表面科学的某些基本概念和理论
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
有人做了钢和环氧树脂粘结的剪切强度试验，采用不同的有机溶剂 清洁钢的表面，所得的表面清洁状况不同，从而影响了接触角θ不同， 而导致粘结强度的不同。 三、固体对固体的吸附
第二章 表面科学的某些基本概念和理论 第一节 固体材料的表面
一、固体材料的表面 固体是一种重要的物质形态。它大致可分为晶体和非晶体两类。 在固体中，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。 固体材料的分类方法很多，例如按材料特性可分为金属材料、无机
非金属材料和有机高分子材料；若按固体材料所起的作用可分为结构材 料和功能材料两大类。
（2）表面驰豫 晶体的三维周期性在表面处突然中断，表面上原子的配位情况发生 变化，并且表面原子附近的电荷分布也有改变，使表面原子所处的力场 与体内原子不同，因此，表面上的原子会发生相对于正常位置的上、下 位移以降低体系能量。表面上原子的这种位移（压缩或膨胀)称为表面 驰豫。 表面驰豫的最明显处是表面第一层原子与第二层原子之间距离的变 化。越深入体相，驰豫效应越弱，并且是迅速消失。因此，通常是只考
间的相互作用力（内聚力）和液固分子间的吸引力（粘附力）的相对大 小，若后者较大，则液体在固体表面铺展，呈润湿；若前者占优势则不 铺展，呈不润湿。
液体和固体之间的吸附粘结力可以表示为：ISL=γL+γs－ γsL=γL（1+cosθ）
可见，粘结力大小与液体表面张力γL及接触角θ有关。θ愈小，则 ISL越大，粘结越牢。
图2-2 是金属材料在工业环境中被污染的实际表面示意图
第二节 固体表面的物理吸附和化学吸附
由于固体表面上原子或分子的力场是不饱和的，就有吸引其它分子 的能力，从而使环境介质在固体表面上的浓度大于体相中的浓度，这种 现象称为吸附。吸附是固体表面最重要的性质之一。
在表面工程技术中，许多工艺都是通过基体和气体或液体的表面接 触作用而实现的，因此了解表面对于气体和液体的基本作用规律非常重 要。 一、固体对气体的吸附
是产生位错等晶体缺陷而引起的弹性畸变（点阵畸变）。 残余应力对材料的许多性能和各种反映过程可能会产生很大的影
响。有利也有弊。例如材料在受载时，内应力将与外应力一起发生作 用。如果内应力方向和外应力方向相反，就会抵消一部分外应力，从而 起有利作用；如果方向相同则相互叠加，则起坏作用。许多表面技术就 是利用这个原理，即在材料表层产生残余压应力，来显著提高零件的疲 劳强度，降低零件的疲劳缺口敏感度。
近于反应热（1～ 40kj·mol-1） 化学键力 强
吸附层 单分子层或多分子层
仅单分子层
吸附选择
无
有
性
吸附速率
快
慢
吸附活化 能
不需
需要、且很高
吸附温度
低温
较高温度
吸附层结 基本同吸附质分子结构 构
形成新的化合态
虽然二者有明显的区别，但二者并不是孤立的、截然分开的，在固体表面上常常会出现化学吸
附和物理吸附同时存在的现象。而且，气体先进行物理吸附再发生化学吸附要比先解离再发生
图中：θ为接触角，θ角的大小。与界面张力有关：γs=γLcosθ+γsL 其中：γs为固体表面张力；γL为液体表面张力；γsL为固体和液体界 面张力。 该方程表明接触角的大小与三相界面之间的定量关系。因此，凡是 能引起任一界面张力变化的因素都能影响固体表面的润湿性。从上式可 见： 当γs>γsL时，则cosθ>0为正值，θ<90°，此时为润湿；而且γs与γsL相 差越大，θ角越小，润湿性越好； 当γs<γsL时，则cosθ<0为负值，θ>90°，此时不润湿；而且γs越大和 γsL越小时，θ角越大，不润湿程度越严重。 应当指出的是，上面的平衡式仅适用于固、液、气三相的稳定接触 的情况。这时三个界面张力之间必须满足不等式γs－γsL≤γL，否则，分 子大于分母，θ角就无意义了。这时三相接触不能建立平衡。 由该方程可以看出：表面能高的固体比表面能低的固体更容易被液 体所润湿。所以在生产上可以通过改变三个相界面上的γ值来调整接触 角。如加入一种使γL和γsL减少的所谓表面活性物质，可使θ减小，润湿 程度增加；反之，若加入某种使γL增大的表面惰性物质，可使θ增大， 润湿程度减小。 润湿作用可以从分子间的作用力来分析：润湿与否取决于液体分子
固体表面是指固气界面或固液界面。它实际上是由凝聚态物质靠近 气体或真空的一个或几个原子层（0.5-10nm）组成，是凝聚态对气体或 真空的一种过渡。
正是这样的原因造成了固体表面有着与固体体内不同的特点：1.原 子排列不同；2.组分不同。 二、表面结构
1.理想表面结构 理想表面结构是一种理论上的结构完整的二维点阵平面。这里忽略 了晶体内部周期性热场在晶体中断的影响，也忽略了表面上原子的热运 动以及出现的缺陷和扩散现象，又忽略了表面外界环境的作用等，因而 把晶体的解理面认为是理想表面。 2.清洁表面结构 （1）清洁表面的一般情况
单晶表面的TLK模型已被低能电子衍射（LEED）等表面分析结果 所证实。由于表面原子的活动能力较体内大，形成点缺陷的能量小，因
而表面上的热平衡点缺陷浓度远大于体内。各种材料表面上的点缺陷类 型和浓度都依一定条件而定，最为普遍的是吸附（或偏析）原子。
另一种晶体缺陷是位错（线）。由于位错只能终止在晶体表面或晶 界上，而不能终止在晶体内部，因此位错往往在表面露头。实际上位错 并不是几何学上定义的线而近乎是一定宽度的“管道”。位错附近的原子 平均能量高于其他区域的能量，容易被杂质原子所取代。如果是螺位错 的露头，则在表面形成一个台阶。
虑第一层的驰豫效应。这种改变能改变键角，但不影响表面单胞（二 维），故不影响低能电子衍射（LEED）图象。
表面驰豫主要取决于表面断键的情况，可以由压缩效应、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。
（3）表面重构 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，这种表面结构的变化称为重构。 表面重构与表面悬挂键有关，这种悬挂键是由表面原子价键的不饱和而 产生的。当表面吸附外来原子而使悬挂键饱和时，重构必然发生。 （4）表面台阶 清洁表面实际上不会是完整表面，因为这种原子级的平整表面的熵 很小，属热力学不稳定状态，因此，清洁表面必然存在台阶结构等表面 缺陷。如前所述，由leed等实验证实许多单晶体的表面有平台、台阶和 扭折。 3.实际表面结构 实际表面就是我们通常接触到的表面，与清洁表面相比较，有下列 一些重要特点： （1）表面粗糙度：经切削，研磨，抛光的固体表面似乎很平整， 然而用电子显微镜进行观察，可以看到表面有明显的起伏，同时还可能 有裂缝、空洞等。 （2）贝尔比层：固体材料经切削加工后，在几个微米或者十几个
材料经过不均匀塑性变形后卸载，就会在内部残存作用范围较大的 宏观内应力。许多表面加工处理能在材料表层产生很大的残余应力。焊 接也能产生残余应力。材料受热不均匀或各部分热胀系数不同，在温度 变化时就会在材料内部产生热应力，它也是一种内应力。
微观内应力的作用范围较小，大致有两个层次。一种是其作用范围 大致与晶粒尺寸为同一数量级，例如多晶体变形过程中各晶粒的变形是 不均匀的，并且每个晶粒内部的变形也不均匀，有的已发生塑性变形， 有的还处于弹性变形阶段，当外力去除后，属于弹性变形的晶粒要恢复 原状，而已塑性流动的晶粒就不能完全恢复，造成了晶粒之间互相牵连 的内应力，如果这种应力超过材料的抗拉强度，就会形成显微裂纹。另 一种是微观内应力，其作用范围更小，但却是普遍存在的。对于晶体来 说，由于普遍存在各种点缺陷（空位、间隙原子）、线缺陷（位错）和 面缺陷（层错、晶界、孪晶界），在它们周围引起弹性畸变，因而相应 存在内应力场。金属变形时，外界对金属做的功大多转化为热能而散 失，而大约有小于10％的功以应变能的形式贮存于晶体，其中绝大部分
无论是具有各种缺陷的平台，还是台阶和扭折都会对表面的一些性 能产生显著的影响。例如TLK表面的台阶和扭折对晶体生长、气体吸附 和反应速度等影响较大。
严格地说，清洁表面是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。因此，制备 清洁表面是很困难的，而在几个原子层范围内的清洁表面，其偏离三维 周期性结构的主要特征应该是表面弥豫、表面重构以及表面台阶结构。
图2-1为单晶表面的TLK模型。这个模型有Kossel和Stranski提出。 TLK中的T表示低晶面指数的平台（Terrace）；L表示单分子或单原子 高度的台阶（Ledge）；K表示单分子或单原子尺度的扭折（Kink）。 除了平台，台阶和扭折外，还有表面吸附的单原子（A）以及表面空位 （V）。
图2-1 “TLK”台阶化说明图
气体分子或原子在固体表面上发生吸附作用的吸引力和单个原子或
分子之间相互作用力本质上没有多大区别，问题只是表面原子参与了固
体的体相结构，因此使力受到影响。一个气体分子被表面吸附的吸引力
主要分成物理和化学两类：（1）物理吸附：任何气体在其临界温度以
下，都会在其和固体表面之间的范德华力作用下，被固体吸附。但两者
微米的表层中可能发生组织结构的剧烈变化，使得在表面约10nm的深 度内，形成一种非晶态薄层为贝尔比（Beilby）层。
（3）表面存在大量的活性晶格点：由于打磨，加工表面的局部被 扭曲变形引起，这种表面常常比电解抛光或低温退火预处理后的表面更 活泼。
（4）残余应力：机加工后，除了表面产生拜尔贝层之外，还存在 着各种残余应力，按其作用范围大小可分为宏观内应力和微观内应力。
2.溶液有溶质和溶剂，都可能被固体吸附，但被吸附的程度不 同。
正吸附：吸附层内溶质的浓度比本体相大； 负吸附：吸附层内溶质的浓度比本体相小。 显然，溶质被正吸附时，溶剂必被负吸附，反之亦然。在稀溶液 中，可以将溶剂的吸附影响忽略不计，可以简单的如气体吸附一样处理 溶质的吸附，但在浓度较大时，则必须同时考虑二者的吸附.
固体材料有单晶、多晶和非晶体等。目前对一些单晶材料的清洁表 面研究得较为彻底，而对多晶和非晶体得清洁表面还研究的很少。
晶体表面是原子排列面，有一侧无固体原子键合，形成了附加的表 面能。从热力学来看，表面附近的原子排列总是趋于能量最低的稳定状 态。达到这个稳定态的方式有两种：一是自行调整，原子排列情况与材 料内部明显不同；二是依靠表面的成分偏析和表面对外来原子或分子的 吸附以及这两者的相互作用而趋向稳定态，因而使表面组分与材料内部 不同。
化学吸附容易得多。
二、固体对液体的吸附 固体表面对液体分子同样有吸附作用。但这种吸附与对气体的吸附
又有不同，主要表现为： 1.这种吸附包括对电解质吸附和非电解质吸附：对电解质吸附将使
固体表面带电或电双层中组分发生变化，也可能是溶液中的某些离子被 吸附到固体表面，而固体表面的离子则进入溶液之中，产生离子交换作 用。对非电解质吸附，一般表现为单分子层吸附，吸附层以外就是本体 相溶液。
3.固体表面的粗糙度及污染程度对吸附有很大的影响，液体表面张 力的影响也很重要。
图2-3 表面张力与接触角的关系
当θ<90°时，为润湿。θ越小，润湿性越大，液体在表面的展开能力
越强；当θ=0°时，为完全润湿，液体在表面完全铺展开来；当θ>90° 时，为不润湿。θ越大，润湿性越小，液体越不易铺展开，易收缩为球 状；当θ=180°时，完全不润湿,为球状。
之间没有电子转移；（2）化学吸附：气体和固体之间发生了电子的转
移，二者产生了化学键力，其作用力和化合物中原子之间形成化学键的
力相似，较范德华力大的多。但并不是任何气体在任何表面上都可以发
生化学吸附。
表2-1 物理吸附与化学吸附的区别
比较项
物理吸附
化学吸附
吸附热 吸附力
近于液化热（1～ 40kj·mol-1） 范德华力 弱
（5）表面氧化，吸附和粘污 固体与气体的作用有三种形式：吸附、吸收和化学反应。 吸附：固体表面吸引气体与之结合，以降低固体表面能的作用。 吸收：固体的表面和内部都容纳气体，使整个固体的能量发生变 化。 化学反应：固体与气体的分子或离子间以化学键相互作用，形成新 的物质，整个固体的能量发生显著的变化。 当固体表面暴露在一般的空气中就会吸附氧或水蒸气，甚至在一定 的条件下发生化学反应而形成氧化物或氢氧化物。如图2-2。
第二章 表面科学的某些基本概念和理论 第一节 固体材料的表面
一、固体材料的表面 固体是一种重要的物质形态。它大致可分为晶体和非晶体两类。 在固体中，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。 固体材料的分类方法很多，例如按材料特性可分为金属材料、无机
非金属材料和有机高分子材料；若按固体材料所起的作用可分为结构材 料和功能材料两大类。
（2）表面驰豫 晶体的三维周期性在表面处突然中断，表面上原子的配位情况发生 变化，并且表面原子附近的电荷分布也有改变，使表面原子所处的力场 与体内原子不同，因此，表面上的原子会发生相对于正常位置的上、下 位移以降低体系能量。表面上原子的这种位移（压缩或膨胀)称为表面 驰豫。 表面驰豫的最明显处是表面第一层原子与第二层原子之间距离的变 化。越深入体相，驰豫效应越弱，并且是迅速消失。因此，通常是只考
间的相互作用力（内聚力）和液固分子间的吸引力（粘附力）的相对大 小，若后者较大，则液体在固体表面铺展，呈润湿；若前者占优势则不 铺展，呈不润湿。
液体和固体之间的吸附粘结力可以表示为：ISL=γL+γs－ γsL=γL（1+cosθ）
可见，粘结力大小与液体表面张力γL及接触角θ有关。θ愈小，则 ISL越大，粘结越牢。
图2-2 是金属材料在工业环境中被污染的实际表面示意图
第二节 固体表面的物理吸附和化学吸附
由于固体表面上原子或分子的力场是不饱和的，就有吸引其它分子 的能力，从而使环境介质在固体表面上的浓度大于体相中的浓度，这种 现象称为吸附。吸附是固体表面最重要的性质之一。
在表面工程技术中，许多工艺都是通过基体和气体或液体的表面接 触作用而实现的，因此了解表面对于气体和液体的基本作用规律非常重 要。 一、固体对气体的吸附
是产生位错等晶体缺陷而引起的弹性畸变（点阵畸变）。 残余应力对材料的许多性能和各种反映过程可能会产生很大的影
响。有利也有弊。例如材料在受载时，内应力将与外应力一起发生作 用。如果内应力方向和外应力方向相反，就会抵消一部分外应力，从而 起有利作用；如果方向相同则相互叠加，则起坏作用。许多表面技术就 是利用这个原理，即在材料表层产生残余压应力，来显著提高零件的疲 劳强度，降低零件的疲劳缺口敏感度。
近于反应热（1～ 40kj·mol-1） 化学键力 强
吸附层 单分子层或多分子层
仅单分子层
吸附选择
无
有
性
吸附速率
快
慢
吸附活化 能
不需
需要、且很高
吸附温度
低温
较高温度
吸附层结 基本同吸附质分子结构 构
形成新的化合态
虽然二者有明显的区别，但二者并不是孤立的、截然分开的，在固体表面上常常会出现化学吸
附和物理吸附同时存在的现象。而且，气体先进行物理吸附再发生化学吸附要比先解离再发生
图中：θ为接触角，θ角的大小。与界面张力有关：γs=γLcosθ+γsL 其中：γs为固体表面张力；γL为液体表面张力；γsL为固体和液体界 面张力。 该方程表明接触角的大小与三相界面之间的定量关系。因此，凡是 能引起任一界面张力变化的因素都能影响固体表面的润湿性。从上式可 见： 当γs>γsL时，则cosθ>0为正值，θ<90°，此时为润湿；而且γs与γsL相 差越大，θ角越小，润湿性越好； 当γs<γsL时，则cosθ<0为负值，θ>90°，此时不润湿；而且γs越大和 γsL越小时，θ角越大，不润湿程度越严重。 应当指出的是，上面的平衡式仅适用于固、液、气三相的稳定接触 的情况。这时三个界面张力之间必须满足不等式γs－γsL≤γL，否则，分 子大于分母，θ角就无意义了。这时三相接触不能建立平衡。 由该方程可以看出：表面能高的固体比表面能低的固体更容易被液 体所润湿。所以在生产上可以通过改变三个相界面上的γ值来调整接触 角。如加入一种使γL和γsL减少的所谓表面活性物质，可使θ减小，润湿 程度增加；反之，若加入某种使γL增大的表面惰性物质，可使θ增大， 润湿程度减小。 润湿作用可以从分子间的作用力来分析：润湿与否取决于液体分子
固体表面是指固气界面或固液界面。它实际上是由凝聚态物质靠近 气体或真空的一个或几个原子层（0.5-10nm）组成，是凝聚态对气体或 真空的一种过渡。
正是这样的原因造成了固体表面有着与固体体内不同的特点：1.原 子排列不同；2.组分不同。 二、表面结构
1.理想表面结构 理想表面结构是一种理论上的结构完整的二维点阵平面。这里忽略 了晶体内部周期性热场在晶体中断的影响，也忽略了表面上原子的热运 动以及出现的缺陷和扩散现象，又忽略了表面外界环境的作用等，因而 把晶体的解理面认为是理想表面。 2.清洁表面结构 （1）清洁表面的一般情况
单晶表面的TLK模型已被低能电子衍射（LEED）等表面分析结果 所证实。由于表面原子的活动能力较体内大，形成点缺陷的能量小，因
而表面上的热平衡点缺陷浓度远大于体内。各种材料表面上的点缺陷类 型和浓度都依一定条件而定，最为普遍的是吸附（或偏析）原子。
另一种晶体缺陷是位错（线）。由于位错只能终止在晶体表面或晶 界上，而不能终止在晶体内部，因此位错往往在表面露头。实际上位错 并不是几何学上定义的线而近乎是一定宽度的“管道”。位错附近的原子 平均能量高于其他区域的能量，容易被杂质原子所取代。如果是螺位错 的露头，则在表面形成一个台阶。
虑第一层的驰豫效应。这种改变能改变键角，但不影响表面单胞（二 维），故不影响低能电子衍射（LEED）图象。
表面驰豫主要取决于表面断键的情况，可以由压缩效应、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。
（3）表面重构 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，这种表面结构的变化称为重构。 表面重构与表面悬挂键有关，这种悬挂键是由表面原子价键的不饱和而 产生的。当表面吸附外来原子而使悬挂键饱和时，重构必然发生。 （4）表面台阶 清洁表面实际上不会是完整表面，因为这种原子级的平整表面的熵 很小，属热力学不稳定状态，因此，清洁表面必然存在台阶结构等表面 缺陷。如前所述，由leed等实验证实许多单晶体的表面有平台、台阶和 扭折。 3.实际表面结构 实际表面就是我们通常接触到的表面，与清洁表面相比较，有下列 一些重要特点： （1）表面粗糙度：经切削，研磨，抛光的固体表面似乎很平整， 然而用电子显微镜进行观察，可以看到表面有明显的起伏，同时还可能 有裂缝、空洞等。 （2）贝尔比层：固体材料经切削加工后，在几个微米或者十几个
材料经过不均匀塑性变形后卸载，就会在内部残存作用范围较大的 宏观内应力。许多表面加工处理能在材料表层产生很大的残余应力。焊 接也能产生残余应力。材料受热不均匀或各部分热胀系数不同，在温度 变化时就会在材料内部产生热应力，它也是一种内应力。
微观内应力的作用范围较小，大致有两个层次。一种是其作用范围 大致与晶粒尺寸为同一数量级，例如多晶体变形过程中各晶粒的变形是 不均匀的，并且每个晶粒内部的变形也不均匀，有的已发生塑性变形， 有的还处于弹性变形阶段，当外力去除后，属于弹性变形的晶粒要恢复 原状，而已塑性流动的晶粒就不能完全恢复，造成了晶粒之间互相牵连 的内应力，如果这种应力超过材料的抗拉强度，就会形成显微裂纹。另 一种是微观内应力，其作用范围更小，但却是普遍存在的。对于晶体来 说，由于普遍存在各种点缺陷（空位、间隙原子）、线缺陷（位错）和 面缺陷（层错、晶界、孪晶界），在它们周围引起弹性畸变，因而相应 存在内应力场。金属变形时，外界对金属做的功大多转化为热能而散 失，而大约有小于10％的功以应变能的形式贮存于晶体，其中绝大部分
无论是具有各种缺陷的平台，还是台阶和扭折都会对表面的一些性 能产生显著的影响。例如TLK表面的台阶和扭折对晶体生长、气体吸附 和反应速度等影响较大。
严格地说，清洁表面是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。因此，制备 清洁表面是很困难的，而在几个原子层范围内的清洁表面，其偏离三维 周期性结构的主要特征应该是表面弥豫、表面重构以及表面台阶结构。
图2-1为单晶表面的TLK模型。这个模型有Kossel和Stranski提出。 TLK中的T表示低晶面指数的平台（Terrace）；L表示单分子或单原子 高度的台阶（Ledge）；K表示单分子或单原子尺度的扭折（Kink）。 除了平台，台阶和扭折外，还有表面吸附的单原子（A）以及表面空位 （V）。
图2-1 “TLK”台阶化说明图
气体分子或原子在固体表面上发生吸附作用的吸引力和单个原子或
分子之间相互作用力本质上没有多大区别，问题只是表面原子参与了固
体的体相结构，因此使力受到影响。一个气体分子被表面吸附的吸引力
主要分成物理和化学两类：（1）物理吸附：任何气体在其临界温度以
下，都会在其和固体表面之间的范德华力作用下，被固体吸附。但两者
微米的表层中可能发生组织结构的剧烈变化，使得在表面约10nm的深 度内，形成一种非晶态薄层为贝尔比（Beilby）层。
（3）表面存在大量的活性晶格点：由于打磨，加工表面的局部被 扭曲变形引起，这种表面常常比电解抛光或低温退火预处理后的表面更 活泼。
（4）残余应力：机加工后，除了表面产生拜尔贝层之外，还存在 着各种残余应力，按其作用范围大小可分为宏观内应力和微观内应力。
2.溶液有溶质和溶剂，都可能被固体吸附，但被吸附的程度不 同。
正吸附：吸附层内溶质的浓度比本体相大； 负吸附：吸附层内溶质的浓度比本体相小。 显然，溶质被正吸附时，溶剂必被负吸附，反之亦然。在稀溶液 中，可以将溶剂的吸附影响忽略不计，可以简单的如气体吸附一样处理 溶质的吸附，但在浓度较大时，则必须同时考虑二者的吸附.
固体材料有单晶、多晶和非晶体等。目前对一些单晶材料的清洁表 面研究得较为彻底，而对多晶和非晶体得清洁表面还研究的很少。
晶体表面是原子排列面，有一侧无固体原子键合，形成了附加的表 面能。从热力学来看，表面附近的原子排列总是趋于能量最低的稳定状 态。达到这个稳定态的方式有两种：一是自行调整，原子排列情况与材 料内部明显不同；二是依靠表面的成分偏析和表面对外来原子或分子的 吸附以及这两者的相互作用而趋向稳定态，因而使表面组分与材料内部 不同。
化学吸附容易得多。
二、固体对液体的吸附 固体表面对液体分子同样有吸附作用。但这种吸附与对气体的吸附
又有不同，主要表现为： 1.这种吸附包括对电解质吸附和非电解质吸附：对电解质吸附将使
固体表面带电或电双层中组分发生变化，也可能是溶液中的某些离子被 吸附到固体表面，而固体表面的离子则进入溶液之中，产生离子交换作 用。对非电解质吸附，一般表现为单分子层吸附，吸附层以外就是本体 相溶液。
3.固体表面的粗糙度及污染程度对吸附有很大的影响，液体表面张 力的影响也很重要。
图2-3 表面张力与接触角的关系
当θ<90°时，为润湿。θ越小，润湿性越大，液体在表面的展开能力
越强；当θ=0°时，为完全润湿，液体在表面完全铺展开来；当θ>90° 时，为不润湿。θ越大，润湿性越小，液体越不易铺展开，易收缩为球 状；当θ=180°时，完全不润湿,为球状。
之间没有电子转移；（2）化学吸附：气体和固体之间发生了电子的转
移，二者产生了化学键力，其作用力和化合物中原子之间形成化学键的
力相似，较范德华力大的多。但并不是任何气体在任何表面上都可以发
生化学吸附。
表2-1 物理吸附与化学吸附的区别
比较项
物理吸附
化学吸附
吸附热 吸附力
近于液化热（1～ 40kj·mol-1） 范德华力 弱
（5）表面氧化，吸附和粘污 固体与气体的作用有三种形式：吸附、吸收和化学反应。 吸附：固体表面吸引气体与之结合，以降低固体表面能的作用。 吸收：固体的表面和内部都容纳气体，使整个固体的能量发生变 化。 化学反应：固体与气体的分子或离子间以化学键相互作用，形成新 的物质，整个固体的能量发生显著的变化。 当固体表面暴露在一般的空气中就会吸附氧或水蒸气，甚至在一定 的条件下发生化学反应而形成氧化物或氢氧化物。如图2-2。