界面化学

7.2 固—气表面化学
7.2.1 固体表面的结构
3、表面层的微观结构 铜、镍等金属的表面薄层氧化膜 具有一定的周期性结构。可通过 高分辨电子显微镜（HREM）深 入研究表层氧化膜的晶体结构。
7.2 固—气表面化学
7.2.2 固体表面吸附
固体表面原子有多种配位环境，具有许多重要性 质，如催化性能和吸附性能等。 物理吸附：范德华力，吸附热值相当于凝聚 热或液化热，小于20kJ/mol；选择性差，可 吸 出现多层吸附。 附 化学吸附：化学键力，吸附热与化学反应热 相当，约40~400kJ/mol；有明显选择性，单 层分布。需要相当大的活化能。
原子级 高分辩率
应用：表面结构分析。 诱导场致化学反应。 研究单分子的结构和性质。
7.5 膜的化学
二维材料
膜
二维伸展的结构体 功能：从物质群中 有选择地透过或输 送特定的物质。
分离功能 能量转化功能 生物功能 离子选择电极
7.5 膜的化学
7.5.1 分离功能膜
利用气体透过膜对不 同气体的透过系数不 同，富集气体； 利用选择性薄膜反渗 透法，淡化海水
疏水性 烷烃基>烯烃基> 带烷烃链的芳香烃基>芳香烃基>醚基
7.1 水溶液的表面化学
7.1.2 表面活性剂
7.1 水溶液的表面化学
7.1.2 表面活性剂
表面活性剂在溶液中将出现两个基本性质： 表面吸附和定向排列。 表面吸附值表面活性剂分子从溶液内部移至 表面，在表面上富集，使表面层浓度高于溶 液内部浓度。 定向排列是指表面活性剂以疏水基团朝向气 相，亲水基团插入水中，满足疏水基团逃离 水环境的要求，在溶液表面形成定向排列的 吸附层。
低温时化学吸附很慢，物理吸附占优势；温度升高，化 学吸附逐渐代替物理吸附而占优势。
7.2 固—气表面化学
7.2.2 固体表面吸附
7.2 固—气表面化学
7.2.3 合成氨反应过程的催化机理
1909年，Haber用锇（76Os，读音é ）做催化剂， 在高温高压下，将N2和H2反应生成氨。这种方法 称为Haber合成氨法。Haber因此获得1918年诺贝尔 化学奖。 后来Bosch将催化剂改为同族元素铁，大规模 进行工业生产，因此获得1931年诺贝尔化学奖。 Ertl在原子、分子水平上对合成氨的催化机理 和固体表面化学进行了深入研究，获得2007年诺 贝尔化学奖。
7.1 水溶液的表面化学
7.1.2 表面活性剂
在稀溶液中形成胶团，刚形 成胶团时的表面活性剂的浓 度称为临界胶团浓度，用 CMC表示。非极性的烷烃 能加溶于胶团内核非极性基 团聚集处，这种性质称加溶 作用。 随浓度增加：a-b-...-f 反胶团——油包水 双分子膜—囊泡—多室囊泡
7.1 水溶液的表面化学
7.4 纳米材料和纳米技术
7.4.1 纳米材料
纳米材料：三维空 间尺寸至少有一维 处于纳米量级。
纳米量级：1~100nm
纳米微粒（零维材料） 纳米纤维（直径为纳米 级，一维材料） 薄膜（厚度为纳米级， 二维材料）
介于宏观物质与微观原子或分子的过渡亚稳态物质
界面效应、临界尺寸效应、量子尺寸效应、量子隧道效应
7.3 固—液和固—固界面化学
7.3.3 氧化物和盐类在载体表面自发单层分散
单层分散在载体表面的氧化物和盐类， 经还原所得的金属，其晶粒要比晶相氧 化物或盐类还原所得的晶粒小得多，比 表面积大，活性高，是制备高效活性催 化剂的很好方法。 了解物质在固-固界面上发生的变化。 应用：指导催化剂的制备，设计和制备 新型吸附剂，制备新型固体电解质……
7.3.2 钎焊：铝材的焊接
钎焊的优点： 1、整体加热或钎缝周围大面积均匀加热，工件的 相对变形量及钎焊接头的剩余应力比熔焊小得多， 易于保证工件的精密尺寸。 2、钎焊反应只在母材数微米至数十微米厚的界面 上进行，一般不涉及母材深层的结构，特别有利 于异种金属间，或金属与非金属，甚至非金属之 间的连接，这是熔焊做不到的。 3、钎焊的接头可通过优选钎料、钎剂和工艺做到 “天衣无缝”而无需加工。 4、钎焊可通过热扩散处理加强钎缝的强度。
7.3 固—液和固—固界面化学
7.3.2 钎焊：铝材的焊接
钎焊：将两块工件在比母材熔化温度低、工件保持 固态的条件下，用熔化的液态钎料在工件的间隙中 或表面上润湿、毛细流动、填充、铺展、与母材相 互作用，再冷凝成牢固的接头，将工件连接在一起。
不同保温时间的钎缝微观组织形貌
7.3 固—液和固—固界面化学
7.4 纳米材料和纳米技术
7.4.1 纳米材料
纳米材料特性： 1、纳米金属材料熔点低： 不互溶金属冶炼合金； 2、对光的反射率很低（约1%）： 红外检测、红外吸收、隐形飞机； 3、表面积大，表面活性高： 高性能催化剂。
7.4 纳米材料和纳米技术
7.4.2 扫描探针显微技术（SPM）
扫描隧道显微技术（STM） 原子力显微技术（AFM） 磁力显微技术（MFM）------
7.3 固—液和固—固界面化学
7.3.2 钎焊：铝材的焊接
在界面上有传质作用发生时，界面张力会下 降，润湿性好。故液体钎料和固体母材间若有一 定的互溶度，通常能很好地润湿，否则很难润湿。 互溶度过大又会影响钎料的铺展性能，因为 过大的互溶度将使液体钎料向母材晶间和晶粒中 渗透，而难以向表面铺展。 配置优良的钎料要考虑多方面：sg - sl = lgcosθ
7.3 固—液和固—固界面化学
7.3.1 固体表面的润湿性能
润湿方程： 反映液体在固体界面上 润湿性能的基本方程
sg - sl = lgcosθ
sg必须大于lg方能被液体润湿。 水：lg =72.8mJ/m2 金属和无机盐sg为500~5000mJ/m2，易被水润湿； 有机固体sg常低于100mJ/m2，很难被水润湿。 利用表面活性剂降低lg，而对影响不大时sg，有利 于提高润湿性能。 应用：雨衣防水布、喷洒农药等
第七章 界面化学
7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 水溶液的表面化学 固-气表面化学 固-液和固-固界面化学 纳米材料和纳米技术 膜的化学
7.1 水溶液的表面化学
7.1.1 水溶液的表面张力

表面张力是液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿 表面作用于任一界线上的张力。 空 气
液 体
分子在表面和液体内部所受的吸引力不同
7.5 膜的化学
7.5.4 膜电位和离子选择电极
当膜两边的溶液中某种离子有着浓度 差异时，能产生浓差电位。 不同的膜由于成分和结构不同，对不 同离子有着不同敏感度，产生不同的 膜电位。 根据膜的特性，用不同组成和结构的 固体膜制造离子选择电极，通过测定 膜电位，了解溶液中某种离子的浓度。
7.2 固—气表面化学
7.2.1 固体表面的结构
表面原子倾向于进入新的平衡位置，从而改 变层内原子间的距离、改变配位数，甚至重建表 面结构。 处在表面上的原子，未达到饱和的成键状态， 存在大量的悬空键，因而表面原子的性质比较活 泼，不同于体相内部的原子。 不能简单的把表面看作体相的中止，把表面 结构看作体相结构的延续。
7.2 固—气表面化学
7.2.3 合成氨反应过程的催化机理
合 成 氨 反 应 过 程 示 意 图
7.3 固—液和固—固界面化学
7.3.1 固体表面的润湿性能
液体能否在固体表面铺展润湿，取决于液体的 表面张力γlg、液-固表面张力γsl和固-气表面张力γsg 。
θ<90º
接触角θ越小， 润湿性越好 θ>90º θ越大，润 湿性越差
表面积 收缩倾 向，球 形
7.1 水溶液的表面化学
7.1.1 水溶液的表面张力
表面能γ：增加液体表面，即将分子由内 部移至表面所需之功，是克服周围分子的 吸引所需之功。 表面能是分子间吸引力的一种量度。 可用单位长度上的力，即表面张力表示。 水在20度时的表面张力为为72.8mN/m，其 表面能为72.8mJ/m2 。 对纯液体来说，当温度和压力一定时，γ 是一个定值。
7.1 水溶液的表面化学
7.1.3 疏水效应原理
水中水分子之间通过氢键结合在一起，氢 键的作用力比范德华力强得多。 当有一个非极性分子如环己烷进入水中， 环己烷分子周围和水接触的界面不能形成氢键， 使周围的水分子隔开，这个过程使体系能量升 高，是个不稳定过程。所以水中的多个非极性 分子倾向于自动聚在一起，缩小分子和水接触 的表面积。 水溶液中非极性分子或基团结合在一起的 力称为疏水效应（又称疏水作用或疏水键）。
7.1 水溶液的表面化学
7.1.1 水溶液的表面张力
对溶液而言，γ随溶质的浓度而变： (a)随溶质浓度增大而升高，如 NaCl、Na2SO4、KOH等无机盐； (b)随溶质浓度增加而降低，如 ROH、RCOOH、RCHO和 RCOOR等极性有机物。 (c)开始加少量的溶质，表面张 力急剧下降，到一定浓度后区 域稳定。属于这类的溶质有八 碳以上的有机酸盐、有机铵盐、 磺酸盐和苯磺酸盐等。
7.5 膜的化学
7.5.2 生物功能膜
皮肤透气出汗； 肺泡壁膜使血液在膜上接触，而血液又不会外流； 细胞壁的膜蛋白（实际上是细胞膜上的三磷酸腺 苷）维持Na+和K+离子浓度
7.5 膜的化学
7.5.3 能量转化功能膜
LB膜： 利用LangmuirBlodgett技术制备 的超薄膜 厚度均匀、稳定可靠
吸附气体的种类和厚度随金属 性质的不同而由差别。通常主要吸 附的是水蒸气、O2、CO2和H2S。
吸附的气体渗入表层几十纳米， 形成氧化膜层，不同的金属和不同 的吸附气体可形成多种组成和结构 的化合物，通常是由氧化物的水合 物、氢氧化物、碱性碳酸盐等组成。 变形层是由于压力加工使晶粒 变形产生的结构，约1~10μm。变形 层和氧化膜层之间有1~2μm的微晶 组织。
7.3 固—液和固—固界面化学
7.3.3 氧化物和盐类在载体表面自发单层分散
氧化物或盐 + 载体 热力学解释？ 焙烧 （<熔点）
自发分散成单层
固-固界面
三维----二维是熵增过程；表面键与内部化学键强 度相当，焓变很小；表面能效应可忽略；所以此过 程是自由能减少的过程，是热力学自发变化的过程。 金属在氧化物载体表面难以实现单层分散，因为金 属原子与载体表面的相互作用力很弱，远不如金属 内部的金属键强。
第七章
界面化学
第七章 界面化学



界面：密切接触的两相之间的过渡区域，约几 个分子的厚度。如果其中一相是气体，这种界 面通常称为表面。 胶体：由无数大小为10-9~10-6m的质点分散于介 质中组成的体系，包括乳状液、悬浮体、泡沫 等粗分散体系以及细分散的纳米体系。 界面化学是研究胶体分散体系和发生在界面的 一切化学反应过程与界面现象的化学。
7.1 水溶液的表面化学
7.1.3 疏水效应原理
疏水效应的本质并非由于非极性分子之间有 较强的吸引力，而是因为水分子和水分子之间的 氢键力很强，把非极性分子或基团挤压在一起的 结果，这样可以使体系的能量降低。 表面活性剂的两亲性、物质相互溶解的相似 相溶的性质等，都是非极性分子或基团间的疏水 效应在不同条件下的表现，其实质是水分子之间 为了形成氢键而降非极性组分挤压在一起的结果。
7.2 固—气表面化学
7.2.1 固体表面的结构
1、洁净固体表面的结构图像 纯金属的表面并不是光 滑的、简单的。 表面原子间的差异，主 要表现在他们的配位数 不同。 不同类型原子的化学行 为不同，吸附热和催化 活性差别很大。
7.2 固—气表面化学
7.2.1 固体表面的结构
2、固体表面层的剖面结构
7.1 水溶液的表面化学
7.1.2 表面活性剂
表面活性剂：能显著降低水的表面张力的溶质。一 般为两亲性的有机化学试剂。一端带极性基团，能 和水形成氢键，亲水；另一端为非极性烃基，疏水。
烃基8个碳以上
- > -COO- > -SO - > -N+R > -COO-(酯) -OSO 3 3 3 亲水性 > -COOH> -OH>-O-(醚)>-CH2CH2O-
7.1.2 表面活性剂
表面活性剂的应用 利用不同的表面活性剂可对 体系起乳化、破乳、起泡、 1) 矿石浮选 分散、絮凝等多方面的作用。 2) 油田开发 不溶的表面单分子膜和多分 3) 洗涤 子层沉积薄膜（LB膜）也是 4) ……… 定向排列的分子有序组合体。 生物膜的基本结构是以类脂 为“框架”的定向排列的双 分子膜。