Powierzchnia ciał stałych - omówienie

Nasza ocena:

3
Pobrań: 126
Wyświetleń: 819
Komentarze: 0
Notatek.pl

Pobierz ten dokument za darmo

Podgląd dokumentu
Powierzchnia ciał stałych - omówienie - strona 1 Powierzchnia ciał stałych - omówienie - strona 2 Powierzchnia ciał stałych - omówienie - strona 3

Fragment notatki:

1    Powierzchnia ciał stałych  Powierzchnie  graniczne  tworzą  się,  gdy  atomy/cząsteczki  fazy  oddziałują  na  siebie  odpowiednio  dużymi  siłami.  Tak  jest  w  przypadku  cieczy  i  ciał  stałych,  kiedy  potencjał  termodynamiczny  tworzenia  powierzchni  jest  większy  od  zera.  W  przypadku  gazów,  siły  międzycząsteczkowe są zbyt małe i dochodzi do rozproszenia (wymieszania) jednej substancji  w  drugiej  –  potencjał  termodynamiczny  tworzenia  takiej  powierzchni  jest  ujemny  lub  równy  zeru.  Z  geometrycznego  punktu  widzenia,  powierzchnię  należy  traktować  jako  układ  trójwymiarowy,  o  względnie  małej  grubości.  Powierzchnia  międzyfazowa  (na  przykład  przy  granicy   ciało  stałe  –  gaz )  nie  jest  nieskończenie  cienka  lecz  tworzy  odrębną  fazę  (fazę  powierzchniową) o skończonej grubości (rzędu kilku warstw atomowych). Atomy (cząsteczki)  fazy  powierzchniowej  są  w  stanie  energetycznym  innym  niż  atomy  fazy  objętościowej  (Rys.  II.2.2). Na atomy przy powierzchni, mniejsze siły działają od strony fazy gazowej, większe  –  od strony fazy skondensowanej.       Rysunek II.2.2  Porównanie energii atomu na powierzchni z energią atomu w próżni i energią atomu w fazie  objętościowej      Faza  powierzchniowa  określana  jest  mianem  fazy,  choć  nie  ma  jej  wszystkich  cech.  Nie  jest  jednorodna  (atomy  bliżej  powierzchni  są  słabiej  związane)  i  nie  jest  oddzielona  wyraźnymi  granicami  od  fazy  objętościowej–  tworzą  ją  atomy  w  stanie  energetycznym  różnym  od  stanu  atomów wewnątrz fazy.  Powierzchnia  międzyfazowa  ma  nadmiar energii  w stosunku do wnętrza fazy.  W  jego  obliczeniach  posługujemy  się  zwykle  prostym  modelem  powierzchni  kryształu  w  próżni  i  zakładamy,  że  powierzchnia  powstaje  z  przecięcia  kryształu  w  określonej  płaszczyźnie  2    sieciowej.  Nadmiar  energii  atomu  na  powierzchni  względem  energii  atomu  w  sieci  liczymy,  biorąc  pod  uwagę  różne  liczby  koordynacyjne  tych  atomów  (odpowiednio       i     ).  Dla  uproszczenia  zakładamy,  że  energia  wiązania               jest  taka  sama  dla  wiązania  z  udziałem atomu na powierzchni jak energia wiązania pary atomów wewnątrz sieci:                                       

(…)

… energii powierzchniowej i napięciem powierzchniowym rośnie ze
wzrostem temperatury.
Potencjał chemiczny atomów przy powierzchni
Na potrzeby termodynamiki, powierzchnię międzyfazową definiujemy jako obszar przejściowy
pomiędzy fazą objętościową (stężenie substancji ) i fazą przylegającą (stężenie
substancji ) – rysunek II.2.4. Wobec tego, wyidealizowaną geometryczną powierzchnię
możemy „poprowadzić…
…, że jest fragmentem sfery o promieniu i wielkości wyznaczonej przez kąt
bryłowy (Rys. II.2.5), to wtedy: oraz i , co daje .
Stąd:
(II.2.98)
gdzie przyjęliśmy, że faza ma powierzchnię wypukłą ( ), faza – powierzchnię wklęsłą
).
Rysunek II.2.5
Model zakrzywionej powierzchni o promieniu krzywizny . Zaznaczono kierunek ruchu granicy
8
międzyfazowej
Z równania (II.2.98) wynika, że potencjał chemiczny atomów/cząsteczek w fazie jest większy
od potencjału chemicznego atomów w fazie . Różnica jest siłą napędową dla
przeskoków atomów przez granicę, w kierunku fazy . Efektem tych przeskoków jest ruch
granicy w kierunku odwrotnym: od fazy do .
Korzystając z wzoru (II.2.98), możemy uzyskać informację odnośnie różnicy potencjałów
chemicznych atomów przy zakrzywionej i płaskiej powierzchni:
(II.2.99)
Stąd wynika:
oraz (II.2.100…
… faz i ,
, – ułamki molowe składników i w fazie ,
, – ułamki molowe składników i w fazie .
Jeśli przez i oznaczymy stężenia powierzchniowe składników i
, (II.2.108)
to wtedy:
i (II.2.109)
Ostatecznie, warunek równowagi w układzie dwóch faz możemy przedstawić w postaci funkcji
zależnej od powierzchniowych stężeń składników:
(II.2.110)
W dalszej analizie uwzględnimy, że powierzchnia międzyfazowa…
… zachowania masy, możemy w takim przypadku napisać:
oraz
(II.2.107)
10
– liczby moli składników
gdzie:
– liczby moli faz
i ,
i ,
,
– ułamki molowe składników
i
w fazie ,
,
– ułamki molowe składników
i
w fazie .
Jeśli przez
i
oznaczymy stężenia powierzchniowe składników
i
,
(II.2.108)
to wtedy:
i
(II.2.109)
Ostatecznie, warunek równowagi w układzie dwóch faz możemy przedstawić w postaci funkcji
zależnej…
… adsorbują na powierzchni
fazy stałej. W przypadku materiałów o wysokiej energii powierzchniowej (jak metale czy
węgliki i azotki), nawet małe ilości zaadsorbowanego tlenu znacząco obniżają energię
powierzchniową (Tabela II.2.2).
Tabela II.2.2
Eksperymentalne wartości średniej energii powierzchniowej wybranych cieczy i ciał stałych w próżni
Energia Energia
Substancja T[ ] powierzchnio Substancja T…
... zobacz całą notatkę



Komentarze użytkowników (0)

Zaloguj się, aby dodać komentarz