Teoria atomistyczna Daltona.
1.Wszystkie substancje składają się z niezmiernie małych niepodzielnych cząstek zwanych atomami, które zachowują swoją indywidualność we wszystkich przemianach chemicznych.
2.Atomy danego pierwiastka są identyczne pod każdym względem mają m.in. jednakową masę. Atomy różnych pierwiastków różnią się właściwościami.
3.Związki chemiczne powstają wskutek łączenia się atomów różnych pierwiastków w określonych i stałych stosunkach liczbowych. Masy atomu nie ulegają zmianie w czasie reakcji chemicznych.
Prawo zachowania masy.
Atomy pierwiastków łącząc się ze sobą zachowują niezmienną masę.
Prawo stosunków stałych (Prousta).
Stosunek ilości wagowych pierwiastków łączących się w dany związek jest stały.
Atomy poszczególnych pierwiastków mają jednakowe masy oraz że na daną liczbę jednego pierwiastka przypada w określonej substancji stała liczba atomów drugiego pierwiastka.
Prawo stosunków wielokrotnych.
Jeżeli dwa pierwiastki tworzą ze sobą dwa lub więcej związków, to ilości wagowe jednego z nich łączące się w tych związkach z tą samą ilością wagową drugiego mają się do siebie jak proste liczby naturalne.
Jeżeli dwa pierwiastki tworzą kilka związków to w każdym z nich przypadać będzie inna liczba atomów jednego pierwiastka na daną liczbę atomów drugiego pierwiastka.
Prawo objętościowe Gay - Lussaca.
Objętości substancji gazowych (mierzone w tej samej temperaturze i pod tym samym ciśnieniu) biorących udział w danej reakcji chemicznej mają się do siebie jak proste liczby naturalne.
Na przykład: jedna objętość chloru reaguje z jedną objętością wodoru dając dwie objętości chlorowodoru.
Hipoteza Avogadra.
Jednakowe objętości dwóch różnych gazów znajdujących się w tej samej temperaturze i pod tym samym ciśnieniem zawierają jednakową liczbę cząsteczek.
Na przykład: jedna objętość chloru reaguje z jedną cząsteczką wodoru dając dwie cząsteczki chlorowodoru. Ponadto wynika stąd że cząsteczka chloru i wodoru zawierają co najmniej po dwa atomy.
Gazy-określamy takie ciała które mają zdolność do naprężania się nie mają określonego kształtu. Dzięki swej zdolności do rozprężania się przyjmują zawsze kształt objętości naczynia. Odwrotnie ściskając gaz możemy zmienić jego objętość. Ciecz- zależna jest w małym stopniu od ciśnienia. Ściśliwość cieczy jest bardzo mała. Zachowując praktycznie stałą objętość ciecze nie wykazują stałości kształtu. Kształt cieczy zależy od kształtu naczynia w którym jest ona zawarta. Ciała stałe- rozumiemy termin ciała wykazujące strukturą krystaliczną. Własności ciał stałych odznaczających się zawsze sztywną postacią a więc zdolność do zachowywania w zwykłych warunkach nie tylko stałej objętości. Napięcie powierzchniowe: wszystkie ciecze wykazują tendencję do samorzutnego zwiększania swej powierzchni. Zachowują się one tak jak gdyby powierzchnia ich pokryta była stale napiętą elastyczną błonką. Zjawisko to nazywamy napięciem powierzchniowym. Energia powierzchniowa - miarą jej jest praca jaką musimy dostarczyć dla wytworzenia 1cm2 nowej powierzchni. Inżynieria powierzchni metali-obejmuje ona wszystkie naukowe i techniczne warstwy wierzchnie, nanoszenie powłok spełniające funkcje ochronne w stosunku do metali podłoża. Warstwę wierzchnią metalu-należy rozumieć warstwę metalu metolowego ograniczoną wierzchnią przedmiotu obejmującą obszar materiału o własnościach różniących się od własności materiału. Przyczyną która powoduje zmianę warstwy wierzchniej może być pojedyncze lub łączne działanie sił mechanicznych i elektrycznych ciepła oraz czynników chemicznych. Natomiast przez powłokę ochronną-należy rozumieć warstwę metalu stopu materiału ceramicznego tworzywa sztucznego lub innego materiału ceramicznego tworzywa sztucznego lub innego materiału naniesioną trwale na powierzchnię podłoża, w celu uzyskania odpowiednich właściwości technicznych lub mechanicznych. Warstwy wierzchnie powłoki ochronne mogą być wytwarzane jako pojedyncze lub wielokrotne oraz łączone na powłoki na warstwach wierzchnich. Powłoki możemy podzielić . Powłoki te można podzielić na wielowarstwowe i warstwowe. Powłoka jednowarstwowa - jest to powłoka przykładana na odpowiednie podłoże w jednej operacji lub procesie technologicznym składająca się z jednej warstwy materiałua: jednoskładnikowe (zbudowane z jednego materiału lub pierwiastka) - wieloskaładnikowe (zbudowane z wielu składników np. pierwiastków stopowych). Powłoka wielowarstwowa (multi warstwowa) -jest to powłoka składająca się z dwóch lub większej ilości materiałów przy czym mogą to być warstwy tego samego materiału rozdzielona międzywarstwą bądź różnych materiałów nie koniecznie rozdzielone podwarstwą. Powłoki wielowarstwowe moża podzielić na: powłoki wielokrotne (takie składają się z jednej lub kilku materiałów których nakładanie jest w ośrodkach technologicznych nieznacznie różniących się własnościach fizykochemicznych. Powłoka przykładana- składa się ona z kilku warstw wielu materiałów przy czym tylko jedna z nich występuje dwukrotnie i nie bezpośrednio po sobie. Z uwagi na rodzaj materiału powłokowego powłoki dzieli się na metalowe i niemetalowe. Najczęściej są stosowane powłoki: cynk, nikiel, kadm, ołów, srebro, złoto, kobalt, rad, platyna, wolfram. Najczęściej stosowane stopy i kompozyty to: mosiądze, brązy a także stopy i kompozycje metali. Powłoki niemetalowe są wykonane z materiałów organicznych takich jak: materiały malarskie, gumowe, z tworzyw sztucznych oraz materiałów nie organicznych (emalie, materiały ceramiczne). Najczęściej używanymi materiałami powłokowymi są: -farby, emalie lakiernicze, żywice, woski asfalty, smary, cementy, gumy. Rozróżniamy inne powłoki które dzielą się na: antykorozyjne, dekoracyjne, oraz powłoki o określonych właściwościach. Metody wytwarzania warstw wierzchnich : machaniczna (nagniatanie, skrawanie), cieplno-mechaniczna (natryskiwanie), cieplne (hartowanie), cieplno-chemiczna (nasycanie, nawęglanie, azotowanie), chemiczne (osadzanie), fizyczne (osadzanie z fazy gazowej). Energia powierzchniowa-to różnica pomiędzy całkowitą energią wszystkich atomów energii a energią która miałaby atomy które znajdowałyby się we wnętrzu ciała. Miarą energii powierzchniowej jest praca jaką należy wykonać aby przenieść atomy z wnętrza ciała na jej powierzchnię. Energia powierzchniowa w atomie krytycznym jest równa 0. Metody wyznaczania energii powierzchniowej można podzielić na: -obliczeniowe, -eksperymentalne. Metody obliczeniowe- mogą być stosowane gdy znane są parametry stali krystalicznej nie można jednak określić w jakim stanie są kryształy po obróbce powierzchniowej. Metody eksperymentalne-pozwalają określić ilość energii potrzebnej do zmęczenia powierzchni kryształów po przez ich: rozłupowanie, szlifowanie. Struktura warstwy wierzchniej: warstwa wierzchnia kształtuje się w zależności od: warunków obróbki, składu chemicznego metalu, jego własności fizyko-chemicznych . Model strefowej budowy warstwy wierzchniej, najbardziej odpowiadający rzeczywistej budowie, można scharakteryzować następująco: 1.strefa najbardziej zewnętrzna, 2.powstaje w wyniku obsorpcji cząsteczek wady, 3.absorpcja gazów, 4.stanowi warstwę tlenków metali, 5.powstaje w wyniku ukształtowania ziarn metalu na powierzchni, 6.obejmuje obszar warstwy wierzchniej na której istnieje metal odkształcony, 7.obejmuje obszar warstwy wierzchniej w którym istnieje metal odkształcony plastycznie, 8.obszar naprężeń sprężystych. Absorpcja-zjawisko na granicy faz stałej gazu. Asorpcja-jeden ze zjawisk powierzchniowych związanych z istnieniem granic międzyfazowych. Cząsteczki- znajdujące się wewnątrz fazy ciekłej otoczone są niemniej równomiernie po przez cząsteczki są sąsiadujące. Działanie sił pomiędzy tymi cząsteczkami kąpensuje się na ich wypadkowa jest równa 0. w przeciwieństwie do nich cząsteczki znajdujące się w warstwie powierzchniowej ulegają nierównomiernemu oddziaływaniu co przyczynia się do zróżnicowania właściwości które są inne od warstwy powierzchniowej. Powoduje to występowanie sił napięcia powierzchniowego oraz zjawiska obsorpcji.
Powierzchnia ciała stałego. Wiele zjawisk powierzchniowych można opisać za pomocą pojęcia powierzchniowej energii swobodnej, czyli napięcia powierzchni, którą jest energia potrzebna do utworzenia 1cm2 nowej powierzchni.
Rozpatrując powierzchnię należy mieć na uwadze powierzchnię graniczną pomiędzy dwiema fazami, której własności zależeć będą od przemian zachodzących w jednej z dwóch faz. Powierzchnie graniczne istnieją tylko wtedy, gdy elementy składowe danego ciała powiązane są odpowiednio dużymi siłami spójności.
Przeważająca część energii powierzchniowej skupia się w warstwie wierzchniej o grubości równej kilku średnicom cząstek tworzących dane ciało.
Elementy budowy ciała tworzące jego powierzchnię znajdują się w innych warunkach niż elementy znajdujące się wewnątrz, w rezultacie cząstki te mają część sił nieskompensowanych i powierzchnię bogatszą w energię niż wnętrze ciała. Im w mniejszym stopniu cząstki powierzchniowe są otoczone innymi tym większa energia powierzchniowa stąd krawędzie kryształów są bogatsze energetycznie niż powierzchnie płaskie.
Podobne efekty powodujące wzrost energii powierzchniowej dają też wszelkiego rodzaju naprężenia i defekty w strukturze krystalicznej.
W przypadku, gdy elementy budowy ciała mają możliwość swobodnego poruszania się ciało dąży do zmniejszenia powierzchni to jest obszaru bogatszego w energię.
Jest to wynikiem działania tej cząstki położonej w warstwie powierzchniowej sił pochodzących od cząstek położonych głębiej skierowanych do wnętrza cieczy.
Powstające w ten sposób naprężania są napięcia powierzchniowe. Miarą może być siła przypadająca na jednostkę długości lub energia powierzchniowa odniesiona do jednostki powierzchni.
Atomy zewnętrzne mają większą energię potencjalną niż atomy wewnętrzne, stąd energia potrzebna do usunięcia atomów z powierzchni jest mniejsza niż we wnętrzu kryształu.
Asymetria pola sił działających na atomy wpływa na wartość napięcia powierzchniowego, które ma tendencję do wciągania cząstek powierzchniowych do wnętrza fazy. Stąd, aby utworzyć nową powierzchnię (dA) należy wykonać pracę wbrew siła napięcia powierzchniowego, (·) którą (dla cieczy) można określić zależnością
dL = gdA
W wyniku wykonania, więc pracy dL powierzchnia błony zwiększyła się o dA, w następstwie, czego wzrasta powierzchniowa energia swobodna ( potencjał termodynamiczny powierzchni)
Zmianę powierzchniowej energii swobodnej można wyznaczyć za pomocą zależności
DGs = DHs - TDSs
DHs - zmiana entropii układu
DSs - zmiana entropii układu
T - temp. Bezwzględna
Gdy T=0 to DGs = DHs ( ciepło sublimacji lub parowania)
Ponieważ powierzchniowa energia swobodna jest funkcją temperatury i ciśnienia, to napięcie powierzchniowe też będzie ulegać zmianom, w zależności od tych samych parametrów.
Napięcie powierzchniowe jest liczbowo równe powierzchniowej energii swobodnej GB na jednostkę pola powierzchni.
W ciałach stałych napięcie powierzchniowe zmienia się w jednostkach na zmianę powierzchni. Wykazano, że między napięciem powierzchniowym a powierzchniową energią swobodną ( potencjałem termodynamicznym powierzchni) następuje zależność
Wynika z tego, że tylko w temperaturze 0 K występuje zależność T = GB
W temp. wyższych stosunek dy/dT jest ujemny, a więc T < GB
Energia powierzchniowa to różnica pomiędzy całkowitą energią wszystkich atomów powierzchni a energią, które miałyby te atomy we wnętrzu ciała.
Miarą energii powierzchniowej jest praca, jaką należy wykonać, aby przenieść atomy z wnętrza na jego powierzchnię.
Energia powierzchniowa w stanie krytycznym jest równa 0 zanika, bowiem różnica między fazami, a więc i powierzchnia.
TZależność napięcia powierzchniowego i energii powierzchownej od temperatury.Metody wyznaczania energii powierzchniowej:
-Obliczeniowe
-Eksperymentalne
Metody obliczeniowe mogą być stosowane, gdy znane są parametry sieci kryształów, nie można jednak określić, w jakim stanie są kryształy w warstwie powierzchniowej po obróbce mechanicznej. Metody te umożliwiają, więc tylko przybliżone oszacowanie wartości energii powierzchniowej.
Metody eksperymentalne pozwalają określić ilość energii potrzebnej do zwiększenia powierzchni kryształu poprzez ich szlifowanie, wiercenie.
Metodami o bardzo uniwersalnym charakterze są metody kolorymetryczne.
Struktura warstwy wierzchniej.
Warstwa wierzchnia kształtuje się w zależności od warunków obróbki, składu chemicznego, własności fizyko-chemicznych.
Model strefowej budowy warstwy wierzchniej:
Strefa 1 -najbardziej zewnętrzna, powstaje w wyniku wydzielenia się na powierzchni metalu polowych cząstek podchodzeni organicznego
Strefa 2 -wynik adsorpcji cząstek wody
Strefa 3 -wynik adsorpcji gazów
Strefa 4 -stanowi warstwę tlenków metali. Powstaje ona w skutek reakcji chemicznej tlenu z metalem. Grubość tej strefy zależna jest od rodzaju czynnika atakującego (środowiska) własności chemicznych metalu, szybkości procesu dyfuzji tlenu przez warstwę tlenków.
Strefa 5 -powstaje z uszkodzenia ziaren metalu na powierzchni, spowodowanego działaniem narzędzia na materiał podczas obróbki powierzchniowej.
Charakteryzuje się ona tym, że budowa kryształu metalu jest zakłócona.
Strefa 6 -obejmuje obszar warstwy wierzchniej, w którym istnieje metal odkształcony plastycznie i steksturowany
Strefa 7-obejmuje obszar warstwy wierzchniej, w którym istnieje metal tylko odkształcony plastycznie a nie steksturowany
Strefa 8 -obejmuje obszar naprężeń sprężystych w strefach 6-8, istnieją naprężenia wewnętrzne (własne), które wywołane są dyslokacjami powstałymi wskutek odkształceń plastycznych.
Adsorpcja -zjawisko na granicy ciało stałe - gaz
Adsorpcja jest jednym ze zjawisk powierzchniowych związanych z istnieniem granic międzyfazowych. Cząstki znajdujące się wewnątrz fazy ciekłej otoczone są mniej więcej równomiernie poprzez cząstki sąsiadujące, działanie sił pomiędzy tymi fazami kompensuje się, a ich wypadkowa jest równa 0.
W przeciwieństwie do nich cząstki znajdujące się w warstwie wierzchniej powierzchni ulegają nierównomiernemu oddziaływaniu, co przyczynia się do zróżnicowania własności, które są inne dla warstwy powierzchniowej.
Powoduje to występowanie sił napięcia powierzchniowego oraz zjawisko adsorpcji.