优选材料物理化学固体的表面与界面
物理化学中的表面现象和界面反应
物理化学中的表面现象和界面反应表面现象和界面反应是物理化学领域中的重要课题，涉及到物质与界面的相互作用、表面结构、表面能量等方面。
本文将以此为主题，介绍表面现象和界面反应的基本概念、研究方法以及在生物、化工等领域的应用。
一、表面现象的基本概念表面现象是指物质与界面之间的相互作用过程，包括液体-气体界面和固体-气体界面。
液体-气体界面的表面现象包括液体表面张力和液滴形成，固体-气体界面的表面现象包括液体在固体表面的吸附、界面活性剂的作用等。
表面现象有其固有的特点，例如，液体分子在液体-气体界面上受到复杂的吸附相互作用，导致液滴形成；而在固体-气体界面上，固体表面原子和分子的排列方式与体相有所不同，表现出特定的性质。
二、研究表面现象的方法研究表面现象的方法主要包括表面张力测定、界面活性剂的表面吸附等实验手段。
例如，通过在液体-气体界面加压，测定液滴的半径变化来确定液体表面的张力。
界面活性剂的表面吸附可以通过测定界面剂溶液的表面张力和浓度来推断。
此外，表面和界面的结构也可以通过许多表征手段进行研究，包括拉曼光谱、X光衍射、透射电子显微镜等技术。
这些方法可以直接或间接地揭示表面分子和原子的排列方式、键长、键角等信息。
三、界面反应的原理与应用界面反应是指液体-液体界面或者固体-液体界面上发生的化学反应。
在界面反应过程中，各相之间的相互作用和传递起着重要的作用。
界面反应在生物、化工等领域有广泛的应用。
例如，生物体内的很多生化反应发生在细胞膜界面上；某些化工过程中，通过控制液体-液体界面上的界面反应，可以实现组分之间的选择性分离和传递，提高反应效率。
四、表面化学在材料制备中的应用表面化学是指通过改变固体表面的结构和性质，来实现功能化、修饰和改进材料性能的一种方法。
例如，通过在金属表面形成一层氧化物薄膜，可以提高金属的耐腐蚀性和强度；通过在纳米颗粒表面修饰有机分子，可以实现药物的缓慢释放，用于肿瘤治疗。
除此之外，表面化学在光电子学、传感器等领域也有广泛的应用。
物理化学中的表面现象与界面反应
物理化学中的表面现象与界面反应表面现象是指在物质的表面上出现的各种物理和化学现象。
物质表面与外部环境之间存在一个界面，即物质界面，它是物质内部与外部之间的接触面。
在界面上，物质的性质和结构发生改变，出现了许多特殊的现象，如：界面张力、表面活性、润湿和粘附等。
这些现象的研究是物理化学的重要内容。
一、表面张力表面张力是指作用于单位长度的表面力。
它是由于表面层的分子流动相互作用力而产生的，是表面层中分子间的相互吸引力所造成的。
在液体表面上，分子间相互吸引，使分子排列紧密并减少对表面外侧的吸引，形成了表面张力。
表面张力的大小与表面层的分子结构及温度、压强等因素有关。
二、表面活性表面活性是指某种物质在其水溶液或油溶液中，能够降低界面张力、提高界面活性和增强润湿性的一种特殊的物理化学现象。
表面活性物质分子结构多样，但一般具有亲水性头部和疏水性尾部。
它们在水溶液中通常以胶束的形式存在，胶束内部的疏水尾部朝向内部，亲水头部朝外面与水相接触，从而降低了水的表面张力。
三、润湿现象润湿是指液滴在固体平面上的表现。
液滴的表面张力使它尽量减少表面积，因此，液滴在平面上呈现出高度凸起的形状。
但当液态物质的表面张力小于或等于固体表面的吸引力时，会出现润湿现象。
液态物质能够在固体表面自由流动且无限制地扩散，这是因为在液态物质和固体表面之间形成了一层“滑动层”，如果在固体表面上形成了一个无透性层，则不能发生润湿现象。
润湿现象在实际应用中很常见，如涂装、工业表面处理等。
四、粘附现象粘附是一种介于吸附和润湿之间的现象。
即在两种物质的接触面上，发生一种相互吸引的力，使物质结合紧密，难以分离。
粘附现象常出现在固体表面和模具、工具等接触的磨损、过热等现象中。
粘附强度与粘附面积、表面结构、粘接物质量等因素有关。
五、界面反应界面反应是指在两种物质的界面处发生的各种化学反应。
它与表面化学、电化学等密切相关，并在制药、冶金、电子、材料等领域具有广泛的应用。
第7章 固体表面与界面
2、铺展润湿
SV= SL+LV cos）
LVcos= SV-SL=F cos=(SV- SL)/LV
面能大小来估计。对于离子晶体，表面主要取决于晶格能和极化
作用（表面能与晶格能成正比）。主要形成化学吸附。
2
2、分子引力（范德华力）
一般是指固体表面与被吸附质点（如气体分子）之间相互作用
力。它是固体表面产生物理吸附和气体凝聚的原因。分子间引力 主要来源于三种不同效应。
1) 定向力：相邻两个极化电矩因极性不同而相互作用的力。主
c．凸面上的饱和蒸气压>平面>凹面(P凸>Po> P凹)。
12
讨 论：
1 Ln （球面）， P0 RT r
P
2M
Ln
P P0
M
RT
（
1 r1
＋
1 r2
)( 非球面）
r↓→凸面上蒸气压升高P凸↑; r↓→凹面上蒸气压下降P凹↓
这种蒸气压差，在高温下足以引起微细粉体表面质点由凸面
SL很大，不润湿。
16
3、浸渍润湿（液体表面没有变化）
浸渍润湿指固体浸入液体中的过程。 例：生 坯的浸釉。把固体浸在液体之中，固-气界面 为固-液界面所代替，γSV→γSL： ΔG=γSL-γSV 当γSV >γSL，润湿自发进行。
固
液体
三种润湿共同点：液体将气体从固体表 面挤开，由固－液界面→固－气(或液气) 界面，铺展是润湿的最高标准，能铺展 则必能附着和浸渍。
材料物理与化学材料表面与界面物理与化学概念梳理
材料物理与化学材料表面与界面物理与化学概念梳理材料物理与化学—材料表面与界面物理与化学概念梳理在材料科学与工程领域中，表面与界面物理与化学是一个重要的研究方向。
了解材料表面与界面的性质对于改良材料性能、开发新型材料以及提高材料的应用性具有重要意义。
本文将对材料表面与界面物理与化学的相关概念进行梳理。
一、表面与界面的定义与特点1. 表面的定义与特点表面是指材料内部与外部环境之间的界面，是材料与外界相互作用的主要区域。
表面具有以下特点：（1）表面具有较高的表面自由能，导致表面能量较高；（2）表面具有不规则的形貌特征，如微观粗糙度和凹凸不平等；（3）表面具有较低的占有体积，而占据材料总体积很少。
2. 界面的定义与特点界面是指两个不同相的材料之间的边界，不同相可以是不同的材料，或者同一材料的不同相。
界面具有以下特点：（1）界面能量通常高于体相能量；（2）界面存在着各种缺陷，如孪晶、晶粒边界、位错等；（3）界面对材料的力学、电学、光学等性质具有重要影响。
二、表面与界面物理的研究内容1. 表面物理的研究内容表面物理主要研究材料表面的结构、形貌以及物理性质等。
具体研究内容包括：（1）表面结构的分析与表征，如表面晶胞结构、表面晶格畸变等；（2）表面形貌的研究，如表面粗糙度、表面平整度等；（3）表面态的研究，如表面态密度、表面电子结构等。
2. 界面物理的研究内容界面物理主要研究不同相之间的界面结构、界面缺陷以及物理性质等。
具体研究内容包括：（1）界面结构的分析与表征，如界面原子排列、界面层间结合等；（2）界面缺陷的研究，如界面晶格错配、界面位错等；（3）界面电子结构的研究，如界面态密度、界面电子传输等。
三、表面与界面化学的研究内容1. 表面化学的研究内容表面化学主要研究材料表面的化学成分、表面反应以及表面吸附等。
具体研究内容包括：（1）表面成分的分析与表征，如表面含有的原子、分子及其吸附态等；（2）表面反应的研究，如表面催化反应、表面氧化还原反应等；（3）表面吸附的研究，如表面吸附物的类型、吸附等温线等。
材料物理化学第四章 表面与界面
电动电位或ξ电位影响因素 ①．ζ -电位和双电层厚度有关，双电层越厚， ζ -电位越大。
②．阳离子浓度：阳离子浓度越大，扩散层压 缩，ζ -电位降低；
③阳离价态：电价越高，ζ -电位越小；同价 离子半径越大，ζ -电位越低； ④矿物组成，形状粒度。ζ -电位的大小顺序 为： H+<Al3+<Ba2+<Sr2+<Ca2+<Mg2+<NH4+<K+<Na+<Li+
属于这一类流动的主要有高聚合物的溶液、乳浊液、 淀粉、甲基纤维素等
（5）膨胀流动
这一类型的流动曲线是假 塑性的相反过程。流动曲线通 过原点并凹向剪应力轴如图(b) 所示。这些高浓度的细粒悬浮 液在搅动时好像变得比较粘稠， 而停止搅动后又恢复原来的流 动状态，它的特点是强度随切 变速率增加而增加。 属于这一类流动的一般是非塑性原料，如氧化铝、 石英粉的浆料等。
第四章 表面与界面
目的要求：
• 1. 理解表面功、比表面吉布斯函数、表面 张力的概念。 • 2. 理解润湿现象及弯曲液面的附加压力， 并掌握其计算。 • 3. 掌握分散度与蒸汽压的关系，能解释各 种介稳现象（过冷液体、过热液体、过饱 和蒸汽、过饱和溶液、微小晶体的溶解 度）。
• 4. 弄清毛细现象的成因。明确吸附的概念 及分类。了解主要吸附剂。 • 5.了解固体对气体的吸附量的表示。 理解 兰格缪尔吸附理论的要点，并掌握其吸附 方程式的运用。 • 6. 了解表面活性物质的概念和分类。 • 7. 了解表面活性剂的应用（去污作用、减 水作用、助磨作用、起泡作用）
同号离子相互交换， 离子以等当量交换， 交换和吸附是个可逆过程， 离子交换并不影响粘土本身结构等特点。
材料表面与界面的物理化学特性和应用
材料表面与界面的物理化学特性和应用材料表面与界面的物理化学特性与应用材料表面和界面是物理化学界中的热门研究课题，其在生产和工程领域中应用广泛，例如电子、光电、光电化学、光催化等。
本文将从一些方面简要阐述材料表面和界面的物理化学特性和应用。
一、材料表面物理化学特性材料表面是与外部环境接触的区域，其物理化学特性直接影响着材料的表面性能和功能，例如，反应活性、化学惰性、电化学与光电化学性能、热力学性能等。
表面区域会对材料的机械性能产生影响，并且影响通过它的接触、化学反应、透射率、吸附等现象表现在材料的表面上。
二、材料界面物理化学特性材料界面是两种不同材料之间的接触面积。
它是由更小的基本单元形成的，包括颗粒和晶体级别给固体和液体和气相之间的界面。
界面反应和界面性质也是不断受到研究和应用的领域。
界面的结构、电子性质和化学反应是由相互作用机制（如化学键合和溶致相互作用等）所控制的，因此其本质特性存在复杂性。
三、应用在材料科学领域，材料表面和界面性质的研究对材料物理化学反应的研究具有重要意义。
它们在催化、电化学以及材料生物学领域中都有着广泛的应用。
材料表面和界面在催化领域中具有重要的应用作用，由于催化反应通常发生在材料表面，材料表面上分子间的相互作用和分子结构对反应机理的影响必须了解。
以催化剂为例，制备催化剂时很多时候会对表面做一些处理以提高催化反应的活性。
在电化学中，材料表面和界面也具有重要的应用。
氧化还原反应和界面电化学反应可以通过电化学实验进行研究，这需要建模并模拟材料表面和界面的化学活性。
操作建模是开发新的电化学体系的一个关键方面。
材料表面和界面性质也会影响到材料生物学的研究。
例如：人工髋关节的材料具有生物相容性，即它们必须对组织没有毒性，防止组织周围感染，而组织对材料的生长和结合必须是有利的。
骨与人工髋关节表面和界面的相互作用是一种材料学和生物学问题，需要深入研究。
总之，材料表面和界面在物理化学研究以及实际应用中具有极其重要的地位。
无机材料物理化学固体表面与界面
无机材料物理化学固体表面与界面在材料科学的世界中，无机材料物理化学是一个极其重要的研究领域，特别是在固体表面与界面方面的研究。
这些研究涵盖了各种无机材料，包括金属、非金属、半导体和绝缘体等，它们的表面和界面行为对材料的性质和性能有着深远的影响。
我们来看看固体表面的物理化学。
固体表面是一个具有特殊结构和性质的相，它与相邻的介质（如气体、液体或另一种固体）相互作用。
这种相互作用会影响材料的润湿性、吸附性、反应性以及电子传输等性质。
例如，通过改变表面的粗糙度或化学活性，我们可以控制材料表面的润湿性，进而影响其与液体的相互作用。
界面在无机材料中同样扮演着重要的角色。
在无机材料中，界面可以是两种不同材料之间的接触面，也可以是同一材料不同晶面之间的接触面。
这些界面上的原子排列和电子结构会不同于体相材料，从而影响材料的物理和化学性质。
例如，石墨烯和氮化硼之间的界面可以影响电子传输和热导率。
我们还研究了固体表面和界面在光电、催化、储能等领域的应用。
这些应用需要我们对材料的表面和界面性质有深入的理解，才能实现高效的能量转化和优异的性能。
例如，在太阳能电池中，我们需要优化半导体材料的表面结构以增加光吸收和载流子分离效率；在催化剂中，我们需要理解表面结构对反应活性的影响以设计高效的催化剂。
无机材料物理化学中的固体表面与界面研究为我们提供了理解和控制材料性质的新途径。
通过深入了解材料的表面和界面性质，我们可以设计出具有优异性能的新材料，并优化其在能源、环保、信息技术等领域的应用。
在过去的几十年中，纳米科技的发展取得了令人瞩目的成就。
无机纳米材料，作为一种重要的纳米科技领域，具有许多独特的物理、化学和机械性质，因此在许多领域具有广泛的应用前景。
然而，由于其表面能高，无机纳米材料容易团聚和稳定性差，这限制了其实际应用。
为了解决这些问题，表面修饰改性成为了一种有效的手段。
通过对无机纳米材料进行表面修饰改性，可以有效地提高其稳定性、相容性和生物活性，从而进一步拓展其应用范围。
《固体表面与界面》课件
在这个课件中，我们将探讨固体表面与界面的基本概念、化学反应、能量状 态、结构和性质，以及它们对材料性能的影响。同时，我们将展望这一领域 的应用前景和研究方向。
什么是固体表面和界面
固体表面的概念
探索固体表面的特征、结构和功能。
固体界面的概念
介绍固体与其它物质交界面的特性和重要性。
1
固体交界面的结构和性质
了解固体交界面的特征、结构和性质。
2
固体界面的分类及影响因素来自介绍不同类型的固体界面及其受影响的因素。
3
固体界面对材料性能的影响
讨论固体界面对材料性能的重要影响。
应用前景和研究方向
固体表面和界面在材料科学中的重要性
展示固体表面和界面在材料科学研究和应用中的重要性。
固体表面和界面材料的应用前景
探索固体表面自由能的含义和受影响的因素。
3 表面润湿性的原理
解释表面润湿性的基本原理和影响因素。
固体表面结构和性质
固体表面结构的研究方法
介绍常用的固体表面结构研究 方法。
固体表面结构与性质的 关系
探讨固体表面结构与性质之间 的关联。
固体表面对材料性能的 影响
分析固体表面对材料性能的重 要影响。
固体界面与材料性能
固体表面化学反应
1
表面化学反应的概念
了解发生在固体表面的化学反应的基本原理。
2
表面化学反应的机理及分类
探讨不同类型的表面化学反应的机制和分类。
3
表面反应速率与反应条件的关系
分析表面反应速率与反应条件之间的关联。
固体表面的能量状态
1 固体表面的表观能
介绍固体表面的表观能概念及其重要性。
2 表面自由能的概念及影响因素
固体的表面与界面 材料物理化学
多数情况下吸附是介于上述二者之间，即在固体吸附剂 和吸附物之间共有电子，并且经常是不对称的。
对于离子晶体，表面主要取决于晶格能和极化作用。
R 2E C
式中， R为断裂强度，C为微裂纹长度， E为弹性模量，α是表面 自由能。
（3）重构表面(图4.1.5 )
重构是指表面原子层在水平方向上的周期
性不同于体内，但垂直方向的层间距则与体
内相同。
as
a
d0 d0
图4.1.5 重构表面示意图
3、吸附表面 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。
4.1.2 固体的表面结构
1、晶体表面结构（单晶） 2、粉体表面结构 3、玻璃表面结构 4、固体表面的几何结构
1、晶体表面结构
表面力的存在使固体表面处于较高能量状态。但系统总会通 过各种途径来降低这部分过剩的能量，这就导致表面质点的极化、 变形、重排并引起原来晶格的畸变。对于不同结构的物质，其表 面力的大小和影响不同，因而表面结构状态也会不同。
表面化学反应对于许多工业生产起着重要作用， 例如人工肥料的生产。表面化学甚至能解释臭 气层破坏，半导体工业也是与表面化学相关联 的领域。
格哈德•埃特尔的工作：氢在金属表面的吸附 作用、氨合成的分子机理和固体表面的催化过 程等
4.1 固体的表面及其结构 4.2 润湿与粘附 4.3 粘土-水系统性质*
金属材料的表面和界面物理化学
金属材料的表面和界面物理化学金属材料是工程领域中最常见的材料之一。
在工业制造和高科技领域中，金属材料的表面和界面的物理化学特性对其性能、可靠性和寿命等方面有着至关重要的影响。
因此，研究金属材料表面和界面的物理化学性质是一个非常重要的课题。
一、金属材料表面的物理化学特性金属表面的物理化学特性与其整体性能密切相关。
金属表面的物理化学特性包括表面能、电荷特性、再结晶行为和氧化行为等。
表面能是一个材料特性中很重要的一个物理化学量，它反映了物质与其他物质接触时的交互作用力程度。
表面能越大，材料越容易与其他物质发生反应和吸附作用。
因此，表面能的大小对金属材料的性能、表面粗糙度和涂层附着力等均有重要影响。
二、金属材料界面的物理化学特性金属材料界面的物理化学特性往往是金属材料性能和寿命的决定因素之一。
金属材料界面可分为金属/金属、金属/非金属和非金属/非金属等各类组合。
界面的化学反应与间隙、添加剂、氧化等因素均有关，不同界面反应产物不同，有些能改善金属材料的性能或延长其寿命，还有一些界面反应会导致材料的失效。
三、金属材料表面处理技术为了提高金属材料的性能和延长其寿命，人们发展了很多金属表面处理技术。
金属表面处理技术包括机械处理、热处理、电化学处理、离子注入和喷涂涂层等。
机械表面处理包括研磨、抛光、去毛刺、喷砂等方式，可改善金属表面的光洁度和粗糙度。
热处理是改变金属组织结构和性能的常见方法，通过去除内部应力、改变晶界结构等方式，提高金属材料的性能。
电化学处理是通过在电解质中施加电压、电流或电场，以控制物质的电荷特性，从而改善材料表面的性质。
离子注入技术则是将离子束注入材料表面，以改善表面化学性质、抗腐蚀性和耐磨性等。
喷涂涂层技术则是将一层特殊的材料涂覆在金属表面，以改善其耐磨性、抗腐蚀性、降低摩擦系数等。
总之，金属材料的表面和界面的物理化学特性对其性能、可靠性和寿命产生重要影响。
通过研究表面处理技术和界面反应，我们可以改善材料的性能和寿命，以应对这些材料在各种应用中遇到的各种挑战。
物理化学中的表面性质与界面现象
物理化学中的表面性质与界面现象在物理化学领域中，表面性质与界面现象是一项重要的研究内容，它涉及到物质的各种表面现象及其在界面上的行为。
表面性质与界面现象的研究对于理解和掌握物质的特性及其应用具有重要意义。
本文将介绍表面性质与界面现象的相关概念、表面张力、胶体稳定性和浸润现象等方面内容。
一、表面性质的概念与研究方法表面性质是指物质在固液、液气等相接触的界面上表现出的特性和行为。
它与物质内部性质的差异密切相关，表面性质的研究对于理解物质的特性和改性以及应用具有重要意义。
研究表面性质的方法主要有表面张力测量、接触角测量、X射线光电子能谱（XPS）等。
二、表面张力的概念与测量表面张力是指液体分子表面层与内部层之间由于分子间相互作用力引起的表面收缩现象。
表面张力决定了液体的形状和质点受力，表现为液滴的定型和液体的流动性质。
表面张力的测量方法主要有浸渍法、半球法和沉降法等。
三、胶体稳定性的研究胶体是由微细颗粒悬浮于连续介质中所形成的系统。
胶体稳定性是指胶体系统中颗粒与连续介质之间的相互作用所表现出的稳定性。
胶体稳定性的研究是物理化学中一个重要的研究领域，涉及到胶体的形成、稳定机制以及其在生物、医药领域的应用等。
常见的胶体稳定机制包括电双层排斥、溶剂化和吸附等。
四、浸润现象的原理与应用浸润是指固体表面与液体接触时，在界面处发生的物理化学现象。
它与表面能、接触角以及界面张力等相关。
浸润现象在材料加工、润湿性研究以及生物医用材料等领域有着广泛的应用，对于材料表面特性及其性能改善具有重要意义。
总结：物理化学中的表面性质与界面现象是一门重要的学科，涉及到物质在界面上的各种行为和特性。
研究表面性质与界面现象对于理解物质的性质、设计新材料以及改善现有材料的性能具有重要意义。
本文简要介绍了表面性质与界面现象的相关概念，包括表面张力、胶体稳定性和浸润现象等方面的内容。
深入研究和应用表面性质与界面现象将会对未来的科学发展和技术创新产生深远的影响。
材料科学基础---第四章 表面与界面
J/m2 Nm2mm N
液体的表面能和表面张力在数值上是相等的；固体 的表面能和表面张力在数值上往往是不相等的。
思考题
1、固体表面具有哪些特征？固体表面的不均一 性是如何产生的？
2、在表面力作用下，离子晶体表面会产生哪些 变化？
3、表面粗糙度和微裂纹对晶体表面会产生什么 影响？
1)—开尔文方程
r2
P—曲面上蒸汽压 P0—平面上蒸汽压 r —球形液滴的半径 R—气体常数
—液体密度 M—分子量 —表面张力
讨论： (1) 凸面蒸汽压>平面>凹面蒸汽压。 应用：解释蒸发凝聚传质。 (2)开尔文公式也可应用于毛细管内液体的蒸汽压变化。
如液体对管壁润湿，则
lnP2M1cos P0 RT r
材料科学基础---第四章 表面 与界面
பைடு நூலகம்
一、固体表面的特征
1、固体表面的不均一性 ●绝大多数晶体是各向异性。 ●同一种物质制备和加工条件不同也会有不同的表 面性质。 ●由于晶格缺陷、空位或位错而造成表面的不均一 性； ●由于外来物质污染，吸附外来原子占据表面位置 引起固体表面的不均一性。 ●固体表面无论怎么光滑，从原子尺寸衡量，实际 上也是凹凸不平的。
4、什么是晶界？相界面？晶界具有什么特点？ 5、什么是晶界构型？多晶材料中晶界相遇有哪
几种构型？
第二节 界面行为
一、弯曲表面效应 二、润湿与粘附
一、 弯曲表面效应
1、弯曲表面的附加压力 (1)定义：弯曲表面两边的压力差称为弯曲表面的附加压力。 符号：∆P。 (2)产生原因：由于表面张力的作用。方向：曲率中心。
图4－6 润湿的三种情况
（1）附着润湿
4表面和界面无机材料物理化学
2020/8/10
刘和义 南京理工大学材料系
10
对于含有较高极化能力的离子如Pb2+、Sn2+ 、 Cd2+等的玻璃，其表面性质会受到离子在表面 排列取向的影响。
例如铅玻璃，常温下具有特别低的吸湿性(远低 于普通玻璃)，而高温时吸湿性增大。
由于Pb原子最外层有4个价电子，形成Pb2+时最外层尚有2个，对接近
但通常计算值远远大于实测值。
2020/8/10
刘和义 南京理工大学材料系
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一些物质的表面能 P113
2020/8/10
刘和义 南京理工大学材料系
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4.2 固体界面行为
在表面力的作用下，接触界面将发生一系列 物理或化学过程。
本节主要讨论固-气、固-液、固-固界面上 的一些重要的界面行为。
2020/8/10
但是如果把微晶体看作是晶格极度变形了的微 小晶体，那么பைடு நூலகம்的有序范围显然是很有限的， 而无定形固体也远不象液体那样具有流动性， 并不是完全无序。
2020/8/10
刘和义 南京理工大学材料系
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4.1.4 玻璃表面结构
由于玻璃具有比相同组成晶体更大的内能，因此 表面力场的作用更明显。
从熔体转变为玻璃时，为了保持最小的表面能， 各成分将按其对表面自由焓的贡献能力，自发地 转移和扩散。导致玻璃表面的化学成分和结构不 同于内部。
2020/8/10
刘和义 南京理工大学材料系
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4.1.5 固体表面的几何结构
固体实际表面是不平坦的，存在无数台阶、裂缝 和凹凸不平的峰谷。
即使是完整解理的云母，表面也存在着2~200nm的台阶。
表面粗糙度和微裂纹对表面性质产生严重影响。
材料表面与界面的物理与化学性质研究
材料表面与界面的物理与化学性质研究材料表面与界面的物理与化学性质一直以来都是材料科学研究的重要方向，其研究不仅有助于深入了解材料的结构与性能之间的关系，还能为材料的设计和应用提供有力的支持。
本文将就这一主题展开讨论，从介观尺度的物理与化学性质入手，分析材料表面与界面的特点和研究方法。
一、表面与界面的介观尺度特征材料的表面和界面通常被视为材料结构的特殊区域，在微观尺度上具有与体相不同的特征。
一方面，材料表面具有较高的比表面积，这使得它们在许多材料的物理和化学过程中起着至关重要的作用。
另一方面，材料界面是材料间相互作用的平台，其特性直接影响材料的宏观性能。
因此，深入研究材料表面与界面的物理与化学性质具有重要的科学和应用价值。
表面和界面的特征主要包括表面形貌、表面能、界面结构、界面能等。
表面形貌直接反映了材料表面的细节结构，不同的形貌将导致不同的表面性能。
表面能反映了表面原子与周围环境的相互作用强度，它决定材料表面的润湿性、粘附性等特性。
界面结构是指两个不同材料之间的交界面，根据不同的材料特性和界面条件，界面结构可以发生不同的变化。
界面能主要研究材料界面的能量状态和热力学特性，对于材料的粘接、分离等过程有重要影响。
二、材料表面与界面性质研究方法在研究材料表面与界面的物理与化学性质时，科学家们尝试了多种研究方法，其中一些方法也适用于表征材料的界面结构。
下面介绍几种常用的研究方法。
1. 表面分析技术：表面分析技术包括扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、X射线光电子能谱（XPS）等。
这些技术能够观察材料的表面形貌和表面原子级别的化学状态，从而得到表面的物理和化学信息。
2. 界面能测量：界面能测量是研究界面物理性质的重要手段，主要通过接触角测量和界面力学测试来实现。
接触角测量可以定量表征材料的润湿性和界面能，在微纳尺度上研究材料的表面能。
界面力学测试可以测量材料界面的拉伸、剪切等力学性能，对于材料的界面粘附等过程具有重要意义。
材料科学中的表面和界面现象
材料科学中的表面和界面现象表面和界面现象是材料科学领域中最重要的研究方向之一。
在材料工程、物理、化学等领域中，表面和界面现象的研究是其中的核心内容。
表面和界面现象涉及到材料表面和界面的结构、性质、热力学和动力学等方面的内容。
本文将介绍表面和界面现象的基本概念，探究其在材料科学中的重要性，并从多个角度阐述表面和界面现象在材料科学中的应用。
一、表面和界面现象的基本概念表面是指材料与周围环境相接触的部分，是材料的最外层。
表面现象是指固体表面的物理和化学性质与固体本身不同的性质，包括表面能、表面物理化学反应和表面反应动力学等。
界面是指两个物质相互接触的界面，由于接触必然引起界面区域的变化，所以界面现象与表面现象有许多相似之处。
界面现象包括表面张力、粘附力、润湿性等。
表面张力是指基于表面吸附机理，类似于薄膜的张力作用。
粘附力则是由表面间的物理吸附和化学反应产生的相互吸引力，常常涉及界面界面的剪切方面或接触角等方面。
表面和界面现象是由材料表面或界面上的分子作用产生的，其中动力学因素如扩散和迁移等也是相当重要的。
扩散是物质分子的自发移动，在固体表面和界面处的扩散通常比在体积中会大得多。
在材料科学中，表面和界面现象可以用于改良材料的性质和性能。
二、表面和界面现象在材料科学中的重要性表面和界面现象在许多材料科学领域中都有着广泛的应用。
例如，这些现象可以用来控制材料的力学性能、光学性能、热学性能，以及用作催化剂、杀菌剂等方面。
用于工程材料的粘附剂、涂层技术以及材料加工中的冶金技术通常都涉及到表面和界面现象的应用。
表面状态和化学特性对于颗粒物和纳米结构材料的制备和应用有着重要的影响。
表面和界面现象也成为创新材料设计的基础，包括涂层材料的设计、减小接触角的材料（如超疏水、超疏油材料）的制备、双氧水气泡杀菌、合金制备、新催化剂的研究等。
另外，表面和界面现象在电子器件中也起着重要的作用，像皮肤感应器、高分子材料、太阳能电池、传感器、LED材料等。
材料物理化学-第五章 表面与界面
us
ub—破坏化学键所需能量 us—表面能 ⑵离子晶体的表面能
0
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r0—0K时的表面能； LS—1m2表面上的原子数； nis、nib—分别表示第i个原子在晶体表面和晶体体内最邻近的原子数; Uo—晶格能； N—为阿佛加德罗常数。 说明： 实际表面能比理想表面能的值低，原因可能为： (1)可能是表面层的结构与晶体内部相比发生了改变，表面被可极化的氧离子所屏 蔽，减少 了表面上的原子数。 (2)可能是自由表面不是理想的平面，而是由许多原子尺度的阶梯构成，使真实面积比理论 面积大。
材料物理化学
湖南工学院
面，质点排列的周期重复性中断，使处于表面边界上的质点力场对称性破坏，表现出剩余的 键力， 称之为固体表面力。 （2）表面力的分类： 1.长程力：作用范围较范德华力大得多，两相分子间的分子引力，实质是范德华力。 2.范德华力：A-静电力（极性分子之间）；B 诱导力（极性与非极性分子）；C 色散力 （非极性分子之间） 5.1.2 晶体表面结构 晶体表面的成分和结构都不同于晶体内部，一般大约要经历4-6个原子层之后才与体内 基本相同，晶体表面实际上只有几个原子层范围。在晶体内部质点处在一个对称立场，但在 晶体表面表现出剩余的键力，即固体的表面力。液体通过改变表面的形状，力图形成球形表 面来降低系统的表面能；晶体质点不能自由流动，只能借助于晶体表面结构的改变来降低表 面能。 降低表面能一般有两种方法： 1.表面质点自行调整 ⑴将低表面能的晶体暴露在表面上 ⑵通过表面弛豫 ⑶通过表面重构 2.表面的成分偏析和表面对外来原子的的吸附以及这两种的相互作用 一、晶体表面的微观排列状态（维尔威结构学说） 1.弛豫过程：表面层负电子外侧不饱和，电子云将被拉向内侧正离子一方，极化变形，通过 电子云极化变形来降低表面能过程（瞬间完成改变表面层键性）。见P149 图5.4 2.重排过程：晶格必须稳定，作用力大，极化率小的正离子应处于稳定位置，正离子向内负 离子排斥向外——重排。见P149 图5.5 3.表面双电层：离子键逐渐过渡为共价键，表面为一层负离子所屏蔽——表面双电层。见 P149 图5.6和图5.7。 4.表面等负性：易吸附正离子。 5.双电层厚度由极化程度来决定，并影响表面能和硬度（极化变形大—表面能小—硬度 小）。 二、注意： (1)上述作用，随着向晶体内部深入而递减，对晶体而言，经过4~6层后，原子排列与晶体内 基本接近(晶格常数差小于0.1A)。 (2)与晶体内部相比，表面层离子排列有序度降低，键强数值分散。
材料表面和界面的物理化学现象
材料表面和界面的物理化学现象材料的表面和界面是其与外界相互作用的最主要的部分，同时也是其重要的物理化学现象发生的场所。
在科学技术和工业生产中，表面现象和界面现象的研究和应用已经成为一个热门的研究领域，并带来了很多重要的科学和技术进步。
本文将讨论物理化学现象在材料的表面和界面中的重要性，并着重介绍表面活性剂和界面电化学等方面的研究进展。
一、表面活性剂表面活性剂通常指的是一类具有两性或非离子性结构的化合物，以吸附在水/油界面上，能够显著改变液态界面的张力和性质。
表面活性剂具有很多重要的应用，例如在油水分离、洗涤剂、乳化、泡沫稳定、药物输送等方面都有着广泛的应用。
表面活性剂能够吸附在水/油界面上的原因是它具有两亲性。
例如，烷基苯磺酸钠（SDBS）是一种常用的阴离子型表面活性剂，其结构中含有烷基和苯环，烷基亲水，苯环亲油，因此它能够吸附在水/油界面上，并通过改变界面的张力来实现液体的乳化和分离。
研究表面活性剂的吸附和排斥行为对于了解液态界面的本质和表面现象的发生机理具有重要意义。
二、界面电化学界面电化学研究的是在两种不同相的接触界面上，存在的电荷分布、电荷传递和电化学反应等现象。
界面电化学在远离平衡态的电化学反应、半导体、电化学储能、阳极保护等方面具有重要的应用。
研究界面电化学现象，重要的是要了解材料和介质之间的相互作用、电荷传递机制以及表面化学反应的本质。
例如，在固液界面上的电荷分布和反应被广泛地研究，这种界面常见于电极电化学和材料表面的生物学和化学应用。
在电化学反应中，电子和离子的传递发生在相邻的电极表面上，被称为双层电容，一层是指电荷被吸附到电极上的外层电荷，另一层是指离子和电子在电解质中的一层。
材料的表面化学反应，例如吸附、脱吸附和催化作用也都会影响材料的性能和表面反应的效果。
总结：因此，表面和界面的物理化学现象对于我们了解材料的特性、结构和性能具有重要意义。
表面活性剂的应用广泛，研究表面活性剂吸附和排斥行为有助于了解液态界面的本质和表面现象的发生机理；界面电化学在远离平衡态的电化学反应、半导体、电化学储能、阳极保护等方面具有重要的应用。
材料科学中的表面物理化学与界面科学
材料科学中的表面物理化学与界面科学在材料科学中，表面物理化学与界面科学是一门非常重要的学科。
它研究了材料表面的物理、化学现象以及材料之间的界面相互作用，是理解材料性质、改进材料功能及开发新材料所必不可少的基础知识。
本文将围绕这两个方面展开阐述。
表面物理化学表面物理化学是研究材料表面物理、化学性质的学科。
它起源于20世纪初体系化学的发展，主要研究材料表面现象和材料接口间相互作用的物理学和化学学特性。
这些表面现象包括表面张力、润湿性和吸附等。
表面性质对材料的稳定性、导电性、光学性能和生物相容性等有着深远的影响。
其中一个重要的表面现象是表面张力。
表面张力是液体表面对空气或固体的一种作用力，它使得液体表面有一种压强使得液体表面趋向于最小化表面积。
液体分子的结构、温度和表面物理化学性质都会影响表面张力。
材料的吸湿性和表面能也是常见的表面性质。
材料的表面能越低，表面接触角越大，这意味着它会更难被液体侵蚀、潮湿或涂覆。
另一个重要的表面现象是润湿性。
润湿性是表征液体与固体表面接触的一种现象。
液体的润湿性能被表征为其接触角，接触角大于90度代表不易润湿，小于90度代表易润湿。
液体的润湿性能常被用于表征薄膜生长、复合材料制备以及类生物学的表面科学研究等领域。
吸附也是表面物理化学的一个重要研究方向。
吸附是分子（或原子）沉积或聚集在固体表面的一种现象。
吸附也是化学反应的基础，例如用于催化化学反应和分离技术等。
上述三种表面现象均与材料的晶体结构、粗糙度、化学组成、表面能和涂层等因素相关。
了解表面物理化学现象对于理解材料性质和制备新材料具有重要意义。
界面科学界面科学研究物质间的相互关系。
材料表面和界面，是物质间交换能量和物质质量的场所。
理解界面科学对于解释材料的物理化学行为，尤其是多组分复杂材料的行为，是关键的。
材料的界面可以是只包括两个物质的表面，如材料之间的熔点，或复杂的组合，包括大多数化学反应。
例如生命科学、环境科学和能源科学中的界面都非常重要。
材料物理化学固体的表面与界面详解演示文稿
σ－表面电荷密度； d－扩散层厚度； ε－分散介质介电常数。
影响因素：
a）固相表面电荷密度——σ增大：ζ升高 b）电解质浓度—— 随电解质加入，ζ出现极大值 c）吸附阳离子的影响
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粘土吸附以下阳离子时， ζ电位
小
大
离子电价高，每个离子所平衡的胶核负电荷数越多，胶团 中的电位下降越快，扩散层越薄，ζ降低。
离子交换能力的表征； 主要由吸附量来决定。通常以pH=7时，吸附离子毫克当量
数/100g干粘土表示（单位：毫克当量数／百克干粘 土 ）；
分为阳离子交换容量和阴离子交换容量，如阳离子交换容
量代表粘土在一定pH条件下的净负电荷数；
吸附量决定于中和表面电荷所需的吸附物的量。
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影响因素：
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1. 粘土与水的结合
结构水——以OH－形成存在于粘土晶格中，约在400～600℃
脱去，可用红外光谱检测。
吸附水——层间结合水，约100～200℃除去，与粘土颗粒的 中 的O或OH以氢键结合的水。 牢固结合水—紧挨粘土表面，通过氢键与粘土离子结合并作 有规则定向排列，又称吸附水膜，其厚度约3～10个水分子
结论：粘土粒子板面带负电，边棱可带正或负电。
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高岭石价键断裂使边棱带正电或负电 酸性介质中（pH＜6）：边棱带正电； 中性介质中（pH≈7）：边棱不带电； 碱性介质中（pH＞8）：边棱带负电。
粘土正负电荷代数和是粘土净电荷。 由于粘土负电荷远大于正电荷，则主要 带负电荷；
粘土粒子荷电性是粘土－水系统具有 一系列胶体性质的主要原因之一。
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粘土结合水量与粘土阳离子交换量成正比。 对于含同一种交换性阳离子的粘土，蒙脱石结 合水量比高岭石大 ;
2）粘土分散度
高岭石结合水量随粒度减小而增高，而蒙脱 石结合水量与颗粒细度无关
（3）粘土吸附阳离子种类
结合水量：吸附R＋＞吸附R2＋＞吸附R3＋ 粘土吸附同价离子的结合水量随吸附离子半
分为阳离子交换容量和阴离子交换容量，如阳离子交 换容量代表粘土在一定pH条件下的净负电荷数；
吸附量决定于中和表面电荷所需的吸附物的量。
影响因素：
（1）粘土种类： 阳离子交换容量：蒙脱石>伊利石>高岭石 阴离子交换容量：蒙脱石≈伊利石≈高岭石
（2）粒度大小：粒度↓，表比面积↑，破键↑，边棱 带正负电荷总数↑，阴阳离子交换容量均升高
径增大，结合水量减少。
结合水量：Li-粘土＞Na-粘土＞K-粘土。
被粘土吸附的Na和Ca的水化值
2. 粘土粒子带电原因
（1）同晶取代：使板面（解理面）带负电
（2）边棱价键断裂：使边棱带正电或负电
（3）腐殖质离解：使板面带负电
由于腐殖质的羧基和酚羧基中氢解离而引起的，取决于 粘土有机质含量，其负电荷数量随介质pH改变，碱性介 质中有利H+离解而产生更多负电荷
d）pH值的影响 pH降低，[H+]升高，ζ在pH=9～10出现极值 e）有机质含量——越高： ζ升高 f）粘土种类——ζ电位：蒙脱石>伊丽石>高岭石
pH值对ζ电位的影响
二、粘土的离子交换
1. 离子交换 用一种离子取代原先吸附于粘土上的另一种离子。
（1）特点 1）同号离子相互交换； 2）离子以等当量（或等电量）交换；
注意
结合水（牢固结合水与松结合水）与自由水相 比，其密度大、热容小，介电常数小、冰点低。
（1）粘土结合水量对粘土－水系统工艺性能的影 响
➢ 粘土与水达松结合状态，即粘土胶粒水膜厚度约 10nm（30个水分子层）时，其泥料可塑性最好；
➢ 粘土结合水/自由水比例小，自由水含量高，则泥 浆流动性好。
（2）影响粘土结合水量的因素
（3）介质温度：温度↑，粒子碰撞次数↑，交换容 量↑ ，但吸附强度↓ ；
（4）介质pH值：pH ↑ ，交换容量↑ （高岭石明
显）；
（5）有机质含量：有机质含量↑ ，负电量↑ ，交
换容量↑ ；
（6）粘土矿物结晶完整程度：结晶完整程度↓，
（4）表面吸附SiO32－ ：使板面带负电 结论：粘土粒子板面带负电，边棱可带正或负电。
高岭石价键断裂使边棱带正电或负电
酸性介质中（pH＜6）：边棱带正电；
中性介质中（pH≈7）：边棱不带电；
碱性介质中（pH＞8）：边棱带负电。
粘土正负电荷代数和是粘土净电荷。 由于粘土负电荷远大于正电荷，则主 要带负电荷；
从静电力学原理得ζ电位计算公式：
σ－表面电荷密度； d－扩散层厚度； ε－分散介质介电常数。
影响因素：
a）固相表面电荷密度——σ增大：ζ升高 b）电解质浓度—— 随电解质加入，ζ出现极大值 c）吸附阳离子的影响
粘土吸附以下阳离子时， ζ电位
小
大ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
离子电价高，每个离子所平衡的胶核负电荷数越多，胶团 中的电位下降越快，扩散层越薄，ζ降低。
粘土粒子荷电性是粘土－水系统具 有一系列胶体性质的主要原因之一。
3. 粘土胶团的结构
胶核（带负电）：粘土颗粒本身
吸附层：牢固结合水（即吸附水 膜）＋吸附紧密的水化阳离子
扩散层：松结合水（即扩散水膜） ＋吸附疏松的水化阳离子
胶粒（带负电） ：负溶胶
胶团（电中性）
4. 粘土胶体的ζ电位 （电动电位）
优选材料物理化学固体的 表面与界面
粘土－水系统 ：指粘土粒子分散在水介质中所形成的泥 浆或泥团系统，是介于胶体～悬浮液～粗分散体系之间的 一种特殊状态。
一、 粘土胶体
胶体：物质分散度在1～100nm范围内的一 种分散体系
—— 分散相（分散物质：颗粒、纤维、薄膜） ＋分散介质
分散相：有很高分散度，比表面积远大于 常态物质，因而带来一系列表面物化性质。 胶体粒子：1～100nm
X一树脂十 Y一粘土 Y－树脂十X一粘土
式中：X为单一离子；Y为各种离子混合。
2）鉴定粘土矿物
由于各种粘土矿物的交换容量数值差距较大，因此可 通过测定粘土的阳离子交换容量来鉴定粘土矿物组成。
2. 离子交换容量（cation exchange capacity，c·e·c）
离子交换能力的表征；
主要由吸附量来决定。通常以pH=7时，吸附离子毫 克当量数/100g干粘土表示（单位：毫克当量数／百 克干粘土 ）；
粘土矿物特点： （1）粒度小，比表面积大，表现出胶体性质；
粒度：100nm～10μm 比表面积：高岭石约20m2／g、蒙脱石约 100m2／g （2）具有荷电与水化等性质。 注意： ➢ 粘土胶体是指加水后的粘土－水两相系统； ➢ 粘土矿物虽颗粒大些，但层厚符合胶体范围，从整体上来 讲，粘土－水界面也很大； ➢ 对于胶体来说，除分散相尺寸和大小外，其分散相与分散 介质界面结构特性也很重要。则虽然许多粘土几乎不含 100nm以下粒子，但粘土－水系统仍表现出胶体性质。
1. 粘土与水的结合
结构水——以OH－形成存在于粘土晶格中，约在400～ 600℃ 脱去，可用红外光谱检测。
吸附水——层间结合水，约100～200℃除去，与粘土颗粒 的 中的O或OH以氢键结合的水。 牢固结合水—紧挨粘土表面，通过氢键与粘土离子结合 并作有规则定向排列，又称吸附水膜，其厚度约3～10个 水分子层 。 松 结 合 水—在牢固结合水周围，从有规则定向排列到 无 规则排列的过渡水层，又称扩散水膜，其厚度约60个 水分子层（<20nm）。 自由 水—松结合水以外完全无规则排列的普通的流动水。
3）吸附和解吸是可逆过程，其速率受离子浓度影响； 4）离子交换并不影响粘土本身结构。 （2）类型 按粘土上原先吸附的离子所带电荷的不同，分为 阳离子交换 阴离子交换
（3）应用
1）提纯粘土及制备吸附单一离子的粘土
将带有各种阳离子的粘土通过带一种离子的交换树 脂发生交换反应，由于任何交换树脂的交换容量很高 （250～500毫克当量／百克土），在溶液中X离子浓度远 大于Y，因此能保证交换反应完全。