表界面化学

表界面化学和胶体应用的简单综述
摘要：
胶体与表面化学是研究胶体分散体系物理化学性质及界面现象的科学。

虽然原属物理化学的一个分支，但其与生产和生活实际联系之紧密和应用之广泛是化学学科中任一分支不能比拟的。

研究分散体系（除小分子分散体系以外的胶体分散体系和一般粗分散体系）和界面现象的物理化学分支学科。

但作为一种科学，直到20世纪才得到具有特色的迅速发展。

胶体与表面化学是研究胶体分散体系物理化学性质及界面现象的科学。

虽然原属物理化学的一个分支，但其与生产和生活实际联系之紧密和应用之广泛是化学学科中任一分支不能比拟的。

关键词：胶体与表界面分散体系应用
Surface chemical and colloid and its
application in the simple
Abstract: the colloid and surface chemistry is the study of colloidal dispersion system the chemical and physical properties and interface of the phenomenon of science. Although the original is a branch of physical chemistry, but its and production and life of the actual contact closely and application is in the broad chemical subject any branch cannot comprehend.Research scattered system (except small molecules spread outside of the colloid decentralized system system and the general thick decentralized system) and interface of the phenomenon of physical and chemical branch discipline. Colloid
and surface chemical research and application, actually goes back to ancient times. But as a science, until the twentieth century to get has itself characteristic rapid development.
Key words: the colloid and interface decentralized system application
一、表面化学的定义及研究对象
物质的两相之间密切接触的过渡区称为界面（interface），若其中一相为气体，这种界面通常称为表面（surfase）。

铁为什么会生锈，燃料电池怎么发挥作用，汽车中的催化剂如何实现尾气的清洁排放，这些生活中的平凡现象常常被人忽略，也很少有人去探究其中的秘密。

然而，今年的诺奖却认可了这个常常不受公众瞩目的科学领域———表面化学。

固体表面是个神秘的世界,晶体的生长、凝聚、熔融、烧结和规整等过程,无一不从固体表面开始，而且在表面进行的化学反应的速度要比在固体内部快几十、几百以至几千倍尤其令人奇怪的是固体表现具有独特的催化作用，常见的吸附、解吸、活化、纯化……只有在固体表面才能顺利地进行。

正因为如此，在本世纪年代后，一门名叫固体表面化学的学科也应运而生了。

它的任务是研究固体表面的原子组成、分子分布……等，用一句简单的话来表述，那就是力图揭开固体表面的神秘面纱，使固体表面的种种奇异现象能得到解释。

目前固体表面化学家对固体表面的认识可以说有如下三个层次第一是表面热力学,它研究表面原子集合性质,即原子的排列跟表面性质的关系第二是固体表面的电子结构,这包括表面的原子的化学键、电荷迁移、电子发射等第三是固体表面动力学，它包括固体表面的吸附、解吸机理、表面催化、活化过程和机理等。

二、表面化学的形成与提出
物质的两相之间密切接触的过渡区称为界面（interface），若其中一相为气体，这种界面通常称为表面（surface）。

凡是在相界面上所发生的一切物理化学现象统称为界面现象（interface phenomena）或表面现象（surface phenomena）。

研究各种表面现象实质的科学称为表面化学。

表面化学在20世纪40年代前，得到了迅猛发展，大量的研究成果被广泛应用于各生产部门，如涂料、建材、冶金、能源等行业；但就学科来说它只是作为物理化学的一个分支—胶体化学。

到了60年代末70年代初，人们从微观水平上对表面现象进行研究，使得表面化学得到飞速发展，表
面化学作为一门基础学科的地位被真正确立。

由于半导体工业的发展，现代表面化学于60年代开始出现。

格哈德•埃特尔（Gerhard Ertl）是首批发现新技术潜力的科学家之一。

他逐步建立表面化学的研究方法，向人们展示不同实验过程产生表面反应的全貌。

这门科学需要先进的真空实验设备，以观察金属上原子和分子层次如何运作，确定何种物质被置入系统。

格哈德•埃特尔的观察为现化表面化学提供了科学基础，他的方法不仅被用于学术研究而且被用于化学工业研发。

格哈德•埃特尔发明的研究方法，基于他对哈伯-博施法的研究，应用哈伯-博施法可以从空气中提取氮，这一点具有重要的经济意义。

埃特尔还对铂催化剂上一氧化碳氧化反应进行研究，这种化学反应主要发生在汽车催化剂中，以过滤汽车产生的废气。

三、表面化学学科的发展过程
谈到表面化学学科的发展过程，有一个人我们不得不提到，他就是我们上面提及到的格哈德•埃特尔（下面我们简称埃特尔），埃特尔为整个表面化学学科确立了一套试验思想，开创了一种全新的实验学派。

埃特尔的工作始于20世纪60年代，那时，由于半导体工业的兴起，真空技术得到发展，现代表面化学开始出现。

固体表面的化学反应非常活跃，因而需要先进的真空实验设备，格哈德•埃特尔是最先发现新技术潜力的科学家之一。

这一领域看似晦涩，其实并不遥远。

合成氨的研究就是一例。

合成氨是人工化肥的主要有效成分，可以说是现代农业的基础之一。

将氢气和氮气在催化剂的作用下人工合成氨，叫做哈伯•博施(Haber－Bosch)法(这一方法的发明者弗里茨•哈伯曾获得1918年的诺贝尔化学奖)。

传统催化剂用铁作为活性成分，氢气和氮气在上面发生反应，这正是表面化学的用武之地。

然而传统的方法有一个步骤反应极慢，能耗很大。

借助一些新的研究方法，埃特尔发现了这一过程的瓶颈所在，并完全阐明了氢气和氮气在铁催化剂表面反应的七个步骤。

在了解反应过程之后，只要“疏通”最慢的那个环节，整个反应的效率就会大为改观。

这就好比疏通了一个交通要道的堵车点。

埃特尔的工作为研发新一代合成氨催化剂奠定了基础，具有重要的经济意义。

埃特尔的另一重要贡献是对在铂催化剂上一氧化碳氧化反应的研究。

一氧化碳是汽车尾气中的有毒气体，在排到大气前，必须将其氧化成二氧化碳。

埃特尔发现在反应的不同时相，几个反应步骤的速率变化很大，这一看似简单的过程比哈伯－博施反应还要复杂得多。

埃特尔详尽研究了这一过程，他所使用的一些研究方法对于研究复杂介面上的化学反应具有极大的启示作用。

埃特尔的研究领域很广。

他还用表面科学的方法和手段来研究很多相关领域的科学问题，包括燃料电池、臭氧层破坏等。

他所发展出来的方法，广泛影响了表面化学的进展，而且他的实际影响并不仅仅在于学术研究，还涉及到农业和化学工业研发的多个方面。

四、表面化学在现实生活与生产中的应用
1眼镜防雾
众所周知，当玻璃表面温度低于大气露点或对其呵气，均会有小水滴凝结在玻璃上，亦即所谓“起雾”，它防碍光线透过，显然若能阻止水在表面上形成半球形水滴即可达到防雾目的。

从表面化学角度说，最基本的方法是提高玻璃表面的亲水性，使其易为水所润湿，形成薄薄的水层，这样便不产生光散射而变得透明，一种最简单的方法是在玻璃（包括透明塑料）表面涂上表面活性剂溶液，由于表面活性剂能大大降低水的表面张力，故使水易于在玻璃表面上铺展，涂表面活性剂的缺点是耐久性差，为提高活性剂对玻璃的粘附性，可将其与含有亲水性的高分子物质（如聚丙烯酸）并用。

2雨衣防水
以往的雨衣均为致密的棉织品，将其纤维表面加以防水处理（即令其表面憎水化）使水/布之间的接触角θ变大，如图所示，故水不能自由通过而起防水作用，但空气可以透过，所谓水不能自由通过是指在加压条件下可以透过纤维间隙，目前使用的耐洗性防水剂有吡啶盐型和羟甲基酰胺型等。

常用的塑料雨衣为聚氯乙烯等薄膜制品，其监界表面张力为39mN/m，而水的表面张为72mN/m左右，故聚氯乙烯本身具有憎水性，不被水润湿。

3洗涤剂的去污作用
洗涤剂的去污作用是一个很复杂的过程，它与渗透、乳化、分散、增溶以及起泡等各种因素有关，不同的污垢，要求不同的洗涤剂。

理论原理：表面活性物质的分子能定向地排列于任意两相之间的界面层中产生正吸附，使界面的不饱和力场得到某种程度的补偿，从而降低界面张力，使系统的表面吉布斯函数降低，稳定性增加。

表明由于水的界面张力大，而且润湿性差，只靠水是不能去污的。

说明加入洗涤剂后洗涤剂分子以亲油基向固体表面或污垢的方式吸附，结果在机械力作用下污垢开始从固体表面脱落洗涤剂分子在干净固体表面和污垢粒子表面上形成吸附层或增溶，使污垢脱离固体表面而悬浮在水相中很容易被水冲走。

单独使用洗涤剂中的有效成分（如C2～C4烷基苯磺酸钠）其去污效果并不显著，只有添加某些助剂后，才能进一步提高去污力，例如：Na2CO3、三聚磷酸钠、羟甲基纤维素或甲基纤维素等，称为污垢悬浮剂，对洗下的污垢起到分散作用，其中三聚磷酸钠等是最好的和应用最广的助剂，它与水中Ca2+和Mg2+形成不被织物吸附的可溶性螯合物，有助于避免形成浮渣和防止污垢再沉积。

4纸上电泳
生物化学中常用电泳来分离各种氨基酸和蛋白质等，医学上利用血清的“纸上电泳”可以协助诊断患者是否有肝硬变。

理论原理：在外电场的作用下，不同的胶体粒子在分散介质中以不同的电泳速度定向移动。

将血清样品点在湿的滤纸条上通电后，血清中荷负电的清蛋白以及α、β、γ三种球蛋白，由于其分子量和电荷密度不同，向正极的电泳速度不同，
故可将它们彼此分离，再经显色处理，便可获得电泳图谱。

五、表面化学的发展方向探究
1分析技术介入表面化学
早在十八世纪，人们就开始进行物质表面研究，例如催化、电化学以及表面相的热力学研究等等。

上个世纪中叶，半导体工业和真空技术的迅速发展极大地促进了现代表面科学的进步。

北京大学物理化学研究所吴凯教授介绍说，20 世纪 60 年代以后，各种表面分析技术不断涌现。

20 世纪 80 年代发明的扫描隧道显微镜以及后来的原子力显微镜将表面分析技术的开发推上巅峰。

这些表面分析技术成为人们探索表面的有力武器，将人们带到迷人的原子和分子世界，实现了人们一直渴望看到以及操控原子和分子的梦想。

吴凯介绍，“迄今为止，表面科学的分析技术和方法已经渗透到很多学科当中：催化、电化学、凝聚态物理、天体物理和化学、半导体、微电子学、材料学、生命科学以及环境科学等等。

这种与别的学科的日益交融又反过来给表面科学提出新的课题和挑战，促使表面科学的工作者开发和建立新的表面分析技术和方法。

”
2开始更多涉及液体表面
半个多世纪以来，表面科学一直用于研究固体表面结构，电子和吸附反应已经取得了丰硕的成果。

比较而言，液体表面的研究却是寥寥无几。

吴凯教授向记者介绍了其中的三方面原因，一是液体中的原子或分子比固体中更加活跃，更顽皮；二是很多表面科学的分析技术是在超高真空条件下应用的，而液体的蒸汽压很高，很容易破坏超高真空条件；三是很多液体是不导电的，而大多数的表面分析技术要求样品是导电的。

不过近来由于分子束、低温技术以及化学方法的应用和建立，人们已经开始涉足含有液体表面的体系。

含有液体的界面体系在很多应用领域都有重大意义：液体电化学，地下水污染处理，相转移催化，萃取分离，生物体系，医用材料，纳米材料合成等等。

六、表面化学在我国的研究现状
我国也是较早开始催化和表面化学研究的国家之一。

其研究历史可以追溯到上世纪 30 年代。

1933 年，我国科学家张大煜在获得德国德累斯顿工业大学博士学位后，回国开创和发展胶体化学和表面化学的研究。

从 50 年代初开始，他致力于工业上广泛使用的催化剂担体研究，结合水煤气合成石油的钴催化剂和合成氨催化剂的催化性能研究，逐步建立了物理吸附、化学吸附等一系列研究方法，提出了表面键理论的设想，并以此为指导，研制成功了合成氨新流程的 3个催化剂，在当时达到了国际先进水平。

其中在表面化学研究方面特别值得一提的是已经故世的原大连化物所郭燮贤院士和原复旦大学的邓景发院士的工作。

郭燮贤在基础研究方面先后提出了表面“空位”对吸附和催化反应作用的概念，以及氢和一氧化碳活化吸附方面的“易位吸附”和“协同机理”的新概念等。

邓景发自行设计、组装了多种近代能谱仪，在国内较
早建成了一个从分子水平研究表面吸附和催化过程的表面催化实验室，系统开展了银系列催化剂的基础理论研究。

七、表界面化学与矿物加工专业的学科联系
表界面化学与矿物加工专业的学科联系，在矿物加工专业的具体应用情况，主要体现在浮选中。

浮选即泡沫浮选，是依据各种矿物表面性质的差异，从矿浆中借助于气泡的浮力，选分矿物的过程。

矿物颗粒的接触角与润湿性和浮选的关系，接触角是反映矿物表面亲水性与疏水性强弱程度的一个物理量，接触角越大，矿物表面亲水性越弱，气泡越易排开矿物表面的水化膜，矿物在气泡表面的附着稳固，因而越易浮选。

浮选工艺的应用领域
1、矿业：可以用浮选处理硫化矿（如黄铜矿、黄铁矿、方铅矿、闪锌矿等）及非硫化矿（如难溶金属氧化物、磷酸盐矿物、可溶性盐类、萤石、重晶石），及用来处理细（钨泥、锡泥、煤泥）、难矿物（赤铁矿、粘土矿物除杂等）。

2、综合利用：冶金工业（冶炼炉渣、阳极泥处理）、化学工业、造纸工业（从纸浆废液中回收纤维素、废纸再生中脱油墨）、农产品、食品工业、医药微生物工业中综合回收有用物质。

3、废物及废水处理（离子浮选可除去重金属离子。

）参考文献：
【1】《胶体与表面化学》作者:沈钟等编著出版社：化学工业出版社出版日期:2004.05
【2】《应用胶体与界面化学》作者:赵振国出版社：化学工业出版社出版日期:2008.06
【3】《胶体与界面化学》作者:陈宗淇、王光信、徐桂英出版社：高等教育出版社出版日期:2001.08
【4】《造纸过程的胶体与界面化学》作者:何北海、胡芳、赵丽红出版社：化学工业出版社出版日期:2009.06
【5】《胶体与界面化学》作者:张玉亭、吕彤出版社：中国纺织出版社出版日期:2008.11
【6】胶体与界面化学学科发展研究_2006_2010_郭荣
【7】Influence of Chemical Surface Characteristics of Natural Zeolite on Catalytic Ozone Abatement
【8】Colloid surface chemistry critically affects multiple particle tracking measurements of biomaterials.
【9】Kimberley W. Lighter weight leads to fuel savings[J]. Automotive Engineer，2004，29(9)：30-31.。