物理化学-表面物理化学分析64页PPT
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物理化学课件13章 表面物理化学
1.气-液界面
空气
CuSO4 溶液
气-液 界面
2.气-固界面
气-固界面
3.液-液界面
H2O
Hg
液-液 界面
4.液-固界面
Hg
液-固界面
H2O
玻璃板
5.固-固界面
Cr镀层 铁管
固-固界面
界面现象的本质
表面层分子与内部分子相比所处的环境不同 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； 但是处在界面层的分子，一方面受到体相内相
比表面通常用来表示物质分散的程度，有两
种常用的表示方法：一种是单位质量的固体所具
有的表面积；另一种是单位体积固体所具有的表
面积。即：
A0
As m
或
A0
As V
式中，m 和 V 分别为固体的质量和体积，As为其 表面积。目前常用的测定表面积的方法有BET法
和色谱法。
分散度与比表面
把物质分散成细小微粒的程度称为分散度。 把一定大小的物质分割得越小，则分散度越高， 比表面也越大。
U
As
S ,V ,nB
H
As
S , p,nB
A
As
T ,V ,nB
G
As
T , p,nB
表面自由能 (surface free energy)
广义的表面自由能定义：
U ( As )S ,V ,nB
(
H As
)S
, P , nB
表面和界面 (surface and interface)
界面是指两相接触的约几个分子厚度的过渡区， 若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。
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。
物理化学课件：第八章 表面现象
第一节 表面积与表面Gibbs能
比表面（specific surface area）
比表面：指单位质量(或单位体积)的物质所具有的表面积 有两种常用的表示方法：
as
A; m
aV
A V
式中，m 和 V 分别为物质的质量和体积，As为其表面 积。本章的研究对象即是具有巨大比表面积的系统。
液例滴8-1为：球分形割，半试径计为算r的分液割滴后，的使液成滴为总半表径面积r1 A11和r0 原的液小滴液表滴面，积若 A之比。
Tricor （非诺贝特 ）
Triglide （非诺贝特 ）
降血脂，纳米晶2004.12 NanoCrystal
FDA批准
technology
(Elan/Abbot)
降血脂，纳米晶
NanoCrystal technology
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。
界面现象的本质
克服附加压力Δp所作 的功等于可逆增加表面积 的Gibbs能
ΔG = ΔpdV = dAຫໍສະໝຸດ ΔppgR'
ΔpdV = dA
R ' r dr
V 4 r3,
3
A 4r 2 ,
所以 dV 4r 2dr 所以 dA 8rdr
代入得： p 2
r
球形曲面
Δp
pg
R'
dr
附加压力的大小与曲率半径和液体的表面张力有关
（3）凹液面的曲率半径为负值，因此附加压力也是负值， 凹液面下的液体受到的压力比平液面下的液体受到的压力小。
什么时候考虑Δp? – 依据粒子尺度
室温下小水滴：r=1mm, Δp=200 Pa
r=10nm, Δp=145 atm 当颗粒半径可以用mm描述时，可忽略Δp； 当颗粒半径小至纳米级时，由于Δp巨大，颗粒许多性 质发生改变，与普通液体和固体不同，需考虑Δp 。
表面物理化学 ppt课件
§13.1 表面
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。
222222222222222 lllllllllllllll
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。
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与总的表面张力大小相 等方向相反，则金属丝不再滑动。
W'dA
为比例系数，它在数值上等于在相应条件下增加单 位表面积时对体系做的可逆非膨胀功。
三、表面自由能(surface free energy)
根据热力学的观点，在等温等压组成不变的可逆条件下
dG W 'dA
G
A T,p,nB
为此条件下体系增加单位表面积时，Gibbs自由能的 增加值，称为比表面Gibbs自由能，亦简称为表面自由 能，其单位是J· m-2。
7. 了解化学吸附与物理吸附的区别，了解影响固体吸附的主要因素。
8. 了解化学吸附与多相催化反应的关系，了解气—固相表面催化反应速率的 特点及反应机理。
概述
一、表面和界面 1.表面和界面
界面是指两相接触的约几个分子厚度的过渡区， 若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。
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。
把一定大小的物质分割得越小，则分散度越高， 比表面也越大。
例如，把边长为1 cm的立方体1 cm3逐渐分割 成小立方体时，比表面增长情况列于下表：
边长l/m
1×10-2 1×10-3 1×10-5 1×10-7 1×10-9
立方体数
1 103 109 1015 1021
物理化学第八章表面
物理化学第八章表面一、表面化学的概念表面化学是研究发生在固体表面或液体表面的化学现象的科学。
在处理和制备材料、开发新工艺、研究反应机理以及在工业生产和实验室研究中，常常涉及到表面化学问题。
二、表面张力表面张力是液体表面分子之间的相互吸引力，是液体内部分子之间的相互排斥力。
其大小可以用表面张力系数γ表示。
三、弯曲液面的附加压力由于液面是弯曲的，所以液体在表面层内不仅要承受重力等一般压力，还要承受由于液面弯曲而产生的附加压力。
表面层内任一点上总压力与一般压力之差即为附加压力。
四、润湿现象润湿是指液体与固体接触时，液体会延固体表面铺展开来，这种现象叫做润湿现象。
润湿现象的产生与液体和固体的种类及它们之间的相互作用有关。
不同液体在不同固体表面上发生不同的润湿现象。
五、接触角和粘附功接触角是指液体在固体表面上附着时形成的液体-气体-固体三相交界处的切角。
接触角的大小反映了液体对固体表面的润湿程度。
粘附功是指液体润湿固体表面时，由润湿而在界面上产生的附加压力，其大小可用下式表示：W=2γcosθ(1-cosθ)其中γ为表面张力系数，θ为接触角。
六、降低表面张力的方法1、添加表面活性剂：表面活性剂可以显著地降低溶液的表面张力，并具有很好的润湿和乳化能力。
2、温度升高：温度升高可以增加分子的热运动，从而降低表面张力。
3、改变固体表面的性质：通过改变固体表面的性质（如通过化学吸附或物理吸附），可以降低表面张力。
七、应用表面化学的方法制备微纳米材料通过使用表面化学的方法，可以在固体表面上制备出各种微纳米材料。
例如，通过使用表面活性剂可以制备出纳米颗粒和纳米膜等材料。
通过使用分子束外延等方法可以在固体表面上制备出单层或多层原子膜。
这些技术在材料科学、电子学和生物学等领域中有着广泛的应用。
物理化学第十三章表面物理化学物理化学是化学的一个重要分支，它涉及到分子间的相互作用、物质的结构和性质以及它们之间的转化。
在物理化学的学习中，第十三章的内容是表面物理化学，它主要研究的是液体和气体界面上的分子相互作用和物理现象。
《表面物理化学》PPT课件
面心立方结构的表面能
{100}面： {110}面： {111}面：
100
1 2
2 a2
4
4 a2
110
5 2 a2
111 2
3 a2
{100}
{110}
{111}
Figure 2.3. Schematic representing low index faces of a facecentered cubic (fcc) crystal structure: (A) {100}, (B) {110}, and (C) {111}.
10
固体表面的分类
固体的表面能
固体的表面能
表面原子的键合模型
固体表面原子处于与本体原子不一样的键合环境： 周围缺少相邻的原子，具有不饱和的悬空键； 处于更高的能量状态（表面能）。
固体的表面能
• 固体表面上的原子与晶体内部相比，处于一个较高的能 量状态，所以表面积增加，体系的自由能就增加。
• 表面能的定义： 每增加单位表面积时，体系自由能的 增量。
d G Sd V T dd p A idi nG=G(T, p, ni, A)
i
因此，表面自由能：
G
A ni,T ,P
G---系统的自由能；
S---熵；
T--
V---体积； p---压力； ---表面张力； A---
μi---组分i 的化学势； ni --- 组分i 的化学成分。
G
A ni,T ,P
•表面能也称为表面自由能或表面张力； •表面张力通常只针对液体。
表面自由能的热力学推导
对于一个多组分的材料系统，吉布斯自由能的改变:
dG SdV Td p idin G=G(T, p, ni)
大学物理化学课件 第八章 表面现象
W ' dA Fdx
Fdx (2l' dx)
F = •2l '
F 2l '
式中 为比例常数，是作用于液面上单位长度线段上的力，
即表面张力，单位是N·m-1。
表面吉布斯能和表面张力是完全等价的，具有等价的量 纲和相同的数值。
三、影响表面张力的因素
1. 组成表面的物质 物质内部的分子间引力引起表面吉布斯能，分子间作用力越大， 表面吉布斯能越大。
也就是单位表面积上的分子比 相同数量的内部分子“超额”吉布斯自由能，
因此σ称为“表面吉布斯自由能” 或简称为“表面能”
二、表面吉布斯能和表面张力 2. 表面张力 用肥皂液在一个系有线 圈的金属环上形成一个液膜， 由于线圈周围都是相同的液 体，受力均衡，线圈可以在 液膜上自由移动位置。
若将线圈内液膜刺破， 线圈两边受力不再平衡， 立即绷紧成圆形。
二、表面吉布斯能和表面张力
这些现象表明，在液体表面存在一种使液面 收缩的力，称表面张力（surface tension）或界面 张力（interfacial tension）。
表面张力的方向和表面相切， 是垂直作用在表面上单位长度线段上的表面收缩力。
二、表面吉布斯能和表面张力
在温度、压力恒定的条件下，在AB边施加向右的力F，使 AB在可逆的情况下向右移动dx。F和液膜表面边缘的长度l成 正比，因为液膜有正反两个表面，设AB = l′，则
表面功的大小和dA成正比
Байду номын сангаас
W = dA
为比例系数
根据热力学第二定律
d G T , p,nB δW 'r
所以：dGT ,P,nB dA 定义表面吉布斯能
G
A T , p,nB
Fdx (2l' dx)
F = •2l '
F 2l '
式中 为比例常数，是作用于液面上单位长度线段上的力，
即表面张力，单位是N·m-1。
表面吉布斯能和表面张力是完全等价的，具有等价的量 纲和相同的数值。
三、影响表面张力的因素
1. 组成表面的物质 物质内部的分子间引力引起表面吉布斯能，分子间作用力越大， 表面吉布斯能越大。
也就是单位表面积上的分子比 相同数量的内部分子“超额”吉布斯自由能，
因此σ称为“表面吉布斯自由能” 或简称为“表面能”
二、表面吉布斯能和表面张力 2. 表面张力 用肥皂液在一个系有线 圈的金属环上形成一个液膜， 由于线圈周围都是相同的液 体，受力均衡，线圈可以在 液膜上自由移动位置。
若将线圈内液膜刺破， 线圈两边受力不再平衡， 立即绷紧成圆形。
二、表面吉布斯能和表面张力
这些现象表明，在液体表面存在一种使液面 收缩的力，称表面张力（surface tension）或界面 张力（interfacial tension）。
表面张力的方向和表面相切， 是垂直作用在表面上单位长度线段上的表面收缩力。
二、表面吉布斯能和表面张力
在温度、压力恒定的条件下，在AB边施加向右的力F，使 AB在可逆的情况下向右移动dx。F和液膜表面边缘的长度l成 正比，因为液膜有正反两个表面，设AB = l′，则
表面功的大小和dA成正比
Байду номын сангаас
W = dA
为比例系数
根据热力学第二定律
d G T , p,nB δW 'r
所以：dGT ,P,nB dA 定义表面吉布斯能
G
A T , p,nB
物理化学-表面性质ppt课件
由多相多组分热力学公式，如
dGSdTV dp idin
i
并未考虑相界面面积AS，对高度分散系统, 应有AS变量，有一个相界面，
热力学公式为
d G S d T V d p ds A idi n
i
d U T d Sp d V d A s idi n
i
d H T d S V d p d A s idi n
固-固界面
.
目录
7.1 界面张力 7.2 弯曲界面的附加压力及其后果 7.3 固体表面与吸附作用 7.4 液-固界面 7.5 溶液表面
. 10
基本概念
• 界面——两相的接触面。 3种相态：g, l, s。 有5种界面：g-l, g-s, l-l, l-s, s-s。
• 表面——与气体接触的界面。 g-l, g-s。 • 界面 有一定的厚度，不是几何面。 • 界面的结构和性质有特殊性。与相邻两侧的体相不同。如液滴蒸发. • 分散度 表示——比表面积。分散的程度, 表面积, 表面效应。
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。
.
7.1 界面张力
气相
(1) 表面功
↙↓↘
↙↓↘
←↖↙↑↓↘↗→
液相
• 液膜面积与功 增大液膜面积 dAS, 需抵抗力F，作非体积功——
表面功。可逆条件下，忽略摩擦力，可逆表面功
W= σdAS
. 21
表面吉布斯能与表面张力的对比
1. 比表面吉布斯能与表面张力都是使用符号。
2. 比表面吉布斯能是从热力学角度讨论了比表面能的定义 和物理意义,表面张力是从观察的表面现象(力学)角度出发讨
表面工程技术的物理化学基础ppt课件
38
表面晶体结构
表面区的每个原子都可以用其最 近邻数N来描述。如果平台为面心 立方的{111}面，
则平台上吸附原子的N为3， 吸附原子对所具有的N为4， 台阶上吸附原子的N为5， 台阶扭折处的N为6， 台阶内原子的N为7， 平台内原子的N为9。
39
表面晶体结构
随着温度的升高，其中的扭折数会增加。
扭折间距λ0和温度T及晶面指数k有关，可 由以下关系式来描述：
0
a 2
exp
EL kT
式中，a为原子间距，EL为台阶的生成能。
据分析，面心立方晶体(111)面上台阶[11]
的λ0约为4a，而简单立方晶体(100)晶面上 台阶[10]的λ0约为30a。
40
表面晶体结构
除了台阶、扭折和吸附原子外，实际表面 上还存在大量各种类型的缺陷，
Workpiece material: carbon steel AISI 1045.
14
材料表面粗糙度的表示方法
最常用的是轮廓的算术平均偏差Ra，其表达式为
Ra
1 n
n i 1
yi
式中，yi真为波峰或者波谷的绝对值，
n为测量的波峰或者波谷的个数。
15
材料表面粗糙度的表示方法
描述材料表面粗糙度的另一个表达式为
表面工程技术的 物理、化学基础
1
表面工程技术的物理、化学基础
表面工程技术是赋予材料或零部件表面以 特殊的成分、结构和性能的化学、物理方 法与工艺，它的实施对象是固体材料的表 面。
掌握材料表面与界面的基础知识是正确选 择与运用表面工程技术的基础。
2
运用表面工程技术的要素
第一，掌握各种表面工程技术的特点； 第二，了解与掌握影响材料表面性能的主
表面晶体结构
表面区的每个原子都可以用其最 近邻数N来描述。如果平台为面心 立方的{111}面，
则平台上吸附原子的N为3， 吸附原子对所具有的N为4， 台阶上吸附原子的N为5， 台阶扭折处的N为6， 台阶内原子的N为7， 平台内原子的N为9。
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表面晶体结构
随着温度的升高，其中的扭折数会增加。
扭折间距λ0和温度T及晶面指数k有关，可 由以下关系式来描述：
0
a 2
exp
EL kT
式中，a为原子间距，EL为台阶的生成能。
据分析，面心立方晶体(111)面上台阶[11]
的λ0约为4a，而简单立方晶体(100)晶面上 台阶[10]的λ0约为30a。
40
表面晶体结构
除了台阶、扭折和吸附原子外，实际表面 上还存在大量各种类型的缺陷，
Workpiece material: carbon steel AISI 1045.
14
材料表面粗糙度的表示方法
最常用的是轮廓的算术平均偏差Ra，其表达式为
Ra
1 n
n i 1
yi
式中，yi真为波峰或者波谷的绝对值，
n为测量的波峰或者波谷的个数。
15
材料表面粗糙度的表示方法
描述材料表面粗糙度的另一个表达式为
表面工程技术的 物理、化学基础
1
表面工程技术的物理、化学基础
表面工程技术是赋予材料或零部件表面以 特殊的成分、结构和性能的化学、物理方 法与工艺，它的实施对象是固体材料的表 面。
掌握材料表面与界面的基础知识是正确选 择与运用表面工程技术的基础。
2
运用表面工程技术的要素
第一，掌握各种表面工程技术的特点； 第二，了解与掌握影响材料表面性能的主