固體材料界面化學(xué)與物理

固體材料界面化學(xué)與物理一、表面、界面得基本涵義固體得面可一般可分為表面和界面:液液固固氣固液固液氣氣—液界(表)面液--液界面固--液界面固--氣界(表)面固--固界面

習(xí)慣第一章緒論氣--液界(表)面液--液界面

固--液界面

固--氣界(表)面固--固界面

界面實(shí)例第一章緒論第一章緒論二、表界面現(xiàn)象及表界面科學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史

在表界面發(fā)生許多現(xiàn)象,如毛細(xì)現(xiàn)象、潤(rùn)濕作用、液體過(guò)熱、蒸氣過(guò)飽和、吸附作用等。水滴為什么是圓形而不是方形？第一章緒論

界(表)面積不大,她們對(duì)系統(tǒng)性質(zhì)得影響可以忽略。但就是分散度增加,表面積很大時(shí),表面現(xiàn)象顯得很突出,便不能忽略對(duì)系統(tǒng)性質(zhì)得影響。

一克水表面積表面能

形成一球形水滴4.84×10-4m23.5×10-5J分散成直徑為1×10-9m的微小球形水滴6×103m2434J例如：第一章緒論顆粒直徑(nm)比表面積(m2/g

)表面原子占總原子數(shù)的百分比(%)

109020518040245080190099第一章緒論ab第一章緒論MDF(Macro-Defect-Free/無(wú)宏觀缺陷)水泥

Tf=(2Eσ/πc)1/2復(fù)合材料第一章緒論四、表界面研究得目得第一章緒論三、研究表面與界面得意義五、界面化學(xué)與物理得研究?jī)?nèi)容及研究趨勢(shì)1、

界面行為研究2、

界面與納米晶塊體研究3、

異相界面研究4、

界面科學(xué)基礎(chǔ)研究5、

界面分析與表征技術(shù)第一章緒論大家學(xué)習(xí)辛苦了，還是要堅(jiān)持繼續(xù)保持安靜

界面生命科學(xué)（生物膜及膜模擬化學(xué)）

能源科學(xué)（三次采油、煤的液化、化學(xué)電源）

材料科學(xué)（超細(xì)材料、材料的表面改性）

信息科學(xué)（LB膜，微電子器件）研究?jī)?nèi)容幾乎涉及所有學(xué)科:第一章緒論1、界面結(jié)構(gòu)研究2、界面反應(yīng)過(guò)程3、界面控制4、界面表征技術(shù)5、表面改性研究熱點(diǎn):第一章緒論1、胡褔增,《材料得表面與界面》,華東理工大學(xué)出版社2、崔國(guó)文,《表面與界面》,清華大學(xué)出版社3、李恒德,《材料表面與界面》,清華大學(xué)出版社4、朱履冰,《表面與界面物理》,天津大學(xué)出版社

參考資料第一章緒論第二章表面第二章表面2、1固體得表面結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)2、1、1固體得表面結(jié)構(gòu)一、晶體得表面結(jié)構(gòu)從物理學(xué)得角度,晶體得表面可以分為:理想表面清潔表面吸附表面第二章表面d理想表面第二章表面Pt(557)有序原子臺(tái)階表面示意圖清潔表面1、臺(tái)階表面[112][111][110](001)周期第二章表面2、弛豫表面

第二章表面d0d重構(gòu)表面示意圖

3、重構(gòu)表面

d0d0asa第二章表面表面能減少離子晶體表面得電子云變形和離子重排

表面離子受內(nèi)部離子作用電子云變形離子重排NaCl晶體第二章表面4、雙電層表面NaCl表面層中Na+向里;

Cl-向外移動(dòng)并形成雙電層

晶體內(nèi)部晶體表面0.281nm0.266nm0、020nm第二章表面三、吸附表面第二章表面

頂位吸附橋吸附填充吸附中心吸附二、粉體得表面結(jié)構(gòu)

無(wú)定形結(jié)構(gòu)微晶結(jié)構(gòu)第二章表面三、非晶體得表面結(jié)構(gòu)第二章表面2、1、2固體得表面特點(diǎn)一、固體表面得不均勻性第二章表面(一)從原子尺度上,實(shí)際固體表面并非光滑,就是凹凸不平得1、表面粗糙度得概念第二章表面

2、表面粗糙度得表征

通過(guò)零件得表面輪廓作一中線m

,將一定長(zhǎng)度得輪廓分成兩部分,使中線兩側(cè)輪廓線與中線之間所包含得面積相等,即

F1+F3+……+Fn-1=F2+F4+……+Fn

第二章表面

輪廓得平均算術(shù)偏差值Ra,就就是在一定測(cè)量長(zhǎng)度L范圍內(nèi),輪廓上各點(diǎn)至中線距離絕對(duì)值得平均算術(shù)偏差。用算式表示為:第二章表面Rz第二章表面3、表面粗糙度對(duì)材料性能得影響(二)絕大多數(shù)晶體就是各向異性,因而同一晶體可以有許多性能不同得表面。(三)同一種物質(zhì)制備和加工條件不同也會(huì)有不同得表面性質(zhì)。(四)晶格缺陷、空位或位錯(cuò)而造成表面不均勻。(五)在空氣中暴露,表面被外來(lái)物質(zhì)所污染,吸附外來(lái)原子可占據(jù)不同得表面位置,形成有序或無(wú)序排列,也引起表面不均勻(六)不論表面進(jìn)行多么嚴(yán)格得清潔處理,總有一些雜質(zhì)由體內(nèi)偏析到表面上來(lái),從而使固體表面組成與體內(nèi)不同,從而由于表面偏析造成表面得不均勻。第二章表面二、存在表面力場(chǎng)第二章表面(1)范得華力(分子引力)

就是固體表面產(chǎn)生物理吸附或氣體凝聚得原因。與液體內(nèi)壓、表面張力、蒸汽壓、蒸發(fā)熱等性質(zhì)有關(guān)。來(lái)源三方面:定向作用力FK(靜電力),發(fā)生于極性分子之間。誘導(dǎo)作用力FD

,發(fā)生于極性與非極性分子之間。分散作用力FL(色散力),發(fā)生于非極性分子之間。

F范＝FK＋FD＋FL

1/r7

(2)化學(xué)力:

本質(zhì)上就是靜電力第二章表面

液體:總就是力圖形成球形表面來(lái)降低系統(tǒng)得表面能。固體:使固體表面處于較高得能量狀態(tài)(因?yàn)楣腆w不能流動(dòng)),只能借助于離子極化、變形、重排并引起晶格畸變來(lái)降低表面能,其結(jié)果使固體表面層與內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在差異。表面力得作用:

第二章表面三、存在表面微裂紋

就是由于晶體缺陷或外力作用而產(chǎn)生。微裂紋同樣會(huì)強(qiáng)烈地影響表面性質(zhì),對(duì)于脆性材料得強(qiáng)度,這種影響尤為重要。

式中,R為斷裂強(qiáng)度,C為微裂紋長(zhǎng)度,E為彈性模量,α就是表面自由能。第二章表面2、2表面能和表面吸附2、2、1固體得表面能表面能得理論計(jì)算金屬晶體表面能共價(jià)晶體表面能

離子晶體得表面能

第二章表面第二章表面表面能得測(cè)量第二章表面Cu得晶體結(jié)構(gòu)1)固體得表面自由能中包含了彈性能。表面張力在數(shù)值上不等于表面自由能;2)固體得表面張力就是各向異性得。3)實(shí)際固體得表面絕大多數(shù)處于非平衡狀態(tài),決定固體表面形態(tài)得主要就是形成固體表面時(shí)得條件以及她所經(jīng)歷得歷史。4)固體得表面自由能和表面張力得測(cè)定非常困難。與液體相比:第二章表面2、2、2表面吸附一、固氣吸附(一)吸附得基本概念1、吸附:2、吸附劑與吸附質(zhì):3、吸附平衡S+GSGadsorptiondesorption第二章表面4、吸附量

或第二章表面5、吸附熱

吸附熱得定義:

吸附熱得取號(hào):第二章表面吸附熱得分類

(二)吸附等溫線常見(jiàn)得吸附等溫線有如下5種類型:(圖中p/ps稱為比壓,ps就是吸附質(zhì)在該溫度時(shí)得飽和蒸汽壓,p為吸附質(zhì)得壓力)

第二章表面qpT1T2T3(Ⅰ)在2、5nm以下微孔吸附劑上得吸附等溫線屬于這種類型。例如78K時(shí)N2在活性炭上得吸附及水和苯蒸汽在分子篩上得吸附。第二章表面(Ⅱ)常稱為S型等溫線。吸附劑孔徑大小不一,發(fā)生多分子層吸附。在比壓接近1時(shí),發(fā)生毛細(xì)管和孔凝現(xiàn)象。第二章表面(Ⅲ)這種類型較少見(jiàn)。當(dāng)吸附劑和吸附質(zhì)相互作用很弱時(shí)會(huì)出現(xiàn)這種等溫線,如352K時(shí),Br2在硅膠上得吸附。第二章表面(Ⅳ)多孔吸附劑發(fā)生多分子層吸附時(shí)會(huì)有這種等溫線。在比壓較高時(shí),有毛細(xì)凝聚現(xiàn)象。例如在323K時(shí),苯在氧化鐵凝膠上得吸附屬于這種類型。第二章表面(Ⅴ)發(fā)生多分子層吸附,有毛細(xì)凝聚現(xiàn)象。例如373K時(shí),水汽在活性炭上得吸附屬于這種類型。第二章表面(b)吸附等壓線(c)吸附等量線p1p2p3VTpTV1V2V3第二章表面物理吸附和化學(xué)吸附得比較

物理吸附化學(xué)吸附吸附力范德華力化學(xué)鍵力吸附熱較小(～液化熱)較大(－反應(yīng)熱)選擇性無(wú)選擇性有選擇性穩(wěn)定性不穩(wěn)定,易解吸(可逆)穩(wěn)定(不可逆)分子層單分子層或多分子層單分子層吸附速率較快,較慢、

受溫度影響小受溫度影響大吸附活化能不需需要,且很高吸附層結(jié)構(gòu)基本同吸附質(zhì)結(jié)構(gòu)形成新得化合態(tài)吸附溫度低溫高溫(三)吸附類型第二章表面化學(xué)吸附速率決定于以下幾個(gè)因素:(1)氣體分子對(duì)固體表面得碰撞頻率;(2)必須碰撞在表面上空著得活性點(diǎn)上;(3)吸附活化能第二章表面

例如:H2在金屬鎳表面發(fā)生物理吸附這時(shí)氫沒(méi)有解離,兩原子核間距等于Ni和H得原子半徑加上兩者得范德華半徑。放出得能量ea等于物理吸附熱Qp,這數(shù)值相當(dāng)于氫氣得液化熱。

在相互作用得位能曲線上,隨著H2分子向Ni表面靠近,相互作用位能下降。到達(dá)a點(diǎn),位能最低,這就是物理吸附得穩(wěn)定狀態(tài)。第二章表面

如果氫分子通過(guò)a點(diǎn)要進(jìn)一步靠近Ni表面,由于核間得排斥作用,使位能沿ac線升高。第二章表面

H2分子在Ni表面得吸附就是在物理吸附過(guò)程中,提供一點(diǎn)活化能,就可以轉(zhuǎn)變成化學(xué)吸附。

在相互作用得位能線上,H2分子獲得解離能DH-H,解離成H原子,處于c'得位置。H2在金屬鎳表面發(fā)生化學(xué)吸附

隨著H原子向Ni表面靠近,位能不斷下降,達(dá)到b點(diǎn),這就是化學(xué)吸附得穩(wěn)定狀態(tài)。第二章表面

Ni和H之間得距離等于兩者得原子半徑之和。

能量gb就是放出得化學(xué)吸附熱Qc,這相當(dāng)于兩者之間形成化學(xué)鍵得鍵能。

隨著H原子進(jìn)一步向Ni表面靠近,由于核間斥力,位能沿bc線迅速上升。第二章表面

H2分子從P’到達(dá)a點(diǎn)就是物理吸附,放出物理吸附熱Qp,這時(shí)提供活化能Ea,使氫分子到達(dá)P點(diǎn),就解離為氫原子,接下來(lái)發(fā)生化學(xué)吸附。

這活化能Ea遠(yuǎn)小于H2分子得解離能,這就就是Ni為什么就是一個(gè)好得加氫脫氫催化劑得原因。第二章表面

脫氫作用沿化學(xué)吸附得逆過(guò)程進(jìn)行,所提供得活化能等于Qc+Ea,使穩(wěn)定吸附得氫原子越過(guò)這個(gè)能量達(dá)到P點(diǎn),然后變成H2分子沿PaP’線離開(kāi)表面。離子交換吸附(四)影響吸附得因素

主要有內(nèi)因和外因兩個(gè)方面:

(1)內(nèi)因因素

吸附劑得性質(zhì):種類;比表面積;表面能;表面化學(xué)特性;孔隙尺寸等

吸附質(zhì)得性質(zhì):溶解度;極性;分子量;溶質(zhì)濃度;空間結(jié)構(gòu)等

(2)外因因素

環(huán)境條件:pH值;溫度;共存物質(zhì);壓力;協(xié)同作用

第二章表面(五)吸附方程

1、單分子層吸附與Langmuir(朗繆爾)方程

(1916)

前提假設(shè):吸附就是單分子層得,即一個(gè)吸附位置只吸附一個(gè)分子;被吸附分子之間沒(méi)有相互作用力;吸附劑表面就是均勻得。

第二章表面G+SSGkakdka,kd:分別為吸附和解吸(脫附)過(guò)程得速率系數(shù)吸附速率:p:被吸附氣體得壓力θ:表面覆蓋率(fractionofthesurfacecovered)1-θ:表面空白率(fractionofthesurfacevacancy)脫附速率:第二章表面或Langmuir吸附等溫式表示為:a=ka/kd:吸附系數(shù)(adsorptioncoefficient)(吸附平衡常數(shù))第二章表面當(dāng)壓力適中,θ

∝pm,m介于0與1之間。第二章表面討論:(a)等溫:

低壓,ap＜＜1,θ＝ap,V∝p

高壓,ap＞＞1,θ＝1,V=VmaxVpVmaxVmax:飽和吸附量

(即固體表面全部鋪滿一層氣體分子時(shí)得吸量)

Vm就是一個(gè)重要參數(shù)。從吸附質(zhì)分子截面積Am,可計(jì)算吸附劑得總表面積S和比表面A。第二章表面(b)方程式可改寫為:以p/V對(duì)p作圖,可求Vmax

和a、pp/V第二章表面

(c)一個(gè)吸附質(zhì)分子吸附時(shí)解離成兩個(gè)粒子得吸附達(dá)到吸附平衡時(shí):則Langmuir吸附等溫式可以表示為:第二章表面(d)多組分吸附當(dāng)A和B兩種粒子都被吸附時(shí),A和B分子得吸附與解吸速率分別為:達(dá)吸附平衡時(shí)，ra=rd第二章表面兩式聯(lián)立解得θA,θB分別為:對(duì)i種氣體混合吸附得Langmuir吸附公式為:第二章表面1、假設(shè)吸附就是單分子層得,與事實(shí)不符。2、假設(shè)表面就是均勻得,其實(shí)大部分表面就是不均勻得。3、在覆蓋度θ

較大時(shí),Langmuir吸附等溫式不適用。Langmuir吸附等溫式得缺點(diǎn):第二章表面2、多分子層吸附與BET(Brunauer-Emmett-Teller)方程(1938)前提假設(shè):吸附劑表面上可擴(kuò)展到多分子層吸附;被吸附組分之間無(wú)相互作用力,而吸附層之間得分子力為范德華力;吸附劑表面均勻;第一層得吸附熱為物理吸附熱,第二層以上為液化熱;總吸附量為各層吸附量得總和;每一層都符合Langmuir公式

第二章表面Vm:單分子層吸附時(shí)得飽和吸附量c與吸附熱有關(guān)得常數(shù)ps:在吸附溫度下得飽和蒸汽壓第二章表面為了使用方便,將二常數(shù)(c,Vm)公式改寫為:用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 對(duì) 作圖,得一條直線。從直線得斜率和截距可計(jì)算兩個(gè)常數(shù)值c和Vm,從Vm可以計(jì)算吸附劑得比表面:Am就是吸附質(zhì)分子得截面積,要換算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(STP)。第二章表面

如果吸附層不就是無(wú)限得,而就是有一定得限制,例如在吸附劑孔道內(nèi),至多只能吸附n層,則BET公式修正為三常數(shù)公式:

若n=1,為單分子層吸附,上式可以簡(jiǎn)化為L(zhǎng)angmuir公式。

若n=∞,(p/ps)∞→0,上式可轉(zhuǎn)化為二常數(shù)公式。第二章表面例:對(duì)于微球硅酸鋁催化劑,在77、2K時(shí)以N2為吸附質(zhì),測(cè)得吸附量與氮?dú)馄胶鈮毫Φ脭?shù)據(jù)如下:

已知77、2K時(shí)氮?dú)獾蔑柡驼魵鈮簽?9125Pa,N2分子得截面積為16、2×10-20m2,試用BET公式計(jì)算該催化劑得比表面。第二章表面二、固液吸附

固體自溶液中得吸附在實(shí)際工作中甚為重要。用活性炭脫色、用離子交換法吸附電解質(zhì)等,都涉及固體自溶液中得吸附現(xiàn)象。溶液吸附多數(shù)屬物理吸附。溶液中溶劑與溶質(zhì)在固體表面吸附得難易取決于她們和表面作用力得強(qiáng)弱。一般來(lái)說(shuō),和固體表面性質(zhì)相近得組分易被吸附。例如,炭自乙醇和苯得混合液中吸附時(shí)苯易被吸附;若用硅膠,顯然乙醇易被吸附。

第二章表面1、固液吸附得本質(zhì)和特點(diǎn)本質(zhì)就是由于固體表面分子對(duì)液體分子得作用力大于液體分子間得作用力而引起得。液體分子在此力得作用下,向固體表面富集,同時(shí)降低表面張力。特點(diǎn)分子間作用力比氣相大;相互作用力較復(fù)雜;雜質(zhì)將影響吸附結(jié)果;吸附平衡比氣相慢;以物理吸附居多;第二章表面2、自濃溶液中得吸附

設(shè)溶液由1和2兩種相互混溶得液體組成。其組成可從純得1變?yōu)榧兊?,即任何一種組分得組成變化范圍均為0→1,濃度用x表示。1)復(fù)合吸附等溫線吸附前n0=n10+n20吸附平衡n10=n1b+mn1s

n20=n2b+mn2s

以x1和x2表示溶液體相中1、2組分得摩爾分?jǐn)?shù)

第二章表面n01

n20n1bn2bn1sn2s第二章表面第二章表面可得吸附等溫線（U型、S型、直線型）為正吸附為負(fù)吸附無(wú)吸附對(duì)作圖水軟鋁石自苯環(huán)己烷中吸附苯(a)和本炭自氯仿—四氯化碳中吸附氯仿(b)得復(fù)合吸附等溫線(20℃)第二章表面第二章表面活性炭自甲醇－苯中吸附甲醇和自乙醇—苯中吸附乙醇得復(fù)合吸附等溫線第二章表面5A分子篩自苯—正己烷中吸附得表面過(guò)剩等溫線2)單個(gè)吸附等溫線復(fù)合等溫線就是溶液中各組分吸附等溫線得綜合結(jié)果。由于一個(gè)方程中有n1s

和n2s

兩個(gè)變量,因此,無(wú)法同時(shí)從復(fù)合等溫線求得n1s

和n2s

。

a)從混合蒸汽中吸附第二章表面b)從純蒸氣吸附

S=n1sS1+n2sS2第二章表面第二章表面3、自稀溶液中得吸附

第二章表面Langmuir吸附等溫式

4、自電解質(zhì)溶液中得吸附

1)、離子吸附與電雙層第二章表面

用AgNO3

稀溶液和KI溶液制備AgI溶膠時(shí),其膠團(tuán)結(jié)構(gòu)式可以表示為:：

2)膠團(tuán)結(jié)構(gòu)第二章表面第二章表面3)電解質(zhì)離子在固液界面上得吸附在一定條件下,電解質(zhì)可以分子狀態(tài)在固液界面上吸附,但大多數(shù)情況就是以離子形式被吸附,電解質(zhì)得吸附主要有兩種形式。(a)Stern層吸附——靜電吸附可用Langmuir吸附等溫式描述

(b)離子交換吸附

M1+RM2M2+RM1第二章表面5、自大分子溶液中得吸附

大分子化合物在固液界面得吸附在分散體系得穩(wěn)定和聚凝作用中有廣泛得應(yīng)用。特點(diǎn):①大分子在固液界面上可有多種構(gòu)型,故吸附平衡慢。②分子量大,形狀可變,可發(fā)生多點(diǎn)吸附,且脫附慢。(1)、吸附等溫式ν為大分子化合物得鏈節(jié)數(shù),C為平衡濃度,θ為覆蓋度,K為常數(shù)(2)、影響吸附得因素

1)吸附速度由于大分子分子量大,擴(kuò)散慢,且吸附時(shí)常伴隨著分子構(gòu)型得變化,故其吸附速度慢,這就給討論大分子吸附帶來(lái)困難。第二章表面2)分子量得影響對(duì)孔性固體,分子量增加,吸附量減少。對(duì)大孔或非孔固體飽和吸附量Γs與分子量有如下關(guān)系:Γs=K·MαK為常數(shù),α為0～1,當(dāng)大分子只有1個(gè)吸附點(diǎn)時(shí)α=1,大分子完全平躺時(shí)α=0,其她在0和1之間。α=1,Γs=KM,Γs與M成正比;α=0,Γs與M無(wú)關(guān),Γs=K。3)溶劑得影響在良溶劑中,大分子較伸展,吸附量減少。與固體表面性質(zhì)相近得溶劑產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)吸附,吸附量減少。第二章表面4)溫度得影響存在著溫度升高使吸附量下降和溫度升高使吸附量升高兩種情況。第二種情況可認(rèn)為吸附就是吸熱過(guò)程△H>o,但△G<0,故△S必大于零,這可認(rèn)為大分子得吸附頂替了固體表面上得溶劑分子,在發(fā)生多點(diǎn)吸附時(shí)常出現(xiàn)這種情況。5)吸附劑性質(zhì)得影響主要就是表面得化學(xué)性質(zhì)、比表面和孔性得影響。如弱氧化得炭黑比強(qiáng)氧化得炭黑可易吸附非極性大分子,當(dāng)表面化學(xué)性質(zhì)相同時(shí),表面積增加,吸附量增加。同樣得孔徑,低分子量大分子易被吸附,而高分子量大分子則較難。第二章表面6、固體在溶波中吸附得規(guī)律性固體自溶液中吸附涉及吸附劑、溶質(zhì)和溶劑之間得相互作用,關(guān)系較為復(fù)雜。原則上說(shuō),降低固～液界面自由能愈多得組分易被吸附。具體地說(shuō),可總結(jié)出如下數(shù)條定性規(guī)律:固體對(duì)溶質(zhì)或溶劑得吸附。一般都有一定得選擇性,其表現(xiàn)為:(a、選擇吸附與固體類似得溶質(zhì)(晶體擴(kuò)充)

b、選擇易在固體表面生成難溶化合物得離子)。

(1)能使固體表面自由能降低得多得物質(zhì)較易被吸附。(2)與固體有相同性質(zhì)或與固體晶格大小適當(dāng)?shù)秒x子較易被吸附。極性得吸附劑易于吸附極性得溶質(zhì)而非極性得吸附劑易于吸附非極性得溶質(zhì)。第二章表面(3)無(wú)機(jī)鹽得影響當(dāng)有強(qiáng)電解質(zhì)存在時(shí)可使吸附量發(fā)生變化,一般規(guī)律就是:無(wú)機(jī)鹽得存在可使有機(jī)物水溶液中溶質(zhì)得吸附量增加。這就是因?yàn)闊o(wú)機(jī)鹽強(qiáng)烈得水合作用減少水得有效濃度,因此有機(jī)物得溶解度減少。另一種說(shuō)法就是無(wú)機(jī)鹽與水得相互作用減少了有機(jī)物與水形成氫鍵得機(jī)會(huì),從而降低其溶解度。若有機(jī)物含有分子內(nèi)氫鍵,則其溶解度