表面和界面现象39页PPT
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第四章 表面与界面
第四章
材料的表面与界面
固体（晶体、玻璃体）的表面与内部有什么不同？
实际上晶体和玻璃体：处于物体表面的质点，其 环境和内部是不同的，表面的质点由于受力不均衡而 处于较高的能阶，所以导致材料呈现一系列特殊的性 质。
例如：石英的粉碎。1kg直径为10－2米变成10－9米 ，表面积和表面能增加107倍。
物理性质：熔点、蒸汽压、溶解度、吸附、润湿和烧 结等（微小晶体蒸汽压增大、熔点下降、溶解度增加， 表面上存在着吸附等现象）。
即用于增加物系的表面能。故：∆PdV＝γdA
V＝4/3πR3 A＝4πR2
∴∆P＝ 2 （球形曲面）
R
对非球形曲面：∆P＝
1 r1
1 r2
— 拉普拉斯公式
r1、r2—曲面的主曲率半径
方向：指向曲率中心
2、弯曲表面上的饱和蒸汽压
将一杯液体分散成为微小液滴时，液面就由平面变成凸面， 凸形曲面对液滴所施加的附加压力使液体的化学位增加，从 而使液滴的蒸气压随之增大。所以，液滴的蒸气压必然大于 同温度下平面的蒸气压。它们之间的关系可以用开尔文方程 来描述。
2、固体表面力场
固体内部：质点受到周围质点的控制， 静电平衡、存在力场、力场对称。
固体表面：周期性重复中断，力场对称性破坏， 产生指向空间的剩余力场。
剩余力场表现：固体表面对其它物质有吸引作用 （如润湿、吸附、粘附性）
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。
2、浸湿（Soakage）
V S
L
G SL SV
浸湿过程
浸湿过程引起的体系自由能的变化为
G SL SV
如果用浸润功Wi来表示，则是
材料的表面与界面
固体（晶体、玻璃体）的表面与内部有什么不同？
实际上晶体和玻璃体：处于物体表面的质点，其 环境和内部是不同的，表面的质点由于受力不均衡而 处于较高的能阶，所以导致材料呈现一系列特殊的性 质。
例如：石英的粉碎。1kg直径为10－2米变成10－9米 ，表面积和表面能增加107倍。
物理性质：熔点、蒸汽压、溶解度、吸附、润湿和烧 结等（微小晶体蒸汽压增大、熔点下降、溶解度增加， 表面上存在着吸附等现象）。
即用于增加物系的表面能。故：∆PdV＝γdA
V＝4/3πR3 A＝4πR2
∴∆P＝ 2 （球形曲面）
R
对非球形曲面：∆P＝
1 r1
1 r2
— 拉普拉斯公式
r1、r2—曲面的主曲率半径
方向：指向曲率中心
2、弯曲表面上的饱和蒸汽压
将一杯液体分散成为微小液滴时，液面就由平面变成凸面， 凸形曲面对液滴所施加的附加压力使液体的化学位增加，从 而使液滴的蒸气压随之增大。所以，液滴的蒸气压必然大于 同温度下平面的蒸气压。它们之间的关系可以用开尔文方程 来描述。
2、固体表面力场
固体内部：质点受到周围质点的控制， 静电平衡、存在力场、力场对称。
固体表面：周期性重复中断，力场对称性破坏， 产生指向空间的剩余力场。
剩余力场表现：固体表面对其它物质有吸引作用 （如润湿、吸附、粘附性）
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。
2、浸湿（Soakage）
V S
L
G SL SV
浸湿过程
浸湿过程引起的体系自由能的变化为
G SL SV
如果用浸润功Wi来表示，则是
《材料表面与界面》PPT
•贝尔比层形成与作用 •动抛性光(熔时化抛)光, 在剂凝磨固去前表，面由层于原面子表，面下张面力一的层作在用瞬使间表内面保变持得流平
滑。
•由于金属有高的热导率，表面层又迅速地凝固成20Å 左右
的非晶态层。
• 对于金属和合金来说，它们的抛光表面大都有一层贝尔比
层，其成分是金属和它的氧化物的混合物。贝尔比层可起到 耐蚀、强化的作用。。
会吸附水分子，并解离成羟基(OH-)，而使表面的物埋化表面：空气/表面组成/设计组成。 •表面组成：表面能小的氧化物易在玻璃表面富集,如PbO,
材料 铝
铁
加工方式与粗糙系数
加工条件 箔
板材抛光 阳极氧化层，厚20µm
2号金刚砂抛光，苯去脂 膜
粗糙系数 6 1.6
200~900
3.8 60
(3) 粗糙度对材料或应用的影响 材料表面受力的影响 由于固体的表面是不平整性，当两个表面相互接触时, 真实接 触面积与表观接触面积差别较大。
在实际应用中，表观面积与加工方式和负荷无关。 而真实接触面积会随受力负荷而改变：
几种调整的方式后形式清洁表面结构示意图
(1) 弛豫
•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, 这种情况称弛豫。
• 离子晶体的表面容易发生弛豫，主要作用力是库仑静电力，
这是一种长程作用。
•弛豫产生原子位置偏移，主要在垂直表面方向。因此，一
般认为弛豫后表面原子排列的平移对称性不变，只是微观对 称性发生了变化。
贝尔比层 微晶区 明显变形区
磨料颗粒
•研磨时, 金属表面的温度可达500℃~1000℃，有时会产生熔
化。
•金属导热性好, 冷却迅速, 熔化的原子来不及回到平衡位置，
表面活性剂和界面现象
表面活性剂和界面现象
表面活性剂是一类具有降低液体表面张力和增加界面活性
的化学物质。
它们通常由两个部分组成：亲水性（亲水）
头部和疏水性（疏水）尾部。
亲水头部可以与水分子相互
作用，而疏水尾部则不溶于水，喜欢与油、脂等非极性物
质相互作用。
当表面活性剂溶解在水中时，它们会在水表面形成一个薄膜，这被称为胶束。
胶束由许多表面活性剂分子聚集在一
起形成，其中亲水头部朝向水相，疏水尾部朝向胶束内部。
这种排列方式可以降低液体表面张力，使液体表面变得更
加平滑。
界面现象是指两个不同相之间的交界面上发生的现象。
在
液体-气体界面或液体-液体界面上，表面活性剂能够降低
界面张力，使液体更容易湿润和扩展。
在液体-固体界面上，表面活性剂可以改变液体与固体之间的相互作用力，从而
影响液体在固体表面的吸附和润湿性能。
表面活性剂在许多应用中起着重要的作用。
例如，在洗涤
剂中，表面活性剂能够降低水的表面张力，使其更容易渗
透到衣物纤维中，从而提高清洁效果。
在乳化剂中，表面
活性剂能够将油和水两种不相溶的液体混合在一起形成乳
状液。
在药物输送系统中，表面活性剂可以帮助药物分子
在体内更好地溶解和吸收。
总之，表面活性剂是一类能够降低液体表面张力和增加界
面活性的化学物质，它们在液体-气体、液体-液体和液体-固体界面上发挥作用，具有广泛的应用价值。
表面活性剂和界面现象
表面活性剂和界面现象
表面活性剂是一类能够降低液体表面张力的化合物。
它们分为两种
类型：亲水性表面活性剂和疏水性表面活性剂。
亲水性表面活性剂是由亲水基团和疏水基团组成的分子。
亲水基团
喜欢与水分子发生相互作用，而疏水基团则不喜欢与水分子接触。
当亲水性表面活性剂溶解在水中时，疏水基团会趋向于聚集在水表面，形成一个疏水层，而亲水基团则向水中溶解。
这种现象被称为
吸附。
亲水性表面活性剂的疏水层可以降低水的表面张力，使其在
界面上形成一个薄膜，称为胶束。
胶束具有很强的分散和溶解能力，可以将油脂等疏水物质包裹在内部，使其在水中分散。
疏水性表面活性剂则是由疏水基团组成的分子。
它们在水中形成的
界面现象与亲水性表面活性剂类似，但疏水性表面活性剂的疏水基
团更具有亲油性，能够吸附在水-油界面上，形成一个疏水层。
这种
疏水层可以降低水和油之间的表面张力，使其更容易混合。
表面活性剂在许多应用中发挥着重要作用。
例如，洗涤剂中的表面
活性剂可以降低水的表面张力，使其更容易渗透到衣物纤维中，从
而更好地清洗污渍。
表面活性剂也被广泛用于化妆品、农药、润滑
剂等产品中，以改善它们的性能。
总结起来，表面活性剂是一类能够降低液体表面张力的化合物。
它
们通过在液体界面上形成疏水层或亲水层的方式，改善液体的分散性、溶解性和界面性质，具有广泛的应用价值。
《界面现象》PPT课件
δW' dAs
式中γ为比例系数，它在数值上等于当T，p及组
成恒定的条件下，增加单位表面积时所必须对体系 做的可逆非膨胀功。
15
表面自由能：
G ( As
)T
,
p
保持温度、压力和组成不变，每增加单位表
面积时，Gibbs自由能的增加值称为表面Gibbs自
由能，或简称表面自由能或表面能，用符号
表示，单位为J·m-2。 表面张力、单位面积的表面功、单位面积的表面吉 布斯函数的数值和量纲是等同的。
29
物理吸附时，吸附剂与吸附质之间以范 德华引力相互作用；而化学吸附时，吸附 剂与吸附质分间发生化学反应，以化学键 相结合。
30
物理吸附与化学吸附
性质 吸附力 吸附层数 吸附热 选择性 可逆性 吸附平衡
物理吸附
化学吸附
范德华力
化学键力
单层或多层
单层
小(近于液化热) 大(近于反应热)
无或很差
较强
可逆
40
A (g)M (表 面 )k1 A M
设：表面覆盖率
k-1
θ=已被吸附质覆盖的固体表面积/固体总的表面积
则空白表面为(1 - q )N代表有吸附能力总晶格数
v(吸附)=k1p( 1-q )N
v(脱附)=k-1qN
达到平衡时，吸附与脱附速率相等。
v(吸附)=k1p( 1- ) = v(脱附)=k-1
2. ps=2g/r1=(rl-rg)gh
因rl>>rg所以：ps=2g/r1=rlgh
一般式：2g cosq/r=Drgh
r
r1
h
22
2.微小液滴的饱和蒸气压——开尔 文公式
对小液滴与蒸汽的平衡，设气体为理想气体。
式中γ为比例系数，它在数值上等于当T，p及组
成恒定的条件下，增加单位表面积时所必须对体系 做的可逆非膨胀功。
15
表面自由能：
G ( As
)T
,
p
保持温度、压力和组成不变，每增加单位表
面积时，Gibbs自由能的增加值称为表面Gibbs自
由能，或简称表面自由能或表面能，用符号
表示，单位为J·m-2。 表面张力、单位面积的表面功、单位面积的表面吉 布斯函数的数值和量纲是等同的。
29
物理吸附时，吸附剂与吸附质之间以范 德华引力相互作用；而化学吸附时，吸附 剂与吸附质分间发生化学反应，以化学键 相结合。
30
物理吸附与化学吸附
性质 吸附力 吸附层数 吸附热 选择性 可逆性 吸附平衡
物理吸附
化学吸附
范德华力
化学键力
单层或多层
单层
小(近于液化热) 大(近于反应热)
无或很差
较强
可逆
40
A (g)M (表 面 )k1 A M
设：表面覆盖率
k-1
θ=已被吸附质覆盖的固体表面积/固体总的表面积
则空白表面为(1 - q )N代表有吸附能力总晶格数
v(吸附)=k1p( 1-q )N
v(脱附)=k-1qN
达到平衡时，吸附与脱附速率相等。
v(吸附)=k1p( 1- ) = v(脱附)=k-1
2. ps=2g/r1=(rl-rg)gh
因rl>>rg所以：ps=2g/r1=rlgh
一般式：2g cosq/r=Drgh
r
r1
h
22
2.微小液滴的饱和蒸气压——开尔 文公式
对小液滴与蒸汽的平衡，设气体为理想气体。
物理化学ppt 表面现象
p( g )Vm ( g ) = RT
设气体为理想气体
Vm (l )dp(l ) = Vm ( g )dp( g )
p 平 + ∆p
∫ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
p平
Vm (l )dp (l ) =
∫
p
p0
RT dp ( g ) p( g )
p Vm (l ) ∆p = RT ln p0
2γ ∆p = R液
Vm (l ) =
M
Langmuir吸附等温式
Langmuir的两个重要假设： (1) 单分子层吸附； (2) 固体表面均匀，被吸附分子之间无相互作用； (3) 动态平衡。 设：表面覆盖度θ = V/Vm V为吸附体积 r(吸附)=kap( 1-θ ) 则空白表面为(1 - θ ) Vm为吸满单分子层的体积 r(脱附)=kdθ
常见界面
1.气-液界面
2.气-固界面
3.液-液界面
4.液-固界面
5.固-固界面
分散度与比表面
物质分散成细小微粒的程度称为分散度 分散度。物质分割得 分散度 越小，则分散度越高，比表面也越大。下表为边长1cm的 立方体(1cm3)逐渐分割成小立方体时的比表面增长情况 边长l/m 立方体数 比表面Av /(m2/m3) 1 10 1×10-2 1 6 ×102 10 1×10-3 103 6 ×103 1×10-5 109 6 ×105 1×10-7 1015 6 ×107 1×10-9 1021 6 ×109 可以看出，从边长为10-2m到10-9m，比表面增长了一千 万倍。达到nm级的超微粒具有巨大的比表面积，因而具有 许多独特的表面效应，成为新材料和多相催化的研究热点。
从吸附等温线可以反映出吸附剂的表面性质、孔分布 以及吸附剂与吸附质之间的相互作用等有关信息。
设气体为理想气体
Vm (l )dp(l ) = Vm ( g )dp( g )
p 平 + ∆p
∫ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
p平
Vm (l )dp (l ) =
∫
p
p0
RT dp ( g ) p( g )
p Vm (l ) ∆p = RT ln p0
2γ ∆p = R液
Vm (l ) =
M
Langmuir吸附等温式
Langmuir的两个重要假设： (1) 单分子层吸附； (2) 固体表面均匀，被吸附分子之间无相互作用； (3) 动态平衡。 设：表面覆盖度θ = V/Vm V为吸附体积 r(吸附)=kap( 1-θ ) 则空白表面为(1 - θ ) Vm为吸满单分子层的体积 r(脱附)=kdθ
常见界面
1.气-液界面
2.气-固界面
3.液-液界面
4.液-固界面
5.固-固界面
分散度与比表面
物质分散成细小微粒的程度称为分散度 分散度。物质分割得 分散度 越小，则分散度越高，比表面也越大。下表为边长1cm的 立方体(1cm3)逐渐分割成小立方体时的比表面增长情况 边长l/m 立方体数 比表面Av /(m2/m3) 1 10 1×10-2 1 6 ×102 10 1×10-3 103 6 ×103 1×10-5 109 6 ×105 1×10-7 1015 6 ×107 1×10-9 1021 6 ×109 可以看出，从边长为10-2m到10-9m，比表面增长了一千 万倍。达到nm级的超微粒具有巨大的比表面积，因而具有 许多独特的表面效应，成为新材料和多相催化的研究热点。
从吸附等温线可以反映出吸附剂的表面性质、孔分布 以及吸附剂与吸附质之间的相互作用等有关信息。
界面现象PPT课件
一般对于气液界有： γ(金属键)> γ(离子键)> γ(极性键)> γ(非极性键) 例： 比较相同条件下下述表 各面张力的相对大小
（乙醇） （水） （Hg）
②与接触相的性质有关
（水－水蒸气） （水－乙醚） （水－乙醇）
第24页/共89页
③ 温度的影响
气相中分子密度降低
T↑ 液相中分子距离↑
第19页/共89页
表面张力（surface tension）
如果在金属线框中间系一线圈，
一起浸入肥皂液中，然后取出，上
面形成一液膜。
(a)
由于以线圈为边界的两边表面张 力大小相等方向相反，所以线圈成 任意形状可在液膜上移动，见(a)图。
如果刺破线圈中央的液膜，线 圈内侧张力消失，外侧表面张力立 (b) 即将线圈绷成一个圆形，见(b)图， 清楚的显示出表面张力的存在。
固体表面的吸附 表面活性剂及其作用
液-固界面现象 不溶性表面膜 液体界面的性质
弯曲表面下的附加压力和蒸汽压 表面吉布斯自由能和表面张力
第1页/共89页
表面和界面(surface and interface)
界面是指两相接触的约几个分子厚度的过渡区， 若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。
严格讲表面应是液体和固体与其饱和蒸气之间 的界面，但习惯上把液体或固体与空气的界面称为 液体或固体的表面。
关系： R'=R/cos
如果曲面为球面，则R'=R。
2. ps=2/R'=(l-g)gh
因l>>g所以：ps=2/R'=lgh
一般式：2 cos/R=gh
第38页/共89页
附加压力与毛细管中液面高度的关系
第39页/共89页
（乙醇） （水） （Hg）
②与接触相的性质有关
（水－水蒸气） （水－乙醚） （水－乙醇）
第24页/共89页
③ 温度的影响
气相中分子密度降低
T↑ 液相中分子距离↑
第19页/共89页
表面张力（surface tension）
如果在金属线框中间系一线圈，
一起浸入肥皂液中，然后取出，上
面形成一液膜。
(a)
由于以线圈为边界的两边表面张 力大小相等方向相反，所以线圈成 任意形状可在液膜上移动，见(a)图。
如果刺破线圈中央的液膜，线 圈内侧张力消失，外侧表面张力立 (b) 即将线圈绷成一个圆形，见(b)图， 清楚的显示出表面张力的存在。
固体表面的吸附 表面活性剂及其作用
液-固界面现象 不溶性表面膜 液体界面的性质
弯曲表面下的附加压力和蒸汽压 表面吉布斯自由能和表面张力
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表面和界面(surface and interface)
界面是指两相接触的约几个分子厚度的过渡区， 若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。
严格讲表面应是液体和固体与其饱和蒸气之间 的界面，但习惯上把液体或固体与空气的界面称为 液体或固体的表面。
关系： R'=R/cos
如果曲面为球面，则R'=R。
2. ps=2/R'=(l-g)gh
因l>>g所以：ps=2/R'=lgh
一般式：2 cos/R=gh
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附加压力与毛细管中液面高度的关系
第39页/共89页
《表面现象》PPT课件
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2021/5/28
思考题
下面关于σ的物理意义中不正确的选项是〔 〕
A、σ是沿着与外表相切的方向，垂直作用于外表 上单位长段上的紧缩力。
B、σ是恒温、恒压下可逆的增加单位外表积所需 的非体积功
C、σ是在一定的温度、压力下，单位外表积中的 分子所具有的Gibbs函数值。
A T , p
T p,A
说明了在等温等压条件下，体系的焓值随外表积的增加而 增加的数值。即在等温等压条件下形成新的外表时，体系 从环境吸热。
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2021/5/28
物质的分散度与体系稳定性的关系
在等温等压条件下
G
即 dG dA
A T ,p
对纯液体在一定温度和压力下， 为一定值。当体系分 散时，dA > 0，那么dG > 0，说明了体系更加不稳定。
体系外表的Gibbs－Helmholtz公式
运用全微分的性质, 由 dG SdT Vdp dA
可得：
S A
T
,
P,nB
T
A, p,nB
那 么
G A
T
,
p,n
B
H A
T , p,nB
T
S A T, p,nB
H A
T , p,nB
T
T
p, A,nB
H T 0
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2021/5/28
水的外表张力
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2021/5/28
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2021/5/28
外表现象
物理化学意义上的相 界面是一个有几个分子 直径厚度的薄层，是两 相之间的过渡区。
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表面和界面现象
51、没有哪个社会可以制订一部永远 适用的 宪法， 甚至一 条永远 适用的 法律。 ——杰 斐逊 52、法律源于人的自卫本能。——英 格索尔
53、人们通常会发现，法律就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠入 网中。 ——申 斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 石上。 ——高 尔斯华 绥 55、今天的法律未必明天仍是法律。 ——罗·伯顿
谢谢！
36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。——西班牙
3exie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
40、学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子
51、没有哪个社会可以制订一部永远 适用的 宪法， 甚至一 条永远 适用的 法律。 ——杰 斐逊 52、法律源于人的自卫本能。——英 格索尔
53、人们通常会发现，法律就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠入 网中。 ——申 斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 石上。 ——高 尔斯华 绥 55、今天的法律未必明天仍是法律。 ——罗·伯顿
谢谢！
36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。——西班牙
3exie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
40、学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子