材料表面与界面复习题2013..

1.液体原子结构的主要特征。

（1）液体结构中近邻原子数一般为5~11个（呈统计分布），平均为6个，与固态晶体密排结构的12个最近邻原子数相比差别很大；

（2）在液体原子的自由密堆结构中存在五种间隙，四面体间隙占了主要地位。

（3）液体原子结构在几个原子直径范围内是短程有序的，而长程是无序的。

2.液体表面能的产生原因。

液体表面层的分子，一方面受到液体内层的邻近分子的吸引，另一方面受到液面外部气体分子的吸引，而且前者的作用要比后者大。因此在液体表面层中，每个分子都受到一个垂直于液面并指向液体内部的不平衡力。这种吸引力使表面上的分子趋向于挤入液体内部，促成液体的最小表面积。要使液体的表面积增大就必须要反抗液体内部分子的吸引力而做功，从而增加分子的位能，这种位能就是液体的表面能。

3.液体表面张力的概念和影响因素。

液体表面层的原子或分子受到内部原子或分子的吸引，趋向于挤入液体内部，使液体表面积缩小，因此在液体表面的切线方向始终存在一种使液体表面积缩小的力，其合力指向液体内部的作用力，这种力称为液体表面张力。

液体的表面张力大小受很多因素的影响。如果不考虑液体内部其它组元向液体表面的偏聚和液体外部组元在液体表面的吸附，液体表面张力大小主要受物质本身结构、所接触的介质和温度的影响。

（1）液体的表面张力来源于液体内部原子或分子间的吸引力，因此液体内部原子或分子间的结合能的大小直接影响到液体的表面张力的大小。一般来说，液体中原子或分子间的结合能越大，表面张力越大。具有金属键原子结合的物质的表面张力最大；其次由大到小依次为：离子键结合的物质、极性共价键结合的物质、非极性共价键结合的物质。

(2)液体的表面张力的产生是由于处于表面层的原子或分子一方面受到液体内部原子或分子的吸引，另一方面受到液体外部原子或分子的吸引。当液体处在不同介质环境时，液体表面的原子或分子与不同物质接触所受的作用力不同，因此导致液体表面张力的不同。一般来说，介质物质的原子或分子与液体表面的原子或分子结合能越高，液体的表面张力越小；反之，介质物质的原子或分子与液体表面的原子或分子结合能越低，液体的表面张力越大。

（3）液体的表面张力还与温度有关。温度升高，液体的密度降低，液体内部原子或分子间的作用力降低，因此液体内部原子或分子对表面层的原子或分子吸引力减弱，导致液体的表面张力下降。预测液体表面张力与温度关系的半经验表达式为：

γ = γ0(1－T/T c)n

式中T c为液体的气化温度，γ0为０K时液体的表面张力。

( 举例：水的表面张力随温度的升高而下降的趋势。这一变化规律可以从两个方面进行解释：一方面，随温度升高，水的体积膨胀，内部分子间距离增大，导致水中内部分子对表面分子的吸引力降低；另一方面，随温度升高，蒸汽压提高，气相中的分子对水表面分子的吸引力增大。)

4.固体表面能的影响因素。

影响固体表面能的主要因素有：固体原子间的结合能、固体表面原子的晶面取向和温度。

（1）由于表面能的大小主要取决于形成固体新表面所消耗的断键功，因此原子间的结合能越高，断开相同结合键需要消耗的能量越高，所形成的固体表面能越高。

（2）由于固体晶体结构是各向异性的，不同晶面的原子面密度不同，所以形成单位面积的新表面需要断开原子键的数量不同，导致所形成的表面能不同。一般来说，固体表面原子面密度越高，形成单位面积的新表面需要断开原子键的数量越小，表面能越低。

（3）与液体一样，固体的表面能随温度的升高而下降，并且固体表面能随温度升高而

下降的速度大于液体。

5. 计算并讨论立方晶系（100）、（110）和（111）面的表面能大小。

采用“近邻断键模型”来计算固体晶体的表面能。假设：第一，每个原子只与其最近邻的

原子成键（最近邻原子数即为该晶体结构的配位数），并且只考虑最近邻原子间的结合能；

第二，原子间的结合能不随温度变化。 对于具有任意晶体结构的固态晶体，某一晶面{hkl}

的表面能（γS{hkl}）可以用下式计算：γS{hkl} = N{hkl}Z(Ua/2) 其中N{hkl}为{hkl}晶面单位面积的原子数，Z 为晶体沿{hkl}晶面断开形成新表面时{hkl}晶

面上每个原子需要断裂的键数。

简单立方：

面心立方：

体心立方 a a a

(a)单胞结构 (c){011}晶面 (b){001}晶面 (d){111}晶面 a (a)单胞结构 a

(b){001}晶面 a

(c){011}晶面 (d){111}晶面

6. 固体晶体表面形状的形成原则和确定方法。

固体晶体的表面平衡形状一方面取决于所形成的总表面积大小，但更重要的是决定于构成表面的晶面表面能大小。一般情况下，固体晶体的表面由那些表面能较低的低指数晶面组成，从而形成多面体形状。形成的原则是固体总表面自由能最低。

确定方法：在一个单晶体平衡多面体中，由多面体中心引出一组矢量，方向与多面体各表面垂直，矢量的长度与各晶面的表面能成正比。在各矢量的端点做垂直于该矢量的平面，各平面相交则得到晶体的平衡形状。

按照Wuff 提出的晶体平衡形状的半经验规律，OA/OB = γ(10) /γ(11)。

再根据两个四边形的公共部分所组成的八边形的面积应该为1cm 2，就可以最终确定该八边形的尺寸。 7. 对比分析固体表面物理吸附和化学吸附的主要特点。

物理吸附：

（1）固体表面的分子或原子具有不均匀力场，当气体分子（原子）接近固体表面时，将受到固体表面分子（原子）的吸引力，在固体表面形成富集。这种现象为物理吸附。

（2）如果被吸附物质深入到固体体相内部，则称为吸收。

（3）物理吸附的作用力是范德华力，可以看作是气体冷凝形成的液膜，因此物理吸附热的数值与液化热相似。

（4）因为范德华力存在于任何分子之间，因此物理吸附没有选择性。

（5）物理吸附速度一般较快。

（6）物理吸附往往容易脱附，是可逆的。

次表面

最表面 再次表(b)

0.59cm 0.32cm (11) (10) (a) (11) (10) O A B