材料表界面复习资料
复习材料--表界面资料
第四章 固-液界面 固气 固液 液气cos
4.1 Young方程和接触角
4.2 接触角的测定方法
4.3 接触角的滞后现象
接触角与润 湿性的关系 • 润湿过程的三种类型； • 为什么铺展是润湿的最 高形式；
黏附润湿： Wa = σ固气- σ 固液 + σ液气 浸湿： A = σ固气- σ 固液
台阶化
表面不是平面， 由规则或不规则 台阶组成。
表面
ds
表面
d0
表面
d0
内部
内部
d0
化学组成变化
偏析
指溶液或溶质在相界、 晶界或缺陷上的聚集。
吸附
气相原子或分子在气 －固界面上的聚集。
表面吸附
吸附现象
吸附——气相中的原子 或分子聚集到气-固或液固界面上，而又不生成 稳定的凝固相； 发生在表面。
① 聚合物基复合材料增强体类型，会举例； ② 常用的三种树脂基体
第七章 复合材料的界面
7.3
玻璃纤维增强塑料界面
偶联剂
(1) 有机硅烷类偶联剂：结构通式；作用机理； (2) 有机铬偶联剂； (3) 钛酸酯偶联剂。
用偶联
7.4 先进复合材料的界面 7.5 复合材料界面理论 7.6 复合材料界面性能表征
2. Kelvin公式 3. Gibbs 吸附等温式
P 2V 2M RT ln( ) P0 R r
c 1 1 2 2 c ln c RT 2 RT 2 T T
第三章
• • •
固体表面
3.1 固体的表面特性
偏析——指溶液或固溶 体溶质在相界、晶界或 缺陷上的聚集；
材料表面与界面知识复习资料题库
1.液体原子结构的主要特征。
（1 ）液体结构中近邻原子数一般为5~11个（呈统计分布），平均为6个，与固态晶体密排结构的12个最近邻原子数相比差别很大；（2 ）在液体原子的自由密堆结构中存在五种间隙，四面体间隙占了主要地位。
（3 ）液体原子结构在几个原子直径范围内是短程有序的，而长程是无序的。
2.液体表面能的产生原因。
液体表面层的分子，一方面受到液体内层的邻近分子的吸引，另一方面受到液面外部气体分子的吸引，而且前者的作用要比后者大。
因此在液体表面层中，每个分子都受到一个垂直于液面并指向液体内部的不平衡力。
这种吸引力使表面上的分子趋向于挤入液体内部，促成液体的最小表面积。
要使液体的表面积增大就必须要反抗液体内部分子的吸引力而做功，从而增加分子的位能，这种位能就是液体的表面能。
3.液体表面张力的概念和影响因素。
液体表面层的原子或分子受到内部原子或分子的吸引，趋向于挤入液体内部，使液体表面积缩小，因此在液体表面的切线方向始终存在一种使液体表面积缩小的力，其合力指向液体内部的作用力，这种力称为液体表面张力。
液体的表面张力大小受很多因素的影响。
如果不考虑液体内部其它组元向液体表面的偏聚和液体外部组元在液体表面的吸附，液体表面张力大小主要受物质本身结构、所接触的介质和温度的影响。
（1）液体的表面张力来源于液体内部原子或分子间的吸引力，因此液体内部原子或分子间的结合能的大小直接影响到液体的表面张力的大小。
一般来说，液体中原子或分子间的结合能越大，表面张力越大。
具有金属键原子结合的物质的表面张力最大；其次由大到小依次为：离子键结合的物质、极性共价键结合的物质、非极性共价键结合的物质。
（2）液体的表面张力的产生是由于处于表面层的原子或分子一方面受到液体内部原子或分子的吸引，另一方面受到液体外部原子或分子的吸引。
当液体处在不同介质环境时，液体表面的原子或分子与不同物质接触所受的作用力不同，因此导致液体表面张力的不同。
材料表界面
一、答：表、界面是指由一个相到另一相的过渡区域，通常把凝固相和气相之间的分界面称为表面，把凝固相之间的分界面称为界面。
分为两大类：物理表面和材料表面。
物理表面又分为：理想表面、清洁表面、吸附表面；材料表面有如下几类：机械作用界面、化学作用界面、固态结合界面、液相或气相沉积界面、凝固共生界面、粉末冶金界面、粘结界面、熔焊界面等。
在国民经济建设各领域，表、界面科学亦显示出愈来愈重要的作用。
主要应用在食品、土壤化学、造纸、涂料、橡胶、建材、冶金、能源、电子工业和航天技术等领域。
二、答：溶质的浓度对溶剂表面张力的影响有三种类型，第一类物质的加入会使溶剂的表面张力略为升高，属于此类物质有强电解质（如无机盐、酸、碱）；第二类物质的加入会使溶剂的表面张力逐渐降低（如低碳醇、羧酸等有机物）；第三类物质少量加入就会使溶剂表面张力急剧下降，但到一定浓度后，表面张力变化很缓慢或几乎不下降，趋于一个稳定值。
我们把能使溶剂（通常为水）表面张力降低的物质称为具有表面活性的物质，如第二类和第三类物质都能使溶剂表面张力降低，它们都具有表面活性。
表面活性剂的种类很多，按亲水基类型分类是表面活性剂分类的主要方法，表面活性剂溶于水能电离生成离子的叫做离子型表面活性剂；不能电离的叫非离子型表面活性剂。
离子型表面活性剂按生成离子的性质可分成阴离子、阳离子和两性表面活性剂。
按相对分子质量分类：低分子表面活性剂，相对分子质量200-1000；中分子表面活性剂，相对分子质量1000-10000；高分子表面活性剂，相对分子质量10000以上。
按工业用途分类:表面活性剂可分为渗透剂、润湿剂、乳化剂、分散剂、起泡剂、消泡剂、净洗剂、杀菌剂、匀染剂、缓染剂、柔软剂、平滑剂、抗静电剂防锈剂等。
有的表面活性剂可同时具有几种功能。
三、答：陶瓷材料为无机非金属粉末晶体在一定条件下形成的多晶聚集体。
表面结构:由于表面处原子周期性排列突然中断，形成了附加表面能，表面原子的排列与内部有明显的差别。
材料表界面知识点总结
第九章玻璃表界面4 玻璃的表面反应玻璃成型后一段时间就容易被周围环境介质所侵蚀，侵蚀情况主要取决于玻璃的本质（组成）和介质的种类。
4.1 水对玻璃的侵蚀开始于水中的H+和玻璃中的Na+进行离子交换：离子交换反应停止的真正原因：•Na+含量的降低；R n+（n>1)抑制效应4.2酸对玻璃的侵蚀除氢氟酸外，一般酸并不直接与玻璃起反应，而是通过水的作用侵蚀玻璃。
浓酸对玻璃的侵蚀能力低于稀酸。
酸对玻璃的作用与水对玻璃作用又有所不同。
高碱玻璃的耐酸性小于耐水性，高硅玻璃的耐酸性大于耐水性。
4.3 碱对玻璃的侵蚀硅酸盐玻璃一般不耐碱。
碱对玻璃的侵蚀是通过OH-破坏硅氧骨架（≡Si-O-Si ≡），使Si-O键断裂，SiO2溶解在碱液中。
碱的大量存在使得中和反应能够不断进行，所以，侵蚀不是形成硅酸凝胶薄膜，而是玻璃表面层不断脱落。
碱对玻璃的侵蚀程度与下列因素有关：侵蚀时间OH-离子的浓度阳离子的种类侵蚀后玻璃表面的硅酸盐在碱溶液中的溶解度玻璃受碱侵蚀分为以下三个阶段：⏹第一阶段，碱溶液中的阳离子首先吸附在玻璃表面；⏹第二阶段，阳离子束缚周围的OH-离子，OH-离子攻击玻璃表面的硅氧键。
⏹第三阶段，硅氧骨架破坏后变成硅酸离子，和吸附在玻璃表面的阳离子形成硅酸盐，并逐渐溶解在碱溶液中。
碱性溶液对玻璃的侵蚀机理与水或酸不同⏹水或酸（包括中性盐或酸性盐）对玻璃的侵蚀只是改变、破坏或溶解（沥滤）玻璃结构组成中R2O、RO等网络外体物质。
⏹碱性溶液不仅对网络外体氧化物起作用，而且也对玻璃结构中的硅氧骨架起溶蚀作用。
大气对玻璃的侵蚀先是以离子交换为主的释碱过程后逐步过渡到以破坏网络为主的溶蚀过程。
4.4 影响玻璃表面反应性的因素1) 化学组成的影响硅酸盐玻璃的耐水性和耐酸性主要取决于硅氧和碱金属氧化物的含量。
玻璃中同时存在两种碱金属氧化物时，由于“混合碱效应”使玻璃的化学稳定性出现极值。
2) 热处理的影响一般来说，退火玻璃比淬火玻璃化学稳定性高。
材料表界面-第二章
W
4
r12
(
r1 r2
1)
4.85101 Jm2 4 3.1416 (103 m)2 (105 1)
6.09101 J
2.2 表面张力的热力学定义
• 热力学第一定律告诉我们可逆条件下生 成单位表面时内能的变化:
dU=dQR dWR (2 5)
• 系统功包括膨胀功和表面功:
dWR pdV σdA
P4 r dr 8 r dr 外部压强的两倍，求水珠2 的半径。设大气压
强P0=1.013×105Pa，20℃时水的表面张力系 数α=72.8×10-3N/m
p 2 / r (2-15)
解：水珠内外压强差：
2
P内 P外 2P0 P0 P0 R
指向液体内部，r越小，△P越大；
（2）平液面，r趋向无穷大，△P为零，跨越平液面不存在
压力差； （3）凹液面，r为负，△P为负，附加压力指向空气。
2.3 Laplace方程
2.3.2 任意曲面
如果将该曲面由ABCD向外 推移一个小小的距离dz 成 A’B’C’D’,其面积变化为：
dA (x dx)(y dy) xy xdy ydx
H A
S , P
F A
V
,T
G A
P,T
(2 10)
• 由于经常在恒温、恒压下研究表面性
能，故常用下式表示：
σ=
G A
P,T
(2 11)
• 广义表面自由能的定义：保 持相应的特征变量不变，每 增加单位表面积时，相应热
力学函数的增值。
2.2 表面张力的热力学定义
狭义的表面自由能(surface free energy)定义：
(G / A) p,T ,nB
材料表面与界面考试必备
材料表面与界面考试必备一、名词解释1.表界面：由一个相过渡到另一相的过渡区域。
2.表面：习惯上把固－气、液－气的过渡区域称为表面。
界面：把固－液、液－液、固－固的过渡区域称为界面。
物体与物体之间的接触面。
界面－两种物质（同种或不同种）之间的接触面、连接层和分界层。
3.理想表面：理论上结构完整的二维点阵平面。
4.清洁表面：不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理-化学效应的表面。
（表面的化学组成与体内相同，但结构可以不同于体内）5.驰XX表面：指表面层之间以及表面和体内原子层之间的垂直间距d s和体内原子层间距d0相比有所膨胀和压缩的现象。
6.驰XX：表面区原子（或离子）间的距离偏离体内的晶格常数，而晶胞结构基本不变，这种情况称为弛XX。
7.重构表面：指表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内，但在垂直方向上的层间间距d0与体内相同。
8.XX阶表面：表面不是平面，由规则或不规则XX阶组成。
9.表面偏析：杂质由体内偏析到表面，使多组分材料体系的表面组成与体内不同。
10.吸附表面：在清洁表面上有来自体内扩散到表面的杂质和来自表面周围空间吸附在表面上的质点所构成的表面。
11.平移界面：在结构相同的晶体中，一部分相对于另一部分平滑移动一个位移矢量。
其间的界面称为平移界面。
12.反演界面：当晶体结构由中心对称向非中心对称转变时，由反演操作联系起来的两个畴之间形成反演界面IB。
13.表面能:可以理解为系统增加单位面积时所需做的可逆功，单位是J/m2。
14.表面张力:是单位长度上的作用力，单位是N/m。
15.晶界：同质材料形成的固体/固体界面为晶界。
16.相界：异质材料形成的固体/固体界面为相界。
二、简答、简述1、表界面通常可以分为哪5类？固－气；液－气；固－液；液－液；固－固。
2、获得理想表面的理论前提？（1）、不考虑晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响；（2）、不考虑表面原子的热运动、热扩散、热缺陷等；（3）、不考虑外界对表面的物理-化学作用等；（4）、认为体内原子的位置与结构是无限周期性的，则表面原子的位置与结构是半无限的，与体内完全一样。
材料表界面-第三章
本章小结
了解：
1. 固体的表面特征 2. 固体表面的自由能 3. Freundlish吸附等温式 4. BET多分子层吸附理论
重点掌握并熟练运用： Langmuir吸附等温式
作业
课后习题： 4，6
你有体会过时间像流水一样流失么？ 那就好好珍惜时间…… 在有限的时间做出更多有价值的事情啊……
当表面复盖率不是很低时，被吸附分子间的相互作用不可忽视； 实际上，固体表面并不均匀，吸附热随覆盖率 而变，该公式与 实验发生偏差。此外，对多分子层吸附也不适用。
3.3.3 吸附经验式----弗罗因德利希式
1
1 适用于物理吸附和化学吸附，
V kpn kpn 也可用于溶液吸附。
式中 k 和 n 为经验常数; n 一般介于 1 ~ 10之间. 该经验式只适用 于中压范围的吸附.
V1= V2 即 k1 P (1-θ) =k2θ
k1 p
k2 k1 p
令
b k1 k2
3.3.2 Langmuir吸附等温式
3. Langmuir吸附等温式
= bp
(3-10)
1+bp b为吸附系数
（1）低压或吸附很弱时，bp《1， 则θ=bp，即θ与p成直线关系，符 合Herry定律；
A1dGs + Gs dA1=τ1 dA1 A2 dGs + Gs dA2=τ2 dA2 即：τ1= Gs + A1（dGs/ dA1）
τ2= Gs + A2（dGs/ dA2）
• 对于各向同性固体τ1=τ2，则：
=
d(AGs
)
GS
dG s A(
)
dA
dA
材料表界面知识点汇总
材料表界面知识点汇总1.表，界面是指一个相到另一个相的过渡区域。
2.表界面可以分为一下五类：固-气，液-气，固-液,液-液，固—固。
3.把凝聚相和气相之间（固—气，液—气）的分界面称为表面；把凝聚相之间（固—液，液—液，，固-固）的分界面称为界面。
4.理想表面的定义:指除了假设确定的一套边界条件外，系统不发生任何变化的表面。
特点:表面的原子位置和电子密度都和在体内一样，且在实际生活中理想表面是不可能存在的。
5.清洁表面的定义：指不存在任何污染的化学纯表面，即不存在吸附,催化反应或杂质扩散等一系列物理，化学效应的表面。
特点：可以发生多种与体内不同的结构和成分变化。
6.吸附表面的定义:吸附有外来原子的表面称之为吸附表面。
特点：吸附原子可以形成无序的或有序的覆盖层.7.材料表面的分类：机械作用界面,化学作用界面，固态结合界面,液相或气相沉积界面，凝固共生界面，粉末冶金界面，粘接界面，熔焊界面。
8.表面张力的定义：在液体表面膜中,存在着使液体表面积缩小的张力，这种张力称为表面张力.9.吸附是组分在热力学体系的各相中偏离热力学平衡组成的非均匀分布现象。
通常将被吸附的分子成为吸附质，固体则称为吸附剂.10.吸附类型分为物理吸附和化学吸附。
11.表面张力计算公式：12.表面张力产生的根本原因是分子间相互作用力的不平衡引起的。
13.表面张力本质上是由分子间相互作用力,即范德瓦尔斯力，单位为:J/m2place方程：附加压力的方向总是指向曲率中心一边，且与曲率大小有关。
place方程：球面：与曲率半径成反比任意曲面：;对于平液面,两个曲率半径都为无限大，p=0，表示跨过平液面不存在压差。
16.当毛细管浸在液体中，若液体能浸润管壁,则会发生毛细上升现象，液面呈凹月形.反之，若液体不能浸润管壁，则液面下降呈凸液面. 17.Kelvin公式: po为T温度下，平液面的蒸汽压；P为T温度下,弯液面的蒸汽压；V为液体摩尔体积;r为弯液面的曲率半径。
材料表界面_复习课
2 ls M RT ln C0 r C
温度一定时，晶体颗粒越小，则 1/r 越大，溶解度也越大。 所以当溶液在恒温下浓缩时，溶质的浓度逐渐增大，达到普通晶体 的饱和浓度时，对微小晶体却仍未达到饱和状态，因而不可能析出 微小晶体，从而形成过饱和溶液。若要自动生成微小晶体，还需进 一步蒸发，达到一定的过饱和程度时，小晶体才可能不断析出。
材料表界面的基本性能
表面张力
影响表面张力的因素： 2. 温度的影响 随温度升高，分子间的距离增大，分子间的相互作用力 减弱，表面张力就会下降。当温度升高到临界温度时， 液体与气体的界面消失，表面张力趋于零。
材料表界面的基本性能
表面张力
第六章 高分子材料的表面张力 1 2 3 4 5 6 7 表面张力与温度的关系 表面形态对表面张力的影响 表面张力与相对分子质量的关系 表面张力与分子结构的关系 表面张力与内聚能密度 共聚和共混对表面张力的影响 固体聚合物表面张力的测定方法
材料表界面的四大定理？
1. Laplace方程
2. Kelvin公式 3. Gibbs 吸附等温式 4. Young方程
1. Laplace方程
弯曲表面上的附加压力 A B ps A B
ps
由于液面是弯曲的，沿AB的周界上的表面张力不能抵 消，作用于边界的力有一指向曲率中心的合力。所有 的点产生的合力和为 Ps ，称为附加压力。
HLB 亲水基部分分子量 100 亲水基分子量 100 表面活性剂分子量 5 疏水基分子量 亲水基分子量 5
（2）其他类型表面活性剂HLB值的计算
HLB H L 7
（3）混合表面活性剂HLB值的计算
(2-4)
mA HLBA mB HLBB HLB mA mB
材料表界面-第四章
如图所示，在平衡状态下有： SLrdS＋ LGdS cosqW SGrdS 0
cosq W
r( SG SL ) LG
r cosq y
(5-22)
式中θy为Young接触角，上式叫做Wentzel方程。它表明粗糙表面的 cosθw的绝对值总比平滑表面的cosθy大。
cosq W
r( SG SL ) LG
在相的交界处存在着能垒，液体的前沿往往停留在相的交界处。 前进角往往反映表面能较低的区域，或反映与液体亲和力弱的 那部分固体表面的性质，而后退角往往反映表面能较高的区域， 或反映与液体亲和力强的那部分固体表面的性质。
4.3 接触角的滞后现象
4.3.4 表面污染
无论是液体或是固体的表面，在污染后都会引起滞后现 象。 表面污染往往来自液体和固体表面的吸附作用，从而使 接触角发生显著变化。 影响接触角的因素十分复杂，所以在测定时，要尽可能 控制测定环境的温度、湿度、液体的蒸气压、固体表面的 清洁度和粗糙度等因素。
若界面张力L1/L2已知，液体与纤维之间存在接触角qL1/L2，则： P = 2rL1/L2 cosqL1/L2 因此，测定P可求出纤维在L1／L2界面的接触角qL1/L2。
4.2 接触角的测定方法
• 停滴法 • 吊片法 • 电子天平法
决定和影响接触角大小的因素
1.物质的本性 (1)液体与固体表面性质差别越大接触角越大。 (2)在同一固体上液体的表面张力越大，接触角越大。
4.2 接触角的测定方法
3. 电子天平法
➢如果液体完全润湿纤维，则 P = 2rL 式中r为纤维半径。
若选用半径已知金属纤维，使液体能够完全润湿纤维，则测出 P，即可求出液体的表面张力L。
➢如果液体与纤维之间的接触角为q，则有 P = 2rLcosq
材料表界面知识点总结
第九章玻璃表界面4 玻璃的表面反应玻璃成型后一段时间就容易被周围环境介质所侵蚀，侵蚀情况主要取决于玻璃的本质（组成）和介质的种类。
4.1 水对玻璃的侵蚀开始于水中的H+和玻璃中的Na+进行离子交换：离子交换反应停止的真正原因：•Na+含量的降低；R n+（n>1)抑制效应4.2酸对玻璃的侵蚀除氢氟酸外，一般酸并不直接与玻璃起反应，而是通过水的作用侵蚀玻璃。
浓酸对玻璃的侵蚀能力低于稀酸。
酸对玻璃的作用与水对玻璃作用又有所不同。
高碱玻璃的耐酸性小于耐水性，高硅玻璃的耐酸性大于耐水性。
4.3 碱对玻璃的侵蚀硅酸盐玻璃一般不耐碱。
碱对玻璃的侵蚀是通过OH-破坏硅氧骨架（≡Si-O-Si≡），使Si-O键断裂，SiO2溶解在碱液中。
碱的大量存在使得中和反应能够不断进行，所以，侵蚀不是形成硅酸凝胶薄膜，而是玻璃表面层不断脱落。
碱对玻璃的侵蚀程度与下列因素有关：侵蚀时间OH-离子的浓度阳离子的种类侵蚀后玻璃表面的硅酸盐在碱溶液中的溶解度玻璃受碱侵蚀分为以下三个阶段：⏹第一阶段，碱溶液中的阳离子首先吸附在玻璃表面；⏹第二阶段，阳离子束缚周围的OH-离子，OH-离子攻击玻璃表面的硅氧键。
⏹第三阶段，硅氧骨架破坏后变成硅酸离子，和吸附在玻璃表面的阳离子形成硅酸盐，并逐渐溶解在碱溶液中。
碱性溶液对玻璃的侵蚀机理与水或酸不同⏹水或酸（包括中性盐或酸性盐）对玻璃的侵蚀只是改变、破坏或溶解（沥滤）玻璃结构组成中R2O、RO等网络外体物质。
⏹碱性溶液不仅对网络外体氧化物起作用，而且也对玻璃结构中的硅氧骨架起溶蚀作用。
大气对玻璃的侵蚀先是以离子交换为主的释碱过程后逐步过渡到以破坏网络为主的溶蚀过程。
4.41) 化学组成的影响硅酸盐玻璃的耐水性和耐酸性主要取决于硅氧和碱金属氧化物的含量。
玻璃中同时存在两种碱金属氧化物时，由于“混合碱效应”使玻璃的化学稳定性出现极值。
2) 热处理的影响一般来说，退火玻璃比淬火玻璃化学稳定性高。
材料表界面知识点汇总
材料表界面知识点汇总1.表，界面是指一个相到另一个相的过渡区域。
2.表界面可以分为一下五类：固-气，液-气，固-液，液-液，固-固。
3.把凝聚相和气相之间（固-气，液-气）的分界面称为表面；把凝聚相之间（固-液，液-液，，固-固）的分界面称为界面。
4.理想表面的定义：指除了假设确定的一套边界条件外，系统不发生任何变化的表面。
特点：表面的原子位置和电子密度都和在体内一样，且在实际生活中理想表面是不可能存在的。
5.清洁表面的定义：指不存在任何污染的化学纯表面，即不存在吸附，催化反应或杂质扩散等一系列物理，化学效应的表面。
特点：可以发生多种与体内不同的结构和成分变化。
6.吸附表面的定义：吸附有外来原子的表面称之为吸附表面。
特点：吸附原子可以形成无序的或有序的覆盖层。
7.材料表面的分类：机械作用界面，化学作用界面，固态结合界面，液相或气相沉积界面，凝固共生界面，粉末冶金界面，粘接界面，熔焊界面。
8.表面张力的定义：在液体表面膜中，存在着使液体表面积缩小的张力，这种张力称为表面张力。
9.吸附是组分在热力学体系的各相中偏离热力学平衡组成的非均匀分布现象。
通常将被吸附的分子成为吸附质，固体则称为吸附剂。
10.吸附类型分为物理吸附和化学吸附。
11.表面张力计算公式：12.表面张力产生的根本原因是分子间相互作用力的不平衡引起的。
13.表面张力本质上是由分子间相互作用力，即范德瓦尔斯力，单位为：J/m2place方程:附加压力的方向总是指向曲率中心一边，且与曲率大小有关。
place方程：球面：与曲率半径成反比任意曲面：；对于平液面，两个曲率半径都为无限大，p=0，表示跨过平液面不存在压差。
16.当毛细管浸在液体中，若液体能浸润管壁，则会发生毛细上升现象，液面呈凹月形。
反之，若液体不能浸润管壁，则液面下降呈凸液面。
17.Kelvin公式：po为T温度下，平液面的蒸汽压；P为T温度下，弯液面的蒸汽压；V为液体摩尔体积；r为弯液面的曲率半径。
表界面每章重点
每章重点第一章3、固体材料表面上可以发生哪五种结构和成分变化？ 答：弛豫、重构、台阶化、吸附、偏析5、在讨论实际问题时，为什么表面能取决于表面自由能？对于液体来说，用它们的量纲 说明，表面张力与表面能在数值上是相等的。
答：E S =F S +TS S ，实验结果表明，由表面熵决定的表面束缚能TS S 远远小于表面自由能F s ，因此在讨论实际问题时，可以忽略表面束缚能对表面能的贡献，即表面能取决 于表面自由能对于液体来说，表面张力与表面能在数值上相等同。
(mN/m=mJ/m2=mN • m/m2)第二章2、单位体积物体所具有的表面积称为比表面，对于半径为 r 的球形颗粒、边长为 L 的立方体，分别求出它们的比表面。
(比表面：单位体积的物质所具有的表面积有改动)(1)半径为r 的球形颗粒，其比表面为： S= 3 / r证明：球形颗粒的表面积 Sr=4 n r A 2球形颗粒的体积 Vr=4/3 n 「人3 故，比表面：S=Sr / Vr = 3/ r⑵质量为m 、密度为p 的球形颗粒的比表面：⑶ 边长为L 的立方体的比表面:23证明：面积 S L =6L ，体积V = L3m证明:Sr =11卜4XP 丿_Sr有改动2比表面：2E S L6L 6S 二二 3 二V L3L1⑷质量为m、密度为T的立方体的比表面：S=6丄'（证明方法同上）5丿4、弯曲面的附加压力△ p与液体表面张力和曲率半径之间存在怎样的关系？若弯曲面为球面，平面又怎样？答：⑴ 关系为：Lap lace方程七P=cr \ —丄（记住公式）1「1 “ 丿2石（2）球面r— = r2p =r（3）平面r—p = 0 即跨越平面没有压差6、水蒸气迅速冷却到25C时会发生过饱和现象。
已知25 C时水的表面张力d=71.49mN/m，当过饱和水蒸气压为水的平衡蒸气压4倍时，开始形成水滴的半径。
解：用Kelvin公式计算：p 2 ?V 2；「MRT In （请大豕把这个公式记住，会考大题P r :r的）P为过饱和蒸气压，P o为平衡蒸气压有改动25C是水的：密1度00kg m3、亠20°C是水的密9度8.2kg. m3注意有时不会告诉水的所密A度大家记住T = 1000kg. m3; =71.49 10； N m; M -18 10‘kg mol注意M 的单位T F25 273 K =298K; —-4; R=8.314J mol K P。
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第 1 章绪论物理表面：三维的规整点阵到体外空间之间的过渡区域, 这个过渡区的厚度随材料的种类不同而异, 可以是一个原子层或多个原子层。
是不同于两相的第三相。
理想表面：是指除了假设确定的一套边界条件外, 系统不发生任何变化的表面。
清洁表面：指不存在任何污染的化学纯表面, 即不存在吸附、催化反应或杂质扩散等物理、化学效应的表面。
谓弛豫：表面附近的点阵常数发生明显的变化。
重构：表面原子重新排列, 形成不同于体内的晶面。
台阶化：指出现一种比较规律的非完全平面结构的现象。
吸附：指气相中的原子或分子在气固或液固界面上的聚集。
偏析：指溶液或溶质在相界、晶界或缺陷上的聚集。
吸附和偏析是化学组分在表面区的变化。
吸附表面：吸附有外来原子的表面。
第2章液体表面系统的能量越低越稳定, 故液体表面具有自动收缩的能力。
表面张力：是单位长度上的作用力, 单位是N/ m。
它是反抗表面扩大的一种收缩力, 它的作用是使一定体积的系统具有最小的表面积。
也可以理解为系统增加单位面积时所需作的可逆功, 单位为J/ m2, 是功的单位或能的单位, 所以σ也可以理解为表面自由能, 简称表面能。
单组分液体的表面张力等于比表面自由能。
附加压力的方向总是指向曲率中心一边, 且与曲率大小有关,Laplace 方程：球面：Δp = 2ς/ r任意曲面：Δp = ς( 1/ r1 + 1/ r2 )当曲率半径r1 = r2= r, 曲面成为一个球面, 对于平液面，两个曲率半径都为无限大，Δp = 0，表示跨过平液面不存在压差。
液体表面张力的测定：1 毛细管法当毛细管浸在液体中, 若液体能完全浸润管壁, 则会发生毛细上升现象, 液面呈凹月形。
反之, 若液体完全不浸润管壁, 则液面下降呈凸液面。
毛细升高现象可用Laplace 方程处理。
假定毛细管截面是圆周形, 且管径不太大, 并假定凹月面可近似看作半球形, 此时不仅两个曲率半径相等, 而且都等于毛细管半径r。
由Laplace 公式可得Δp = 2σ/ r则压差Δp应等于毛细管内液柱的静压强Δρgh，即Δρgh = 2σ/ r (1) Δρ为液气两相密度差, g为重力加速度。
也可以改写成:a2= 2σ/ Δρg = rh (2) a为毛细常数, 它是液体的特性常数。
当液体完全不浸润管壁时, 式(2 -21)仍适用, 毛细上升改为毛细下降, h 表示下降深度。
更普遍的情况是液体与管壁之间的接触角θ介于0°～180°之间, 若弯月面仍为球面, 则有:Δρgh =2σcosθ/r(3)由式(1)或式(3) , 从毛细升高或下降的高度h , 即可求出液体的表面张力。
2 最大气泡压力法将一根毛细管插入待测液体中，缓缓通入惰性气体，使其在管端形成气泡逸出,当毛细管很细时，可假设气泡在生成过程中始终是球体的一部分。
但气泡在发展过程中半径由大变小，当气泡形状恰为半球时，气泡的半径最小，正好等于毛细管半径,Δp也相应达到最大值。
实验过程中用连接在毛细管上的U形压力计测出最大气泡压力，则Δp max =Δρgh = 2σ/ r，若测试中，毛细管下端在液面下的深度为t，则Δpmax =Δρgh - p t。
3 滴重法是一种既精确又方便的方法。
它既可测定气液表面张力, 又可测液液界面张力。
在恒温的条件下, 使管端缓慢形成的液滴滴入杯中, 在收集到适量的液体后即可称重, 由此精确地测得每滴液重。
由液滴质量mg 与表面张力σ的关系为mg = 2πrς，是毛细管半径, 液体能润湿管端平面时为外径, 不能润湿时为内径。
4 吊环法将环放在液面上, 然后测定将环向上拉起时所需的力P。
根据表面张力的基本概念可知, 欲将一个物体从液面上分离, 所需的最大拉力应等于该物体的质量加上表面张力与被分离表面周长的乘积。
设环的内径为R’, 环由半径为r 的铂丝制成。
P = W+ 2πσR’+ 2πσ( R’+ 2 r)环式中W环为铂环重力,，后面两项为二圆柱形液膜对环施加的表面作用力。
, R = R’+ r , 则可得F = 4π( R′+ r)σ= 4πRσ。
令F = P - W环5 吊板法将一块平板, 如显微镜盖玻片或铂箔部分浸到液体中, 平板另一端挂在天平上, 测定吊板脱离液面时所需的最大拉力W总, 则有P = W总- W板= 2(l + d)σl 为吊板宽度, d 为厚度, 2 ( l + d )为平板周长,W为平板在空气中的重力。
测出W总后, 可由式求出表面张力σ。
若液体与吊板之间存在接触角θ, 则相应的公式为:P = 2( l + d)ςcosθ。
Kelvin 公式: RTln(p/p0)= 2σV/r= 2σM/ρrp0:T温度下平液面的蒸汽压; p:T温度下弯液面的蒸汽压; V:液体摩尔体积( V = M/ ρ) ;M:为液体分子量; ρ:液体的密度; r:弯液面的曲率半径。
Kelvin 公式表明, 液滴的半径越小, 其蒸汽压越大。
人工降雨:当半径小到10 - 6 cm 时, 蒸汽压增加10% 以上。
这样小的水滴中约含1 .4×105 个水分子。
可见即使空气中水蒸气过饱和达到10%时, 这么多水分子同时聚在一起形成水珠的可能性很小, 所以在干净空气中, 水蒸气有时可达很高的过饱和程度而不凝聚出来。
若有灰尘等微粒存在, 则水蒸气在较低的过饱和程度时就能在微粒表面上凝结。
人工降雨就是利用这一原理, 提供一些凝结核心, 使水汽形成水珠落下。
过冷水:因为由于涨落现象而生成的微小冰粒的化学位比大冰块的化学位高, 结果被融化。
因此很纯的水在自动结冰之前可以过冷至- 40℃左右, 但这种介稳态是不能稳定存在的, 如果系统中有杂质存在, 则过冷水会很快凝聚成冰。
过热液体加热到沸点也不沸腾的液体加热产生的微小气泡使液面呈凹面, 曲率半径是很大负值。
按Kelvin 公式,凹面液体的饱和蒸汽压比平面液体小; 更重要的是, 由Laplace 方程可知, 微小气泡还承受很大的附加压力2σ/ r。
所以在未达到足够过热程度前,气泡内的压力小于大气压与附加压力2σ/ r 之和, 不能使液体沸腾。
过饱和溶液是指使浓度高于正常溶解度而不结晶的溶液。
产生这一现象的原因是生成高度分散的微小晶粒具有较大的溶解度。
由Kelvin公式晶体的曲率l/r 越大, 相应的溶解度就越大, 因此产生过饱和现象。
毛细管凝结现象在某温度下，蒸气在玻璃毛细管外未出现凝结，而在毛细管内则出现凝结现象，因为水能润湿玻璃，所以管内液面将呈凹液面，此时的液面曲率半径为负值，由开尔文公式在相同温度下凹液面处液体的饱和蒸气压比平面液体饱和蒸气压小。
即该温度下，蒸气对平面液面来说还未达到饱和，但对在毛细管内的凹液面来讲，可能已经到过饱和状态，这时蒸气在毛细管内将凝结成液体，更何况在毛细管外壁形成的液膜为凸液面，其饱和蒸气压较平面液体更大。
Gibbs 吸附等温式溶液的表面张力不仅与温度和压力有关, 还与其组成有关, 溶质的存在可以影响溶液的表面张力第一种溶液的表面张力随溶质浓度的增加几乎成直线关系上升。
一般强电解质的水溶液, 如Na2 SO4 , KOH, NH4 Cl ,KNO3等无机盐以及蔗糖, 甘露醇等多羟基有机物具有类似的图形。
第二种类型是一些醇、醛、酸、酮与胺等的有机物, 它们在稀溶液中可比较明显地降低水溶液的表面张力, 通常开始降低得较快, 随着浓度增加, 表面张力减小趋势减慢。
第三种类型的物质是8 碳以上的直链有机碱金属盐, 高碳直链磺酸盐, 硫酸盐, 苯磺酸盐等表面活性剂的水溶液。
其特点是加入少量这类物质可显著降低溶液的表面张力。
至一定浓度后表面张力不再有明显变化以上三种因为纯溶质的表面张力, 与纯水相比有较大差异, 因此在溶液表面发生了选择性吸附。
一般说在表面优先吸附的性质为表面活性。
第一类溶质在水溶液中完全电离为离子, 并发生强烈溶剂化, 这就导致表面层的浓度低于本体相。
这种现象叫做负吸附作用。
但由于本体相浓度大于表面层, 必然有部分离子扩散到表面上, 故在负吸附的情况下溶液表面张力仍有所上升。
第二种类型分子中, 分子由非极性基团与极性基团或离子组成。
它们和溶剂水的相互作用较弱, 因此很容易被吸附到表面上, 从而使溶液的表面张力显著下降, 这种现象称为正吸附作用。
第三类物质是表面活性剂, 分子中非极性基团比第二类物质更多, 因此憎水性更强, 表面活性更大, 以致少量表面活性剂分子就可在溶液表面上形成定向排列的单分子层。
Γ表示单位面积上吸附溶质的过剩量,其单位是mol/ m2。
表示溶质的表面浓度和本体浓度之差。
如果Γ为正, 为正吸附, 溶质的表面浓度大于本体浓度, 即称为表面超量;若Γ为负, 则为负吸附, 溶质的表面浓度小于本体浓度, 叫做表面亏量。
式中的c2为溶质的质量摩尔浓度或体积摩尔浓度。
Gibbs 等温式的应用(1)气固表面固体吸附气体时表面过剩量可表示为:Γ=V/(A0 Vm) A0 固体比表面积(m2/ g) ; V每克固体吸附气体的体积; Vm 气体摩尔体积。
若已知Γ= f ( p) 的形式, 例如低压时Γ= b p ,代入积分式得:σ0 -σ= RT·b p =ΓRT令π= σ0 - σ, A = 1/ Γ得:πA = RT 与三维理想气体方程pV = RT 十分相似, 称为二维理想气体定律。
这是因为在低压下表面吸附的气体只具有二维热运动, 而且分子间相互作用又可忽略之故, 气体在固体表面上的吸附降低了固体的表面自由焓, 从而改变了固体表面的各种性质。
(2) 气液表面一些表面活性剂物质在稀溶液范围存在σ0 - σ= αc 的关系代入Gibbs 方程可得:以π=σ0 -σ,Γ= 1/ A 代入,得πA = RT这说明在稀溶液的气液表面上, 表面活性剂物质分子也服从二维理想气体状态方程,第3 章固体表面固体的表面特性:1固体表面分子(原子) 的运动受缚性。
固体分子迁移困难, 构成新表面后, 分子或原子难以达到平衡构型, 仍然保留在原来本相的位置上，在表面应力的作用下, 固体表面的分子或原子慢慢向着平衡位置迁移, 表面应力慢慢减小。
经过很长的时间, 当分子或原子达到了新的平衡位置, 表面应力趋近于表面张力。
2 固体表面的不均一性①固体表面的凹凸不平；②固体中晶体晶面的不均一性；（晶面的原子排列不同，晶体表面可能存在晶格缺陷、空位、位错等）③固体表面被外来物质所污染；3 固体表面的吸附性固体表面的分子或原子具有剩余的力场, 当气体分子趋近固体表面时, 受到固体表面分子或原子的吸引力, 被拉到表面, 在固体表面富集。
这种吸附只限于固体表面包括固体孔隙中的内表面。
如果被吸附物质深入到固体体相中, 则称为吸收。