Fp 2013 Wprowadzenie

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 : [email protected]

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


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


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 :


• PRZYKŁADY I SCHEMATY (cd.) :


• PRZYKŁADY I SCHEMATY (cd.) :

II. PRAKTYCZNE ZNACZENIE POWIERZCHNI - 1



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


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


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


V. CZYSTE POWIERZCHNIE - 2

VI. PODSTAWY

TERMODYNAMIKI

VII. TERMODYNAMIKA

POWIERZCHNI - 1

VII. TERMODYNAMIKA

POWIERZCHNI - 2

VII. TERMODYNAMIKA

POWIERZCHNI - 3

VIII. ENERGIA

POWIERZCHNIOWA -

1

VIII. ENERGIA

POWIERZCHNIOWA - 2

VIII. ENERGIA

POWIERZCHNIOWA - 3

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).


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.


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: [email protected]

Documents

Fp 2013 Wprowadzenie