材料表界面_1-3章解讀課件

1、1-3章第一章 緒論第二章 液體界面第三章 固體表面第一章 緒論表界面科學(xué)研究的重要性表界面科學(xué)發(fā)展歷程表界面的基本概念表界面的定義表界面是由一個(gè)相過渡到另一個(gè)相的過渡區(qū)域。若其中一相為氣體，這種界面通常稱為表面 (surface)。表界面區(qū)的結(jié)構(gòu)、能量、組成等都呈現(xiàn)連續(xù)的梯度變化。定義：三維規(guī)整點(diǎn)陣到體外空間之間的過渡區(qū)域。厚度隨材料種類而異，從一個(gè)到多個(gè)原子層不等。在過渡區(qū)域，周期點(diǎn)陣遭到嚴(yán)重?cái)_動(dòng)，甚至完全變異。物理界面是不同于兩相的第三相。物理表面理想表面清潔表面吸附表面物理表面二、清潔表面:指不存在任何污染的化學(xué)純表面，即不存在吸附、催化反應(yīng)或雜質(zhì)擴(kuò)散等物理化學(xué)效應(yīng)的表面。表面上會(huì)發(fā)生

2、與體內(nèi)結(jié)構(gòu)和成分不同的變化。馳豫：點(diǎn)陣常數(shù)變化，非平衡態(tài)；重構(gòu)：原子重排，不同于本體內(nèi)的晶面；臺(tái)階化：有規(guī)律的非完全平面結(jié)構(gòu)；偏析：溶液或溶質(zhì)在相界、晶界或缺陷上的聚集；吸附：氣相原子或分子在氣固界面上的聚集。結(jié)構(gòu)變化化學(xué)組成變化ds內(nèi)部表面d0指表面層之間以及表面和體內(nèi)原子層之間的垂直間距ds和體內(nèi)原子層間距d0相比有所膨脹和壓縮的現(xiàn)象?？赡苌婕皫讉€(gè)原子層。d0內(nèi)部表面d0指表面原子層在水平方向上的周期性不同于體內(nèi)，但在垂直方向上的層間間距d0與體內(nèi)相同。表面不是平面，由規(guī)則或不規(guī)則臺(tái)階組成。表面結(jié)構(gòu)變化弛豫重構(gòu)臺(tái)階化指溶液或溶質(zhì)在相界、晶界或缺陷上的聚集。氣相原子或分子在氣固界面上的聚集。

3、化學(xué)組成變化偏析吸附 表界面通常有五類：氣-液表面氣-固表面液-液界面液-固界面固-固界面第二章 液體表面 表界面的兩個(gè)最基本性能：表界面四大基本定律之中的三個(gè)。表面張力和表面自由能由于分子在體相內(nèi)部與界面上所處的力場(chǎng)環(huán)境是不同的，產(chǎn)生了凈吸力。而凈吸力會(huì)在界面各處產(chǎn)生一種張力。把作用于單位邊界線上的這種力稱為表面張力，用 表示，單位是Nm-1。表面張力也可以理解為系統(tǒng)增加單位面積時(shí)所需做的可逆功，單位為J/m2，是功的單位或能的單位。所以也可以理解為表面自由能，簡稱表面能。表面張力表面張力的本質(zhì)：表面張力產(chǎn)生的根本原因：表面張力的方向：分子間相互作用力的不平衡分子間相互作用力表面張力的方向和

4、液面相切，如果液面是平面，表面張力就在這個(gè)平面上。 如果液面是曲面，表面張力就在這個(gè)曲面的切面上，并促使液體表面積縮小的方向。表面張力影響表面張力的因素：1. 分子間力的影響表面張力與物質(zhì)的本性和所接觸相的性質(zhì)有關(guān)。液體或者固體中的分子間的相互作用力或化學(xué)鍵力越大，表面張力越大。Hg NaCl H2O 苯金屬鍵離子鍵極性共價(jià)鍵及氫鍵非極性共價(jià)鍵表面張力影響表面張力的因素：1. 分子間力的影響表面張力影響表面張力的因素：2. 溫度的影響隨溫度升高，分子間的距離增大，分子間的相互作用力減弱，表面張力就會(huì)下降。當(dāng)溫度升高到臨界溫度時(shí)，液體與氣體的界面消失，表面張力趨于零。表面張力表面自由能 狹義表面

5、自由能的定義：保持溫度、壓力和組成不變，每增加單位表面積時(shí)，Gibbs自由能的增加值稱為表面Gibbs自由能，或簡稱表面自由能或表面能，用符號(hào)表示，單位為Jm-2。表面自由能表面張力與表面Gibbs自由能材料表界面的基本性能不同點(diǎn)：物理概念、意義不同：表面張力（通常）指純物質(zhì)的表面層分子間實(shí)際存在著的（收縮）張力。單位：N / m。表面自由能表示形成單位新表面使體系自由能的增加，可表示為：J/m2表面張力與表面Gibbs自由能材料表界面的基本性能 相同點(diǎn)： 既可表示表面自由能又可表示表面張力，兩者量綱相同，數(shù)值相等： 表面自由能 J / m2 = Nm /m2 = N / m 表面張力1. L

6、aplace方程球面非球面2. Kelvin公式3. Gibbs 吸附等溫式表界面四大定律之中的三個(gè)1. Laplace方程彎曲表面上的附加壓力psps由于液面是彎曲的，沿AB的周界上的表面張力不能抵消，作用于邊界的力有一指向曲率中心的合力。所有的點(diǎn)產(chǎn)生的合力和為 Ps ，稱為附加壓力。ABAB1. Laplace方程附加壓力的方向總是指向曲率中心。psps彎曲表面上的附加壓力（1）凸液面，液滴的曲率半徑r為正，P為正，附加壓力指向液體內(nèi)部，r越小，P越大；（2）平液面，r趨向無窮大，P為零，跨越平液面不存在壓力差；（3）凹液面，r為負(fù)，P為負(fù)，附加壓力指向空氣。1. Laplace方程涉及的

7、計(jì)算：知道內(nèi)外壓差，液體表面張力，計(jì)算液珠直徑。1. Laplace方程1. Laplace方程的應(yīng)用液體表面張力測(cè)定毛細(xì)管法最大氣泡壓力法滴重法吊環(huán)法吊板法1. Laplace方程的應(yīng)用毛細(xì)管現(xiàn)象浸潤液體在細(xì)管里升高的現(xiàn)象和不浸潤液體在細(xì)管里降低的現(xiàn)象,叫做毛細(xì)現(xiàn)象.能夠產(chǎn)生明顯毛細(xì)現(xiàn)象的管叫做毛細(xì)管. 毛細(xì)管法由Laplace方程可得：若定義h為凹月面底部距平液面的高度，則壓差p應(yīng)等于毛細(xì)管內(nèi)液柱的靜壓強(qiáng)，即hrr 毛細(xì)管法1. Laplace方程的應(yīng)用 毛細(xì)管法hrr涉及到的計(jì)算：知道毛細(xì)管液面高度，求表面張力。1. Laplace方程的應(yīng)用2. Kelvin公式彎曲表面上的蒸汽壓Kel

8、vin公式表明：液滴的半徑越小，其蒸汽壓越大。氣泡的半徑越小，其蒸汽壓越小。2. Kelvin公式彎曲表面上的蒸汽壓涉及計(jì)算時(shí)特別注意：液滴：凸面，r0。氣泡：凹面，r0, PrP0凸液面使得蒸氣壓增大，因此液滴極難產(chǎn)生和存在。當(dāng)蒸汽中有灰塵存在或容器的內(nèi)表面粗糙時(shí)，這些物質(zhì)可以作為蒸汽的凝結(jié)中心，使液核易于生成及長大，在蒸汽的過飽和程度較小的情況下，蒸汽就開始凝結(jié)。2. Kelvin公式1. 過飽和蒸汽2. Kelvin公式 當(dāng)空氣中的水蒸氣凝結(jié)時(shí)，首先形成非常小的液核，在液核存在的基礎(chǔ)上繼而長大形成大的液滴，從而發(fā)生水蒸氣的凝結(jié)。根據(jù)kelvin公式： 對(duì)于初始形成的液核，半徑非常小，其對(duì)

9、應(yīng)的飽和蒸汽壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平液面水的飽和蒸汽壓，所以液核很難形成，從而發(fā)生了空氣中水蒸氣過飽和現(xiàn)象。 若在空中存在凝結(jié)中心， 比如灰塵， 會(huì)使水滴初始凝結(jié)曲率半徑變大， 當(dāng)相應(yīng)的飽和蒸氣壓小于高空中有的水蒸氣壓力時(shí)， 蒸氣會(huì)凝結(jié)成水。人工降雨正是利用種原理， 通過向云層 中的過飽和水氣提供凝聚中心( 例如Ag I 微粒) 以達(dá)到人工增雨的目的。2. 過熱液體 按照相平衡條件應(yīng)當(dāng)沸騰而不沸騰的液體。液體氣泡凹液面r0,Pr0，是正吸附，此時(shí)表面層中溶質(zhì)濃度高于本體溶液，表面活性物質(zhì)就屬于此種情況。2）0，是負(fù)吸附，此時(shí)表面層中溶質(zhì)濃度低于本體濃度，非表面活性物質(zhì)就屬于此種情況。第三章 固體表面物理吸

10、附化學(xué)吸附吸附力范德華力化學(xué)鍵力吸附熱較小，近于液化熱較大，近于化學(xué)反應(yīng)熱選擇性無選擇性有選擇性吸附穩(wěn)定性不穩(wěn)定，易解吸比較穩(wěn)定，不易解吸分子層單分子層或多分子層單分子層吸附速率較快，不受溫度影響，故一般不需要活化能較慢，溫度升高則速度加快，故需要活化能1.物理吸附與化學(xué)吸附的比較：2.Langmuir吸附理論的基本假設(shè)是：1）吸附是單分子層的；2)固體表面是均勻的；3）被吸附分子間沒有相互作用；4）吸附速率和脫附速率相等，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。3.Langmuir吸附等溫式的表達(dá)式：其中b為吸附系數(shù)，b的大小代表了固體表面吸附氣體的強(qiáng)弱程度。 Langmuir吸附等溫式適用于單分子層化學(xué)吸附。4.F

11、reundlish吸附等溫式的表達(dá)式：它只適用于中壓范圍的吸附5.BET多分子層吸附理論的假設(shè)是:1)固體表面是均勻的; 2)吸附靠分子間力, 吸附可以是多分子層的; 3)吸附分子的解吸不受四周其它分子影響; 4)吸附與脫附建立起動(dòng)態(tài)平衡。1. 表面發(fā)生變化時(shí)，Gibbs自由能的變化以及環(huán)境所做的 功。G=GsA2. 與Kelvin公式相關(guān)的計(jì)算。P32：6. 試用Kelvin公式解釋空氣中水蒸氣過飽和的原因。在20下水的密度為998.2 kg/m3，表面張力為72.810-3 N/m，若水滴半徑為10-6 cm，求水的過飽和度。根據(jù)kelvin公式：當(dāng)空氣中的水蒸氣凝結(jié)時(shí)，首先形成非常小的液

12、核，在液核存在的基礎(chǔ)上繼而長大形成大的液滴，從而發(fā)生水蒸氣的凝結(jié)。對(duì)于初始形成的液核，半徑非常小，其對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平液面水的飽和蒸汽壓，所以液核很難形成，從而發(fā)生了空氣中水蒸氣過飽和現(xiàn)象。解： ln = 0.1078pp0=1.114p-p0p0=11.4%7. 水蒸氣迅速冷凝到25時(shí)會(huì)發(fā)生過飽和現(xiàn)象。已知25下水的表面張力為71.49 mN/m，當(dāng)過飽和水蒸氣壓為水的平衡蒸汽壓的4倍時(shí)，試計(jì)算：（1）在此過飽和情況下，開始形成水滴的半徑。（2）此種水滴中含有多少個(gè)水分子。8. 已知17時(shí)大粒塊二硝基苯在水中的溶解度為5.910-3mol/dm3，固液兩相的界面張力為25.710-3

13、 N/m，計(jì)算當(dāng)顆粒直徑為0.01m時(shí)二硝基苯在水中的溶解度。二硝基苯密度為1.565g/cm3.解： ln = 0.458CC0=1.58C=9.3210-3mol/dm33. 與Langmuir公式相關(guān)的計(jì)算。 4：用活性炭吸附CHCl3，符合Langmuir吸附等溫式，在0 時(shí)的飽和吸附量為93.8 dm3*kg-1。已知CHCl3的分壓為13.4kPa時(shí)的平衡吸附量為82.5 dm3*kg-1 。試計(jì)算CHCl3的分壓為為6.67kPa時(shí)的平衡吸附量。解： 由Langmuir吸附等溫式：已知：Vm93.810-3 m3kg-1 V= 82.510-3 m3kg-1 P=13.4 kPa

14、代入上式，求得 b5.4510-4 m2N-1 以p =6.67 kPa, Vm和b如上，代入Langmuir式，求得V73.6 10-3 m3kg-16： -33.6時(shí)測(cè)得CO 在活性炭上的吸附數(shù)據(jù)如下：p，單位cmHg; a（每克活性炭吸附CO的體積，單位cm3 ，已換算成標(biāo)準(zhǔn)狀況） p10.118.83243 5467 8.5413.1 18.2 21.0 23.8 26.3比較Freundlish和Langmuir公式何者更適用于這種吸附，并計(jì)算公式中個(gè)常數(shù)的值（76 cmHg=1.01105Pa）a（1）將朗繆爾吸附等溫式寫作： 以 p/ V 對(duì) p 作圖，可得一直線，由直線的斜率及

15、截距即可求得Vm 及 b 。在不同平衡壓力下的 p/ V 值列表如下：p /kPa13.42224.98442.52657.14571.76389.0398.5413.118.221.023.826.31.572 1.907 2.337 2.721 3.015 3.386解：Y = 1.2975 + 0.02393 X由直線的截距得吸附系數(shù)（2）將Freundlish吸附等溫式寫作： 以 Lg V 對(duì) Lgp 作圖，可得一直線，由直線的斜率及截距即可求得1/n及 k 。lgp 1.1281.3981.6291.7571.8561.9508.5413.118.221.023.826.30.931 1.1171.2601.322 1.377 1.420lgVY