武汉理工考研材料课件-第四章 表面结构与性质

次置换PbI2中的Pb++和I-离子时，相应的表面能和硬度迅速增加。极化性能大，
2、粉体表面结构
粉体在制备过程中，由于反复地破碎，不断形成新的 表面。表面层离子的极化变形和重排使表面晶格畸变，有 序性降低。因此，随着粒子的微细化，比表面增大，表面 结构的有序程度受到愈来愈强烈的扰乱并不断向颗粒深部 扩展，最后使份体表面结构趋于无定形化。





4.1 固体的表面及其结构 4.2 润湿与粘附 4.3 粘土-水系统性质*
4.1 固体的表面及其结构

4.1.1 固体的表面 4.1.2 固体的表面结构

4.1.1固体的表面


1.理想表面 2.清洁表面 （1）台阶表面 （2面自由能和表面张力 5. 表面偏析 6. 表面力场
为什么固体的表面张力在数值上不等于 表面自由能？ 固体中质点间相互作用力相对液体来说要强 很多，那么彼此间的相对运动要困难得多，在保 持固体表面原子总数不变的条件下，通过弹性形 变可使表面积增加，即固体的表面自由能中包含 了弹性能，因此，表面张力在数值上已不在等于 表面自由能。
5、表面偏析 不论表面进行多么严格的清洁处理，总 有一些杂质由体内偏析到表面上来，从而 使固体表面组成与体内不同，称为表面偏 析。
图4.1.1
理想表面结构示意图
2、清洁表面
清洁表面是指不存在任何吸附、催化反应、 杂质扩散等物理化学效应的表面。这种清洁 表面的化学组成与体内相同，但周期结构可 以不同于体内。根据表面原子的排列，清洁 表面又可分为台阶表面、弛豫表面、重构表 面等。
（1）台阶表面 (图4.1.2 ) 台阶表面不是一个平面，它是由有规则的或不 规则的台阶的表面所组成
液体总是通过形成球形表面来降低系统的总能量；固体质 点不能自由移动，是如何降低系统的表面能的？ 清洁表面：通过表面质点的极化、变形、重排来降低系统 的表面能，结果导致了晶体表面附近晶格畸变，使表面结 构与晶体内部有所不同。
若是一般的固体表面，除了上述方式外，还通过吸附、表面偏析 来降低表面能。

威尔（Weyl）等人基于结晶化学原理，研究了晶 体表面结构，认为晶体质点间的相互作用，键强 是影响表面结构的重要因素，提出了晶体的表面 双电层模型，如图4.1.6、4.1.7所示。
4.1.2 固体的表面结构

1、晶体表面结构（单晶） 2、粉体表面结构 3、玻璃表面结构 4、固体表面的几何结构
1、晶体表面结构
表面力的存在使固体表面处于较高能量状态。但系统总会通 过各种途径来降低这部分过剩的能量，这就导致表面质点的极化、 变形、重排并引起原来晶格的畸变。对于不同结构的物质，其表 面力的大小和影响不同，因而表面结构状态也会不同。
R=
式中， R为断裂强度，C为微裂纹长度， E为弹性模量，α是表面 自由能。
表面粗糙度会引起表面力场变化，进而影响其表面性质。 从色散力的本质可见，位于凹谷深处的质点，其色散力 最大，凹谷面上和平面上次之，位于峰顶处则最小；反之， 对于静电力，则位于孤立峰顶处应最大，而凹谷深处最小。 由于固体表面的不平坦结构，使表面力场变得不均匀， 其活性和其它表面性质也随之发生变化。其次，粗糙度还直 接影响到固体比表面积、内、外表面积比值以及与之相关的 属性，如强度、密度、润湿、孔隙率和孔隙结构、透气性和 浸透性等。此外，粗糙度还关系到两种材料间的封接和结合 界面间的吻合和结合强度。
石英密度值随粒度的变化： 当〉0.5mm时，密度为2.65，与块体石英一致； 〈0.5mm时，粒径减小，密度迅速减少，逐渐接近无定形石英的 密度2.2203。
粉体表面层是微晶结构的实验验证： 对粉体进行更精确的X射线和电子衍射研究发现，其X 射线谱线不仅强度减弱而且宽度明显变宽。因此认为粉体 表面并非无定形态，而是覆盖了一层尺寸极小的微晶体， 即表面是呈微晶化状态。由于微晶体的晶格是严重畸变的， 晶格常数不同于正常值而且十分分散，这才使其X射线谱 线明显变宽。 对鳞石英粉体表面的易溶层进行的X射线测定表明， 它并不是无定形质；从润湿热测定中也发现其表面层存在 有硅醇基团。
玻璃中的极化离子会对表面结构和性质产生影响。 对于含有较高极化性能的离子如Pb2+、Sn2+、Sb3+、 Cd2+等的玻璃，其表面结构和性质会明显受到这些离子在 表面的排列取向状况的影响。这种作用本质上也是极化问 题。 例如铅玻璃，由于铅原子最外层有4个价电子 （6S26P2），当形成Pb2+时，因最外层尚有两个电子，对 接近于它的O2-产生斥力，致使Pb2+的作用电场不对称， Pb2+以2Pb2+ →Pb4+ + Pb0方式被极化变形。
1、理想表面
没有杂质的单晶，作为零级近似可将清洁表面理 想为一个理想表面。这是一种理论上的结构完整的二 维点阵平面。 忽略了晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影 响，忽略了表面原子的热运动、热扩散和热缺陷等， 忽略了外界对表面的物理化学作用等。 这种理想表面作为半无限的晶体，体内的原子的 位置及其结构的周期性，与原来无限的晶体完全一样。 (图4.1.1 理想表面结构示意图 )
（3）重构表面(图4.1.5 ) 重构是指表面原子层在水平方向上的周期 性不同于体内，但垂直方向的层间距则与体 内相同。 a
s
a
图4.1.5 重构表面示意图
d0
d0
3、吸附表面 吸附表面有时也称界面。它是在清洁 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。 根据原子在基底上的吸附位置，一般 可分为四种吸附情况，即顶吸附、桥吸附、 填充吸附和中心吸附等。
（2）分子引力，也称范德华(van der Walls)力，一般是 指固体表面与被吸附质点（例如气体分子）之间相互作 用力。主要来源于三种不同效应： 1）定向作用。主要发生在极性分子（离子）之间。 2）诱导作用。主要发生在极性分子与非极性分子之 间。 3）分散作用。主要发生在非极性分子之间。 对不同物质，上述三种作用并非均等的。例如对于非极 性分子，定向作用和诱导作用很小，可以忽略，主要是 分散作用。
基于X射线、热分析和其它物理化学方法对粉体表 面结构所作的研究测定，提出两种不同的模型。 一种认为粉体表面层是无定形结构； 另一种认为粉体表面层是粒度极小的微晶结构。
粉体表面层是无定形结构 的实验验证 石英的相变吸热峰面积随SiO2粒度的变化： 粒度/微米 粒度减少到5-10 约1.3 HF处理上述石英 粉末，重复上述实验 相变吸热峰面积 明显减小 继续减小 增加 相对大颗粒石英的相转变量 发生相转变的石英量显著减少 仅50%石英发生相转变 100%石英发生相转变

实验依据：真空中分解MgCO3后得到的MgO颗粒互相排斥。 可以预期，对于其它由半径大的负离子与半径小的正离子组成的化合物，特 别是金属氧化物如Al2O3、SiO2等也会有相应效应。而产生这种变化的程度主 要取决于离子极化性能。 例子：PbI2表面能最小（130尔格／厘米2），PbF2次之（900尔格／厘米2）， CaF2最大（2500尔格／厘米2）。为什么？ 这正因为Pb++与I-都具有大的极化性能所致。当用极化性能较小的Ca2+和F-依 表面能小，相应的表面双电层厚度将变大。
这两种观点是不是截然对立的？
3、玻璃表面结构 表面张力的存在，使玻璃表面组成与内部显著不同 在熔体转变为玻璃体的过程中，为了保持最小表面 能，各成分将按其对表面自由能的贡献能力自发地转移 和扩散。 在玻璃成型和退火过程中，碱、氟等易挥发组分自 表面挥发损失。 因此，即使是新鲜的玻璃表面，其化学成分、结构 也会不同于内部。这种差异可以从表面折射率、化学稳 定性、结晶倾向以及强度等性质的观测结果得到证实。
6、表面力场 固体表面上的吸引作用，是固体的表面力 场和被吸引质点的力场相互作用所产生的， 这种相互作用力称为固体表面力。 依性质不同，表面力可分为： 1）化学力 2）分子引力
（1）化学力：本质上是静电力。 当固体吸附剂利用表面质点的不饱和价键将吸附物吸附 到表面之后，吸附剂可能把它的电子完全给予吸附物，使吸 附物变成负离子（如吸附于大多数金属表面上的氧气）；或， 吸附物把其电子完全给予吸附剂，而变成吸附在固体表面上 的正离子（如吸附在钨上的钠蒸气）。 多数情况下吸附是介于上述二者之间，即在固体吸附剂 和吸附物之间共有电子，并且经常是不对称的。 对于离子晶体，表面主要取决于晶格能和极化作用。
在常温时，表面极化离子的电矩通常是朝内部 取向以降低其表面能。因此常温下铅玻璃具有特别 低的吸湿性。但随温度升高，热运动破坏了表面极 化离子的定向排列，故铅玻璃呈现正的表面张力温 度系数。 不同极化性能的离子进入玻璃表面层后，对表 面结构和性质会产生不同的影响。
4、固体表面的几何结构 实验观测表明，固体实际表面是不规则 而粗糙的，存在着无数台阶、裂缝和凹凸不 平的峰谷。这些不同的几何状态同样会对表 面性质产生影响，其中最重要的是表面粗糙 度和微裂纹。
第四章 固体的表面与界面
生活中的表面现象 表面现象产生的原因 固体的界面可一般可分为表面、界面和相界面： 1）表面:表面是指固体与真空的界面。 2）界面:相邻两个结晶空间的交界面称为“界面”。 3）相界面:相邻相之间的交界面称为相界面。 相界面有三类: 固相与固相的相界面（S／S）； 固相与气相之间的相界面（S／V）； 固相与液相之间的相界面（S／L）。 本章主要从物理化学的角度对有关固体界面及其一些问题作简要介绍。
4、固体的表面自由能和表面张力 与液体相比： 1）固体的表面自由能中包含了弹性能。表面张 力在数值上不等于表面自由能； 2）固体的表面张力是各向异性的。 3）实际固体的表面绝大多数处于非平衡状态， 决定固体表面形态的主要是形成固体表面时的 条件以及它所经历的历史。 4）固体的表面自由能和表面张力的测定非常困 难。
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