材料物理化学-第五章 表面与界面
材料表面与界面化学
简诉催化剂的表面结构与性能 材料学院材料化学10-2 郑笔志 201001130939 一﹑NH3 在V2O5/ AC催化剂表面的吸附与氧化 将V2O5 担载在活性焦( AC) 上制得V2O5/ AC 催化剂, 通过吸附脱附实验、程序升温脱附实验与原位质谱结合, 对200e 下NH3 在V2O5/ AC 催化剂表面的吸附和氧化行为进行了研究。 NH3 在载体AC 上的吸附和氧化行为如图1 所示. 图中第1 阶段为只通Ar 未通NH3+ O2/ Ar 时尾气的质谱信号, 第2 阶段为连续通入NH3 + O2/Ar 后反应器出口各气体浓度的变化, 第3 阶段是切断NH3+ O2/Ar 后, 用Ar 吹扫时尾气浓度的变化.在NH3+ O2/ Ar 通入反应器初期的200 s 内, 出口NH3 和NO 的浓度与未通NH3+ O2/ Ar 时的信号相同, 200 s 后NH3 和NO 同时开始逸出, 且两者的浓度都逐渐升高并接近平衡, 表现出相同的规律. 在第3 阶段的Ar 吹扫过程中有NH3 和NO 放出, 表明第2 阶段发生了NH3 和NO 吸附, 且吸附的NH3和NO 能够在吹扫过程中同一温度脱附. 整个过程中出口N2O 和N2 的浓度一直与未通NH3+ O2/ Ar前相同, 表明无N2O 和N2 释放.第2 阶段的前200 s 内没有检测到NH3 和其他气体, 说明AC 表面存在NH3 的吸附位, 吸附了NH3 但不产生不能被吸附的气体产物. 在200~270 s 内, NH3 的出口浓度逐步上升并接近平衡,说明.
AC 表面的NH3 吸附位被逐渐覆盖, 残余的空吸附位越来越少, 不能被吸附的NH3 越来越多. 出口NO 的浓度表现出与NH3 同样的行为, 在逸出NH3 的浓度接近最大值时NO 的浓度也接近最大值. 这表明AC 表面存在不能被吸附的NH3 所覆盖, 并且可以连续不断地将NH3 转化为NO 的氧化位. 而这些氧化位在第2 阶段初期必定会将NH3转化为NO, 所以第2 阶段初期没有NO 逸出的现象表明生成的NO 会被AC 所吸附, 而NH3 和NO相同的逸出规律表明二者的吸附位可能相同。 一般认为, NH3 可发生如下三种氧化反应:
(完整版)物理化学界面现象知识点
279 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 i s 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 r γ?= 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 g γθρ= 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
材料表面与界面_习题含答案
第一章 1、什么是Young 方程？接触角的大小与液体对固体的润湿性好坏有怎样的关系？ 答：Young 方程：界面化学的基本方程之一。它是描述固气、固液、液气界面自由能γsv，γSL ，γLv 与接触角θ之间的关系式，亦称润湿方程，表达式为： γsv -γSL =γLv COSθ。该方程适用于均匀表面和固液间无特殊作用的平衡状态。 关系：一般来讲，接触角θ的大小是判定润湿性好坏的依据，若θ=0.cosθ=1，液体完全润湿固体表面，液体在固体表面铺展；若0＜θ＜90°，液体可润湿固体，且θ越小，润湿性越好；90°＜θ＜180°，液体不润湿固体；θ=180°，完全不润湿固体，液体在固体表面凝集成小球。 2、水蒸气骤冷会发生过饱和现象，在夏天的乌云中，用飞机撒干冰微粒，试气温骤降至293K ，水气的过饱和度（P/Ps ）达4，已知在293K 时，水的表面能力为0.07288N/m ，密度为997kg/m 3，试计算： （1）在此时开始形成雨滴的半径。 （2）每一雨滴中所含水的分子数。 答：（1）根据Kelvin 公式有 开始形成的雨滴半径为： 将数据代入得： '2ln 0R RT M P P ργ=0ln 2'p p RT M R ργ=
（2）每一雨滴中所含水的分子数为N=N A n ，n=m/M=rV/M ，得 个661002.6018.03997)1079.7(14.34)(34233103'=???????===-A A N M R N M V N ρπρ 3、在293k 时，把半径为1.0mm 的水滴分散成半径为1.0μm 的小水滴，试计算（已知293K 时水的表面Gibbs 自由为0.07288J .m -2）（1）表面积是原来的多少倍？（2）表面Gibbs 自由能增加了多少？（9分） 答：（1）设大水滴的表面积为A 1，小水滴的总表面积为A 2，则小水滴数位N ，大 水滴半径为r 1,小水滴半径为r 2。 212 21244r r N A A ππ= 又因为将大水滴分散成N 小水滴，则 32313434r N r ππ= 推出 321???? ??=r r N =93100.1mm 0.1=??? ??um 故有 ()()10000.140.141022 912=???=mm um A A ππ 即表面积是原来的1000倍。 （2）表面Gibbs 自由能的增加量为 ()()212212421r Nr r A A dAs G A A -=-==??πγγ =4*3.142*0.07288*[109*（10-6）2-（10-3）2] m R 101079.74ln 997293314.8018.007288.02'-?=?????=
表面化学论文
表面化学学科发展概述 （东北大学） 摘要表面化学对于化学工业很重要, 它可以帮助我们了解不同的过程, 例如铁为什么生锈、燃料电池如何工作、汽车内催化剂如何起作用等; 此外, 表面化学反应对于许多工业生产起着重要作用, 如人工肥料的生产; 表面化学甚至能解释臭氧层破坏;半导体工业也是与表面化学相关联的领域；表面化学与许多学科有关，且发展历史悠久，将来也一定会有更广阔的发展空间。 关键词表面化学化工工业其他学科发展概述 一、表面化学简介 表面化学是物理化学的一个分支, 是在胶体化学基础上发展起来的一门古老而又年轻的学科。它主要研究在物质两相之间的界面上发生的物理化学过程。通常将气- 固、气- 液界面上发生的物理化学过程称为表面化学, 而在固- 液、液- 液界面上发生的物理化学过程称为界面化学。但也有些学者将所有的界面过程化学问题都称作表面化学或界面化学, 并不是分得很严格。可以说在自然界和工农业生产及日常生活中, 到处都存在着在与表面化学有关的问题, 如: 水珠滴在干净的玻璃板上, 就会自动铺展; 但如果水珠滴在荷叶上, 情况则完全相反, 此种现象都与表面化性质有关。 表面化学与许多学科, 如: 电器及通讯器材学科、材料科学、医学、生物及分子生物学、土壤学、地质学、环境科学等都有密切联系。它在工农业生产与人们日常生活中都有广泛应用。如石油的开采、油漆涂料的生产、各种轻化工、日用化学品的制造、信息材料的制造、采矿中的浮选、环境污染
的处理与防治。同时, 食品、纺织、军工、体育用品、农药、建材等众多领域都与胶体和表面化学有关。因此, 可以夸张地说, 表面化学已经渗透到国民经济及人民生活的各个方面。 二、表面化学的重要性 密切接触的两相之间的过渡区（约几个分子的厚度）称为界面,如果其中一相为气体,这种界面通常称为表面。在相的界面上所发生的一切物理化学现象,统称为界面现象,通常将气一液、气一固界面现象称为表面现象。表面化学是研究表面上所发生的化学反应过程的科学,主要研究对象是表面的形成、表面组成结构和表面上进行的吸附、扩散以及化学反应的能力等。 表面化学过程的研究对工农业生产和日常生活有着重要作用。石油炼制工业中的催化重整、加氢精制工艺过程同催化剂的表面性质和分子同催化剂表面的反应性能密切相关。表面化学家对哈伯一博施（Haber Bosch）过程的透彻研究促进了合成氨工业的飞速发展。在环保方面,人们对一氧化碳在金属表面氧化过程的研究促进了汽车尾气净化装置的研制,极大地减少了汽车尾气对环境的污染；对氟氯烃以催化方式破坏臭氧层过程的研究有助于帮助人们找到更好的保护臭氧层的方法。在微电子领域,人们不仅用化学气象沉积法生成了大量的很薄的半导体,而且对半导体表面物理化学性质进行了深人研究,为开发新的高效半导体器件提供了理论依据。在工业生产领域,纺织、造纸、矿山都离不开高效工业表面活性剂,就连实现强化采掘石油也需加入表面活性剂以有效地降低岩芯与石油混合物之间的表面张力以及粘度。在能源行业,水在半导体表面光解制氢的研究成果可为实现利用水中氢资源开辟途径；人们正试图找到效率更高的燃料电池,以使车用氢气燃料电池替
界面物理化学习题
选 择 题 1. 在相同的温度及压力下，把一定体积的水分散成许多小水滴经这一变化过程，以下性质保持不变 的是（ d ） （a ）总表面能 （b ）比表面 （ c ）液面下的附加压力 （ d ）表面张力 2. 直径为 1×10 -2 m 的球形肥皂泡所受的附加压力为（已知表面张力为 ?m -1 ）（ d ） （a ）5 Pa （b ）10 Pa （c ）15 Pa （d ）20 Pa 思路：因为肥皂泡有内、外两个表面，内面的附加压力是负值，外面的附加压力是正值，故 4 p s ，答案选 d 。 R' 4. 298K 时，苯蒸汽在石墨上的吸附符合 Langmuir 吸附等温式， 在苯蒸汽压力为 40Pa 时，覆盖率 θ=， 当 θ =时，苯蒸汽的平衡压力为（ b ） （a ）400 Pa （b ）760 Pa （c ）1000 Pa （ d ） 200 Pa 思路： Langmuir 公式 1 ap 将已知条件的压强和覆盖率代入公式， 计算得到 a 的值，然后根据新的覆盖度和 a ，计算出平衡压力。 答案为 b 。（要求能够自己推导 Langmuir 公式） 5. 在 298K 时，已知 A 液的表面张力是 B 液的一半，其密度是 B 液的两倍。如果 A ， B 液分别用相同 的毛细管产生大小相同的气泡时， A 液的最大气泡压力差等于 B 液的（ a ） （a ）倍 （b ）1倍 （c ）2倍 （d ）4 倍 2 思路： p s ，代入该公式计算比值，答案选 a 。 s R' 6. 将一毛细管插入水中，毛细管中水面上升 5cm ，在 3cm 处将毛细管折断，这时毛细管上端（ c ） （a ）水从上端溢出 （b ）水面呈凸面 （c ）水面呈凹形弯月面 （ d ）水面呈水平面 思路：液体具有流动性， Yang-Laplace 公式中的半径是可以变化的，不可能出现“井喷”的情况。 7. 用同一滴管分别滴下 1cm 3 的 NaOH 水溶液、水、乙醇水溶液，各自的滴数多少的次序为（ c ） （a ）三者一样多 （b ）水 ＞乙醇水溶液 ＞NaOH 水溶液 （c ）乙醇水溶液 ＞水 ＞NaOH 水溶液 （d ）NaOH 水溶液 ＞水＞乙醇水溶液 思路：乙醇对水而言是表面活性剂， NaOH 对水而言是非表面活性3. 已知水溶解某物质以后，其表面张力 γ0 为纯水的表面张力， 式中 A ， γ 与溶质的活度 a 呈如下关系： B 为常 数，则溶液表面过剩 Γ2为（ c ） a ） Aa RT 1 Ba b ） ABa RT 1 Ba c ） ABa RT 1 Ba d ） Ba RT 1 Ba 思路： ad RT da RT A B 1 Ba ABa ，答案选 c 。 RT 1 Ba
材料表面与界面-习题含答案
第一章 1、什么是Young 方程接触角的大小与液体对固体的润湿性好坏有怎样的关系 答：Young 方程：界面化学的基本方程之一。它是描述固气、固液、液气界面自由能γsv，γSL ，γLv 与接触角θ之间的关系式，亦称润湿方程，表达式为： γsv -γSL =γLv COSθ。该方程适用于均匀表面和固液间无特殊作用的平衡状态。 关系：一般来讲，接触角θ的大小是判定润湿性好坏的依据，若θ=θ=1，液体完全润湿固体表面，液体在固体表面铺展；若0＜θ＜90°，液体可润湿固体，且θ越小，润湿性越好；90°＜θ＜180°，液体不润湿固体；θ=180°，完全不润湿固体，液体在固体表面凝集成小球。 2、水蒸气骤冷会发生过饱和现象，在夏天的乌云中，用飞机撒干冰微粒，试气温骤降至293K ，水气的过饱和度（P/Ps ）达4，已知在293K 时，水的表面能力为m ，密度为997kg/m 3，试计算： （1）在此时开始形成雨滴的半径。 （2）每一雨滴中所含水的分子数。 答：（1）根据Kelvin 公式有 '2ln 0R RT M P P ργ= 开始形成的雨滴半径为： 0ln 2'p p RT M R ργ= 将数据代入得：
m R 101079.74ln 997293314.8018.007288.02'-?=?????= （2）每一雨滴中所含水的分子数为N=N A n ，n=m/M= V/M ，得 个661002.6018.03997)1079.7(14.34)(34233103'=???????===-A A N M R N M V N ρπρ 3、在293k 时，把半径为的水滴分散成半径为μm 的小水滴，试计算（已知293K 时水的表面Gibbs 自由为 .m -2）（1）表面积是原来的多少倍（2）表面Gibbs 自由能增加了多少（9分） 答：（1）设大水滴的表面积为A 1，小水滴的总表面积为A 2，则小水滴数位N ， 大水滴半径为r 1,小水滴半径为r 2。 21221244r r N A A ππ= 又因为将大水滴分散成N 小水滴，则 32313434r N r ππ= 推出 3 21???? ??=r r N =93100.1mm 0.1=??? ??um 故有 ()()10000.140.141022 912=???=mm um A A ππ 即表面积是原来的1000倍。 （2）表面Gibbs 自由能的增加量为 ()()212212421r Nr r A A dAs G A A -=-==??πγγ =4***[109*（10-6）2-（10-3）2]
材料物理化学 第三篇习题
Chap 11、Semiconductors 11.1 (a) For a semiconductor, show that np product obtained from Eq.(11.27) is proportional to exp(-βE g ) and thus is independent of the position of the chemical potential μ in the bandgap. Eq.(11.27): (b) The law of mass action in semiconductors for reaction creating pairs of electrons and holes [e.g., Eq.(11.28)] has the form n(T)P(T)∝exp(-βE g ). Explain the significance of this law. (Hint: The law of mass action is described in Section 4.6) Eq.(11.28): (c) Evaluate the np product at T=300K for Si with E g =1.11ev and m eds ﹡=1.05m and m hds ﹡=0.58m. 11.2 Using Eq.(11.30) and m eds ﹡=1.05m and m hds ﹡=0.58m for Si, calculate the change in the position of the chemical potential μ in the energy gap of intrinsic Si between T=0 and 300K. Eq.(11.30): 11.3 Calculate the values of N c and N v as defined in Eq.(11.27) for Si at T=300K. The appropriate of density-of-states effective masses for Si are m eds ﹡=1.05m and m hds ﹡=0.58m. 11.4 Consider a semiconductor with a bulk energy gap E g =1.5ev and g E v c i i e T N T N T p T n β-=)()()()()()(2/32)()2(2)()(μβμβπ----*===c c E c E B eds i e T N e T k T n T n m )()(2/32)()2(2)()(v v E v E B h ds i e T N e T k T p T p m ----*===μβμβπ ** +=eds hds B g m m T k E T ln 432)(μ
表面与界面
第四章 表面与界面 内容提要：本章讨论了固体表面张力场与表面能。离子晶体在表面力场作用下，离子的极化与重排过程。多相体系中的界面化学：如弯曲表面效应、润湿与粘附，表面的改性。概述了多晶材料中的晶界分类，多晶体的组织，晶界应力与电荷。介绍了粘土胶粒带电与水化等一系列有表面效应而引起的胶体化学性质如泥浆的流动性和触变性、泥团的可塑性等。 固体的表面能是用晶体中一个原子（离子）移到晶体表面时，自由焓的变化来计算的。 界面化学是研究在相界面发生的各种物理化学过程的一门科学。在弯曲表面上由于表面张力的存在而产生一个附加压力P ?。 r P γ2=? )11(2 1 r r P +=?γ 式中γ——表面张力； 21r r 、——曲面主曲率半径。 由上式可见，附加压力P ?与曲率半径成反比。 润湿是固-液界面上的重要行为，润湿定义为：固体与液体接触后，体系（固+液）的吉布斯自由能降低时称为润湿。 SL SV LV F γγθγ-==cos 式中 F ——润湿张力； SL SV LV γγγ、、——分别为液-气、固-气、固-液界面张力； θ——润湿角。θ>900因润湿张力F 小，固-液不润湿；θ<900固-液润湿； θ=0润湿张力最大，液体在固相表面上自由铺展。
改善润湿的方法：（1）降低SL γ。（2）去除固体表面吸附膜，提高SV γ。（3）改变粗糙度。当真实接触角θ<900，粗糙度愈大表观接触角愈小，愈易润湿。当θ>900时粗糙度愈大愈不利润湿。 凡结构相同而取向不同的晶体相互接触，其接触界面称为晶界。晶界上两晶粒质点排列取向有差异，晶界上原子形成某种过渡排列，因而晶界结构疏松，在多晶体中晶界是原子快速扩散通道，并容易引起杂质原子偏聚。晶界上有许多空位、位错和键变形等缺陷使之处于应力畸变状态，故能阶较高，使晶界成为固态相变时优先形核区域。 晶界可以按两晶粒之间夹角大小而分为小角度晶界和大角度晶界。也可以根据晶界两边原子排列的连贯性分为共格晶界、半共格晶界和非共格晶界三种。 固-固-气界面张力平衡关系：SV SS γγ? 212 cos = 固-固-液界面张力平衡关系：SL SS γγ? 212 cos = 式中SL SV SS γγγ、、分别为固-固、固-气、固-液界面张力。?为二面角。 粘土（蒙脱、伊利和高岭）矿物粒度很细，一般在m μ10~1.0范围内，因而它们表现出一系列表面化学的性质。 粘土荷电主要是由于（1）粘土晶格内离子的同晶置换（蒙脱由铝氧八面体中Al 3+ 被Mg 2+等二价离子取代，伊利石中硅氧四面体中Si 4+被Al 3+取代），（2）粘土边面断裂，活性边表面上破健而产生两性电荷（高岭土带电主要原因），（3）粘土内腐殖质离解等原因而带负电。因此，它必然要吸附介质中的阳离子来中和其所带来的负电荷，被吸附的阳离子又能被溶液中其它浓度大、价数高的阳离子所交换，这就是粘土的阳离子交换性质。 粘土的阳离子交换容量用100g 干粘土所吸附阳离子的毫克当量数来表示。影响
固体界面物理化学
2017 年秋季学期研究生课程考核 （读书报告、研究报告） 考核科目:固体界面物理与化学 学生所在院（系）:化工学院 学生所在学科:化学工程与技术 学生姓名: 学号: 学生类别: 考核结果阅卷人 第 1 页（共7 页）
吸附等温线及其应用 1 吸附等温线的定义 吸附等温曲线是指在一定温度下溶质分子在两相界面上进行的吸附过程达到平衡时它们在两相中浓度之问的关系曲线。在一定温度下．分离物质在液相和固相中的浓度关系可用吸附方程式来表示。作为吸附现象方面的特性有吸附量、吸附强度、吸附状态等，而宏观地总括这些特性的是吸附等温线，也就是说吸附等温线是吸附研究中最重要的关系曲线。 2吸附等温线的分类 2.1 气体吸附等温线 文献中曾报道过许多不同形状的气体吸附等温线，但由国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）提出的物理吸附等温线分类可以归纳为如图1所示的六类吸附等温线：分别是I型、II型、III型、IV型和VI型吸附等温线。图中纵坐标表示吸附量，横坐标为相对压力P/P0，P0表示气体在吸附温时的饱和蒸汽压，P表示吸附平衡时气相的压力。各种吸附等温线对应着吸附时气体在固体表面上的排列形式，固体的孔、表面积、孔径分布以及孔容积等有关信息。 图1 六类气体吸附等温线 I型等温线的特点是，在低相对压力区域，气体吸附量有一个快速增长。这是由于发生了微孔填充过程。随后的水平或近水平平台表明，微孔已经充满，没
有或几乎没有进一步的吸附发生。达到饱和压力时，可能出现吸附质凝聚。外表面相对较小的微孔固体，如活性炭、分子筛沸石和某些多孔氧化物，表现出这种等温线。II型等温线一般由非孔或宏孔固体产生。B点通常被作为单层吸附容量结束的标志。III型等温线以向相对压力轴凸出为特征。这种等温线在非孔或宏孔固体上发生弱的气－固相互作用时出现，而且不常见。IV型等温线由介孔固体产生。一个典型特征是等温线的吸附分支与等温线的脱附分支不一致，可以观察到迟滞回线。在P/P0值更高的区域可观察到一个平台，有时以等温线的最终转而向上结束。V型等温线的特征是向相对压力轴凸起。与III型等温线不同，在更高相对压力下存在一个拐点。V型等温线来源于微孔和介孔固体上的弱气－固相互作用，微孔材料的水蒸汽吸附常见此类线型。VI型等温线以其吸附过程的台阶状特性而著称。这些台阶来源于均匀非孔表面的依次多层吸附。液氮温度下的氮气吸附不能获得这种等温线的完整形式，而液氩下的氩吸附则可以实现。 在这些等温线类型中，已发现存在多种迟滞回线。虽然影响吸附迟滞的不同原因尚未完全清晰，但其存在4种特征，并已由国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）划分出了4种特征类型。迟滞回线的标准类型如图2所示。 图2 迟滞回线的标准类型 H1型迟滞回线可在孔径分布相对较窄的介孔材料，和尺寸较均匀的球形颗粒聚集体中观察到。H2型迟滞回线由有些固体，如某些二氧化硅凝胶给出。其中孔径分布和孔形状可能不好确定，比如，孔径分布比H1型回线更宽。H3型迟
物理化学论 界面现象习题
第十章界面现象 10.1在293.15 K及101.325kPa下，把半径为1×10-3m的汞滴分散成半径为1×10-9m小汞滴，试求此过程系统的表面吉布斯函数变为多少？已知汞的表面张力为0.4865N·m-1。 10.2计算373.15K时，下列情况下弯曲液面承受的附加压。已知373.15K时水的表面张力为58.91×10-3 N·m-1。 （1）水中存在的半径为0.1μm的小气泡； （2）空气中存在的半径为0.1μm的小液滴； （3）空气中存在的半径为0.1μm的小气泡。 10.3 293.15K时，将直径为0.1mm的玻璃毛细管插入乙醇中。问需要在管内加入多大的压力才能防止液面上升？如不加任何压力，平衡后毛细管内液面高度为多少？已知该温度下乙醇的表面张力为22.3×10-3 N·m-1，密度为789.4kg·m-3，重力加速度为9.8m·s-2。设乙醇能很好地润湿玻璃。 10.4水蒸气迅速冷却至298.15K时可达过饱和状态。已知该温度下的表面张力为71.97×10-3 N·m-1，密度为997kg·m-3。当过饱和水蒸气压力为平液面水的饱和蒸汽压的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。 10.5已知CaCO3（s）在773.15K时的密度3900kg·m-3，表面张力为1210×10-3 N·m-1，分解压力为101.325Pa。若将CaCO3（s）研磨成半径为30nm（1nm=10-9m）的粉末，求其在773.15K时的分解压力。 10.6已知273.15K时，用活性炭吸附CHCl3，其饱和吸附量为93.8dm3·kg-1，若CHCl3的分压为13.375kPa，其平衡吸附量为82.5 dm3·kg-1。试求：（1）朗缪尔吸附等温的b值； （2）CHCl3的分压为6.6672 kPa时，平衡吸附量为若干？ 10.7在1373.15K时向某固体表面涂银。已知该温度下固体材料的表面张力γs =9 65 mN·m-1，Ag（l）的表面张力γl = 878.5 mN·m-1，固体材料与Ag（l）的表面张力γsl = 1364mN·m-1。计算接触角，并判断液体银能否润湿该材料表面。 10.8 293.15K时，水的表面张力为72.75mN·m-1，汞的表面张力486.5 mN·m-1，而汞和水之间的表面张力为375 mN·m-1，试判断：
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。
无机材料物理化学课后习题及答案
第一章几何结晶学基础 1-1.晶体、晶胞的定义；空间格子构造的特点；晶体的基本性质。 1-2.参网页上的模型，运用对称要素组合定律，写出四方柱、六方柱、四方 四面体、斜方双锥、六八面体、三方柱、复三方三角面体、四六面体的点群符号，并写出其所属的晶系和晶族。 1-3.参阅网页上的模型，请确定单型中的六八面体、复三方偏三角面体、复六 方双锥、和聚型中2、3、4号模型在晶体定向中，各晶体的晶轴分别与哪些对称 轴重或晶棱方向平行？ 1-4.请写出单型三方柱、四方柱、四方双锥、六方柱、菱面体、斜方双锥各晶 面的主要晶面符号。 1-5.请写出下列聚型模型各晶面的晶面符号：1、2、3、4。两个对称面相互成 1）60°、2）90°、3）45°、4）30°，可组合成什么点群？ 1-6.由两根相交的二次轴互成1）90°、2）60°、3）45°、4）30°，可以组 合成什么点群？试在面心立方格子中画出菱面体格子 1-7.一晶面在X、Y、Z轴分别截得2、4、6个轴单位，请写出此晶面符号。 1-8.作图表示立方晶体的（123）、（012）、（421）晶面。 1-9.在六方晶体中标出晶面（0001）、（2110）、（1010）、（1120）、（1210）的位臵。 1. 答：晶体最本质的特点是其内部的原子、离子、或原子集团在三维空间以一 定周期性重复排列而成 , 晶体的空间格子构造有如下特点：结点空间格子中的 点，在实际晶体中它们可以代表同种质点占有的位臵，因此也称为晶体结构中的 等同点位臵。行列结点在一维方向上的排列 . 空间格子中任意两个结点连接的 方向就是一个行列方向。面网结点在平面上的分布构成面网。空间格子中，不 在同一行列上的任意三个结点就可联成一个面网。平行六面体空间格子中的最 小单位。它由六个两两平行且大小相等的面组成。 晶体的基本性质是指一切晶体所共有的性质，这些性质完全来源于晶体的空间格 子构造。晶体的基本性质主要包括以下五点： 1 ） . 自限性（自范性），指晶体在适当条件下自发形成封闭几何多面体的性 质。晶体的的多面体形态是其格子构造在外形上的反映。暴露在空间的晶体外表，如晶面、晶棱与角顶分别对应其晶体空间格子中的某一个面网、行列和结点。 2 ） . 结晶均一性，指同一晶体的各个不同部分具有相同的性质。因为以晶体 的格子构造特点衡量，晶体不同部分质点分布规律相同，决定了晶体的均一性。 3 ） . 对称性，指晶体中的相同部分在不同方向上或不同位臵上可以有规律地 重复出现。这些相同部位可以是晶面、晶棱或角顶。晶体宏观上的对称性反映了 其微观格子构造的几何特征。
物理化学界面第9章 表面现象总结
第9章表面现象和胶体化学 1 基本概念 1.1界面和表面 不同物质或同种物质的密切接触的两个相之间的过渡区叫界面，如液态水和冰的接触面，水蒸气和玻璃的接触面等等。 表面是指固体对真空或固体和液体物质与其自身的蒸气相接触的面。显然，表面包括在界面的概念之内，但通常并没严格区别两者，“表面”和“界面”互相通用。 1.2 表面能、表面函数和表面功 表面上的物质微粒比他们处于体相内部时多出的能量叫表面能或总表面能。 由于表面的变化通常在等温等压条件下进行，因此这时的表面能实际上就是表面吉布斯函数。 在等温等压下且组成不变的条件下以可逆方式增加体系的表面积时所做的非体积功叫表面功，它在量值上等于表面吉布斯函数。 1.03 表面张力（比表面能） 简单的说，表面张力就是单位面积上的表面能量，即比表面能，因为它与力有相同的量纲，故叫表面张力。实际上，表面张力是表面层的分子垂直作用在单位长度的线段或边界上且与表面平行或相切的收缩力。 1.04 附加压力 弯曲液面下的附加压力是指液面内部承受的压力与外界压力之差，其方向指向曲面球心。 1.5 铺展和铺展系数 某一种液滴在另一种不相溶的液体表面上自行展开形成一层液膜的现象叫铺展，也叫展开。 铺展系数就是某液滴B在液体A的表面上铺展时比表面吉布斯函数的变化值，常用符号为S B/A 1.6 湿润 凡是液体沾湿在固体表面上的现象都叫润湿，其中又分为铺展润湿（液体在固体表面上完全展开），沾湿湿润（液体在固体表面形成平凹透镜）和浸没湿润（固体完全浸渍在液体中），三种湿润程度的差别是：浸没湿润〉铺展湿润〉沾湿湿润 1.7 沾湿功和湿润功 在定温定压下，将单位面积的固-液界面分开时外界所做的可逆功叫沾湿功。这一概念对完全不相溶的两种液体间的界面也适用。 结合功是指定温定压下，将单位面积的液柱拉开时外界所做的可逆功，又叫内聚功。它是同种分子相互吸引能力的量度。 1.08 接触角 液体在固体表面达到平衡时，过三相接触点的切线与固-液界面所夹的最大角叫平衡接触角或润湿角，常用符号θ。例如， 1.09 表面活性物质（表面活性剂） 由亲水的极性基团和亲油的非极性基团组成的能显著降低表面张力的物质叫表面活性物质，又叫表面活性剂，它分离子型和非离子型两大类型，其中离子型表面活性剂又分阴离子型、阳离子型、和两性型三种。1.10 增溶作用 在一种溶剂中加入表面活性物质后，能明显增加原来不溶或微溶于该溶剂的物质的溶解度，这种现象叫增溶作用。如苯不溶于水，加入肥皂后，苯的溶解度大大增加。增溶不同于真正的溶解，主要是促进胶束形成。这种体系是热力学稳定体系。 1.11 乳化作用
材料表面与界面-习题含答案
材料表面与界面-习题含答案
第一章 1、什么是Young 方程？接触角的大小与液体对固体的润湿性好坏有怎样的关系？ 答：Young 方程：界面化学的基本方程之一。它是描述固气、固液、液气界面自由能γsv ，γSL ，γLv 与接触角θ之间的关系式，亦称润湿方程，表达式为：γsv -γSL =γLv COSθ。该方程适用于均匀表面和固液间无特殊作用的平衡状态。 关系：一般来讲，接触角θ的大小是判定润湿性好坏的依据，若θ=0.cosθ=1，液体完全润湿固体表面，液体在固体表面铺展；若0＜θ＜90°，液体可润湿固体，且θ越小，润湿性越好；90°＜θ＜180°，液体不润湿固体；θ=180°，完全不润湿固体，液体在固体表面凝集成小球。 2、水蒸气骤冷会发生过饱和现象，在夏天的乌云中，用飞机撒干冰微粒，试气温骤降至293K ，水气的过饱和度（P/Ps ）达4，已知在293K 时，水的表面能力为0.07288N/m ，密度为997kg/m 3，试计算： （1）在此时开始形成雨滴的半径。 （2）每一雨滴中所含水的分子数。 答：（1）根据Kelvin 公式有 开始形成的雨滴半径为： 将数据代入得： '2ln 0R RT M P P ργ=0ln 2'p p RT M R ργ=
=J 4-1015.9 第二章 1、什么是CMC 浓度？试讨论影响CMC 的因素。请设计一种实验测定CMC 的方法。 答： （1）CMC 浓度是指随着表面活性剂浓度上升，溶液的表面张力逐渐下降，直至表面张力几乎不变时所发生转折时的浓度。 （2）疏水基的影响、亲水基、温度、添加剂（电解质、有机物）。 （3）测定方法：测定电导率、渗透压、冰点、增溶性、洗净力等物理量发生显著变化的转折点 2、温度对离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂溶解度的影响有什么不同？为什么离子型表面活性剂在K.P 点以上溶解度迅速增大，而非离子型表面活性剂溶液在C.P 点变成浑浊？ 答：（1）离子型：在足够低的温度下，溶解度随温度升高而慢慢增大，当温度达到一定值后，溶解度会突然增大——Krafft 现象 非离子型：溶解度随温度升高而下降，当温度升高到一定温度时，溶液会突然变浑浊 （2）离子型：表面活性剂以胶束形式溶解
物理化学下册总结
第七章 1. 法拉第定律：Q ＝zFξ 2. 迁移数计算++++-+- = = ++I Q t I I Q Q 【例】用铜电极电解CuSO 4溶液,通电一定时间后测得银电量计中析出0.7512g 银，并测得阳极区溶液中CuSO 4质量增加0.3948g 。试求CuSO 4溶液中离子的迁移数t(Cu 2+)和t(SO 42－ )。 （已知摩尔质量M (Ag) = 107.868 g·mol -1，M (CuSO 4) =159.604 g·mol -1。） 解：电量计中析出银的物质的量即为通过总电量：n (电) =0.7512g/M(Ag)= 6.964×10－3 mol 阳极区对Cu 2+ 进行物料衡算：n (原) + n (电)－n (迁出) = n (后) n (迁出) = n (原) －n (后) + n (电) n (迁出) =-+0394812 07512.().()g C u S O g A g 4M M =-?+?-(...)0394821596046964103mol =2.017× 10－ 3 mol t (Cu 2+ ) = ()() n n 迁出电=??--201710 6 9641033 .. =0.2896 t (SO 42－ ) =1－t (Cu 2+) = 0.7164 3. 电导(G )：=1G /R ，电导率1l G A R =?=?cell s κK ，摩尔电导率：/m m V c κκΛ== 【例】已知25℃时 KCl 溶液的电导率为0.2768 S·m -1。一电导池中充以此溶 液，在25 ℃时测得其电阻为453Ω。在同一电导池中装入同样体积的质量浓度为0.555g.dm -3的CaCl 2溶液，测得电阻为1050Ω。计算（1）电导池系数；（2）CaCl 2溶液的电导率；（3）CaCl 2溶液的摩尔电导率。 解：（1）电导池系数为 （2）CaCl 2溶液的电导率 （3）CaCl 2溶液的摩尔电导 4. 离子独立运动定律∞ ∞ ∞ ++--=+m m m ,,ΛνΛνΛ 【例】已知25℃时0.05mol.dm -3CH 3COOH 溶液的电导率为3.8?10-2S.m -1。计算CH 3COOH 的解离度α及解离常数K θ。4 2 1 ()349.8210..,m H S m mol ∞ + --Λ=? 4213-(CH COO )40.910..m S m mol ∞--Λ=?
《材料物理化学》试卷2013级
《材料物理化学》试卷 适用专业：2013级材料科学与工程学术学位硕士研究生、材料工程专业学位硕士研究生及相关专业硕士研究生 学院：材料学院 专业：材料工程 姓名：孙乐栋 学号：20131800123
一、名词解释（共5题，每题4分，共20分） 1.晶体: 晶体是质点(原子、离子或分子)在空间呈周期性重复排列的固体。 2.位错：在材料科学中，指晶体材料的一种内部微观缺陷，即原子的局部不规则排列（晶体学缺陷）。 3.纯物质的标准生成热（焓）：由标准状态(压力为100kPa ，温度TK)下最稳定单质生成标准状态下单位物质的量的化合物的热效应或焓变(△H)称为该化合物的标准生成热(或焓)，以符号△fH 表示。 4.热力学状态函数:当体系具有了一个特定的状态后，体系的一系列性质，如质量、温度、压力、体积、组成以及集聚状态等也就确定（或曰达到平衡），这些与体系状态可以单值对应的热力学性质又称作状态函数。 5.反应级数：指化学动力学基本参数。化学反应的速率方程中各物浓度的指数称为各物的分级数，所有指数的总和称为反应总级数，用n 表示。 二、 简答（共4题，每题5分，共20分） 1.常见的点缺陷有哪几种？如何表示？ 2.热力学平衡判据有哪几个？各自的适用条件？ 熵判据 1=S +S 0}2S ???≥总体系环境自发过程平衡过程 适用于孤立系统。 自由能判据 'dF -W } δ≤不可逆 可逆 适用于封闭的等温等容系统。 自由焓判据 'dG -W } δ≤不可逆 可逆 适用于封闭的等温等压系统。 3.什么是反应速率常数？受哪些因素影响？ 化学反应速率除了与浓度有关外，不同化学反应之间的主要差异就是由反应速率常数k 来表示，k=Aexp(-E/RT) ，它反映了反应物的本质属性，它受温度、活化能和（反应碰撞几率）的影响。温度越高、活化能越低和（碰撞几率）越大反应速率常数越高。 4.固相反应有哪些常见的速度控制机理？写出界面反应控速机理下的典型动力学方程。 1.扩散控速 2.相界面反应控速 3.晶核形成与生长控速
关于界面物理化学习题
一、选择题 1. 在相同的温度及压力下，把一定体积的水分散成许多小水滴经这一变化过程，以下性质保持不变的是（d ） （a ）总表面能 （b ）比表面 （c ）液面下的附加压力 （d ）表面张力 2. 直径为1×10-2m 的球形肥皂泡所受的附加压力为（已知表面张力为0.025N?m -1）（d ） （a ）5 Pa （b ）10 Pa （c ）15 Pa （d ）20 Pa 思路：因为肥皂泡有内、外两个表面，内面的附加压力是负值，外面的附加压力是正值，故 4' s p R γ=，答案选d 。 3. 已知水溶解某物质以后，其表面张力γ与溶质的活度a 呈如下关系： ()0ln 1A Ba γγ=-+ 式中γ0为纯水的表面张力，A ，B 为常数，则溶液表面过剩Γ2为（c ） （a ）()21Aa RT Ba Γ=-+ （b ）() 21ABa RT Ba Γ=-+ （c ）()21ABa RT Ba Γ=+ （d ）() 21Ba RT Ba Γ=-+ 思路：() 211a d a B ABa A RT da RT Ba RT Ba γ??Γ=-=--= ?++??，答案选c 。 4. 298K 时，苯蒸汽在石墨上的吸附符合Langmuir 吸附等温式，在苯蒸汽压力为40Pa 时，覆盖率θ=0.05，当θ=0.5时，苯蒸汽的平衡压力为（b ） （a ）400 Pa （b ）760 Pa （c ）1000 Pa （d ）200 Pa 思路：Langmuir 公式1ap ap θ=+ 将已知条件的压强和覆盖率代入公式，计算得到a 的值，然后根据新的覆盖度和a ，计算出平衡压力。答案为b 。（要求能够自己推导Langmuir 公式） 5. 在298K 时，已知A 液的表面张力是B 液的一半，其密度是B 液的两倍。如果A ，B 液分别用相同的毛细管产生大小相同的气泡时，A 液的最大气泡压力差等于B 液的（a ） （a ）0.5倍 （b ）1倍 （c ）2倍 （d ）4倍 思路：2' s p R γ=，代入该公式计算比值，答案选a 。 6. 将一毛细管插入水中，毛细管中水面上升5cm ，在3cm 处将毛细管折断，这时毛细管上端（c ） （a ）水从上端溢出 （b ）水面呈凸面 （c ）水面呈凹形弯月面 （d ）水面呈水平面