Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Les applications des phénomènes interfaciaux sont extrêmement nombreuses et d'une importance économique considérable, pour exemple la catalyse hétérogène en pétroléochimie, ou la miniaturisation des systèmes en industrie électronique. En effet, les atomes se trouvant à la surface d'un solide ou d'un liquide présentent une coordinence moins importante que ceux situés au cœur de ce système : ils confèrent à la surface des propriétés tout à fait spécifiques. Cet article introduit des notions de thermodynamique des surfaces avant de se focaliser sur la compréhension de deux phénomènes physiques et physico-chimiques de surface, l'adsorption et la ségrégation. Il s’attarde également sur les conditions d’obtention des transitions de phase bidimensionnelle.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Didier ROUXEL : Maître de Conférence au laboratoire de Physique des Milieux ionisés et Applications (LPMIA) – UMR 7040, Université Henri Poincaré Nancy I
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Bernard WEBER : Directeur de Recherche au CNRS, LPMIA – UMR 7040, Université Henri Poincaré Nancy I
INTRODUCTION
Le domaine des surfaces revêt une importance particulière car tout corps, liquide ou solide, interagit avec le milieu ambiant à travers la surface qui le délimite. Or, les atomes se trouvant à la surface d'un solide ou d'un liquide présentent une coordinence moins importante que ceux situés au cœur de ce système. On conçoit donc que ces atomes confèrent à la surface des propriétés tout à fait spécifiques. Ainsi, l'énergie nécessaire pour augmenter la surface d'un solide est toujours positive, ce qui a pour conséquences, entre autres, que les systèmes condensés ont tendance, pour minimiser cette énergie de surface :
-
à diminuer l'étendue de cette surface ;
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à réagir avec les molécules de l'atmosphère ambiante pour former une couche dite d'adsorption ;
-
à faire ségréger en surface l'élément du solide qui a la plus faible énergie superficielle ;
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ou à conduire à des relaxations superficielles (modification des distances entre les plans cristallins), voire donner lieu à de profondes reconstructions superficielles.
Ces propriétés particulières donnent aux systèmes dispersés (présentant une grande surface spécifique) un rôle important dans des domaines très divers de la physique, de la chimie, mais aussi de la géologie et de la biologie. Certaines réactions chimiques, thermodynamiquement possibles, sont accélérées, ou sont favorisées quand elles sont en compétition avec d'autres réactions possibles, grâce à la surface de certains solides. Ce phénomène, la catalyse hétérogène, revêt une importance cruciale, par exemple en pétroléochimie. Des remarques analogues pourraient être faites dans les domaines de la métallurgie, de la corrosion, de l'adhésion et de la rupture des solides, de la lubrification, de la tribologie, de la croissance cristalline, de l' électronique, des microsystèmes , etc. À la limite, dans les nanosystèmes, quand le nombre d'atomes « de surface » devient équivalent, voire supérieur, au nombre d'atomes « de volume », la notion même de surface, comme délimitant un corps ou une phase, perd de son sens et la physique elle-même peut changer de nature.
Le présent article traite plus particulièrement de l'adsorption et de la ségrégation. Pour un panorama général de ces phénomènes et de leurs applications, on pourra consulter les ouvrages cités au § 1.
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Conclusion
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7. Cinétique d'adsorption et de désorption
7.1 Vitesse d'adsorption. Rendement de choc. Quantité adsorbée
La vitesse maximale d'adsorption à une interface gaz-solide est la vitesse de collision des molécules gazeuses avec la surface. D'après la théorie cinétique des gaz, le nombre Z de collisions moléculaires, par unité de surface et de temps, ou fréquence de chocs, est donné par la relation de Hertz-Knudsen :
avec :
- p :
- pression,
- m :
- masse d'une molécule,
- T :
- température thermodynamique,
- k :
- constante de Boltzmann (1,38 × 10 −23 J · K −1).
Exemple
Pour l'azote, m = 4,65 × 10−26 kg à T = 273 K et avec p = 1 Pa :
Comme le nombre moyen de sites d'adsorption sur un plan cristallin est de l'ordre de 10 19 m−2, un site subira environ 3 × 10 3 collisions par seconde à T = 273 K sous une pression de 1 Pascal.
Cependant, quand une molécule gazeuse s'approche de la surface, elle est soumise à des forces d'interactions attractives et/ou répulsives qui, selon leur nature, vont conduire à l'adsorption ou non de cette molécule sur la surface. La probabilité b d'adsorption au cours d'un choc rendra compte de cette propriété...
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