材料表界面_1-3章
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材料表界面复习资料
第 1 章绪论物理表面：三维的规整点阵到体外空间之间的过渡区域, 这个过渡区的厚度随材料的种类不同而异, 可以是一个原子层或多个原子层。
是不同于两相的第三相。
理想表面：是指除了假设确定的一套边界条件外, 系统不发生任何变化的表面。
清洁表面：指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物理、化学效应的表面。
谓弛豫：表面附近的点阵常数发生明显的变化。
重构：表面原子重新排列, 形成不同于体内的晶面。
台阶化：指出现一种比较规律的非完全平面结构的现象。
吸附：指气相中的原子或分子在气固或液固界面上的聚集。
偏析：指溶液或溶质在相界、晶界或缺陷上的聚集。
吸附和偏析是化学组分在表面区的变化。
吸附表面：吸附有外来原子的表面。
第2章液体表面系统的能量越低越稳定, 故液体表面具有自动收缩的能力。
表面张力：是单位长度上的作用力, 单位是N/ m。
它是反抗表面扩大的一种收缩力, 它的作用是使一定体积的系统具有最小的表面积。
也可以理解为系统增加单位面积时所需作的可逆功, 单位为J/ m2, 是功的单位或能的单位, 所以σ也可以理解为表面自由能, 简称表面能。
单组分液体的表面张力等于比表面自由能。
附加压力的方向总是指向曲率中心一边, 且与曲率大小有关,Laplace 方程：球面：Δp = 2ς/ r任意曲面：Δp = ς( 1/ r1 + 1/ r2 )当曲率半径r1 = r2= r, 曲面成为一个球面, 对于平液面，两个曲率半径都为无限大，Δp = 0，表示跨过平液面不存在压差。
液体表面张力的测定：1 毛细管法当毛细管浸在液体中, 若液体能完全浸润管壁, 则会发生毛细上升现象, 液面呈凹月形。
反之, 若液体完全不浸润管壁, 则液面下降呈凸液面。
毛细升高现象可用Laplace 方程处理。
假定毛细管截面是圆周形, 且管径不太大, 并假定凹月面可近似看作半球形, 此时不仅两个曲率半径相等, 而且都等于毛细管半径r。
重点总结-材料表界面
HLB值的实验测定方法
（1）分配系数法：将水和油（通常用辛烷）放在一起，再 加入表面活性剂，当其在油水两相中达到溶解平衡时，分 别测定它在两相中的浓度：水相中Cw，油相中Co，然后 计算HLB值。
HLB 7 0.36 ln(C w / Co )
• （3）混合表面活性剂HLB值的计算
mA 、mB为混合表面活性剂种A,B组分的质量， HLBA,HLBB为A,B组分各自的HLB值。
(2-18)
2.4液体表面张力的测定
2.4.1毛细管法
2.4.3 滴重法
2.5 Kelvin 公式
P 2 V 2 M RT ln P0 r r
(2-40)
2.5 Kelvin 公式
• 例：25℃时，水的饱和蒸气压为3.168kPa， 求该温度下比表面积为106 m2 *kg-1时球形 水滴的蒸气压（水在25℃时的表面张力为 71.97×10-3 N*m-1).
• 表面活性剂溶于水能电离生成离子的叫做离子型表 面活性剂（阴离子、阳离子和两性表面活性剂)。 • 不能电离的叫非离子型表面活性剂。
•（3）按分子量分：
•低分子量表面活性剂：200－1000
•中高分子量表面活性剂：1000以上
聚乙二醇的醚键为何具有亲水性？
5.1.3.5 其它表面活性剂
相转移催化
c c 0b a 1 2 RT c T RT 1 c a
(a)
2）当c/a>>1时，1+c/a≈c/a,(a)式简化为：
b 10 2 0 5.39 10 mol / cm RT
1 2
am 1
2 1 1 14 nm 2 nm 10 2 0.308 1 10 23 分子 cm 2 N0 5.39 10 6.02 10
第三章聚合物的表面改性 材料表界面课件
interface will influence its properties.
-C-C-
Woven carbon fiber composite
-C-O -C=O
XPS limitations:
1. Inability to detect hydrogen (H) and Helium (He) 2. X-Ray beam diameter is wider (limit is about 150
。
3.3.2 火焰处理和热处理
● 火焰处理是用可燃性气体的热氧化焰对聚合物表面进行 瞬间高温燃烧，使其表面发生氧化反应而达到处理的⻋ 的。
可燃性气体通常采用焦炉煤气、甲烷、丙烷、丁烷、天然气和 一定比例的空气或氧气；
瞬间：0.01~0.1s内；高温：1000~2700 ℃； 氧化过程按自由基机理进行，表面可被氧化引入含氧基团，并 随着发生断链反应。
或单体在等离子体的作用下发生反应。
聚合物表面与氧等离子体发生的反应：
□ CO2，CO，H2O及其它含氧的气体在等离子状态下也 可分解为原子氧，也具有氧等离子作用。
□ 等离子体表面氧化反应是自由基连锁反应，反应不仅引 入了大量的含氧基团，如羰基，羧基及羟基，而且对材 料表面有刻蚀作用。
□ 氮等离子体中有N，N+，N-，N*等活性粒子,与聚合 物 表面自由基反应,引入含氮的活性基团。
Electromagnetic spectrum
Various processes (b, c) can take place after hole generation (a)
Why UHV for Surface Analysis?
■
Degree of Vacuum
材料表面与界面
表界面是由一个相过渡到另一个相的过渡区域。
若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。
表面：在真空状态下，物体内部和真空之间的过渡区域，是物体最外面的几层原子和覆盖其上的外来原子和分子所形成的表面层。
表面层有其独特的性质,和物体内部的性质完全不同。
几何概念：表面是具有二维因次的一块面积，无厚度、体积。
界面：两个物体的相态相接触时的过渡区域，由于分子间的相互作用，形成在组成、密度、性质上和两相有交错并有梯度变化的过渡区域。
几何概念：它不同于两边相态的实体，有独立的相、占有一定空间，有固定的位置，有相当的厚度和面积。
弛豫；指表面层之间以及表面和体内原子层之间的垂直间距ds和体内原子层间距d0相比有所膨胀和压缩的现象。
可能涉及几个原子层。
重构：指表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内，但在垂直方向上的层间间距d0与体内相同。
这种不平衡作用力使表面有自动收缩的趋势，使系统能量降低的倾向，由此产生表面张力以σ表示，称为表面张力，即：6=f/2l，6=dw/da，σ也可以理解为表面自由能，简称表面能。
例题：20℃时汞的表面张力为4.85×10-1 Jm-2，求在此温度及101.325 kPa 的压力下，将半径1mm的汞滴分散成半径10-5 mm的微小汞滴，至少需要消耗多少功？解：已知：σ＝4.85×10-1 Jm-2，r1=1mm, r2=10－5 mm，界面张力的热力学定义。
在恒温、恒压下研究表面性能，故常用下式表示。
广义表面自由能的定义：保持相应的特征变量不变，每增加单位表面积时，相应热力学函数的增值。
狭义表面自由能的定义：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σ表示，单位为J·m-2。
表面张力与表面Gibbs自由能的异同：相同点：数值相同，量纲相同。
不同点：物理意义不同，单位不同。
例：试求25℃，质量m＝1g的水形成一个球形水滴时的表面自由能E1。
材料表界面_1-3章.
1. Laplace方程的应用
毛细管法
由Laplace方程可得：
r r
Δp=2σ/r
h
(2-19)
若定义h为凹月面底部距平 液面的高度，则压差Δp应 等于毛细管内液柱的静压 强，即
gh=2 /r
(2
1. Laplace方程的应用
毛细管法
gh=2 /r
r r
(2-20
涉及到的计算： h 知道毛细管液面高度，求 表面张力。
2 ls M RT ln C0 r C
温度一定时，晶体颗粒越小，则 1/r 越大，溶解度也越大。 所以当溶液在恒温下浓缩时，溶质的浓度逐渐增大，达到普通晶 体的饱和浓度时，对微小晶体却仍未达到饱和状态，因而不可能 析出微小晶体，从而形成过饱和溶液。若要自动生成微小晶体， 还需进一步蒸发，达到一定的过饱和程度时，小晶体才可能不断 析出。
2. Kelvin公式的应用
P 2V 2M RT ln( ) P0 R r
应用Kelvin公式可以解释一些现象： • 1、过饱和蒸气，人工降雨 • 2、过热液体 • 3、过饱和溶液
2. Kelvin公式
1. 过饱和蒸汽
按照相平衡条件应当凝结而未凝结的蒸汽。
P 2V 2M RT ln( ) P0 R r
1-3章
第一章 绪论 第二章 液体界面
第三章 固体表面
第一章 绪论
• 表界面科学研究的重要性 • 表界面科学发展历程
• 表界面的基本概念
表界面的定义
表界面是由一个相过渡到另一个相的过渡区域。若其
中一相为气体，这种界面通常称为表面 (surface)。 表界面区的结构、能量、组成等都呈现连续的梯度 变化。
p 2 / r
材料表界面思考题答案汇总
考试
答案
第二章：液体表面 2. 试述表面张力（表面能）产生的原因。
P6 原因为液体表面层的分子所受的力不均匀而产生的。液体表面层即气液界面中的分子受到指向液体内 部的液体分子的吸引力，也受到指向气相的气体分子的吸引力，由于气相吸引力太小，这样，气液界面的分 子净受到指向液体内部并垂直于表面的引力作用，即为表面张力。这里的分子间作用力为范德华力。
17. 表面活性剂的浓度对溶液的表面张力有怎样的影响？为什么有这样的影响？ P41 (1)随着表面活性剂浓度的增加，表面张力而下降，当达到临界浓度时，表面张力就不 再发生变化。 （2）表面活性剂其亲水端向水，亲油段相空气，其浓度的上升会使分子聚集在表面，这样， 空气和水的接触面减小，表面张力急剧下降，与此同时，水中的表面活性剂也聚集在一起，排 列成憎水基向里，亲水基向外的胶束。表面活性剂浓度进一步增加，水溶液表面聚集了足够多 的表面活性剂的分子，无间隙地布满在水溶液表面上，形成单分子膜。此时，空气和水完全处 于隔绝状态，表面张力趋于平缓。 18. 表面活性剂按亲水剂类型可怎样分类？ P43 表面活性剂溶于水能电离成离子的叫做离子型表面活性剂，R 基不能电离的叫做非离子型 表面活性剂。 其中离子型表面活性剂可分成阴离子、阳离子和两性表面活性剂。
度降低,HLB 值下降,使得乳状液从原来的（Ｏ／Ｗ）型转变为油包水型（Ｗ／Ｏ）所对应的温度．又称为亲 水-亲油平衡温度．
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《材料表界面》复习思考题答案汇总
（２） ＰＩＴ与ＨＬＢ都可以反映出亲水亲油性，但是，ＰＩＴ可以反映出油的种类、水溶液性质、温度 和相体积等的影响。 同时 PIT 测定简单、精度高。
13. 比较物理吸附和化学吸附的区别。
项目 吸附力 吸附热 选择性 吸附层 吸附速度 可逆性 发生吸附速度 物理吸附 范德华力 小，接近液化热 无 单、多分子层 快，不需要活化能 可逆性 低于吸附质临界温度 化学吸附 化学键力 大，接近反应热 有 单分子层 慢，需要活化能 不可逆性 远高于吸附质沸点
《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，
材料表界面-第一篇章
实际应用
在能源、环境、医疗等领域，材料表界面的研究 成果具有广泛的应用前景，能够推动相关领域的 技术进步和创新发展。
02 材料表界面基础
CHAPTER
表界面定义
总结词
表界面是材料中两个相的交界面，具有独特的结构和性能。
详细描述
表界面是指两种不同的材料在接触时形成的交界面，这个交界面通常具有独特的结构和性能，与材料 的其他部分存在明显的差异。表界面在材料中的作用至关重要，它可以影响材料的物理、化学和机械 性能。
研究领域
涵盖了物理、化学、材料 科学等多个学科领域，对 于材料的应用和发展具有 重要意义。
研究方向
包括表面改性、界面反应、 表面增强等方向，旨在提 高材料的性能和功能。
研究背景与意义
1 2 3
研究背景
随着科技的发展，对材料性能的要求越来越高， 材料表界面研究的重要性逐渐凸显。
研究意义
通过研究材料表界面，可以深入了解材料的性质 和行为，为新材料的研发和应用提供理论支持和 实践指导。
模拟法
模拟法是通过计算机模拟来研究材料表界面的方法。它利用分子动力学、蒙特卡洛方法等计算方法， 模拟材料表界面的结构和性质，从而获得关于材料表界面的信息。
模拟法具有高效性和可重复性，可以在短时间内对大量材料进行表界面研究。此外，模拟法还可以预 测实验难以观测的现象和性质。然而，模拟法的结果受到模型和参数选择的限制，需要谨慎验证和校 准。
生物材料
利用材料表界面调控细胞行为， 促进组织再生和修复，为生物医 学工程和再生医学提供关键材料。
药物传递
通过材料表界面改善药物释放的 效率和靶向性，提高药物治疗效 果和降低副作用。
医学诊断
利用材料表界面提高生物标志物 的检测灵敏度和特异性，推动医 学诊断技术的发展。
在能源、环境、医疗等领域，材料表界面的研究 成果具有广泛的应用前景，能够推动相关领域的 技术进步和创新发展。
02 材料表界面基础
CHAPTER
表界面定义
总结词
表界面是材料中两个相的交界面，具有独特的结构和性能。
详细描述
表界面是指两种不同的材料在接触时形成的交界面，这个交界面通常具有独特的结构和性能，与材料 的其他部分存在明显的差异。表界面在材料中的作用至关重要，它可以影响材料的物理、化学和机械 性能。
研究领域
涵盖了物理、化学、材料 科学等多个学科领域，对 于材料的应用和发展具有 重要意义。
研究方向
包括表面改性、界面反应、 表面增强等方向，旨在提 高材料的性能和功能。
研究背景与意义
1 2 3
研究背景
随着科技的发展，对材料性能的要求越来越高， 材料表界面研究的重要性逐渐凸显。
研究意义
通过研究材料表界面，可以深入了解材料的性质 和行为，为新材料的研发和应用提供理论支持和 实践指导。
模拟法
模拟法是通过计算机模拟来研究材料表界面的方法。它利用分子动力学、蒙特卡洛方法等计算方法， 模拟材料表界面的结构和性质，从而获得关于材料表界面的信息。
模拟法具有高效性和可重复性，可以在短时间内对大量材料进行表界面研究。此外，模拟法还可以预 测实验难以观测的现象和性质。然而，模拟法的结果受到模型和参数选择的限制，需要谨慎验证和校 准。
生物材料
利用材料表界面调控细胞行为， 促进组织再生和修复，为生物医 学工程和再生医学提供关键材料。
药物传递
通过材料表界面改善药物释放的 效率和靶向性，提高药物治疗效 果和降低副作用。
医学诊断
利用材料表界面提高生物标志物 的检测灵敏度和特异性，推动医 学诊断技术的发展。
材料表界面-第三章
本章小结
了解：
1. 固体的表面特征 2. 固体表面的自由能 3. Freundlish吸附等温式 4. BET多分子层吸附理论
重点掌握并熟练运用： Langmuir吸附等温式
作业
课后习题： 4，6
你有体会过时间像流水一样流失么？ 那就好好珍惜时间…… 在有限的时间做出更多有价值的事情啊……
当表面复盖率不是很低时，被吸附分子间的相互作用不可忽视； 实际上，固体表面并不均匀，吸附热随覆盖率 而变，该公式与 实验发生偏差。此外，对多分子层吸附也不适用。
3.3.3 吸附经验式----弗罗因德利希式
1
1 适用于物理吸附和化学吸附，
V kpn kpn 也可用于溶液吸附。
式中 k 和 n 为经验常数; n 一般介于 1 ~ 10之间. 该经验式只适用 于中压范围的吸附.
V1= V2 即 k1 P (1-θ) =k2θ
k1 p
k2 k1 p
令
b k1 k2
3.3.2 Langmuir吸附等温式
3. Langmuir吸附等温式
= bp
(3-10)
1+bp b为吸附系数
（1）低压或吸附很弱时，bp《1， 则θ=bp，即θ与p成直线关系，符 合Herry定律；
A1dGs + Gs dA1=τ1 dA1 A2 dGs + Gs dA2=τ2 dA2 即：τ1= Gs + A1（dGs/ dA1）
τ2= Gs + A2（dGs/ dA2）
• 对于各向同性固体τ1=τ2，则：
=
d(AGs
)
GS
dG s A(
)
dA
dA
第一章 表界面基础知识
令F=p-W环，R=R’+r，则可得
F 4 ( R' r ) 4R
经Harkins和Tordan校正
F f 4R
校正因子f 与两个无量纲量 有关，可从校正因子图查出
材料表面与界面
5、吊板法
p = W总 - W板 = 2(l + d)σ
l 和d 分别为吊板的宽度和厚度
气 相
液 相
材料表面与界面
表面张力（含义3-热力学含义)
根据热力学第一、第二定律，可以导出：
U H F G ( ) S ,V ( ) S , P ( )V ,T ( ) P ,T A A A A
表面张力为各种特定条件下，改变单位面积所引起的内能 U、焓H、自由能F、自由焓G的变化值，由于经常在恒温 恒压下研究表面能，故下式较常用
G A P,T
(1-3)
材料表面与界面
表面张力（含义3-热力学含义)
令GS为比表面自由焓，A为总表面积，则总表面自由焓为
G G A
S
代入式（1-3）得：
S G G S A( ) P ,T A
纯液体分子是可流动的， 表面改变并不引起表面结 构分子间平均距离及排列 情况变化，故：
材料表面与界面
理解
式(1-2)才是laplace方程的一般形式，是表面化学 的基本定律之一 当两个曲率半径相等时，R1=R2= r时，曲面成为 球面，式(1-2) 变成(1-1) 对于平液面，两个曲率半径均为无限大， Δp=0表 示跨过液面不存在压差
材料表面与界面
1.3 液体表面张力的测试
材料表面与界面
理解表明能
表面能是创造பைடு நூலகம்质表面时对破坏分子间化学键的度量。在 固体物理理论中，表面原子比物质内部的原子具有更多的 能量，因此，根据能量最低原理，原子会自发的趋于物质 内部而不是表面 表面能的另一种定义是，材料表面相对于材料内部所多出 的能量。把一个固体材料分解成小块需要破坏它内部的化 学键，所以需要消耗能量。如果这个分解的过程是可逆的 ，那么把材料分解成小块所需要的能量与小块材料表面所 增加的能量相等，即表面能增加 也可以这样理解，由于表面层原子朝向外面的键能没有得 到补偿，使得表面质点比体内质点具有额外的势能，称为 表面能
F 4 ( R' r ) 4R
经Harkins和Tordan校正
F f 4R
校正因子f 与两个无量纲量 有关，可从校正因子图查出
材料表面与界面
5、吊板法
p = W总 - W板 = 2(l + d)σ
l 和d 分别为吊板的宽度和厚度
气 相
液 相
材料表面与界面
表面张力（含义3-热力学含义)
根据热力学第一、第二定律，可以导出：
U H F G ( ) S ,V ( ) S , P ( )V ,T ( ) P ,T A A A A
表面张力为各种特定条件下，改变单位面积所引起的内能 U、焓H、自由能F、自由焓G的变化值，由于经常在恒温 恒压下研究表面能，故下式较常用
G A P,T
(1-3)
材料表面与界面
表面张力（含义3-热力学含义)
令GS为比表面自由焓，A为总表面积，则总表面自由焓为
G G A
S
代入式（1-3）得：
S G G S A( ) P ,T A
纯液体分子是可流动的， 表面改变并不引起表面结 构分子间平均距离及排列 情况变化，故：
材料表面与界面
理解
式(1-2)才是laplace方程的一般形式，是表面化学 的基本定律之一 当两个曲率半径相等时，R1=R2= r时，曲面成为 球面，式(1-2) 变成(1-1) 对于平液面，两个曲率半径均为无限大， Δp=0表 示跨过液面不存在压差
材料表面与界面
1.3 液体表面张力的测试
材料表面与界面
理解表明能
表面能是创造பைடு நூலகம்质表面时对破坏分子间化学键的度量。在 固体物理理论中，表面原子比物质内部的原子具有更多的 能量，因此，根据能量最低原理，原子会自发的趋于物质 内部而不是表面 表面能的另一种定义是，材料表面相对于材料内部所多出 的能量。把一个固体材料分解成小块需要破坏它内部的化 学键，所以需要消耗能量。如果这个分解的过程是可逆的 ，那么把材料分解成小块所需要的能量与小块材料表面所 增加的能量相等，即表面能增加 也可以这样理解，由于表面层原子朝向外面的键能没有得 到补偿，使得表面质点比体内质点具有额外的势能，称为 表面能
材料表界面 作业答案
材料表界面 作业第一章：序言1. 何谓表界面？为什么说表界面不是几何学上的平面？P1 （1）表界面是由一个相过渡到另一个相的过渡区域，由物质的具体聚集态表界面可以分为：表面（固—气、液—气）；界面（固—液、液—液、固—固）（2）表界面是相与相之间的过渡区域，其结构、能量、组成等都呈现出连续性变化，是一个结构复杂，厚度约为几个分子维度的准三维区域，因此，表界面并不是几何学上的平面。
第二章：液体表面2. 试述表面张力（表面能）产生的原因。
P12 原因为液体表面层的分子所受的力不均匀而产生的。
液体表面层即气液界面中的分子受到指向液体内部的液体分子的吸引力，也受到指向气相的气体分子的吸引力，由于气相吸引力太小，这样，气液界面的分子净受到指向液体内部并垂直于表面的引力作用，即为表面张力。
这里的分子间作用力为范德华力。
3. 在20℃及常压条件下，将半径为1.00cm 的水滴分散成半径为1.00μm(10-6m)的雾沫,需要做多少功?在20℃及1.01*105Pa 条件下，将半径为r1=1.00mm 的水滴分散成半径为r2=10-3mm 的雾沫,需要做多少功?解：3912()10rN r ==96232'0.0728*4*3.14*[10*(10)(10)]0.000913r W J --=--=-4.弯曲面的附加压力ΔP 与液体表面张力和曲率半径之间存在怎样的关系？若弯曲面为球面，平面又怎样？答：（1）关系为：Laplace 方程： （2）球面：2/ (2-15)p r σ∆=12(1/1/) (2-18)p r r σ∆=+（3）平面： r1=r2=∞,即跨越平面没有压差。
5. 毛细管法测定液体表面张力的原理是什么？为什么要对毛细管法进行修正？ 答：原理：液体在毛细管中易产生毛细现象。
由Laplace 方程推广到一般情况:其中△ρ为气液两相密度之差, θ为液体与管壁之间的接触角，r 为毛细管的半径，由上式，从毛细管上升或下降高度h 可以求出表面张力σ，即：(2)修正的原因：①把凹凸月面当作球面近似处理。
第一章 表界面的物理化学
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。
（d）偏析表面 （d) 化合物表面
19
表面结构 表面结构分类
驰豫：点阵常数变化，非平衡态； 重构：原子重排，不同于本体内的晶面； 台阶化：有规律的非完全平面结构；
第一章
表界面的物理化学
1
第一节 材料表面与界面的定义及分类
1. 什么是表面/界面
多相体系界面特征 （ 1 ）界面的物理化学性质 不均匀，而界面两侧的性质 保持常数； 体 系 性 质
（ 2）界面 γ为准三维界面区 域，有一定的体积；
（ 3 ）研究对象是不均匀体 系，具有多相性。
α
γ
β
多相体系影响因素
24
表面和界面的定义
2. 表/界面分类
（2）根据研究角度和目的分类
以原子尺寸形 （ 3 ）按照界面形成途径分类 态从液相中或 （ a）机械作用界面 （e）液相与气相界面 气相 中 析出在 （ b）化学作用界面 （f）凝固共生界面 固态 表 面成核 （ c）熔焊作用界面 （g）粉末冶金界面 和生 长 ，形成 （d）固态结合界面 （h）粘接界面 膜体或块体。
(e) 中心长方 a≠b, γ= 90º
31
二维晶体点阵
五种二维格子
元格形状 平行四边形 长方形 正方形 60o菱形 晶格符号 P P, C P 轴和夹角 ab, 90o ab, =90o a=b, =90o a=b, =120o 晶系名称 斜方 长方 正方 六角
32
二维晶体点阵------点群（10）与空间群（17）
（d）偏析表面 （d) 化合物表面
19
表面结构 表面结构分类
驰豫：点阵常数变化，非平衡态； 重构：原子重排，不同于本体内的晶面； 台阶化：有规律的非完全平面结构；
第一章
表界面的物理化学
1
第一节 材料表面与界面的定义及分类
1. 什么是表面/界面
多相体系界面特征 （ 1 ）界面的物理化学性质 不均匀，而界面两侧的性质 保持常数； 体 系 性 质
（ 2）界面 γ为准三维界面区 域，有一定的体积；
（ 3 ）研究对象是不均匀体 系，具有多相性。
α
γ
β
多相体系影响因素
24
表面和界面的定义
2. 表/界面分类
（2）根据研究角度和目的分类
以原子尺寸形 （ 3 ）按照界面形成途径分类 态从液相中或 （ a）机械作用界面 （e）液相与气相界面 气相 中 析出在 （ b）化学作用界面 （f）凝固共生界面 固态 表 面成核 （ c）熔焊作用界面 （g）粉末冶金界面 和生 长 ，形成 （d）固态结合界面 （h）粘接界面 膜体或块体。
(e) 中心长方 a≠b, γ= 90º
31
二维晶体点阵
五种二维格子
元格形状 平行四边形 长方形 正方形 60o菱形 晶格符号 P P, C P 轴和夹角 ab, 90o ab, =90o a=b, =90o a=b, =120o 晶系名称 斜方 长方 正方 六角
32
二维晶体点阵------点群（10）与空间群（17）
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特性 02
特性03
1. 固体的表面特性
固体表面的吸附性
吸附力
物理吸附
物理吸附仅仅是一种物理作 用，没有电子转移，没有化 学键的生成与破坏，也没有 原子重排等。
化学吸附
化学吸附相当与吸附剂表面分 子与吸附质分子发生了化学反 应，在红外、紫外-可见光谱中 会出现新的特征吸收带。
1. 固体的表面特性
固体表面的吸附性
3. Gibbs 吸附等温式
表面张力与溶液浓度的关系
c 1 1 2 2 RT c2 RT ln c2 T T
(2-47)
Γ21表示单位面积上吸附溶质的过剩量，单位是mol/cm2。 它表示溶质的表面浓度和本体浓度之差。 C2为溶质的质量摩尔浓度或体积摩尔浓度。
材料表界面的基本性能
表面张力与表面Gibbs自由能
相同点：
σ 既可表示表面自由能又可表示表面张力，两者量纲
相同，数值相等：
表面自由能 J / m2 = Nm /m2
= N / m 表面张力
P 4 r dr 8 r dr 表界面四大定律之中的三个
2
球面
p 2 / r
(2-15)
B
狭义表面自由能的定义：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σ表示，单位为J· -2。 m
材料表界面的基本性能
表面张力与表面Gibbs自由能
不同点：物理概念、意义不同： 表面张力（通常）指纯物质的表面层分子间实际存在 着的（收缩）张力。单位：N / m。 表面自由能表示形成单位新表面使体系自由能的增加， 可表示为：J/m2
重构
指表面原子层在水平 方向上的周期性不同 于体内，但在垂直方 向上的层间间距d0与 体内相同。
台阶化
表面不是平面， 由规则或不规则 台阶组成。
表面
ds
表面
d0
表面
d0
内部
内部
d0
化学组成变化
偏析
指溶液或溶质在相 界、晶界或缺陷上 的聚集。
吸附
气相原子或分子在气 －固界面上的聚集。
表界面通常有五类：
3. Gibbs 吸附等温式
表面张力与溶液浓度的关系
c 1 1 2 2 RT c2 RT ln c2 T T
(2-47)
Γ21为正，为正吸附，溶质的表面浓度大于本体浓度， 即为表面超量； Γ21为负，则为负吸附，溶质的表面浓度小于本体浓 度，即为表面亏量；
液滴 蒸气
凸液面
r>0, Pr>P0
凸液面使得蒸气压增 大，因此液滴极难产 生和存在。
当蒸汽中有灰尘存在或容器的内表面粗糙时，这些物质可以作为蒸汽的凝结中 心，使液核易于生成及长大，在蒸汽的过饱和程度较小的情况下，蒸汽就开始 凝结。
2. Kelvin公式
1. 过饱和蒸汽
当空气中的水蒸气凝结时，首先形成非常小的液核，在液核存在 的基础上继而长大形成大的液滴，从而发生水蒸气的凝结。根据 kelvin公式： P 2V 2M
2 ls M RT ln C0 r C
温度一定时，晶体颗粒越小，则 1/r 越大，溶解度也越大。 所以当溶液在恒温下浓缩时，溶质的浓度逐渐增大，达到普通晶 体的饱和浓度时，对微小晶体却仍未达到饱和状态，因而不可能 析出微小晶体，从而形成过饱和溶液。若要自动生成微小晶体， 还需进一步蒸发，达到一定的过饱和程度时，小晶体才可能不断 析出。
力就在这个平面上。 如果液面是曲面，表面张力就在这 个曲面的切面上，并促使液体表面积缩小的方向。
表面张力
影响表面张力的因素：
1. 分子间力的影响 表面张力与物质的本性和所接触相的性质有关。液体或 者固体中的分子间的相互作用力或化学键力越大，表面 张力越大。
Hg > NaCl
金属键 离子键
>
H2O
>
物理表面
定义：三维规整点阵到体外空间之间的过渡区域。
厚度随材料种类而异，从一个到多个原子层不等。
在过渡区域，周期点阵遭到严重扰动，甚至完全变异。
物理界面是不同于两相的第三相。
理想表面
清洁面
吸附表面
物理表面
二、清洁表面:指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物理化学效应的表面。 表面上会发生与体内结构和成分不同的变化。
p 2 / r
(2-15)
（1）凸液面，液滴的曲率半径r为正，△P为正，附加压力 指向液体内部，r越小，△P越大；
（2）平液面，r趋向无穷大，△P为零，跨越平液面不存在 压力差； （3）凹液面，r为负，△P为负，附加压力指向空气。
1. Laplace方程
p 2 / r
涉及的计算：
(2-15)
知道内外压差，液体表面张力，计算液珠直径。
1. Laplace方程的应用
液体表面张力测定
最 大 气 泡 压 力 法
毛 细 管 法
滴 重 法
吊 环 法
吊 板 法
1. Laplace方程的应用
毛细管法
p'
p0
M
p''
N
H 2O
Hg
浸润液体在细管里升高的现象和不浸润液体在细管里降低的现 毛细管现象 象,叫做毛细现象.能够产生明显毛细现象的管叫做毛细管.
气-液表面
气-固表面
液-液界面
液-固界面
固-固界面
第二章 液体表面
• 表界面的两个最基本性能：
表面张力和表面自由能
• 表界面四大基本定律之中的三个。
表面张力
由于分子在体相内部与界面上所处的力 场环境是不同的，产生了净吸力。而净 吸力会在界面各处产生一种张力。
把作用于单位边界线上的这种力称为表面张力，用
• 物理吸附与化学吸附的比较
吸附力 吸附层数 吸附热 选择性 可逆性 吸附平衡
物理吸附 范德华力 单层或多层 小,近于液化热 无或很差 可逆 易达到
化学吸附 化学键力 单层 大, 近于反应热 较强 不可逆 不易达到
2. 固-气界面吸附
对于一定的吸附剂与吸附质的体系，达到吸附平衡时，吸附量 是温度和吸附质压力的函数，即：
2. Kelvin公式的应用
P 2V 2M RT ln( ) P0 R r
应用Kelvin公式可以解释一些现象： • 1、过饱和蒸气，人工降雨 • 2、过热液体 • 3、过饱和溶液
2. Kelvin公式
1. 过饱和蒸汽
按照相平衡条件应当凝结而未凝结的蒸汽。
P 2V 2M RT ln( ) P0 R r
2. Kelvin公式
3. 过饱和溶液
在平衡条件下，应当有晶体析出而未析出的溶液。
2 ls M RT ln C0 r C
小晶粒的溶解度大于大晶粒的溶解度。
2. Kelvin公式
3. 过饱和溶液
开尔文公式对于溶质的溶解度也可适用， 只要将公式中 的蒸气压换成溶质的饱和浓度即可， 即微小晶体颗粒的饱和 浓度大于普通晶体的饱和浓度。
2. Kelvin公式
2. 过热液体
按照相平衡条件应当沸腾而不沸腾的液体。
P 2V 2M RT ln( ) P0 R r
气泡 液体 凹液面
凹液面使得气泡的 产生非常困难。
r<0,Pr<P0
为防止过热，常在液体中投入一些素烧瓷片等多孔性物质。其孔 中储存有气体，加热时这些气体成为新相种子。
3. Gibbs 吸附等温式
表面张力与溶液浓度的关系
第三章 固体表面
1. 固体的表面特性 2. Langmuir和Freundlish吸附等温式 3. BET多分子层吸附理论
重点掌握并熟练运用：
Langmuir吸附等温式
1. 固体的表面特性
表面分子 运动受缚性
特性 01
表面 吸附性
表面不 均一性
1. Laplace方程
弯曲表面上的附加压力 A ps B ps
A
B
由于液面是弯曲的，沿AB的周界上的表面张力不能抵 消，作用于边界的力有一指向曲率中心的合力。所有 的点产生的合力和为 Ps ，称为附加压力。
1. Laplace方程
弯曲表面上的附加压力
附加压力的方向总是指向曲率中心。
ps
ps
1. Laplace方程
1. Laplace方程
非球面
p (1/ r1 1/ r2 )
2. Kelvin公式 3. Gibbs 吸附等温式
P 2V 2M RT ln( ) P0 R r
1 c2 1 c ln c 2 RT 2 RT 2 T T
2. Kelvin公式
弯曲表面上的蒸汽压
P 2V 2M RT ln( ) P0 R r
Kelvin公式表明： 液滴的半径越小，其蒸汽压越大。 气泡的半径越小，其蒸汽压越小。
2. Kelvin公式
弯曲表面上的蒸汽压
P 2V 2M RT ln( ) P0 R r
涉及计算时特别注意： 液滴：凸面，r>0。 气泡：凹面，r<0。
2. Kelvin公式
2. 过热液体
液体沸腾时不仅在液体表面进行气化， 而且在液体内部 要自动形成小气泡。根据开尔文公式可知，
P 2V 2M RT ln( ) P0 R r 对于这样的气泡其饱和蒸气压小于平面液体的饱和蒸气压， 而且起泡半径越小，泡内饱和蒸气压越小。在沸点时， 最初 形成的半径极小的气泡内的饱和蒸气压远小于外压， 因此在 外压的压迫下，小气泡难以形成，以至液体不易沸腾而形成过 热液体。实践中， 在液体中加入多孔物质， 如沸石便是通过 增大最初形成气泡的半径， 从而避免液体过热现象。
特性03
1. 固体的表面特性
固体表面的吸附性
吸附力
物理吸附
物理吸附仅仅是一种物理作 用，没有电子转移，没有化 学键的生成与破坏，也没有 原子重排等。
化学吸附
化学吸附相当与吸附剂表面分 子与吸附质分子发生了化学反 应，在红外、紫外-可见光谱中 会出现新的特征吸收带。
1. 固体的表面特性
固体表面的吸附性
3. Gibbs 吸附等温式
表面张力与溶液浓度的关系
c 1 1 2 2 RT c2 RT ln c2 T T
(2-47)
Γ21表示单位面积上吸附溶质的过剩量，单位是mol/cm2。 它表示溶质的表面浓度和本体浓度之差。 C2为溶质的质量摩尔浓度或体积摩尔浓度。
材料表界面的基本性能
表面张力与表面Gibbs自由能
相同点：
σ 既可表示表面自由能又可表示表面张力，两者量纲
相同，数值相等：
表面自由能 J / m2 = Nm /m2
= N / m 表面张力
P 4 r dr 8 r dr 表界面四大定律之中的三个
2
球面
p 2 / r
(2-15)
B
狭义表面自由能的定义：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σ表示，单位为J· -2。 m
材料表界面的基本性能
表面张力与表面Gibbs自由能
不同点：物理概念、意义不同： 表面张力（通常）指纯物质的表面层分子间实际存在 着的（收缩）张力。单位：N / m。 表面自由能表示形成单位新表面使体系自由能的增加， 可表示为：J/m2
重构
指表面原子层在水平 方向上的周期性不同 于体内，但在垂直方 向上的层间间距d0与 体内相同。
台阶化
表面不是平面， 由规则或不规则 台阶组成。
表面
ds
表面
d0
表面
d0
内部
内部
d0
化学组成变化
偏析
指溶液或溶质在相 界、晶界或缺陷上 的聚集。
吸附
气相原子或分子在气 －固界面上的聚集。
表界面通常有五类：
3. Gibbs 吸附等温式
表面张力与溶液浓度的关系
c 1 1 2 2 RT c2 RT ln c2 T T
(2-47)
Γ21为正，为正吸附，溶质的表面浓度大于本体浓度， 即为表面超量； Γ21为负，则为负吸附，溶质的表面浓度小于本体浓 度，即为表面亏量；
液滴 蒸气
凸液面
r>0, Pr>P0
凸液面使得蒸气压增 大，因此液滴极难产 生和存在。
当蒸汽中有灰尘存在或容器的内表面粗糙时，这些物质可以作为蒸汽的凝结中 心，使液核易于生成及长大，在蒸汽的过饱和程度较小的情况下，蒸汽就开始 凝结。
2. Kelvin公式
1. 过饱和蒸汽
当空气中的水蒸气凝结时，首先形成非常小的液核，在液核存在 的基础上继而长大形成大的液滴，从而发生水蒸气的凝结。根据 kelvin公式： P 2V 2M
2 ls M RT ln C0 r C
温度一定时，晶体颗粒越小，则 1/r 越大，溶解度也越大。 所以当溶液在恒温下浓缩时，溶质的浓度逐渐增大，达到普通晶 体的饱和浓度时，对微小晶体却仍未达到饱和状态，因而不可能 析出微小晶体，从而形成过饱和溶液。若要自动生成微小晶体， 还需进一步蒸发，达到一定的过饱和程度时，小晶体才可能不断 析出。
力就在这个平面上。 如果液面是曲面，表面张力就在这 个曲面的切面上，并促使液体表面积缩小的方向。
表面张力
影响表面张力的因素：
1. 分子间力的影响 表面张力与物质的本性和所接触相的性质有关。液体或 者固体中的分子间的相互作用力或化学键力越大，表面 张力越大。
Hg > NaCl
金属键 离子键
>
H2O
>
物理表面
定义：三维规整点阵到体外空间之间的过渡区域。
厚度随材料种类而异，从一个到多个原子层不等。
在过渡区域，周期点阵遭到严重扰动，甚至完全变异。
物理界面是不同于两相的第三相。
理想表面
清洁面
吸附表面
物理表面
二、清洁表面:指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物理化学效应的表面。 表面上会发生与体内结构和成分不同的变化。
p 2 / r
(2-15)
（1）凸液面，液滴的曲率半径r为正，△P为正，附加压力 指向液体内部，r越小，△P越大；
（2）平液面，r趋向无穷大，△P为零，跨越平液面不存在 压力差； （3）凹液面，r为负，△P为负，附加压力指向空气。
1. Laplace方程
p 2 / r
涉及的计算：
(2-15)
知道内外压差，液体表面张力，计算液珠直径。
1. Laplace方程的应用
液体表面张力测定
最 大 气 泡 压 力 法
毛 细 管 法
滴 重 法
吊 环 法
吊 板 法
1. Laplace方程的应用
毛细管法
p'
p0
M
p''
N
H 2O
Hg
浸润液体在细管里升高的现象和不浸润液体在细管里降低的现 毛细管现象 象,叫做毛细现象.能够产生明显毛细现象的管叫做毛细管.
气-液表面
气-固表面
液-液界面
液-固界面
固-固界面
第二章 液体表面
• 表界面的两个最基本性能：
表面张力和表面自由能
• 表界面四大基本定律之中的三个。
表面张力
由于分子在体相内部与界面上所处的力 场环境是不同的，产生了净吸力。而净 吸力会在界面各处产生一种张力。
把作用于单位边界线上的这种力称为表面张力，用
• 物理吸附与化学吸附的比较
吸附力 吸附层数 吸附热 选择性 可逆性 吸附平衡
物理吸附 范德华力 单层或多层 小,近于液化热 无或很差 可逆 易达到
化学吸附 化学键力 单层 大, 近于反应热 较强 不可逆 不易达到
2. 固-气界面吸附
对于一定的吸附剂与吸附质的体系，达到吸附平衡时，吸附量 是温度和吸附质压力的函数，即：
2. Kelvin公式的应用
P 2V 2M RT ln( ) P0 R r
应用Kelvin公式可以解释一些现象： • 1、过饱和蒸气，人工降雨 • 2、过热液体 • 3、过饱和溶液
2. Kelvin公式
1. 过饱和蒸汽
按照相平衡条件应当凝结而未凝结的蒸汽。
P 2V 2M RT ln( ) P0 R r
2. Kelvin公式
3. 过饱和溶液
在平衡条件下，应当有晶体析出而未析出的溶液。
2 ls M RT ln C0 r C
小晶粒的溶解度大于大晶粒的溶解度。
2. Kelvin公式
3. 过饱和溶液
开尔文公式对于溶质的溶解度也可适用， 只要将公式中 的蒸气压换成溶质的饱和浓度即可， 即微小晶体颗粒的饱和 浓度大于普通晶体的饱和浓度。
2. Kelvin公式
2. 过热液体
按照相平衡条件应当沸腾而不沸腾的液体。
P 2V 2M RT ln( ) P0 R r
气泡 液体 凹液面
凹液面使得气泡的 产生非常困难。
r<0,Pr<P0
为防止过热，常在液体中投入一些素烧瓷片等多孔性物质。其孔 中储存有气体，加热时这些气体成为新相种子。
3. Gibbs 吸附等温式
表面张力与溶液浓度的关系
第三章 固体表面
1. 固体的表面特性 2. Langmuir和Freundlish吸附等温式 3. BET多分子层吸附理论
重点掌握并熟练运用：
Langmuir吸附等温式
1. 固体的表面特性
表面分子 运动受缚性
特性 01
表面 吸附性
表面不 均一性
1. Laplace方程
弯曲表面上的附加压力 A ps B ps
A
B
由于液面是弯曲的，沿AB的周界上的表面张力不能抵 消，作用于边界的力有一指向曲率中心的合力。所有 的点产生的合力和为 Ps ，称为附加压力。
1. Laplace方程
弯曲表面上的附加压力
附加压力的方向总是指向曲率中心。
ps
ps
1. Laplace方程
1. Laplace方程
非球面
p (1/ r1 1/ r2 )
2. Kelvin公式 3. Gibbs 吸附等温式
P 2V 2M RT ln( ) P0 R r
1 c2 1 c ln c 2 RT 2 RT 2 T T
2. Kelvin公式
弯曲表面上的蒸汽压
P 2V 2M RT ln( ) P0 R r
Kelvin公式表明： 液滴的半径越小，其蒸汽压越大。 气泡的半径越小，其蒸汽压越小。
2. Kelvin公式
弯曲表面上的蒸汽压
P 2V 2M RT ln( ) P0 R r
涉及计算时特别注意： 液滴：凸面，r>0。 气泡：凹面，r<0。
2. Kelvin公式
2. 过热液体
液体沸腾时不仅在液体表面进行气化， 而且在液体内部 要自动形成小气泡。根据开尔文公式可知，
P 2V 2M RT ln( ) P0 R r 对于这样的气泡其饱和蒸气压小于平面液体的饱和蒸气压， 而且起泡半径越小，泡内饱和蒸气压越小。在沸点时， 最初 形成的半径极小的气泡内的饱和蒸气压远小于外压， 因此在 外压的压迫下，小气泡难以形成，以至液体不易沸腾而形成过 热液体。实践中， 在液体中加入多孔物质， 如沸石便是通过 增大最初形成气泡的半径， 从而避免液体过热现象。