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 Report

Transcript 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


 2a

r
r
3

r
/

3  r /    r 





2
EElastic  
Φ  pol  ln  

6
ln

3
1




 

M


2
2







 w





EOsmotic 
4a 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