界面物理化学复习知识点
物理化学 第十章 界面现象
4. 热力学基本公式
考虑了表面功，热力学基本公式中应相应增加一项，即：
dU TdS pdV
dn
B
B
dAS
B
dH TdS VdP
dn
B
B
dAS
B
dA SdT pdV
dn
B
B
dAS
B
dG SdT VdP
dn
B
B
dAS
B
由此可得:
( U AS
Ga 0 1800 任何液体与固体间都能粘湿
在等温等压条件下，单位面积的液固界面分开产生液体表面与固体表 面所需的功称为粘附功。粘附功越 大，液体越能润湿固体，液-固结合 得越牢。
Wa Ga gl (cos 1 )
Wa o
（2）浸湿(work of immersion)
浸湿:固体浸入液体,固体表面消失，液-固界面产生的润湿过程。
当将边长为10-2m的立方体分割成10-9m的小立方体 时，比表面增长了一千万倍。
可见达到nm级的超细微粒具有巨大的比表面积， 因而具有许多独特的表面效应，成为新材料和多相 催化方面的研究热点。
对具有巨大表面积的分散体系，界面分子的 特殊性对体系性质的巨大影响不能忽略
界面与表面：是指两相接触的约几个分子厚度的过渡区 （界面相），若其中一相为气体，这种界面通常称为表 面。
Langmuir吸附等温式的缺点：
1.假设吸附是单分子层的，与事实不符。 2.假设表面是均匀的，其实大部分表面是不均匀的。
3.在覆盖度 较大时，Langmuir吸附等温式不适用。
§ 10.4 液—固界面
接触角 粘附功 浸湿功 铺展系数
1 接触角(contact angle)和Young equation
胶体界面化学知识点总结
胶体界面化学知识点总结胶体界面化学是研究在胶体系统中发生的化学现象和过程的科学，它涉及到界面的性质、结构和变化等方面。
胶体界面化学的研究对理解胶体系统的基本特性和应用具有重要的意义。
下面将对胶体界面化学的相关知识点进行总结。
一、胶体概念胶体是由两种或两种以上的相组成的复合系统，其中一个相是固体，另一个或另一些是液相或气相。
这些相都是微观分散的，且不易被重力沉淀的稳定性。
胶体是一种介于溶液和悬浮液之间的分散系统，在胶体中，含有微粒的相称为分散相，微粒与溶剂形成的相称为连续相。
胶体颗粒的尺寸一般在1-1000nm之间。
根据分散相的性质不同，胶体又可以分为溶胶、凝胶和乳胶等。
二、胶体稳定性胶体的稳定性是指其分散相维持分散状态的能力。
胶体稳定性与表面活性剂的类型和浓度、电解质的存在和浓度、电荷作用、范德华力等因素有关。
当表面活性剂存在时，会在分散相的表面形成一层物理吸附膜来减少表面能，改变表面性质，从而稳定胶体。
电解质的存在可以中和分散相表面的电荷，减少静电斥力，使胶体不稳定。
电荷作用和范德华力也会影响胶体的稳定性。
了解这些因素对胶体稳定性的影响对于胶体的应用和制备具有重要的意义。
三、界面活性剂界面活性剂是一类具有分子结构中同时含有亲水性和疏水性基团的化合物，它们在液体界面上降低表面张力，促进液体的分散和乳化，并有较强的渗透性和复合物形成性。
界面活性剂的主要作用包括降低表面张力、增加分散性、稳定胶体、乳化和分散。
根据亲水性基团的不同，界面活性剂可以分为阴离子、阳离子、非离子和两性离子界面活性剂。
界面活性剂的选择和使用对于控制胶体的稳定性和调控乳液、泡沫等具有重要的作用。
四、胶体的表面性质胶体的表面性质是指胶体颗粒的表面具有的润湿性、黏附性、表面能等物理化学性质。
胶体颗粒的表面性质与界面活性剂的类型和浓度、电解质的存在和浓度、溶剂的性质等有关。
表面性质的研究对于控制胶体的稳定性、界面活性剂的选择和应用有着重要的意义。
物理化学界面现象知识点
物理化学界面现象知识点物理化学是一门研究物质与能量转化关系的学科，其中关于界面现象的研究成为其重要组成部分。
界面现象指的是两种或两种以上物质的交界处，这些物质可以是固体、液体或气体。
本文将介绍物理化学界面现象的几个重要知识点。
一、表面张力表面张力是指液体分子表面上分子间相互吸引的力所产生的效应。
液体分子在表面形成一个较为稳定的薄层，使得液体表面呈现收缩的趋势。
表面张力的大小与液体的性质有关，与温度、溶质浓度等因素也有关系。
表面张力有许多重要应用，如测定液体的粘度、浮力现象和昆虫在水面行走等。
二、润湿性润湿性是指液体在与固体接触时的扩展性和均匀性。
润湿性好的液体可以在固体表面均匀地展开，与固体取得较大的接触面积。
润湿性的研究对于表面活性剂、涂层材料等的开发具有重要意义。
润湿性与液体与固体之间的相互作用力有关，主要分为两种类型：强烈吸附型润湿和胶状薄膜型润湿。
三、界面电荷界面电荷是指存在于两相接触处的电荷分布。
在液体与固体、液体与气体的接触处，由于电离、化学吸附等作用，使得界面处出现电荷分布不均匀的现象。
界面电荷的存在对于溶液的稳定性、沉降速度以及电化学反应的进行产生重要影响。
四、界面传质界面传质是指物质在两相接触处的传输过程。
传质可以是从一个相向另一个相的扩散，也可以是通过界面传递。
界面传质是许多重要现象的基础，如大气污染、化工过程中的传质现象等。
界面传质与各相之间的浓度差、物质的扩散系数等因素相关。
五、胶束和微乳液胶束和微乳液是由表面活性剂分子在溶液中自组装形成的具有特殊性质的结构。
胶束是由表面活性剂分子聚集形成的球状结构，具有封闭的疏水核心和亲水外壳。
微乳液是由表面活性剂分子聚集形成的亲水和疏水两相共存的稳定结构。
胶束和微乳液的形成与溶液中表面活性剂浓度、温度等因素密切相关，对于药剂的输送、催化剂的设计等方面具有重要意义。
综上所述，物理化学界面现象是物质与能量转化过程中的重要组成部分。
表面张力、润湿性、界面电荷、界面传质以及胶束和微乳液等知识点对于理解和应用界面现象有着重要作用。
界面化学知识总结
2.9.4 表面活性剂对润湿性的影响 • 润湿剂：提高液体的润湿能力的表面活性剂。 • 固体表面改性剂：通过吸附改变固体表面性质的表面活性剂。 • 原理：高能变低能表面、疏水变亲水。
2.9.5 固体润湿性质的应用 防水、矿物浮选等。
4
– 毛细管上升问题：γ = ∆ρghr液面/2 = ∆ρghr管壁/(2 cos θ)，其中 θ(为接触角)。
–
液体的过热（结合
Clausius–Claperon
方程）： 1 T0
−
1 T
=
R ∆gl Hm
ln
1
+
2γ p0 |r|
，其中 Kelvin 效应
造成的气泡内蒸气压下降
∆p′
=
2γ |r|
公式计算液液界面的吸附。
5 溶液表面
5.1 水溶液表面张力曲线的主要类型
1. dγ/dc 为小而基本固定的正值。 • 溶质包括多数无机盐和多羟基有机物。 • 溶质为盐时对表面张力的贡献可看作阴阳离子贡献的加和，一价离子的贡献为（Hofmeister 序 列，和水吸引力大者贡献大）Li+ > Na+ > K+ > Rb+ > Cs+，F− > Cl− > Br− > I−。
需环被完全润湿
易恒温简单易行，不受接 触角影响
简单
需注意陈化效应
温度不易控制，校正繁复， 结果不太满意
吊片法 最大泡压法
需吊片完全润湿，可测老 化时间长的动表面张力 （刮去旧表面后）
测的是动表面张力
物化界面现象知识点总结
物化界面现象知识点总结物化界面现象是指两种或两种以上不同物质（或不同物质的两种物理状态）之间相互接触、相互影响的表面现象。
这些现象在日常生活中无处不在，比如水珠在玻璃表面的现象、油和水的不相溶性现象、以及固体表面的粗糙程度对摩擦力的影响等等。
在工业生产、科学研究、生活实践等方面，物化界面现象都起到了重要的作用。
因此，了解和掌握物化界面现象的知识是十分重要的。
在这里，我将对物化界面现象的相关知识点进行总结，包括表面张力、接触角、浸润性、毛细现象、界面活性剂等内容。
一、表面张力表面张力是液体表面上的一种由分子间相互作用力引起的力。
在液体表面处，分子受到的作用力来自两个方向：一方面来自于液体表面上的临近分子，另一方面来自于表面下方的那些分子。
这两个方向上的作用力不平衡，因此液体分子呈现出对表面内部的收缩趋势，这种趋势可以看作是表面张力的体现。
表面张力的大小与液体的性质有关，通常用表面张力系数σ来描述。
它的大小与液体的特性、温度、压力等因素有关。
表面张力的表现形式主要有两种：一是使液体表面成为弹性膜的现象，比如肥皂泡；二是使液体内部呈现出平设置立体的现象，比如水银在玻璃板上的现象。
二、接触角接触角是指三个相互接触的介质在接触点上所形成的角。
常见的接触角有两种：一种是固体与液体之间的接触角，另一种是气体与固体之间的接触角。
固体与液体之间的接触角是由固液表面张力和液体表面张力所共同决定的，它决定着液体在固体表面上的浸润性。
当接触角小于90度时，称为润湿；当接触角大于90度时，称为不润湿。
接触角的大小与物质的性质、表面形貌、温度、压力等因素有关。
气体与固体之间的接触角也受到相似的因素的影响，它反映了气体对固体表面的浸润性。
当接触角小于90度时，称为亲水性；当接触角大于90度时，称为疏水性。
三、浸润性浸润性是物体固体表面和液体之间相互作用的结果。
当液滴接触到固体表面时，有两种可能的结果：一是液滴可以完全浸润固体表面，称为完全浸润；另一种是液滴无法完全浸入固体表面，称为不完全浸润。
物理化学B-第七章-表界面化学基础
表界面化学基础
引言
1. 表面（界面）：
界面：物质两相之间密切接触的过渡区
液体－液体
g
液体－固体 固体－固体
液体－气体
界面 （interface)
表面
l
固体－气体
（surface)
表面:两相之一为气相的密切接触的过渡区。
表面/界面 化学： 研究各种相界面的性质，尤其是具有巨大界面系 统的特殊性质(界面效应)；在分子（原子）尺度 上研究界面过程的科学。
p > p外
p < p外
1.弯曲液面下的附加压力
定义：界面两侧(p与p外)的压力差（p-p外），p 对凸表面， p >0
对凹表面， p <0
产生原因：在弯曲界面上，表面张力不能相互抵消。 代表表面张力的合力。
p的方向：总是指向曲率半径球心
肥皂泡中的压力 必大于大气压
水中气泡的压力
水的压力
2. 附加压力的大小——Young-Laplace方程
(l)
p p
Vmdp
p
Vmp
Vm
2
r
（1）
设小液滴和平面液体的蒸气压分别为pr和pV0，则它们对应 气相的化学势之差为
(g)
RT
ln
pr pvo
（2）
RT
ln
pr
pvo
Vm
•
2
r
ln pr pvo 2M RT r Kelvin方程
等温等外压下，液体的蒸汽压与液滴大小的关系。
(1) 各量的意义： pr—半径为r小液滴的蒸气压 pvo —平面液体的蒸气压正常值(查手册)
定性分析？
思考题6：
p
T
物理化学知识点chap 10
Pa
2.356
103
kPa
【10.5】水蒸气迅速冷却至298.15K时可达到过饱和状态。已
知该温度下水的表面张力为71.97×10-3 N·m -1 ，密度为997
kg·m-3。 当过饱和水蒸气压力为平液面水的饱和蒸气压的4
倍时，计算： （1）开始形成水滴的半径；（2）每个水滴中
所含水分子的个数。
m
= 7.569 ? 10- 10m
（2）每个水滴的体积
( ) V 水滴=
4 3
pr
3
=
4 创3.14 3
7.569 ? 10- 10 3 m 3
1.815 ? 10- 27m 3
每个水分子的体积
V 水分子=
M rL
=
骣 琪 琪 琪 桫997
创
0.018 6.022
m 3 = 3.00 ? 10- 29m 3 1023
分析： 利用拉普拉斯方程
p 2
r
解： （1）和（2）两种情况下均只存在一个气-液界面， 其附加压力相同。根据拉普拉斯方程
p
2
r
2 58.91103 0.1106
Pa
1.178
103
kPa
（3）空气中存在的气泡，有两个气-液界面，其附加压力 为
p
4
r
4
58.91103 0.1106
•
pg
••
•
气
•
p
• •
pl
(a)
pg
• 气 p • •
液•
pl (b)
附加压力方向示意图
•
•
气•
•
•
• •
p=• 0
物理化学界面现象知识点
界面现象1. 表面张力、表面功及表面吉布斯函数表面张力γ：引起液体或固体表面收缩的单位长度上的力，单位为N·m -1。
表面功：'δ/d r s W A ，使系统增加单位表面所需的可逆功，单位为J·m -2。
表面吉布斯函数：B ,,()(/)s T p n G A α∂∂，恒温恒压下系统增加单位表面时所增加的吉布斯函数，单位为J·m -2。
表面吉布斯函数的广义定义：B()B()B()B(),,,,,,,,()()()()S V n S p n T V n T p n s s s s U H A G A A A A ααααγ∂∂∂∂====∂∂∂∂ ',r s T p s W dA dG dA γδ==表面张力是从力的角度描述系统表面的某强度性质，而表面功及表面吉布斯函数则是从能量角度和热力学角度描述系统表面的某一性质。
三者虽为不同的物理量，但它们的数值及量纲等同的，均可化为N·m -1。
在一定温度、压力下，若系统有多个界面，其总界面吉布斯函数：s i is i G A γ=∑2. 弯曲液面的附加压力、拉普拉斯方程附加压力：Δp =p 内-p 外 拉普拉斯方程：2p rγ∆= 规定弯曲液面凹面一侧压力位p 内，凸面一侧压力位p 外；γ为表面张力；r 为弯曲液面的曲率半径，△p 一律取正值；附加压力方向总指向凹面曲率半径中心。
3. 毛细现象毛细管内液体上升或下降的高度2cos h r gγθρ= 式中：γ为表面张力；ρ为液体密度；g 为重力加速度；θ为接触角；r 为毛细管半径。
当液体不能润湿管壁，θ>90°即0cos θ<时，h 为负值，表示管内凸液体下降的深度。
4. 微小液滴的饱和蒸汽压——开尔文公式m 22ln r p V M RT p r rγγρ== r 为弯曲液面的曲率半径，无论凸凹液面，均取正值；p r 为气泡的饱和蒸汽压；p 为平液面的饱和蒸汽压；ρ为液体密度，M 为液体的摩尔质量，γ为液体的表面张力。
物理化学界面现象知识点
由此，对于多相系统有：
dU
, ,
(T ( ) ds ( ) p ( ) dV ( ) i dni dAS
i
同理,有界面相时的平衡判据与平衡条件 热平衡条件：
T ( ) T ( ) T ( ) T
( ) B ( )
其中 U ( )、H ( )、A ( )、G ( ) 为界面过剩热力学能、界面 过剩焓、界面过剩亥氏函数和界面过剩吉氏函数。他们都是 广延性质。
所以 X X ( ) X ( ) X ( ) 其中X为系统总的热力学性质 X ( )、X ( ) 为 相的体热力学性质
表面张力、单位面积的表面功、单位面积的表面吉布斯 函数三者的数值 、量纲等同，但它们有不同的物理意义，是 从不同角度说明同一问题。
与液体的表面张力类似，其它界面，如固体表面、液-液界 面、 液-固界面等由于界面层分子受力不对称，也同样存在界 面张力。
（2）表面热力学公式 对一般单相多组分体系，未考虑相界面面积时：
还有一类多孔固体，如多孔硅胶、分子筛、活性炭等，也 2 有很高的比表面。如活性炭比表面可达到 1000 ~ 2000 m /g。在 处理高分散度物质时，若不考虑其界面的特殊性，将会导致错 误的结论。本章将对界面的特殊性质及现象进行讨论与分析。
界面现象本质
表面层分子与内部分子相比，它们所处的环境不同。 体相内部分子所受四周邻近相同分子的作用力是对称的，各 个方向的力彼此抵销(各向同性)； 但是处在界面层的分子，一方面受到体相内相同物质分子的 作用，另一方面受到性质不同的另一相中物质分子的作用，其作 用力不能相互抵销，因此，界面层分子由于其处在一不均匀对称 的力场会显示出一些独特的性质。 对于单组分体系，这种特性主要来自于同一物质在不同相中 的密度不同；对于多组分体系，则特性来自于界面层的组成与任 一相的组成均不相同。
物理化学：界 面 现 象知识点总结
V
(界面层)
n(界面层) i
ni
n（） i ,实际
n（） i ,实际
n V c ( ) i ,实际
n V c ( ) ( )
实际 i
( ) i ,实际
( ) ( ) 实际 i
AA’，BB’的位置难以准确确定，强度性质的变化非常复杂。
可采用模型方法解决。
模型问题
2.单位界面过剩量
➢ 1878年：吉布斯界面模型——将界面层抽象为无厚度、无 体积的平面界面相。
ln
pr p
2M RT r
ln
pr p
2M RT r
多孔物质 孔径分布
两个重要的界面相的强度性质 界面张力，单位界面过剩量
重要的公式 1. 拉普拉斯方程 2. 毛细管上升或下降 3. 开尔文公式 4. 吉布斯等温方程 5. 铺展系数与杨氏公式 6. 兰缪尔吸附等温公式
模拟训练
1. 对于纯物质的微小液滴，液滴内部的压力应大于气相压力，定
相
B
B’
界面层 相
A
A’
相
相
界面相
S
S’
相
➢1940年：古根海姆界面模型——界面相有厚度、有体积。
ni n（i,） n（i,） ni( )
单位界面过剩量
吉布斯界面模型
将界面层抽象为无厚度无体积的平面界面相， 以符号
表示；
体相的强度性质与实际系统中 相和 相的强度性质如浓
度完全相同，但体积有所差别。
量描述则用（
）公式。
2. 有一露于空气中的圆球形液膜（类似于空气中的肥皂泡），其
直径为D，表面张力为 ，则该液膜所受到的附加压力为
（
）。
3. 将一定量的纯水可逆地使其表面积增加ΔA所需的功为W1/ ，若 将掺有少量表面活性剂的水溶液可逆地使其表面积也增加ΔA 所
物理化学-界面化学1
• γ=γ0(1-T/Tc)n 10.1.13
第一节：界面张力
• 一些液体在不同温度下的表面张力：
（4）压力的影响。
a．表面分子受力不对称的程度 ↓
P↑
b．气体分子可被表面吸附，改变, ↓
↓
c．气体分子溶于液相
h
2 r g
28
当接触角0 < < 90o
r r1
cos
h
2 cos r g
90o , h 0 液体在毛细管中上升 90o , h 0 液体在毛细管中下降
29
第二节 弯曲液面的附加压力及其后果
• 例10.2.1 用最大泡压法测量液体的表面张力的装置如 图10.2.4所示，将毛细管垂直插入液体中，其深度为h。 由上端通入气体，在毛细管下端呈小气泡放出，小气泡 内的最大压力可由U形管压力计测出（也可用电子压力 计 测 出 ） 。 已 知 300K 时 ， 某 液 体 的 密 度 为 ρ=1.6×103Kg·m-3 ， 毛 细 管 的 半 径 r=1mm 毛 细 管 插 入的深度h=0.01m，小气泡的最大表压（气泡内气体 压力与大气压力之差）P最大=207Pa，该液体在300K 时的表面张力为多少？
因cos = r1/ r ，球缺底面面积为r12 ，
故弯曲液面对于单位水平面上的附加压力 p
2r1 r1 /r r12
整理后得：
p
2
r
——Laplace方程
26
p
2
r
——Laplace方程
分析：① 该形式的Laplace公式只适用于球形液面。
②曲面内(凹)的压力大于曲面外(凸)的压力，
物理化学第10章界面现象
表面张力(Surface Tension)
请同学们用表面张力的知识思考图中的现象
24
将一含有一个活动边框的金属线框架放在 肥皂液中，然后取出悬挂，活动边在下面。
由于金属框上的肥皂膜的表面张力作用， 可滑动的边会被向上拉，直至顶部。
25
2222222222222222 llllllllllllllll
T . Young P.S. Laplase Gibbs Langmuir
提出界面张力概念 表面张力与曲率半径关系 表面吸附方程 固体吸附等温方程式 19
表面与界面化学虽是物理化学的传统研 究领域，但由于电子能谱、扫描隧道显微镜 等新的实验技术的出现，使得表面、界面效 应及粒子尺寸效应的知识呈指数上升式的积 累，提出了在分子水平上进行基础研究的要 求。当前涉及这一领域的研究已成为催化、 电化学、胶体化学的前沿课题，并与生命科 学、材料科学、环境科学、膜技术及医药学 密切相关，是这些相关学科要研究和解决的 核心课题之一。
29
三、表面热力学基本关系式
根据多组分热力学的基本公式
dU TdS pdV BdnB U U S,V , nB
B
对需要考虑表面层的系统，由于多了一个表 面相，在体积功之外，还要增加表面功，则基本 公式为
dU TdS pdV dAs BdnB
B
U U S,V , As, nB
37
(3) 与温度有关
对绝大多数液体 T↑,γ↓ 对 Cd, Fe, Cu 合金及一些硅酸盐液体，T↑γ↑。
dG SdT Vdp BdnB dA
dp=0, dnB=0时，dG=-SdT+dA, 由全微分性质，
界面现象(物化重难点)
表面张力：与界面相切，垂直于边界并指向液体收缩方向的力，单位为 N ×m- 1 。 说明： （1）表面张力是从力的角度描述系统表面的强度性质，而表面吉布斯函数则是从 能量角度描述系统表面同一性质；前者是矢量，后者为标量；二者虽为不同的物理量，但它 们的数值及量纲相同。 （2）表面张力大小主要与物性、温度、界面性质有关；物质分子间作用力越大，其表 面张力越大；温度越高，表面张力越小，达临界温度时，表面张力为零。 (3) 表面吉布斯函数的其它定义： γ
γs-g - γs-l γl-g
说明：(1) 杨氏方程只适用于光滑的表面； (2) ； q = 0o ,cos q = 1，完全润湿（铺展）
化
(3) 应用：求比表面积 S
= Am Ln =
Am LVm 22400cm3 ×mol- 1
= - D G = γs- g - γs- l - γl- g
学
教
(3) 沾湿功 Wa¢= 浸湿功 铺展系数 布斯吸附等温式 溶液表面的吸附：溶质在溶液表面层(又称表面相)中的浓度与其在本体(又称体相)中的 浓度不同的现象。 正吸附：溶质在表面层中的浓度大于其在本体中的浓度。 负吸附：溶质在表面层中的浓度小于其在本体中的浓度。
γs- g + γl- g - γs- l = γl- g (1 + cos q)
V=
VmCp ( p - p )[1 + (C - 1) p / p* ]
*
说明：(1) BET 吸附基本假定： a.吸附是多分子层的；b. 吸附表面是均匀的（各处吸附能力相同） ； c.相邻被吸附分子间无作用力；d. 吸附是动态平衡； (2) BET 公式另一种形式：
第一章 表界面的物理化学
（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）
第十章界面现象物理化学
严格讲表面应是液体和固体与其饱和蒸气之间 的界面，但习惯上把液体或固体与空气的界面称为 液体或固体的表面。
常见的界面有：气-液界面，气-固界面，液-液 界面，液-固界面，固-固界面。
表面和界面(surface and interface)
表面张力（surface tension）
如果在金属线框中间系一线圈，
一起浸入肥皂液中，然后取出，上
面形成一液膜。
(a)
由于以线圈为边界的两边表面张 力大小相等方向相反，所以线圈成 任意形状可在液膜上移动，见(a)图。
如果刺破线圈中央的液膜，线 圈内侧张力消失，外侧表面张力立 (b) 即将线圈绷成一个圆形，见(b)图， 清楚的显示出表面张力的存在。
剖 面 图
附加压力示意图
杨-拉普拉斯公式
1805年Young-Laplace导出了附加压力与曲率半 径之间的关系式：
根据数学上规定，凸面的曲率半径取正值，凹 面的曲率半径取负值。所以，凸面的附加压力指向 液体，凹面的附加压力指向气体，即附加压力总是 指向球面的球心。
附加压力与毛细管中液面高度的关系
表面张力（surface tension）
如果在活动边框上挂一重物，
使重物质量W2与边框质量W1所产生 的重力F（F=（W1+W2）g）与总的 表面张力大小相等方向相反，则金 属丝不再滑动。
这时
F 2g l
l是滑动边的长度，因膜有两个
面，所以边界总长度为2l，g 就是作
用最小的趋势，并 使表面层显示出一些独特性质，如表面张力、表面吸 附、毛细现象、过饱和状态等。
比表面（specific surface area）
物理化学 第八章 界面张力复习
pr =3.10×103 Pa< 3.15×103 Pa(实际)，
所以夜间水蒸气能在土壤毛细管中凝结。
例5 一个带有毛细管颈的漏斗，其底部装有半透膜， 内盛浓度为1×10-3mol L-1的稀硬酯酸钠水溶液。若溶 液的表面张力 = *-bc, 其中 * = 0.07288 Nm-1，b= 19.62 (N m-1 mol L-1)， 298.2 K 时将此漏斗缓慢地插 入盛水的烧杯中，测得毛细管颈内液柱超出水面 30.71cm 时达成平衡， 1) 求毛细管的半径; 2) 若将此毛细管插入水中，液面上升多少？
• 6．喷洒农药时，为什么要在农药中加表面 活性剂？ • 答：植物有自身保护功能，在叶子表面有 蜡质物，不被雨水润湿，可以防止茎叶折 断。如果农药是普通水溶液，接触角大于 90°，喷在植物上不能润湿叶子，成水滴 淌下，达不到杀虫效果；加了表面活性剂 以后，使农药表面张力下降，接触角小于 90°，能润湿叶子，提高杀虫效果。现在， 有的农药在制备时就加了表面活性剂，制 成乳剂等。
解： Wr’ = A = (A2 – A1) A2 = n 4r2 而 1kg = n × ( 4/3r3 ) n = 2.4 1023个
Wr’ =310-3 /r =218 kJ
而 218 kJ 的能量相当于1 kg水升温 50℃ 所需的能 .对于1 kg水(0.0485m2)，表面能约为 3.510-3J。
2 0.07288 2σ cosθ 2σ 0.074 m h -4 ρ gr' 1000 9.8 2.008 10 ρ gr'
液面上升7.4 cm
例6 0℃时，CO在2.964g木炭上吸附的平衡压力p与 吸附气体标准状况体积V有下列数据 p/104Pa 0.97 V/cm3 7.5 2.40 16.5 4.12 25.1 7.20 38.1 11.76 52.3
《物理化学教学》第十章 界面现象
由于 dn
2
M2 r＝
Vm r
4 r 2(dr ) / M
——Kelvin公式
由Kelvin公式可知： 1) r 越小，pr 越大;
2) p凸> p平> p凹
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3. 亚稳态及新相生成
(1) 过饱和蒸气
在t0温度下缓慢提高蒸 气的压力 (如在气缸内缓慢 压缩)至A点，蒸气对通常 液体已达到饱和状态p0， 但对微小液滴却未达到饱 和状态，所以蒸气在A点 不能凝结出微小液滴。要 继续提高蒸气的压力至B 点，达到小液滴的饱和蒸 气压p 时，才可能凝结出 微小液滴。
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饱和蒸气压与液滴曲率半径关系的推导：
dn的微量液体转移到小液滴表面 小液滴面积A：4r2 4(r+dr)2
面积的增量：dA = 8rdr
dG = dA= 8rdr
又：dn液体由p pr：
所以有 (dn)RT ln pr p
可导出：
RT
ln
pr p
dG = (dn)RTln(pr/p)
8 rdr
合力对凸液面下液体造成额外压力。将凹
液面一侧压力以p内表示，凸液面一侧压力 用p外表示，附加压力
Δp = p内－p外
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球形液滴(凸液面)，附加压力为： p p内 p外 pl pg
液体中的气泡(凹液面)，附加压力: p p内 p外 pg pl
这样定义的p总是一个正值，而力的方向指向凹面曲率半 径中心。
这种在正常相平衡条件下应该凝结而未凝结的蒸气，
称为过饱和蒸气。
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(2) 过热液体
液体内部产生气泡所需压力：
pi = p大+ p静+Δp 由此所需的温度： Ti ＞T正常 因此很容易产生暴沸。
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界面物理化学复习知识点绪论1、界面定义界面：物体与物体之间的接触面，也称两种物质之间的接触面、连接层和分界层。
复合材料的界面是指基体与增强物之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域。
界面通常包含以下几个部分：基体和增强物的部分原始接触面；基体与增强物相互作用生成的反应产物，此产物与基体及增强物的接触面；2、复合材料定义：用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分（或称组元），通过人工复合、组成多相、三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料。
外加颗粒增强和内生颗粒增强复合材料的比较3、界面连接情况根据界面的连接紧密程度，界面连接有两种情况:物质之间无相互渗透和物质之间有相互渗透4、界面所起的作用界面的效应(1)传递效应界面能传递力，即将外力传递给增强物，起到基体和增强物之间的桥梁作用。
(2)阻断效应结合适当的界面有阻止裂纹扩展、中断材料破坏、减缓应力集中的作用。
(3)不连续效应在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦出现的现象，如抗电性、电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。
(4)散射和吸收效应光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生散射和吸收，如透光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击及耐热冲击性等。
(5)诱导效应一种物质(通常是增强物)的表面结构使另一种(通常是聚合物基体)与之接触的物质的结构由于诱导作用而发生改变，由此产生一些现象，如强的弹性、低的膨胀性、耐冲击性和耐热性等界面效应是任何一种单一材料所没有的特性，它对复合材料具有重要的作用。
界面效应既与界面结合状态、形态和物理-化学性质有关，也与复合材料各组分的浸润性、相容性、扩散性等密切相关。
5、物质固液气态，表现出的界面种类，举例说明气—液界面：蒸发、蒸馏、表面张力、泡沫。
蒸发——部分液相分子在一定温度下转换为气相分子；蒸馏——液体分子蒸发后，部分气相分子凝结为液相分子。
液—液界面：乳液、界面张力。
乳液——两不互溶液体相互接触时，一相的微滴分散在另一项的液体内，微滴对光线发生漫射反射；界面张力——互不相溶的两相液体接触界面上所特有的一种力。
气/固界面：气体吸附、气蚀、升华、灰尘、催化反应、固体的分解。
气体吸附——吸附剂吸收气体的一种作用；气蚀——如汽轮机的叶片，长期受喷射气体的冲刷所发生的腐蚀；升华——固体直接气化的现象；灰尘——固体的微粒悬浮于空气中。
液—固界面：电解、高分子晶体、焊接、润湿、接触角、浮选、润滑、催化。
电解——电极浸入电解液中通直流电后，发生的电解反应；高分子胶体——聚合物的微粒分散在水或其他介质中，形成的胶体溶液；焊接——如熔焊的焊锡（液体）焊接金属（焊锡焊接冷却后则是固/固界面）；润湿——液体在固体表面上铺展开来。
固—固界面：焊接接头、摩擦、磨损、合金、固相反应。
焊接接头——焊缝使两固体被粘物牢固结合并成为一个整体；摩擦——两个固体相互接触并相对移动的现象；磨损——两块固体互相接触并相对滑动时，表面层掉落下来成为磨屑，表面因此而发生的损失；合金——一种金属的晶体分布在另一种金属里；固相反应——两种混合的固体，在一定条件下发生的化学反应。
6、计算材料学从一个不同尺度范畴考虑界面性质7、弛豫，结构重构的含义弛豫：原子核从激发的状态恢复到平衡排列状态的过程叫弛豫过程。
它所需的时间叫弛豫时间。
8、固体与固体的界面分为晶界、相界晶界：晶界是结构相同而取向不同晶粒之间的界面。
相界：由结构不同或结构相同而点阵参数不同的两块晶体相交接而形成的界面。
9、根据原子排列结构差别，相界分为共格、半共格、非共格（1）共格界面：两晶相具有相同的原子分布方式及相近的原子间距，两相的晶格在界面上能够相互衔接，一一对应，以致晶界两侧的点阵越过界面是连续的，这种界面称为共格界面。
（2）半共格界面：界面两侧的晶体点阵的对应晶面的面间距存在一定差异，两侧的晶体点阵具有连续性但每隔一定距离需要产生一个错配位错来容纳晶面间距差异的界面。
（3）非共格界面：界面两侧的晶体点阵完全不存在连续性的界面。
10、界面结合五种类型（1）机械结合。
材料在结合面之间的机械啮合，机械啮合作用越强，界面结合力越大，特别是界面剪切强度增加幅度更大。
（2）静电作用结合。
结合面带有的异性电荷产生静电作用，使界面结合强度增加，结合力取决于电荷量。
（3）化学结合。
材料在结合面之间发生电子转移，形成界面原子间的化学键结合。
化学结合强度取决于键的类型和单位面积键的数量。
（4）界面扩散结合。
在一定条件下，材料在结合面处发生扩散现象，形成扩散结合。
（5）界面化学反应。
材料在结合面发生化学反应生成新相。
11、界面缺陷类型12、界面研究的意义第一章晶体界面的基础知识1、（1）晶体:规则结构，分子或原子按一定的周期性排列。
长程有序性，有固体的熔点。
E.g. 水晶、岩盐。
（2）非晶体：非规则结构，分子或原子排列没有一定的周期性。
短程有序性，没有固定的熔点。
玻璃、橡胶。
（3）准晶体: 有长程的取向序，沿取向序的对称轴方向有准周期性，但无长程周期性。
2、晶体宏观性质1）周期性：从原子排列的角度来讲 (均一性――从宏观理化性质的角度来讲）；2）宏观对称性；3）各向异性和解理性。
例如，云母的解理性；4）固定的熔点。
3、晶体结构及配位数（配位数：一个原子周围最近邻原子的数目）面心立方堆积，排列方式：⋅⋅⋅ABCABC ⋅⋅⋅ (立方密堆积)配位数: fcc的配位数为12。
典型晶体： Cu、Ag 、Au、Ca、Sr、Al 密排六方堆积，排列方式：⋅⋅⋅ABABAB ⋅⋅⋅ (六方密堆积)配位数：hcp的配位数为12。
典型晶体：Be、Mg、Zn、Cd、Ti ⋅⋅⋅体心立方堆积，对于体心立方（bcc）配位数为 8 。
4、晶相、晶面及表达方式（1）布拉伐格子的格点可以看成分列在一系列相互平行的直线系，这些直线系称为晶列。
每一个晶列定义了一个方向，称为晶向。
如果从一个原子沿晶向到最近的原子的位移矢量为：l1 α1+l2α2+l3α3则晶向就用l1、l2、l3来标志，写成[l1l2l3],称为晶向指数晶面——晶体内三个非共线结点组成的平面。
通常用密勒指数来标：（确定米勒指数的步骤）1）选任一结点为原点，作a、b、c的轴线。
2）求出晶面族中离原点最近的第一个晶面在a、b、c轴上的截距h‘a、k’b、l‘c3）将h‘、k’、l‘取倒数并化为互质整数h、k、l，则（h，k，l）即为密勒指数。
5、立方晶系中存在底心立方结构吗？为什么？底心立方可以连成更小的简单立方6、在正方晶系中有没有底心正方、面心正方？底心正方→简单正方、面心正方→体心正方7、在立方晶系中标出晶面、晶向指数（略）8、晶界与界面的化学组成解析过去，作为测定晶界与界面的化学组成方法主要用俄歇（AES）电子分光、次级离子质谱法(SLMS）及AEM-EDS 的局部分析法。
AES 和SIMS作为研究物质表面附近的化学组成手段被广泛运用，但因其空间分辨率不足，用来分析晶界-界面。
扫描电子显微镜的成像原理和光学显微镜或透射电子显微镜不同，它是以电子束作为照明源，把聚焦得很细的电子束以光栅状扫描方式照射到试样上，产生各种与试样性质有关的信息，然后加以收集和处理从而获得微观形貌放大像。
9、界面参数①晶体晶格点位置关系；②化学组成；③方位关系；④不同晶体结构；⑤不同结合性质等。
10、晶体缺陷按其作用范围可分为：点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小的缺陷。
如空位、间隙原子、异类原子等。
线缺陷：在两个方向上尺寸很小，而另一个方向上尺寸较大的缺陷。
主要是位错。
面缺陷：在一个方向上尺寸很小，在另外两个方向上尺寸较大的缺陷。
如晶界、相界、表面等。
11、位错的基本类型（1）刃型位错（2）螺型位错（3）混合位错12、位错的增殖机制主要有三种机制：弗兰克-里德位错源（Frank-Read source）机制、双交滑移增殖机制，和攀移增殖机制。
第二章材料界面形成过程1、发生浸润的条件(1)润湿是固－液界面上的重要行为。
固液接触后，体系吉布斯自由焓降低时就称为润湿。
按润湿程度分类：附着润湿、铺展润湿、浸渍润湿(2)浸渍润湿指固体浸入液体中的过程。
（1）若γSV> γSL,则θ<90o,浸渍润湿过程将自发进行，此时ΔG<0 （2）若γSV< γSL ,则θ>90o ,要将固体浸入液体之中必须做功，此时ΔG>0(3)润湿与液滴的形状(A) 润湿，θ<90o (B) 不润湿，θ>90o(C)完全润湿，θ＝0o ，液体铺开2、黏着功公式W ad=（γlg+γsg）−γsl=γlg（1+cosθ）γlg，γsg，γsl指测定时存在的各相之间的界面能4、复合材料界面结构表征5、金属基复合材料界面优化技术6、金属基复合材料界面成分变化：基体合金和增强体不可避免地发生不同程度的界面反应和元素扩散作用，界面反应和反应程度决定界面结构和特性，主要行为：（1）增强了金属基体与增强体界面结合强度；（2）产生脆性界面反应产物；（3）造成增强体损伤和改变基体成分。
7、金属基复合材料界面反应程度可分为弱界面反应、中等程度界面反应、强界面反应。
第三章材料界面的制备技术1、接合机制（1）物理机制：如物理吸附、机械力嵌合等。
其主要影响因素为界面能、环境及保护气氛、被接合物质的表面质量等。
降低异类物质的界面能可以改善浸润和吸附现象（2）化学机制;典型的有化学反应和扩散。
提高温度，有助于促进同类或异类物质固、液相之间的化学反应，使固相向固相或固相向液相的反应得以更顺利进行，从而增强了浸润和接合的效果，使接合界面保持最理想的性能。
影响因素多，常将位于接合区域的物质之间的电子换位、元素的氧化还原反应等因素结合起来考虑，此外阴电性对接合状态的影响也不容忽视。
2、常规制作方法（1）机械嵌合（2）固相扩散接合（3）压接（4）摩擦焊（5）反应接合方式：A）气体-金属共晶反应接合B）固体相互反应工艺C）活度金属法D)使用贵金属作中间层;（6）电压接合法（7）微波加热结合（陶瓷-陶瓷接合体）（8）熔化焊接（9）超高真空压焊（10）超声波接合（11）离子注入法(12) 金属化（13）共晶接合法3、导致界面偏析的主要因素（1）表面存在过剩自由能（表面张力）；（2）具有与氧的亲和性（3）向合金的表面扩散速度与体积扩散速度之差。
这些因素又取决于温度、平衡与非平衡条件4、实验结果的分析方法第四章材料界面形成过程的物理化学反应1、了解Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4陶瓷与金属的接合反应及浸润性2、复合材料界面反应的种类及其所起的作用第八章晶体界面的行为与物理化学诸现象1、晶界迁移的驱动力：变形储存能、界面曲率变形储存能：对于冷变形的晶体，∆u≈∆E≈E，即晶界迁移的驱动力为冷变形晶体内部的储存能。