固体界面物理化学
物理化学中的表面现象和界面反应
物理化学中的表面现象和界面反应表面现象和界面反应是物理化学领域中的重要课题，涉及到物质与界面的相互作用、表面结构、表面能量等方面。
本文将以此为主题，介绍表面现象和界面反应的基本概念、研究方法以及在生物、化工等领域的应用。
一、表面现象的基本概念表面现象是指物质与界面之间的相互作用过程，包括液体-气体界面和固体-气体界面。
液体-气体界面的表面现象包括液体表面张力和液滴形成，固体-气体界面的表面现象包括液体在固体表面的吸附、界面活性剂的作用等。
表面现象有其固有的特点，例如，液体分子在液体-气体界面上受到复杂的吸附相互作用，导致液滴形成；而在固体-气体界面上，固体表面原子和分子的排列方式与体相有所不同，表现出特定的性质。
二、研究表面现象的方法研究表面现象的方法主要包括表面张力测定、界面活性剂的表面吸附等实验手段。
例如，通过在液体-气体界面加压，测定液滴的半径变化来确定液体表面的张力。
界面活性剂的表面吸附可以通过测定界面剂溶液的表面张力和浓度来推断。
此外，表面和界面的结构也可以通过许多表征手段进行研究，包括拉曼光谱、X光衍射、透射电子显微镜等技术。
这些方法可以直接或间接地揭示表面分子和原子的排列方式、键长、键角等信息。
三、界面反应的原理与应用界面反应是指液体-液体界面或者固体-液体界面上发生的化学反应。
在界面反应过程中，各相之间的相互作用和传递起着重要的作用。
界面反应在生物、化工等领域有广泛的应用。
例如，生物体内的很多生化反应发生在细胞膜界面上；某些化工过程中，通过控制液体-液体界面上的界面反应，可以实现组分之间的选择性分离和传递，提高反应效率。
四、表面化学在材料制备中的应用表面化学是指通过改变固体表面的结构和性质，来实现功能化、修饰和改进材料性能的一种方法。
例如，通过在金属表面形成一层氧化物薄膜，可以提高金属的耐腐蚀性和强度；通过在纳米颗粒表面修饰有机分子，可以实现药物的缓慢释放，用于肿瘤治疗。
除此之外，表面化学在光电子学、传感器等领域也有广泛的应用。
固体的表面及其结构
常见情况是介于二者之间，即在吸附剂和吸附物之间
形成共有电子，且常为不对称 对于离子晶体，表面主要取决于晶格能和极化作用。
第五章 固体表面与界面 —— 5.1 固体的表面及其结构
资源加工与生物工程学院
（2）分子引力，也称范德华（van der Walls）力 是固体表面产生物理吸附和气体凝聚的主要原因， 主要来源于三种效应： （1）定向作用：主要发生在极性分子（离子）之间， 也称葛生力（Keesen force）； （2）诱导作用：主要发生在极性分子与非极性分子之 间，也称德拜力（Debye force）； （3）分（色）散作用：主要发生在非极性分子之间， 也称伦敦力（London force）。
第五章 固体表面与界面 —— 5.1 固体的表面及其结构
资源加工与生物工程学院
2. 粉体表面结构
粉体制备过程中由于反复破碎，不断形成新表面，表面
层离子极化变形和重排使表面晶格畸变，有序性降低；
随粒子微细化、比表面增大，表面结构有序程度受到愈
来愈强烈的扰乱并不断向颗粒深部扩展，最后使粉体表
面结构趋于无定形化。 两种不同的模型： 无定形结构； 粒度极小的微晶结构
1. 晶体表面结构
2. 粉体表面结构 3. 玻璃表面结构 4. 固体表面的几何结构
第五章 固体表面与界面 —— 5.1 固体的表面及其结构
资源加工与生物工程学院
1. 晶体表面结构
（1）真空状态下晶体表面结构特点 a. 真空状态下，无杂质、气体等吸附作用，是纯粹
质点表面力场作用；
b. 固体质点只能通过表面层质点极化、变形、位移、 重排来降低一部分表面能；
况。
第五章 固体表面与界面 —— 5.1 固体的表面及其结构
物理化学(第五版) 演示文稿8-4 固体表面的吸附作用
C—与吸附第一层气体的吸附热及该气体的液化热有 关的常数。
21
V
p p* p
1 VC
C 1 VC
p p*
对于在一定温度T、指定的吸附系统，C和V∝皆为
常数。
若以 p 对 p 作图应得一直线。 V p* p p*
§8-4 固体表面的吸附作用
一、 固体表面的不均匀性
扭折
凹陷
表面杂质
台阶 不同晶面
位错
附图 固体表面缺陷示意图
陷阱
1
吸附—为使表面能降低，固体表面会自发 地利用其未饱和的自由价来捕获气相或液相中 的分子，使之在固体表面上浓集，这一现象称 为固体对气体或液体的吸咐。
气体在固体表面的吸附相当于气体的液化 （分子失去一个空间自由度）。
四个基本假设：
(i) 固体表面对气体的吸附是单分子层的(即固体 表面上每个吸附位只能吸附一个分子，气体分子只 有碰撞到固体的空白表面上才能被吸附)。（吸附力 是化学键力）
(ii) 固体表面是均匀的(即表面上所有吸附位的吸 附能力相同)。吸附热可以作为常量处理）
(iii) 被吸附的气体分子间无相互作用力(即吸附或 脱附的难易与邻近有无吸附分子无关)；
图8-17 多分子层吸附示意图
19
该理论假设如下： 固体表面是均匀的； 吸附靠分子间力，吸附可以是多分子层的 被吸附的气体分子间无相互作用力； 吸附与脱附建立起动态平衡。
20
由BET理论导出的结果是：
p 1 C 1 p
V p* p VC VC p*
V—T、p下质量为m的吸附剂吸附达平衡时吸附气体 的体积；
《无机非金属材料科学基础》第6章 固体的表面与界面行为
由此我们可以得到一个重要的结论:肥皂池的半径越 小，泡膜两侧的压差越大。
上式是针对球形表面而言的压差计算式，对于 一般的曲面，即当表面并非球形时，压差的计算式 有所不同。一般地讲，描述一个曲面需要两个曲率 半径之值;对于球形，这两个曲率半径恰好相等。一 般曲面两个曲率的半径分别为R1和R2。我们可以得 到一般曲面的压差计算式:
1. 共价键晶体表面能
2. 离子晶体表面能
每一个晶体的自由焓都是由两部分组成，体积 自由焓和一个附加的过剩界面自由焓。为了计算 固体的表面自由焓，我们取真空中0K下一个晶体 的表面模型，并计算晶体中一个原子(离子)移到晶 体表面时自由焓的变化。在0K时，这个变化等于 一个原子在这两种状态下的内能之差。
目录
• 第一节 • 第二节 • 第三节 • 第四节 • 第五节
表面与界面物理化学基本知识 固体的表面(固-气) 固-液界面 浆体胶体化学原理 固-固界面
6.1 表面与界面物理化学基本知识
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
界面间的吻合和结合强度。
表面微裂纹是由于晶体缺陷或外力作用而产生。微 裂纹同样会强烈地影响表面性质，对于脆性材料的强度 这种影响尤为重要。
脆性材料的理论强度约为实际强度的几百倍，正是 因为存在于固体表面的微裂纹起着应力倍增器的作用， 使位于裂缝尖端的实际应力远远大于所施加的应力。
葛里菲斯（Griffith）建立了著名的玻璃断裂理论， 并导出了材料实际断裂强度与微裂纹长度的关系
R 2E C
固体表面物理化学
1. 由于固体表面原子的组成、排列、振动状态和体相原子的不同，由于悬挂键导致的化学性质活泼，以及周期性的势场中断导致的表面电子状态差异，固体表面形成很多导致表面形貌非均匀性的元素。
2. 体心立方 body-centred cubic
面心立方 face-centred cubic
简单立方 simple cubic
3. 面间距=a/(h 2+k 2+l 2)1/2=a/3
4.
5.⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡0221b b ⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡⎥⎦⎤2130a a 6. 减少表面积，表面吸附物质或形成表面氧化膜
7. 表面原子的受力情况和体内不同造成的表面原子层相对于体内原子层的整体移动以降低体系的能量，而表面原子的近邻数和旋转对称性均不改变的现象，这种现象称为表面弛豫。
晶体表面不是简单的三维晶格的终止,而是一种特殊的相——表面相。
在表面相中原子的排列和化学组成与体内不完全相同。
如果体内与表面平行的晶面上的2个基矢是为a1和a2, 则表面二维晶格的基矢为可能与此不同的a1s和a2s，这就称为表面再构现象。
物理化学中的界面现象
物理化学中的界面现象物理化学作为研究物质和能量相互作用的学科，广泛关注物质的界面现象。
界面现象是指不同相（例如气相、液相、固相）之间的交界处所表现出的一系列特殊性质和现象。
本文将对物理化学中的界面现象进行探讨，包括界面张力、胶溶体和表面活性剂等方面。
首先，我们来讨论界面张力。
界面张力是界面上单位长度所具有的能量。
液体的界面张力是由分子间吸引力和排斥力所引起的。
分子间吸引力导致液体分子之间靠近，而分子间排斥力使液体分子远离界面。
这种分子间的不均匀排布导致了界面张力的存在。
界面张力使得水滴在平面上形成球状，也使得液体能够在毛细管中上升。
接下来，我们将讨论胶溶体。
胶溶体是由固体分散在液体中形成的混合物。
在胶溶体中，固体颗粒通过与液体分子的相互作用形成一个三维网络结构。
这种网络结构赋予了胶溶体特殊的物理性质，如黏度的增加和凝胶的形成。
在生活中，我们可以看到许多胶溶体的运用，比如胶水、果冻和凝胶电池等。
最后，我们来探讨表面活性剂。
表面活性剂是一类具有亲水性头部和疏水性尾部的分子。
在液体表面，表面活性剂的头部与水分子相互作用，而尾部则与空气或其他非极性物质相互作用。
这种分子的不均匀性导致表面活性剂在液体表面形成一个稳定的单分子层，称为胶束。
表面活性剂的存在使液体的表面张力减小，也可以使油与水相溶。
这种特性使得表面活性剂广泛应用于洗涤剂、乳化剂和泡沫剂等领域。
总而言之，物理化学中的界面现象涵盖了界面张力、胶溶体和表面活性剂等方面。
这些现象的研究不仅可以深化我们对物质相互作用的理解，也为许多实际应用提供了基础。
通过进一步研究和探索界面现象，我们可以更好地理解和应用物理化学的知识。
物理化学界面现象教案中的界面浸润与液体排斥
物理化学界面现象教案中的界面浸润与液体排斥在物理化学的学习中，界面现象是一个重要的概念。
它涉及到液体、固体和气体之间的相互作用，其中界面浸润和液体排斥是主要的现象之一。
本文将介绍界面浸润和液体排斥的定义、原理以及实际应用。
一、界面浸润界面浸润是指液体在固体表面上的扩展现象。
当一个液滴接触到固体表面时，有时液滴会完全展开，与固体表面紧密接触，这就是界面浸润。
而对于某些固体表面，液滴不会完全展开，而是形成球状，只与固体表面接触一小部分，这就是非浸润。
界面浸润是由表面张力和界面张力共同作用导致的。
表面张力使液滴减小表面积，趋向于形成球状，而界面张力使液滴与固体表面发生相互作用，导致液滴展开或收缩。
对于完全浸润，液滴的自由能最小化，而对于非浸润，液滴的接触角大于90度。
界面浸润是很多实际应用中的重要现象。
例如，涂层技术中需要涂覆剂液体与基材表面的界面浸润，以保证涂层的均匀性和附着力。
在石油工业中，界面浸润可以用来控制液相在油井中的流动状态。
此外，还有许多其他领域也涉及到界面浸润的研究和应用。
二、液体排斥液体排斥是指界面上两种液体相互排斥的现象。
当不溶的液体接触到界面时，它们会排斥彼此，尽量减小界面的接触面积。
这个现象也被称为液液相互斥。
液体排斥是由于两种液体之间的相互作用力不同造成的。
根据溶液的成分和性质，液体之间会发生不同的相互作用。
如果两种液体之间的相互作用力较小，就会出现液体排斥现象，液体会在界面上形成两个分离的相。
液体排斥也有广泛的应用。
例如，液液萃取、液体色谱和乳化等过程都依赖于液体排斥现象。
此外，在微流体技术中，液体排斥也被用于分离和混合微小液滴。
总结：在物理化学界面现象教案中，界面浸润和液体排斥是两个重要的概念。
界面浸润描述了液体在固体表面的扩展现象，涉及到表面张力和界面张力的相互作用。
液体排斥则是液体在界面上相互排斥的现象，由液体之间的相互作用力决定。
界面浸润和液体排斥在许多实际应用中都起着重要的作用，如涂层技术、石油工业和微流体技术等。
无机材料物理化学固体表面与界面
无机材料物理化学固体表面与界面在材料科学的世界中，无机材料物理化学是一个极其重要的研究领域，特别是在固体表面与界面方面的研究。
这些研究涵盖了各种无机材料，包括金属、非金属、半导体和绝缘体等，它们的表面和界面行为对材料的性质和性能有着深远的影响。
我们来看看固体表面的物理化学。
固体表面是一个具有特殊结构和性质的相，它与相邻的介质（如气体、液体或另一种固体）相互作用。
这种相互作用会影响材料的润湿性、吸附性、反应性以及电子传输等性质。
例如，通过改变表面的粗糙度或化学活性，我们可以控制材料表面的润湿性，进而影响其与液体的相互作用。
界面在无机材料中同样扮演着重要的角色。
在无机材料中，界面可以是两种不同材料之间的接触面，也可以是同一材料不同晶面之间的接触面。
这些界面上的原子排列和电子结构会不同于体相材料，从而影响材料的物理和化学性质。
例如，石墨烯和氮化硼之间的界面可以影响电子传输和热导率。
我们还研究了固体表面和界面在光电、催化、储能等领域的应用。
这些应用需要我们对材料的表面和界面性质有深入的理解，才能实现高效的能量转化和优异的性能。
例如，在太阳能电池中，我们需要优化半导体材料的表面结构以增加光吸收和载流子分离效率；在催化剂中，我们需要理解表面结构对反应活性的影响以设计高效的催化剂。
无机材料物理化学中的固体表面与界面研究为我们提供了理解和控制材料性质的新途径。
通过深入了解材料的表面和界面性质，我们可以设计出具有优异性能的新材料，并优化其在能源、环保、信息技术等领域的应用。
在过去的几十年中，纳米科技的发展取得了令人瞩目的成就。
无机纳米材料，作为一种重要的纳米科技领域，具有许多独特的物理、化学和机械性质，因此在许多领域具有广泛的应用前景。
然而，由于其表面能高，无机纳米材料容易团聚和稳定性差，这限制了其实际应用。
为了解决这些问题，表面修饰改性成为了一种有效的手段。
通过对无机纳米材料进行表面修饰改性，可以有效地提高其稳定性、相容性和生物活性，从而进一步拓展其应用范围。
固体的表面与界面 材料物理化学
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。
R 2E C
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。
（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。
as
a
d0 d0
图4.1.5 重构表面示意图
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。
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。
表面化学反应对于许多工业生产起着重要作用， 例如人工肥料的生产。表面化学甚至能解释臭 气层破坏，半导体工业也是与表面化学相关联 的领域。
格哈德•埃特尔的工作：氢在金属表面的吸附 作用、氨合成的分子机理和固体表面的催化过 程等
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*
物理化学界面现象教案中的界面的定义与分类
物理化学界面现象教案中的界面的定义与分类在物理化学中，界面是指两个或多个不同相的物质之间相接触的区域。
界面现象广泛应用于许多领域，包括界面化学、界面动力学和表面科学等。
了解界面的定义和分类对于深入理解物理化学界面现象的原理和应用至关重要。
本文将介绍物理化学界面的定义与分类。
一、界面的定义界面是指两个或多个不同相的物质之间相接触的区域。
不同相之间通常存在能量和物质的差异，因此在界面区域会发生一系列特殊的现象，如表面张力、吸附、扩散等。
界面现象对于物质的传输、反应和性质等方面都起着重要作用。
二、界面的分类根据不同的标准和分析方法，界面可以分为多个不同的类别。
下面将介绍常见的几种界面的分类：1. 相界面与分界面相界面是指不同物质的两个相之间的界面，如液体与气体之间的液气界面、固体与液体之间的固液界面等。
相界面的特点是存在表面张力，表现为液面的收缩现象。
分界面是指同一物质的两个不同相之间的界面，如液滴的液气界面、气泡的气液界面等。
分界面的特点是存在界面膜，表现为液滴或气泡的形成。
2. 固液界面与气液界面固液界面是指固体与液体之间的界面。
例如，水面和固体容器之间的界面。
在固液界面上，固体与液体之间的相互作用力导致了吸附和膜形成等现象。
气液界面是指气体与液体之间的界面，如气泡和水面之间的界面。
在气液界面上，由于气体与液体之间存在相互作用力和表面张力，使得气泡能够在液面上浮起。
3. 界面与块体界面与块体的区别在于维度的不同。
界面是二维的，而块体是三维的。
例如，液面属于界面，而液体本身则是块体。
界面相比于块体更具特殊性，常常会出现一些特殊的现象，如界面扩散、界面反应等。
4. 单相界面与多相界面单相界面是指两个相不发生化学变化的界面，如纯净水和气体之间的界面。
多相界面是指两个或多个相发生化学反应的界面，如液体中的化学反应界面或固体表面的催化反应界面。
多相界面的特点是存在更多的化学反应和能量转换。
总结：物理化学界面现象教案中的界面的定义与分类主要包括相界面与分界面、固液界面与气液界面、界面与块体、单相界面与多相界面等几个方面。
材料表界面的物理化学性质研究
材料表界面的物理化学性质研究材料表界面是材料科学中的一个重要研究领域，它关注的是固体材料表面的物理化学性质，对于材料的设计、制备、性能和应用等方面都有着重要的意义。
本文将介绍材料表界面的物理化学性质研究的相关内容。
一、材料表界面的物理化学性质材料表界面是指固体材料表面与周围环境之间的交界面，它具有与体内材料相同或不同的物理化学性质。
材料表界面的物理化学性质包括表面能、界面稳定性、界面扩散、吸附和吸附动力学等。
表面能是指固体表面与周围环境之间的相互作用能力，它可以通过表面张力和表面自由能等进行描述。
界面稳定性是指材料表界面的稳定程度，即固体表面分子能量较低，表面积较小，有利于表面通量或表面反应的稳定性。
界面扩散是指材料表界面上的原子和分子在不同温度和压力下的运动和扩散。
吸附是指材料表界面吸附分子和离子的现象，它与材料的表面性质密切相关。
吸附动力学则研究了吸附过程中分子间相互作用能力和吸附速率。
二、材料表界面的研究方法材料表界面的研究方法包括实验和理论两种方法，这两种方法有各自的优缺点。
实验方法是通过实验手段直接观测和确定材料表界面的各种物理化学性质，例如表面张力、表面自由能、界面稳定性、扩散性、吸附性等，最常用的实验方法包括表面张力法、接触角法、界面扩散法、X射线衍射、原子力显微镜等。
实验方法的优点是具有直接性、准确性和可靠性，但是需要大量的物料和人力物力，耗时耗费较大。
理论方法则是通过理论计算、模拟和预测的方式研究材料表界面的各种物理化学性质，包括第一性原理计算、分子动力学模拟、蒙特卡洛模拟、密度泛函理论等。
理论方法的优点是能够直接预测和解释一些实验现象，减少实验的时间和物料的需求，但它也受到研究模型精度、计算资源等因素的制约。
三、表界面性质与材料应用材料表界面的物理化学性质对材料的应用领域有着广泛的影响。
更好地理解和掌握材料表界面的物理化学性质，能够为材料应用领域提供更为准确的设计和协调，例如促进新产品的材料开发、改善产品性能、提高产品效率、降低成本和环境污染等。
第二章固体表面的物理化学特性
第二章固体表面的物理化学特性1：表面：一种凝聚态物质与另外的物质或者真空之间的过渡区域，一般有一个或者几个原子组成（0.5~10nm）（表面原子近程有序）2：范德瓦尔斯键：固体中的原子、离子、或分子之间存在一定的结合键，这种结合键与原子结构有关，最简单的固体可能是凝固太的惰性气体，惰性气体因其原子外壳电子层已经填满而呈稳定状态，通常惰性气体原子之间的结合键非常微弱，只有处于很低的文ushi才会液化和凝固，这种结合键称为范德瓦尔斯键，处惰性气体外，许多分子之间也可通过这种键结合为固体。
分子间和氢键都属于物理键或次价键3：氯化钠固体是离子键结合的，硅石共价键结合，铜是金属键结合，这三种间都较强，铜属于化学键或主价键。
4：常见金属的晶体结构主要有三种：面心立方（fcc）、密排六方（hcp）、体心立方（bcc）。
5：表面能：要形成新的表面，需要外界提供能量，是一些键发生断裂。
6：固体材料的界面有三种：表面（固体材料与气体或液体的分界面）；晶界（多晶材料内部成分、结构相同而取向不同地晶粒或亚晶之间的界）；相界（固体材料中成分、结构不同地两相之间的界面）。
7：理想表面：一种理论上认为的结构完整的二维点阵平面，表面的原子分布位置和电子密度都和体内一样。
8：清洁表面：是指在特殊环境中经过特殊处理后获得的表面，是不存在吸附、催化反应或杂质扩散等物理、化学效应的表面。
（其结构式TLK模型P23）9：晶体表面达到稳定态的方式：自行调整；依靠表面的成分偏析。
10：θ<90°称为润湿，θ>90°称为不润湿。
11：表面电子态（表面态）：能带其电子态就会和体内布洛赫波连结起来，在体内便有不为零的几率分布，严格说这就不是表面态，这称为表面共振。
12：表面态分类：外诱表面态；本征表面态。
13：表面态和界面态的重要性：表面的原子排列与体内不同；从电荷的分布来看，表面局部电子态波函数自最外一层原子面分别向体内和真空呈指数衰减，分布在表面两侧约1~1.5nm 范围内；表面态（或零界态）对半导体材料和器件的性质，尤其是对表面电导和光学性质有重大影响。
第2章 固体表面的物理化学特性
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表面驰豫主要取决于表面断键的情况，可以有 压缩效应、驰豫效应和起伏效应。对于离子晶体， 表面离子失去外层离子后破坏了静电平衡，由于极 化作用，可能会造成双电层效应。 悬挂键 负弛豫 正弛豫
表面波纹度
又称宏观粗糙度 , 是零件表面周期性重复出现的 一种几何形状误差。 减少零件实际支承表面面积，在动配合中使零件 磨损加剧。 波高h：波峰与波谷之间的距离。 波距s：相邻两波形对应点的距离。 h /s≈1：40 ；s一般1~10mm
粗糙度的定量方法：一般是两种
1）平均高度：
必须指出的是，重组型重构常会伴有表面弛豫而进 一步降低能量，仅就对表面结构变化地影响程度而 言，表面弛豫比重组小得多。
在平行基底的表面上，原子的平移对称
性与体内显著不同，原子位置作了较大 幅度的调整，这种表面结构称为重构 （或再构）。 R（hkl）－p×q－D
式中R表示基底材料的符号；（hkl）为基底平 面的密勒指数；D是表面覆盖层或沉积物质的 符号。p、q为倍数，即表面晶格基矢与基底晶 格的基矢平行，但长度不等。
2、几种清洁表面结构和特点
表面最外层原子与第二层原子之间的距离不同 于体内原子间距（缩小或增大；也可以是有些原 子间距增大，有些减小）
固体表面物理化学作业
５.举例说明固体在形成表面的过程中，一般采取什么方式来降低表面能量。
①优势暴露具有低表面自由能的表面，如原子最密排面。
②降低表面暴露面积,如形成球形表面。
③调整表面原子几何构型。
６.什么是表面弛豫与表面再构？作用结果如何？
表面弛豫：垂直表面方向以周期方式移动。
表面再构：晶体表面相中的原子排列和化学组成与体相不完全相同的现象。它与表面弛豫和表面吸附有关。
面心立方晶胞Face-centered cubic unit cell(fcc)
３.试计算fcc{111}的面间距。
dhkl=
故fcc（111）面的面间距d111= =a/√。
Pt{100}-(2x3)-O
①表层原子排列：
②矩阵表达式Pt- -O
1.举例说明造成固体表面非均匀性的因素。
平台、螺形位错、刃形位错、吸附原子、单原子高度台阶、褶皱、扭折、平台处空位、空位电子等。
２.写出立方晶胞三种点阵的中英文表达方式。
简单立方晶胞simple cubicunit cell(sc)
体心立方晶胞Body-Centered Cubic unit cell(bcc)
固体表面物理化学第二次作业
1、举例说明造成固体表面形貌非均匀性的因素。
固体表面原子的组成、排列、振动状态和体相原子的不同；悬挂键导致的化学性质活泼；以及周期性的势场中断导致的表面电子状态差异。
2、写出立方晶胞三种点阵的中英文表达方式。
体心立方bcc，面心立方fcc，简单立方sc。
3、试计算fcc{111}的面间距。
立方晶系。
4、请画出下列wood标记的表层原子排列情况，并写出其矩阵表达方式。
Pt{100}-(2x3)-O
矩阵表达式：
5、举例说明固体在形成表面的过程中，一般采取什么方式来降低表面能量。
优势暴露具有低表面自由能的表面；降低表面暴露面积；调整表面原子几何构型。
6、什么是表面弛豫与表面再构？作用结果如何？
表面弛豫作用：垂直表面方向以周期方式移动（体相层间距的10%）。
结果：层间距，键角改变；最近临数目，转动对称性未变。
表面再构：表面原子重新排列，新的平衡位置表现为沿表面产生了横移，二维周期性与体相不同。
结果：最近邻数目，转动对称性，键角改变。
材料物理化学固体的表面与界面详解演示文稿
σ－表面电荷密度； d－扩散层厚度； ε－分散介质介电常数。
影响因素：
a）固相表面电荷密度——σ增大：ζ升高 b）电解质浓度—— 随电解质加入，ζ出现极大值 c）吸附阳离子的影响
第十五页，共81页。
第十六页，共81页。
粘土吸附以下阳离子时， ζ电位
小
大
离子电价高，每个离子所平衡的胶核负电荷数越多，胶团 中的电位下降越快，扩散层越薄，ζ降低。
离子交换能力的表征； 主要由吸附量来决定。通常以pH=7时，吸附离子毫克当量
数/100g干粘土表示（单位：毫克当量数／百克干粘 土 ）；
分为阳离子交换容量和阴离子交换容量，如阳离子交换容
量代表粘土在一定pH条件下的净负电荷数；
吸附量决定于中和表面电荷所需的吸附物的量。
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影响因素：
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1. 粘土与水的结合
结构水——以OH－形成存在于粘土晶格中，约在400～600℃
脱去，可用红外光谱检测。
吸附水——层间结合水，约100～200℃除去，与粘土颗粒的 中 的O或OH以氢键结合的水。 牢固结合水—紧挨粘土表面，通过氢键与粘土离子结合并作 有规则定向排列，又称吸附水膜，其厚度约3～10个水分子
结论：粘土粒子板面带负电，边棱可带正或负电。
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高岭石价键断裂使边棱带正电或负电 酸性介质中（pH＜6）：边棱带正电； 中性介质中（pH≈7）：边棱不带电； 碱性介质中（pH＞8）：边棱带负电。
粘土正负电荷代数和是粘土净电荷。 由于粘土负电荷远大于正电荷，则主要 带负电荷；
粘土粒子荷电性是粘土－水系统具有 一系列胶体性质的主要原因之一。
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物化课件9.表面物理化学-固体表面
公式应用范围：中等压力，单分子层吸附
Ⅰ
P
公式的局限性：无吸附机理，只代表一部分事实。
对公式取对数得
1 lg lg p lg k
n
以 lgΓ对lgP 作图为直线，斜率= 1/n , 截距= lgk
2．Langmuir吸附等温式 基本假设：
1. 固体表面是均匀的，被吸附分子间无相互作用; 2. 吸附是单分子层； 3. 吸附平衡是动态平衡。
k1 k-1 ------分别是吸附和解吸速率常数
b k1 ------吸附系数 ，其大小代表了固体表面吸附
k1
气体能力的强弱；单位为 Pa1
覆盖度
m
m ---- 单层饱和吸附量。( mol / kg 或 m3 / kg )
k1P bP
k1 k1P 1 bP
mbP 1 bP
3)在一定温度下，吸附达平衡时的吸附量是各层 吸附量的总和。
mCP
(P*
P)[1 （C
1)
P P*
]
P (P*
P)
1 mC
C 1 (
mC
P P*
)
式中 m ------ 单层饱和吸附量 ； C -------- 与吸附热有关的常数 ; P *------- 实验温度时, 气体的饱和蒸气压。
三．吸附等温线和吸附等温式
对给定的吸附体系，吸附量与温度和气体的压力有关
= f ( T, P )
若温度不变， 则 = f ( P ) , 称为吸附等温式； 若压力不变， 则 = f ( T ) , 称为吸附等压式； 若吸附量不变，则 P = f ( T ) , 称为吸附等量式；
吸附等温线的五种基本类型
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2017 年秋季学期研究生课程考核（读书报告、研究报告）考核科目:固体界面物理与化学学生所在院（系）:化工学院学生所在学科:化学工程与技术学生姓名:学号:学生类别:考核结果阅卷人第 1 页（共7 页）吸附等温线及其应用1 吸附等温线的定义吸附等温曲线是指在一定温度下溶质分子在两相界面上进行的吸附过程达到平衡时它们在两相中浓度之问的关系曲线。
在一定温度下．分离物质在液相和固相中的浓度关系可用吸附方程式来表示。
作为吸附现象方面的特性有吸附量、吸附强度、吸附状态等，而宏观地总括这些特性的是吸附等温线，也就是说吸附等温线是吸附研究中最重要的关系曲线。
2吸附等温线的分类2.1 气体吸附等温线文献中曾报道过许多不同形状的气体吸附等温线，但由国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）提出的物理吸附等温线分类可以归纳为如图1所示的六类吸附等温线：分别是I型、II型、III型、IV型和VI型吸附等温线。
图中纵坐标表示吸附量，横坐标为相对压力P/P0，P0表示气体在吸附温时的饱和蒸汽压，P表示吸附平衡时气相的压力。
各种吸附等温线对应着吸附时气体在固体表面上的排列形式，固体的孔、表面积、孔径分布以及孔容积等有关信息。
图1 六类气体吸附等温线I型等温线的特点是，在低相对压力区域，气体吸附量有一个快速增长。
这是由于发生了微孔填充过程。
随后的水平或近水平平台表明，微孔已经充满，没有或几乎没有进一步的吸附发生。
达到饱和压力时，可能出现吸附质凝聚。
外表面相对较小的微孔固体，如活性炭、分子筛沸石和某些多孔氧化物，表现出这种等温线。
II型等温线一般由非孔或宏孔固体产生。
B点通常被作为单层吸附容量结束的标志。
III型等温线以向相对压力轴凸出为特征。
这种等温线在非孔或宏孔固体上发生弱的气－固相互作用时出现，而且不常见。
IV型等温线由介孔固体产生。
一个典型特征是等温线的吸附分支与等温线的脱附分支不一致，可以观察到迟滞回线。
在P/P0值更高的区域可观察到一个平台，有时以等温线的最终转而向上结束。
V型等温线的特征是向相对压力轴凸起。
与III型等温线不同，在更高相对压力下存在一个拐点。
V型等温线来源于微孔和介孔固体上的弱气－固相互作用，微孔材料的水蒸汽吸附常见此类线型。
VI型等温线以其吸附过程的台阶状特性而著称。
这些台阶来源于均匀非孔表面的依次多层吸附。
液氮温度下的氮气吸附不能获得这种等温线的完整形式，而液氩下的氩吸附则可以实现。
在这些等温线类型中，已发现存在多种迟滞回线。
虽然影响吸附迟滞的不同原因尚未完全清晰，但其存在4种特征，并已由国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）划分出了4种特征类型。
迟滞回线的标准类型如图2所示。
图2 迟滞回线的标准类型H1型迟滞回线可在孔径分布相对较窄的介孔材料，和尺寸较均匀的球形颗粒聚集体中观察到。
H2型迟滞回线由有些固体，如某些二氧化硅凝胶给出。
其中孔径分布和孔形状可能不好确定，比如，孔径分布比H1型回线更宽。
H3型迟滞回线由片状颗粒材料，如粘土，或由缝形孔材料给出，在较高相对压力区域没有表现出任何吸附限制。
H4型迟滞回线在含有狭窄的缝形孔的固体，如活性炭中见到，在较高相对压力区域也没有表现出吸附限制。
2.2 液相吸附等温线吉里斯等人所涉及的是所有有机溶质向固体表面的吸附，根据其初始斜率可分为四种类型，分别为：S，L(朗格缪尔，Langmuir型)，H(高亲合力，High affinity型)，C(恒定分配型)。
四种典型的吸附等温线如图3所示。
图3 四种典型的吸附等温线当溶质分子满足下述三个条件时，便形成S型曲线：①为单官能性；②具有中等程度的分子间作用力，能垂直于吸附层排列；③能强烈地向溶剂分子和其它分子争夺基质上的有效吸附中心。
吉里斯等人认为，芳香族溶质、C5以上的脂肪族溶质呈现S型吸附，吸附的分子是垂直于表面定向排列的。
但是，逆定理并不成立。
萘、蒽的单磺酸盐在纤维素上的吸附遵从S型吸附．甲醇由苯中向干燥的纤维素上的吸附等温线呈S型。
呈L型吸附的体系．实际上满足下列条件．它具有下述特性之一：①被吸附的分子是以平置状态排列的，例如间苯二酚、对苯二甲醛等在氧化铝上的吸附；②即使是以垂直吸附的，但与溶剂的竞争力几乎没有。
这是L型曲线的一种特殊场合，由于溶质的亲和性高，在稀薄溶液中溶质被完全吸附，或者至少溶液中无法测定残留溶质量，所以在吸附等温线的初期部分是垂直的。
这种场合吸附的特点是在达到饱和之前，溶质在溶液和基质之间按一定的比例分配，与溶质在两个不相混溶的溶剂之间分配的平衡曲线相同。
之所以能呈直线，说明吸附位置数是一定的，这符合拉链原理。
C型曲线所表示的体系主要有四种类型：(1)非离子和单离子性芳香族溶质从惰性溶剂中向疏水性聚合体(醋纤、聚酯等)上的吸附；(2)苯(由正庚烷)或水(由丁醇)向干燥羊毛上的吸附；(3)氨基酸、缩胺酸等从水中向氧化铝粉末上的吸附；(4)在水中苯酚向合成多肽上的吸附(在羊毛上为S型曲线)，多半是由于合成多肽的结晶度高。
水不易进人，所以就变成了C型帮助分散染料向聚酯纤维内部的载体通常亦呈C型曲线。
3 吸附等温线的应用吸附等温曲线用途广泛，在许多行业都有应用。
3.1指导混合吸附剂的装填方法李旭[1]等人探讨了吸附等温线指导混合吸附剂的装填方法，混合吸附剂的装填方式，主要取决于各种吸附剂在整个吸附／脱附过程中的动态吸附量，可通过吸附等温线进行分析和指导。
在解吸压力不变的情况下，将吸附剂装填在吸附塔的下端，残留吸附量会小于将吸附剂装填在吸附塔上端的时候，而动态吸附量则会大于将吸附剂装填在吸附塔上端的时候。
对于不同的吸附质一吸附剂体系，冲洗作用所起到的效果是不同的，效果的大小以动态吸附量的变化大小为表征，取决于该吸附质一吸附剂体系的吸附等温线，故对于该类混合吸附剂的装填，有以下原则：(1)吸附等温线在低压段斜率较大的吸附体系，适合将该体系的吸附剂装填在吸附塔的下端。
(2)吸附等温线在高压段斜率较大的吸附体系，适合将该体系的吸附剂装填在吸附塔的上端。
3.2研究固体表面的分形性质赵振国[2]对固体表面的分形性质进行了研究，利用气体和蒸气吸附等温线数据求出的单层饱和吸附量和根据等温线毛细凝结区域数据求算分形固体表面分维值的方法；提出了用固体自溶液中吸附数据计算分维值的方法；讨论了介孔吸附剂的分维和固体表面分形性质在物理化学方面的应用。
采用液相吸附法采用自制硅胶，从四氯化碳中吸附脂肪醇，从环己烷中吸附脂肪醇、酮、酯和含氧芳香化合物，测的这种硅胶的分维D=2.00。
对于同一硅胶用气体单层饱和吸附量法、FHH方程法和液相吸附法所得D值基本一致，这些方法的结果得到了相互印证。
3.3 评价离子交换树脂的脱色效能赖凤英等[3]进行了用吸附等温线评价离子交换树脂的脱色效能的研究，用四种强碱苯乙烯系阴离子交换树脂和两种弱碱丙稀酸系树脂对糖浆进行静态脱色试验。
通过回归得到吸附等温线，用于比较树脂的脱色效能。
实验结果表明，强碱苯乙烯系阴树脂比弱碱丙稀系阴树脂的脱色效能好，尤以凝腔型的上海714树脂较好。
3.4 分析催化剂的孔结构袁海宽等[4]采用溶胶-凝胶法制备了金氟磺酸/二氧化硅(PFSA/SiO2)复合催化剂，调整PFSA与TEOS的配比，可制得不同PFSA负载量的复合催化剂，将PFSA含量分别为5％，13％，20％和40％的催化剂记为PFSA-5、PFSA-13、PFSA-20和PFSA-40。
四种催化剂的等温线均属于IV型等温线，PFSA-5、PFSA-13和PFSA-20催化剂属Hl型滞后环，而PFSA-40催化剂属H2型滞后环。
采用BET法确定比表面积，BJH法计算孔径分布。
结果显示，在PFSA／SiO2催化剂内形成了较为发达的圆柱状中孔，且分布较为均一。
随着催化剂内PFSA负载量的增大，表面积和孔容逐渐减小，PFSA-40催化剂的表面积和孔容急剧降低，主要是由于过多的PFSA负载量使SiO2孔网络的连续性受到破坏，或部分孔道被堵塞所造成的。
总的来说，高度分散和多孔的结构使催化剂的比表面积增大，提高了活性中心的可接近程度，同时也降低催化剂的成本。
中孔材料的吸附脱附等温线中存在吸附滞后，滞后环的形状反映了孔结构类型。
PFSA-5，PFSA-13和PFSA-20催化剂的吸附滞后环属于H1型，一般由大小均一且形状规则的孔造成，而PFSA-40催化剂的滞后环变成了H2型，催化剂内形成具有瓶颈状的圆柱状孔，且分布不均一。
采用对比曲线法(t曲线)可修正由BJH方法得到的PFSA／SiO2催化剂的孔径分布。
PFSA-5，PFSA-13和PFSA-20催化剂的t曲线有三个阶段构成，分别命名为Stage A，Stage B，Stage C。
Stage A，孔壁内N2多层吸附：Stage C，N2外表面吸附；Stage B中，PFSA-5，PFSA-13和PFSA-20催化剂的，曲线非常陡，表明孔内毛细管凝聚的发生，同时也预示中孔结构形成。
PFSA-40催化剂的t曲线Stage B的水平偏离表明其内有微孔存在，即PFSA一40催化剂内部并不是分布均一的中孔，这与氮气吸附滞后的分析结果相一致。
另外，t曲线的微分形状与多孔材料的孔径分布非常相似，能定性反映PFSA／SiO2催化剂的孔径分布。
PFSA-5，PFSA-13和PFSA-20催化剂的微分曲线在t=0.6～1.0 nm存在较为尖锐的峰，意味着均一孔结构的形成。
PFSA-40催化剂的微分曲线上所形成的峰并不明显，表明PFSA-40催化剂具有较宽的孔径分布，与吸附滞后的分析结果一致。
因此，使用t曲线及其微分曲线来分析PFSA／SiO2催化剂的孔径分布是对BJH 法很好的补充。
3.5 表征页岩孔隙结构杨侃等[5]采用气体吸附等温线法对表征页岩孔隙结构的模型进行了适用性初探。
针对常见的基于探针气体吸附等温线的孔隙表征方法，通过选择3件标准样品(介孔和微孔材料以及纳米碳管)，对比分析了BJH法、HK法和QSDFT法的结果。
研究发现BJH法和HK法分别仅适用于介孔和微孔的表征，而QSDFT法对介孔和微孔的表征都适用。
鉴于页岩孔隙具有孔径分布广、孔隙结构复杂的特点，因此建议在分析页岩孔隙结构时宜采用QSDFT方法。
同时，还分析了2件采自四川筇竹寺组的页岩样品，分析结果表明：该页岩富含微孔。
按照BJH法得到的孔径分布进行的估算，所得甲烷吸附容量显著低于QSDFT方法的结果。
参考文献[1] 李旭，张剑锋，杨云.吸附等温线指导混合吸附剂装填的方法探讨[J].广州化工.2014.7.42（13）：37-38.[2]赵振国.吸附法研究固体表面的分形性质[J].大学化学.2005.8.20(4):22-28.[3]赖凤英，陈焕章，林福兰.用吸附等温线评价离子交换树脂的脱色效能[J].广西蔗糖.2000.6.2:31-33,42.[4]袁海宽，马晓华，许振良.氮气吸附等温线分析PFSA／SiO2复合催化剂孔结构[J].中国科学：化学.2011.41(6):1094.[5] 杨侃，陆现彩，徐金覃等.气体吸附等温线法表征页岩孔隙结构的模型适用性初探[J].煤炭学报.2013.5.38(5):817-821.[6] 吴焕领，魏赛男，崔淑玲.吸咐等温线的介绍及应用[J].2006.10.28(10):12-14,27.。