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 緒論表界面科學研究的重要性表界面科學發展歷程表界面的基本概念表界面的定義表界面是由一個相過渡到另一個相的過渡區域。若其中一相為氣體，這種界面通常稱為表面 (surface)。表界面區的結構、能量、組成等都呈現連續的梯度變化。定義：三維規整點陣到體外空間之間的過渡區域。厚度隨材料種類而異，從一個到多個原子層不等。在過渡區域，周期點陣遭到嚴重擾動，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純表面，即不存在吸附、催化反應或雜質擴散等物理化學效應的表面。表面上會發生

2、與體內結構和成分不同的變化。馳豫：點陣常數變化，非平衡態；重構：原子重排，不同于本體內的晶面；臺階化：有規律的非完全平面結構；偏析：溶液或溶質在相界、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。結構變化化學組成變化ds內部表面d0指表面層之間以及表面和體內原子層之間的垂直間距ds和體內原子層間距d0相比有所膨脹和壓縮的現象。可能涉及幾個原子層。d0內部表面d0指表面原子層在水平方向上的周期性不同于體內，但在垂直方向上的層間間距d0與體內相同。表面不是平面，由規則或不規則臺階組成。表面結構變化弛豫重構臺階化指溶液或溶質在相界、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 表界面的兩個最基本性能：表界面四大基本定律之中的三個。表面張力和表面自由能由于分子在體相內部與界面上所處的力場環境是不同的，產生了凈吸力。而凈吸力會在界面各處產生一種張力。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增加單位面積時所需做的可逆功，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：表面張力產生的根本原因：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，表面張力就在這個平面上。 如果液面是曲面，表面張力就在這個曲面的切面上，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的本性和所接觸相的性質有關。液體或者固體中的分子間的相互作用力或化學鍵力越大，表面張力越大。Hg NaCl H2O 苯金屬鍵離子鍵極性共價鍵及氫鍵非極性共價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，表面張力就會下降。當溫度升高到臨界溫度時，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，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：物理概念、意義不同：表面張力（通常）指純物質的表面層分子間實際存在著的（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： 既可表示表面自由能又可表示表面張力，兩者量綱相同，數值相等： 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。所有的點產生的合力和為 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，P為負，附加壓力指向空氣。1. Laplace方程涉及的

7、計算：知道內外壓差，液體表面張力，計算液珠直徑。1. Laplace方程1. Laplace方程的應用液體表面張力測定毛細管法最大氣泡壓力法滴重法吊環法吊板法1. Laplace方程的應用毛細管現象浸潤液體在細管里升高的現象和不浸潤液體在細管里降低的現象,叫做毛細現象.能夠產生明顯毛細現象的管叫做毛細管. 毛細管法由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應等于毛細管內液柱的靜壓強，即hrr 毛細管法1. Laplace方程的應用 毛細管法hrr涉及到的計算：知道毛細管液面高度，求表面張力。1. Laplace方程的應用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算時特別注意：液滴：凸面，r0。氣泡：凹面，r0, PrP0凸液面使得蒸氣壓增大，因此液滴極難產生和存在。當蒸汽中有灰塵存在或容器的內表面粗糙時，這些物質可以作為蒸汽的凝結中心，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。2. Kelvin公式1. 過飽和蒸汽2. Kelvin公式 當空氣中的水蒸氣凝結時，首先形成非常小的液核，在液核存在的基礎上繼而長大形成大的液滴，從而發生水蒸氣的凝結。根據kelvin公式： 對于初始形成的液核，半徑非常小，其對

9、應的飽和蒸汽壓遠遠大于平液面水的飽和蒸汽壓，所以液核很難形成，從而發生了空氣中水蒸氣過飽和現象。 若在空中存在凝結中心， 比如灰塵， 會使水滴初始凝結曲率半徑變大， 當相應的飽和蒸氣壓小于高空中有的水蒸氣壓力時， 蒸氣會凝結成水。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) 以達到人工增雨的目的。2. 過熱液體 按照相平衡條件應當沸騰而不沸騰的液體。液體氣泡凹液面r0,Pr0，是正吸附，此時表面層中溶質濃度高于本體溶液，表面活性物質就屬于此種情況。2）0，是負吸附，此時表面層中溶質濃度低于本體濃度，非表面活性物質就屬于此種情況。第三章 固體表面物理吸

10、附化學吸附吸附力范德華力化學鍵力吸附熱較小，近于液化熱較大，近于化學反應熱選擇性無選擇性有選擇性吸附穩定性不穩定，易解吸比較穩定，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.物理吸附與化學吸附的比較：2.Langmuir吸附理論的基本假設是：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，達到動態平衡。3.Langmuir吸附等溫式的表達式：其中b為吸附系數，b的大小代表了固體表面吸附氣體的強弱程度。 Langmuir吸附等溫式適用于單分子層化學吸附。4.F

11、reundlish吸附等溫式的表達式：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態平衡。1. 表面發生變化時，Gibbs自由能的變化以及環境所做的 功。G=GsA2. 與Kelvin公式相關的計算。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kelvin公式：當空氣中的水蒸氣凝結時，首先形成非常小的液

12、核，在液核存在的基礎上繼而長大形成大的液滴，從而發生水蒸氣的凝結。對于初始形成的液核，半徑非常小，其對應的飽和蒸汽壓遠遠大于平液面水的飽和蒸汽壓，所以液核很難形成，從而發生了空氣中水蒸氣過飽和現象。解： ln = 0.1078pp0=1.114p-p0p0=11.4%7. 水蒸氣迅速冷凝到25時會發生過飽和現象。已知25下水的表面張力為71.49 mN/m，當過飽和水蒸氣壓為水的平衡蒸汽壓的4倍時，試計算：（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水分子。8. 已知17時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，計算當顆粒直徑為0.01m時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公式相關的計算。 4：用活性炭吸附CHCl3，符合Langmuir吸附等溫式，在0 時的飽和吸附量為93.8 dm3*kg-1。已知CHCl3的分壓為13.4kPa時的平衡吸附量為82.5 dm3*kg-1 。試計算CHCl3的分壓為為6.67kPa時的平衡吸附量。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時測得CO 在活性炭上的吸附數據如下：p，單位cmHg; a（每克活性炭吸附CO的體積，單位cm3 ，已換算成標準狀況） 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，并計算公式中個常數的值（76 cmHg=1.01105Pa）a（1）將朗繆爾吸附等溫式寫作： 以 p/ V 對 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（2）將Freundlish吸附等溫式寫作： 以 Lg V 對 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