Zakład Chemii Fizycznej Wydział Chemii UAM, Poznań Sposób na porządek Samoorganizacja kontra entropia Waldemar Nowicki [email protected] Dlaczego porządkowanie (konstrukcja uporządkowanych struktur) stwarza problemy? Dlaczego porządkowanie (konstrukcja uporządkowanych struktur) stwarza problemy? Proces samorzutny E.
Download ReportTranscript Zakład Chemii Fizycznej Wydział Chemii UAM, Poznań Sposób na porządek Samoorganizacja kontra entropia Waldemar Nowicki [email protected] Dlaczego porządkowanie (konstrukcja uporządkowanych struktur) stwarza problemy? Dlaczego porządkowanie (konstrukcja uporządkowanych struktur) stwarza problemy? Proces samorzutny E.
Zakład Chemii Fizycznej Wydział Chemii UAM, Poznań Sposób na porządek Samoorganizacja kontra entropia Waldemar Nowicki [email protected] Dlaczego porządkowanie (konstrukcja uporządkowanych struktur) stwarza problemy? Dlaczego porządkowanie (konstrukcja uporządkowanych struktur) stwarza problemy? Proces samorzutny E < 0 E=Emin Proces samorzutny E < 0 E=Emin G < 0 G=Gmin G= H - T S < 0 G < 0 G=Gmin G= H - T S < 0 H < 0 Maleje energia układu - T S < 0 Rośnie bałagan S < 0 H < T S układy podążające do stanu równowagi układy dalekie od stanu równowagi – struktury dyssypatywne układy podążające do stanu równowagi S < 0 H < T S Siły grawitacji Siły elektrostatyczne Siły magnetyczne Siły oddziaływań międzycząsteczkowych Siły napięcia powierzchniowego, kohezji i adhezji Oddziaływania międzycząsteczkowe – siły elektrostatyczne oraz siły van der Waalsa Stężone hydrozole E EL 0 rc z Ψ 2 l rc ln 1 exp κ l l 2 rc l rc H101 rc EL 12 l Równanie Braggów Napięcie powierzchniowe w g S F g l Napięcie powierzchniowe Efekt Marangoniego Nartnik Gerris sp. Cząstki Janusa 2D Piany i stężone emulsje Ciecze komórkowe Prawa Plateau: • Krawędzie Plateau są tworzone przez trzy ciekłe filmy pomiędzy którymi występują kąty dwuścienne równe 2/3 (120°) • Wierzchołki powstają w wyniku złożenia czterech krawędzi pod kątami tetraedrycznymi, tzn. arccos(1/3)=109.5° Prawo Laplace’a Różnica ciśnień występująca po obu stronach filmu jest odwrotnie proporcjonalna do jego krzywizny Piany monodyspersyjne Arystoteles – czworościan należy do wielościanów foremnych wypełniających przetrzeń Kelvin – bryłą wypełniającą przestrzeń bez reszty i posiadającą najmniejszą możliwą powierzchnię jest czternastościan Thomson W. (Lord Kelvin), On the division of space with minimum partitional area, Phil. Mag., 24, 503 (1887) Weaire-Phelan – mniejszy stosunek powierzchni do objętości (o 0.3 %) ma sieć Kelvin złożona z komórek elementarnych zawierających dwa dwunastościanyArystoteles i sześć czternastościanów ( z dwunastoma ścianami w kształcie pięciokatów) Weaire-Phelan Weaire D., Phelan R., A counterexample to Kelvin’s conjecture on minimal surfaces, Phil. Mag. Lett., 69, 107 (1994) Eksperyment – Tomografia w świetle widzialnym Thomas P.D., Darton R.C., Whalley P.B., Liquid foam structure analysis by visible light tomography, Chem. Eng. J., 187 (1995) 187-192 Garcia-Gonzales R., Monnreau C., Thovert J.-F., Adler P.M., Vignes-Adler W., Conductivity of real foams, Colloid Surf. A, 151 (1999) 497-503 Kelvin Arystoteles Weaire-Phelan Bidyspersyjne ciecze komórkowe w przestrzeni 2D Uporządkowane struktury emulsji złożonej z cząstek A i B w stosunku liczbowym 1:2 przy różnych wartościach ułamka objętościowego cząstek A Zależność względnej energii mieszania od ułamka objętościowego cząstek A (stosunek podany na rysunku) 6162 12132 Porządkowanie kosztem wzrostu entropii? Paradoksy entropii!!! Układy micelarne (oddziaływania hydrofobowe) Adsorpcja polimeru Depletion flocculation Porządkowanie kosztem wzrostu entropii? Układy micelarne (oddziaływania hydrofobowe) Porządkowanie kosztem wzrostu entropii? Adsorpcja polimeru 2 2a r r 3 r / 3 r / r 2 EElastic Φ pol ln 6 ln 3 1 M 2 2 w EOsmotic 4a 2 1 r 1 r Φ 2 ln v 2 2 4 Porządkowanie kosztem wzrostu entropii? Depletion flocculation x F x 2 R Π xdep 1 xdep układy dalekie od stanu równowagi – struktury dyssypatywne 1023 m 106 m Komórki konwekcyjne Rayleigha-Benarda 10-2 m Konwekcja??? Misja Apollo 17 Efekt Marangoniego!!! Struktura minerałów Porfiroblasty Coś dla chemika! Pierścienie Lieseganga Reakcje oscylacyjne Pierścienie Lieseganga 4Ag+ + Cr2O7-2 + H2O 2H+ 2Ag2CrO4 + Pierścienie Lieseganga Pb++ + 2 I- PbI2 Reakcja Biełousowa-Żabotyńskiego Reakcja Biełousowa-Żabotyńskiego Reakcja Biełousowa-Żabotyńskiego Br– + BrO3– + 2H+ HBrO2 + HOBr Br– + HBrO2 + H+ 2HOBr BrO3– + HBrO2 + H+ 2 BrO2 + 2H2O Ce3+ + BrO2 + H+ Ce4+ + HBrO2 2 HBrO2 HOBr + BrO3– + H+ 2Ce4+ + HOBr +2BrO3– + 2CH2(COOH)2 2Ce3+ + 3H+ + 3 Br– + 6CO2 + 4H2O OREGONATOR 3BrO3–+5CH2(COOH)2+3H+ 3BrCH(COOH)2+2HCOOH+4CO2+5H2O Reakcja Biełousowa-Żabotyńskiego Br– + BrO3– + 2H+ HBrO2 + HOBr Br– + HBrO2 + H+ 2HOBr BrO3– + HBrO2 + H+ 2 BrO2 + 2H2O Ce3+ + BrO2 + H+ Ce4+ + HBrO2 2 HBrO2 HOBr + BrO3– + H+ 2Ce4+ + HOBr +2BrO3– + 2CH2(COOH)2 2Ce3+ + 3H+ + 3 Br– + 6CO2 + 4H2O 3BrO3–+5CH2(COOH)2+3H+ 3BrCH(COOH)2+2HCOOH+4CO2+5H2O Reakcja Biełousowa-Żabotyńskiego Br– + BrO3– + 2H+ HBrO2 + HOBr Br– + HBrO2 + H+ 2HOBr BrO3– + HBrO2 + H+ 2 BrO2 + 2H2O Ce3+ + BrO2 + H+ Ce4+ + HBrO2 2 HBrO2 HOBr + BrO3– + H+ 2Ce4+ + HOBr +2BrO3– + 2CH2(COOH)2 2Ce3+ + 3H+ + 3 Br– + 6CO2 + 4H2O 3BrO3–+5CH2(COOH)2+3H+ 3BrCH(COOH)2+2HCOOH+4CO2+5H2O Reakcja Biełousowa-Żabotyńskiego Stan I Br– + BrO3– + 2H+ HBrO2 + HOBr Br– + HBrO2 + H+ 2HOBr BrO3– + HBrO2 + H+ 2 BrO2 + 2H2O Ce3+ + BrO2 + H+ Ce4+ + HBrO2 2 HBrO2 HOBr + BrO3– + H+ 2Ce4+ + HOBr +2BrO3– + 2CH2(COOH)2 2Ce3+ + 3H+ + 3 Br– + 6CO2 + 4H2O 3BrO3–+5CH2(COOH)2+3H+ 3BrCH(COOH)2+2HCOOH+4CO2+5H2O Reakcja Biełousowa-Żabotyńskiego Stan I Br– + BrO3– + 2H+ HBrO2 + HOBr Br– + HBrO2 + H+ 2HOBr BrO3– + HBrO2 + H+ 2 BrO2 + 2H2O Ce3+ + BrO2 + H+ Ce4+ + HBrO2 2 HBrO2 HOBr + BrO3– + H+ 2Ce4+ + HOBr +2BrO3– + 2CH2(COOH)2 2Ce3+ + 3H+ + 3 Br– + 6CO2 + 4H2O Stan II 3BrO3–+5CH2(COOH)2+3H+ 3BrCH(COOH)2+2HCOOH+4CO2+5H2O Reakcja Biełousowa-Żabotyńskiego Stan I Br– + BrO3– + 2H+ HBrO2 + HOBr Br– + HBrO2 + H+ 2HOBr BrO3– + HBrO2 + H+ 2 BrO2 + 2H2O Ce3+ + BrO2 + H+ Ce4+ + HBrO2 2 HBrO2 HOBr + BrO3– + H+ 2Ce4+ + HOBr +2BrO3– + 2CH2(COOH)2 2Ce3+ + 3H+ + 3 Br– + 6CO2 + 4H2O Stan bistabilny Stan II