, GAZ I
CIAŁO STAŁE
• CIECZ I CIECZ, CIECZ I
CIAŁO STAŁE
• CIAŁO STAŁE I CIAŁO
STAŁE
2. POWIERZCHNIE : ZEWNĘTRZNE I WEWNĘTRZNE
-ZEWNĘTRZNA OPISUJE KONTUR ZEWNĘTRZNY OBIEKTU/CIAŁA.
-WEWNĘTRZNA, ZWIĄZANA JEST Z JEGO WEWNĘTRZNĄ BUDOWĄ.
PRZYKŁAD: CIAŁA O STRUKTURZE POROWATEJ
I. POWIERZCHNIE IDEALNE I RZECZYWISTE - 2
3. POWIERZCHNIA IDEALNA –
OKREŚLENIE MAKROSKOPOWE
• JEST TO POWIERZCHNIA
STEREOMETRYCZNA
WYZNACZAJĄCA KSZTAŁT I
WYMIARY DANEGO CIAŁA
• POWIERZCHNIA
MAKROSKOPOWA MA SENS W
ODNIESIENIU DO CIAŁ STAŁYCH
I CIECZY
• OPISANA JEST ONA RUCHEM
KRZYWEJ W PRZESTRZENI
• MATERIALNA POWIERZCHNIA :
OGRANICZENIE OBSZARU
WYPEŁNIONEGO MATERIĄ
• UZUPEŁNIENIEM OPISU
MAKROSKOPOWEGO
POWIERZCHNI JEST OPIS
MOLEKULARNY I ATOMOWY
4. ROZWÓJ BADAŃ WŁASNOŚCI
FIZYKOCHEMICZNYCH POWIERZCHNI :
• OGÓLNIE – DO 1950 : WŁASNOŚCI
MAKROSKOPOWE, PO 1950 – OPIS
MOLEKULARNY
• SZCZEGÓŁOWO :
- OD 1800 : KATALIZA, ELEKTROCHEMIA,
FOTOGRAFIA, TRYBOLOGIA
- OD 1850 : TERMODYNAMIKA, KOLOIDY,
INSTRUMENTARIUM BADAWCZE
POWIERZCHNI
- OD 1900 : ADSORPCJA, EMSJA
ELEKTRONÓW
- PO 1950 : ŁADUNEK POWIERZCHNIOWY,
TRANSPORT ELEKTRONOWY, CIAŁA
POROWATE (MIKROPOROWATOŚĆ),
MONOWARSTWY, WLASNOŚCI
MAGNETYCZNE, WŁASNOŚCI
MECHANICZNE, WŁASNOŚCI OPTYCZNE
WARSTW, POLIMERY I BIPOLIMERY,
NAUKA O KLASTRACH
I. POWIERZCHNIE IDEALNE I RZECZYWISTE - 3
5. POWIERZCHNIE
RZECZYWISTE :
• POWIERZCHNIA
MATERIAŁU JEST
FORMALNIE TRAKTOWANA
JAKO NIECIĄGŁOŚĆ
STRUKTURALNA, A W
FORMALIŹMIE
TERMODYNAMIKI, JAKO
OSOBNA FAZA
• RZECZYWISTA
POWIERZCHNIA JEST
ZDEFEKTOWANA I
NIEJEDNORODNA, A TAKŻE
NIE JEST GŁADKA
• ZABURZENIE
UPORZĄDKOWANIA SIĘGA
NAWET DO KILKUSET
WARSTW ATOMOWYCH
• PRZYKŁADY I SCHEMATY :
III. POWIERZCHNIE ZEWNĘTRZNE - 1
1. POWIERZCHNIE ZEWNĘTRZNE ODGRYWAJĄ KLUCZOWĄ ROLĘ W
TECHNOLOGII : OD KATALIZY I POWŁOK PASYWACYJNYCH DO
ZINTEGROWANYCH ELEMENTOW KOMPUTERÓW I W PRZYRODZIE (MÓZG,
SKÓRA, LIŚCIE)
2. STĘŻENIE POWIERZCHNIOWE :
- W OBJĘTOŚCI, PRZY GĘSTOŚCI OK. 1 g/cm3 JEST 5 x 1022 CZĄSTECZEK W 1cm3
- STĘŻENIE NA POWIERZCHNI JEST ~ DO ρ2/3
- PRZY REGULARNYM SZEŚCIENNYM TYPIE UPAKOWANIA, OZNACZA
TO RZĄD WIELKOŚCI STĘŻENIA POWIERZCHNIOWEGO –
1015 CZĄSTECZEK/cm2
UWAGA : STĘŻENIE POWIERZCHNIOWE ZMIENIA SIĘ O CZYNNIK 2-3
ZALEŻNIE OD TYPU UPAKOWANIA NA POSZCZEGÓLNYCH PŁASZCZYZNACH
KRYSTALOGRAFICZNYCH
Fizykochemia powierzchni ciała stałego – Wykład 1 / 12
III. POWIERZCHNIE ZEWNĘTRZNE - 2
3. KLASTERY I MAŁE
CZĄSTECZKI
PARAMETREM
ILOŚCIOWYM
STOSOWANYM DO
OPISU JEST tzw.
DYSPERSJA, CZYLI
STOSUNEK LICZBY
ATOMÓW NA
POWIERZCHNI DO
LICZBY ATOMÓW W
OBJĘTOŚCI.
DLA BARDZO MAŁYCH
CZĄSTECZEK
DYSPERSJA JEST
BLISKA 1.
DLA CZĄSTEK O
ROZMIARZE 10 nm
DYSPERSJA
DOCHODZI DO 10-3
Fizykochemia powierzchni ciała stałego – Wykład 1 / 14
IV. POWIERZCHNIE WEWNĘTRZNE – MIKROPOROWATOŚĆ
1. POROWATE POWIERZCHNIE WEWNĘTRZNE WYSTĘPUJĄ W MATERIAŁACH
OTRZYMYWANYCH SYNTETYCZNIE ORAZ W NATURZE (MINERAŁY,
ORGANIZMY ŻYWE)
2. MATERIAŁY Z PORAMI O WYMIARACH MOLEKULARNYCH CECHUJE DUŻA
POWIERZCHNIA WEWNĘTRZNA. LICZNE GLINY MAJĄ STRUKTURĘ
WARSTWOWĄ, W KTÓREJ CZĄSTECZKI LOKUJĄ SIĘ MIĘDZY WARSTWAMI W
WYNIKU PROCESU, ZWANEGO INTERKALACJĄ.
3. PĘCZNIENIE GRAFITU ZACHODZI W WYNIKU WBUDOWYWANIA SIĘ
CZĄSTECZEK WODY, POCHODZĄCYCH Z PARY WODNEJ, MIĘDZY JEGO
WARSTWY.
4. ZEOLITY, KRYSTALICZNE GLINOKRZEMIANY, MAJĄ STRUKTURĘ
KLATKOWĄ O WYMIARACH MOLEKULARNYCH. SĄ ONE ZWANE
MOLEKULARNYMI SITAMI, GDYŻ MOGĄ ONE ADSORBOWAĆ SELEKTYWNIE
CZĄSTECZKI O OKREŚLONYCH : WIELKOŚCI I ZDOLNOŚCI DO
POLARYZACJI. TO POWODUJE ICH ZASTOSOWANIE KOMERCYJNE DO
SEPARACJI MIESZANIN GAZÓW LUB DO PROWADZENIA SELEKTYWNEGO
REAKCJI CHEMICZNYCH.
5. KOŚCI SSAKÓW, ZBUDOWANE Z APATYTU WAPNIA, CECHUJE POROWATA
STRUKTURA, Z WIELKOŚCIĄ PORÓW ok.` 10nm.
6. WĘGIEL MA TEŻ STRUKTURĘ POROWATĄ (100 – 1000 nm), CO SKUTKUJE
POWIERZCHNIĄ WEWNĘTRZNĄ 100-400 m2
Fizykochemia powierzchni ciała stałego – Wykład 1 / 15
V. CZYSTE POWIERZCHNIE - 1
1. STOSOWANE JEDNOSTKI CIŚNIENIA :
-1 bar = 1 atm - CIŚNIENIE SŁUPA RTĘCI O WYSOKOŚCI 760 mm
-1 Torr - CIŚNIENIE SŁUPA RTĘCI O WYSOKOŚCI 1 mm
-1 Pa (SI) = 1 N / m2
2. WNIOSKI PRAKTYCZNE Z KINETYCZNEJ TEORII GAZÓW ORAZ TEORII
ODDZIAŁYWANIA MIĘDZY POWIERZCHNIĄ CIAŁA STAŁEGO I GAZAMI :
-CZĄSTECZKI GAZU SĄ W NIEUSTANNYM RUCHU (DLA T > 0 K), UDERZAJĄ
ZATEM W "CZYSTĄ" POWIERZCHNIĘ CIAŁA STAŁEGO, ZANIECZYSZCZAJĄC JĄ
-USTALA SIĘ DYNAMICZNA RÓWNOWAGA PROCESÓW ADSORPCJI I DESORPCJI
CZĄSTECZEK GAZU NA POWIERZCHNI, A ŚREDNI CZAS KONTAKTU
CZĄSTECZEK GAZU Z POWIERZCHNIĄ NAZYWANY JEST "CZASEM
PRZYBYWANIA„
DLA p = 1 atm, CZAS = 10-9 s,
DLA p = 10-9 atm - CZAS = 3 s,
DLA p = 10-12 atm - CZAS = 1 h
Próżnia p ρ λ Czas (ML) [Torr] [n x m-3] [m] [s]
Atm 760 2 x 1025 7 x 10-8 10-9
Niska 1 3 x 1022 5 x 10-5 10-6
Średnia 10-3 3 x 1019 5 x 10-2 10-3
Wysoka 10-6 3 x 1016 50 1
Ultrawysoka 10-10 3 x 1012 5 x 105 104
Próżnia potrzebna do :
Eliminacji zderzeń => P < 10-4 Torr
Utrzymanie czystej powierzchni => P < 10-9 Torr
Fizykochemia powierzchni ciała stałego – Wykład 1 / 17
V. CZYSTE POWIERZCHNIE - 2
IX. MOLEKULARNY OPIS POWIERZCHNI - 1
1. OPIS MOLEKULARNY POWIERZCHNI JAKO GRANICY FAZ NIE
POPRZESTAJE NA PARAMETRACH MAKROSKOPOWYCH, JAK
OPIS TERMODYNAMICZNY, LECZ POSŁUGUJE SIĘ MODELEM
ATOMÓW I CZĄSTECZEK. W PRAKTYCZNYCH PRZYPADKACH
KONIECZNE JEST WPROWADZANIE UPROSZCZEŃ.
2. W FAZIE OBJĘTOŚCIOWEJ CZĄSTECZKI PODLEGAJĄ
JEDNAKOWYM ODDZIAŁYWANIOM ZE WSZYSTKICH STRON,
NATOMIAST W FAZIE POWIERZCHNIOWEJ WYSTĘPUJE
ASYMETRIA ODDZIAŁYWANIA – SIŁY KOHEZJI MIĘDZY
CZĄSTECZKAMI NIE SĄ W PEŁNI SKOMPENSOWANE, A
CZĄSTECZKI ZNAJDUJĄCE SIĘ NA POWIERZCHNI SĄ SILNIEJ
WCIĄGANE DO FAZY OBJĘTOŚCIOWEJ.
3. REZULTATEM TEGO ZJAWISKA JEST NAPIĘCIE
POWIERZCHNIOWE, KTÓRYM TŁUMACZY SIĘ PRZYJMOWANIE
PRZEZ MAŁĄ ILOŚĆ CIECZY, ZNAJDUJĄCĄ SIĘ W FAZIE
GAZOWEJ, KSZTAŁTU KROPLI LUB WYSTĄPIENIE
PĘCHERZYKÓW GAZU W CIECZY.
4. NIE RÓWNOWAŻENIE SIĘ SIŁ ODDZIAŁYWANIA NA POWIERZCHNI
SKUTKUJE POJAWIENIEM SIĘ SIŁY SKIEROWANEJ PROSTOPADLE DO
POWIERZCHNI.
5. WCIĄGANIE CZĄSTECZEK POWIERZCHNIOWYCH MOŻNA TAKŻE
TŁUMACZYĆ NA GRUNCIE ELEKTROSTATYKI MOLEKULARNEJ :
POWSTAJĄCE WOKÓŁ ŁADUNKU POLE ELEKTRYCZNE MALEJE Z
ODLEGŁOŚCIĄ OD NIEGO.
6. KROPLA / SFERA / KULA JEST BRYŁĄ GEOMETRYCZNĄ O MINIMALNEJ
POWIERZCHNI DLA DANEJ ILOŚCI CIECZY. ODPOWIADA TO MINIMUM
ENERGII POWIERZCHNIOWEJ (Gs). WARTOŚĆ NAPIĘCIA
POWIERZCHNIOWEGO ZALEŻY OD ENERGII ODDZIAŁYWANIA
MIĘDZYCZĄSTECZKOWEGO.
7. POJAWIENIE SIĘ W POBLIŻU ŁADUNKU PRZEWODNIKA LUB DIELEKTRYKA
O WIĘKSZEJ PRZENIKALNOŚCI ELEKTRYCZNEJ OD OŚRODKA, W KTÓRYM
ZNAJDUJE SIĘ ŁADUNEK SPOWODUJE PRZYCIĄGANIE (POLE ŁADUNKU
BĘDZIE STARAŁO SIĘ PRZENIKNĄĆ DO PRZEWODNIKA LUB DIELEKTRYKA).
IX. MOLEKULARNY OPIS POWIERZCHNI - 2
8. JEŚLI ŁADUNEK ZNAJDUJE SIĘ W OŚRODKU O DUŻEJ PRZENIKALNOŚCI EL.
(np. JON W WODZIE), TO BĘDZIE UNIKAŁ OŚRODKA O MNIEJSZEJ
PRZENIKALNOŚCI (np. SZKLANYCH ŚCIAN NACZYNIA LUB POWIETRZA).
9. PODOBNIE BĘDZIE ZACHOWYWAŁ SIĘ FRAGMENT CZĄSTECZKI
CHEMICZNEJ O RÓŻNEJ LOKALNEJ GĘSTOŚCI LINII SIŁ POLA EL.
CZĄSTECZKA WODY NA SWOBODNEJ POWIERZCHNI PRZYJMUJE TAKĄ
ORIENTACJĘ, BY SWOIM NAJSILNIEJSZYM POLEM EL. “ZANURZYĆ SIĘ” W
OŚRODKU O WIĘKSZEJ PRZENIKALNOŚCI EL.
10. RÓŻNICA PRZENIKALNOŚCI EL. GRANICZĄCYCH FAZ (WODY – 78.3,
POWIETRZA – ok. 1) PROWADZI DO ORENTACJI CZĄSTECZEK NA GRANICY
FAZ I WCIĄGANIA ICH DO WNĘTRZA. SKUTKIEM TEGO JEST
POWIERZCHNIOWY POTENCJAŁ ELEKTRYCZNY. DLA V = 0.1 V I ŚREDNICY
CZĄSTECZKI WODY 5x10-10 m, NATĘŻENIE POLA EL. NA GRANICY FAZ W
OBSZARZE MONOWARSTWY POWIERZCHNIOWEJ (ZMIANA POTENCJAŁU NA
JEDN. DŁUGOŚCI) WYNOSI : E = V / d, CZYLI 2x108 V/m.
11. W TAK SILNYM POLU EL. MOGĄ WYSTĘPOWAĆ INNE ZJAWISKA NIŻ W
FAZIE OBJĘTOŚCIOWEJ.
IX. MOLEKULARNY OPIS POWIERZCHNI - 3
1. MECHANIKA DEFINIUJE POWIERZCHNIĘ JAKO OGRANICZENIE CIAŁ
MATERIALNYCH. POWIERZCHNIĘ MATERIALNA UWAŻA SIĘ ZA UKŁAD
MATERIALNY CIĄGŁY W POSTACI POWIERZCHNI UTWORZONEJ Z
PUNKTÓW MATERIALNYCH.
2. STOSUJE SIĘ POJĘCIA : POWIERZCHNIA NOMINALNA (POWIERZCHNIA
TEORETYCZNA OKREŚLONA RYSUNKIEM LUB DOKUMENTACJĄ
TECHNICZNĄ, POMIJAJĄCA CHROPOWATOŚCI, FALISTOŚCI, BŁĘDY
KSZTAŁTU); POWIERZCHNIA RZECZYWISTA (ORGANICZAJĆA PRZEDMIOT
OD OTOCZENIA); POWIERZCHNIA OBSERWOWANA / ZMIERZONA (JEJ
OBRAZ UZYSKUJE SIĘ W WYNIKU BADANIA LUB MIERZENIA Z
DOKŁADNOŚCIĄ CHARAKTERYZUJĄCĄ METODĘ); POWIERZCHNIA
OBRABIANA (OGRANICZA PRZEDMIOT OBRABIANY W MIEJSCU
PODLEGAJĄCYM OBRÓBCE); POWIERZCHNIA OBROBIONA (OGRANICZA
PRZEDMIOT W MIEJSCU PRZEPROWADZONEJ OBRÓBKI).
3. DLA CHARAKTERYSTYKI UŻYTKOWEJ POWIERZCHNI WPROWADZA SIĘ
POJĘCIE WARSTWY WIERZCHNIEJ
4. MECHANIKA POWIERZCHNI ZAJMUJE SIĘ RÓWNIEŻ WPŁYWEM NAPRĘŻEŃ
NA KONTAKT MIĘDZY FAZAMI („MECHANIKA KONTAKTU”)
X. MECHANICZNY OPIS POWIERZCHNI - 1
XI. DYNAMICZNY OPIS POWIERZCHNI - 1
1. DYNAMICZNY OPIS POWIERZCHNI DOTYCZY RUCHU ATOMÓW I
MOLEKUŁ.
2. OBEJMUJE ON :
(1) DRGANIA ATOMÓW WOKÓŁ POŁOŻENIA RÓWNOWAGI;
(2) ELEMENTARNE PROCESY ZWIĄZANE ZE ZDERZENIAMI ATOMÓW I
CZĄSTECZEK GAZÓW Z POWIERZCHNIĄ;
(3) ODDZIAŁYWANIA GAZ-POWIERZCHNIA
3. DRGANIA ATOMÓW OPISUJE SIĘ MODELEM OSCYLATORA
HARMONICZNEGO
1. DRGANIA ATOMU NA POWIERZCHNI : F = - kx (x – WYCHYLENIA, k – STAŁA), ENERGIA
POTENCJALNA E = ½ kx2
2. W CIELE STAŁYM : DRGANIA ATOMÓW JAKO SPRZĘŻONYCH OSCYLATORÓW.
WPROWADZA SIĘ ŚREDNIE WARTOŚCI :
E sr = ½ kx(sr)2=kBT
XI. DYNAMICZNY OPIS POWIERZCHNI - 2
1. POTENCJAŁ ELEKTROSTATYCZNY V W OBSZARZE POWIERZCHNI JEST SUMĄ
TRZECH SKŁADOWYCH POCHODZĄCYCH OD ODDZIAŁYWAŃ : ELEKTRONÓW
RDZENIA I WALENCYJNYCH, WYMIANY MIĘDZY ELEKTRONAMI
WALENCYJNYMI ORAZ MIĘDZY DIPOLAMI
2. W CIELE STAŁYM KAŻDY ELEKTRON OBNIŻA SWOJĄ ENERGIĘ ODPYCHAJĄC
INNE ELEKTRONY O PODOBNYM SPINIE (ZAKAZ PAULIEGO) LUB ATOMY MAJĄ
ELEKTRONY O RÓŻNYCH SPINACH TAK, BY MINIMALIZOWAĆ ODPYCHANIE
KULOMBOWSKIE
3. NA GRANICY CIAŁO STAŁE-PRÓŻNIA DOCHODZI DO TUNELOWANIA
ELEKTRONÓW, KTÓRE OPUSZCZAJĄ CIAŁO STAŁE POZOSTAWIAJĄC
NIESKOMPENSOWANY ŁADUNEK DODATNI. TAK POWSTAJE POWIERZCHNIOWY
ŁADUNEK PRZESTRZENNY.
4. PRACA WYJŚCIA : MINIMALNA BARIERA ENERGETYCZNA, KTÓRĄ MUSZĄ
POKONAĆ NAJSŁABIEJ ZWIĄZANE ELEKTRONY WALENCYJNE, BY OPUŚCIĆ
POWIERZCHNIĘ DO PRÓZNI W = e V(wym) + e V(dip) - EF
XII. ELEKTRYCZNE WŁASNOŚCI POWIERZCHNI - 1
29
Warunki zaliczenia:
-obecność na zajęciach seminarium
-przygotowanie i wygłoszenie referatu (ocena nr 1)
Ocena - warianty:
-bez sprawdzianu testowego na koniec, ocena „zwykła” – do 4.0;
ocena „wyjątkowa” - 4.5
-ze sprawdzianem testowym na koniec, ocena maks. – 5.0
Kontakt :
e-mail: jedlinsk@agh.edu.pl
Recommended