表面物理化学绪 论
物理化学第8章 表面物理化学

如果要制造防水材料,就要在表面涂憎水的 表面活性剂,使接触角大于90°。
2.增溶作用
定义:非极性有机物如苯在水中溶解度很小, 加入油酸钠等表面活性剂后,苯在水中的溶解度 大大增加,这称为增溶作用。
增溶作用与普通的溶解概念是不同的,增溶 的苯不是均匀分散在水中,而是分散在油酸根分 子形成的胶束中。
2、公式 (1)形式: ⊿p=2ϭ/r
(2)结论: ①凸液面: r >0,则 ⊿p > 0。
液滴越小,附加压力越大
②凹液面 : r< 0,⊿p<0。
③水平液面:r为无穷大, ⊿p= 0。
④对于液泡(如肥皂泡):
⊿p =
4ϭ r
因为肥皂泡有两个气液界面,且两个球形界面的
半径几乎相等,方向均指向液泡中心。
①液体能润湿毛细管(如水能润湿玻璃): 呈凹形曲面,且液面上升一定高度。
p'
p ''
p0
M H2O
N Hg
r g h =⊿ p = 2 ϭ
r
曲率半径 r与毛细管半径R的关系:
R´ = R
cosq
联立以上二式,可得:
2ϭcosq
h=
r gR
②液体不能能润湿毛细管(如汞不能润湿玻璃): 呈凹形曲面,且液面下降一定高度。
可见光的波长约在400~750 nm之间。
二、溶胶的力学性质
主要指: Brown 运动
扩散
沉降和沉降平衡
1、Brown运动(Brownian motion)
通过超显微镜,可以看到胶体粒子不断地 作不规则的“之”字形运动,这就叫布朗运 动。
产生原因:分散介质分子以不同大小和方向 的力对胶体粒子不断撞击而产生的。
物理化学概述-绪论

现代化学键理论的形成 量子力学的兴起
结构化学形成 量子化学形成
⑶计算化学(Computational chemistry)时期
20世纪60年代,随着大容量高速电子计算机的发展,物理化学 的新生长点诞生——量子化学计算方法的研究。其中严格计算的 从头算方法、半经验计算的全略微分重叠和间略微分重叠等方法 的出现,扩大了量子化学的应用范围,提高了计算精度。
李远哲 J.C.Polanyi
1887年,自物理化学作为一门学科的正式形成后,大体经过了 三个时期的发展。
⑴化学热力学时期
19世纪中后期到20世纪初,物理化学家把热力学第一定律、第二定律 被广泛应用于各种化学体系进行研究,促使化学热力学蓬勃发展。
1867年,美国物理化学家Gibbs 通过对对多相平衡体系的研究提出了 相律。
美国化学家理查德·R·施罗克(Richard R. Schrock )其研究 主要从有机化学及无机化学的角度研究高氧化态金属配合物、相 关的催化反应及其催化机理。因其在烯烃复分解 反应的贡献,成为2005年诺贝尔化学奖获得者之 一。
美国化学家罗杰·科恩伯格(Roger D.Kornberg) 通过一系列的转录相关复合物(RNA聚合酶II、模 板DNA、合成出的mRNA、核苷酸、调控蛋白)的晶 体结构,从分子水平上帮助人们深入地理解真核转 录的分子机制。成为2006年诺贝尔化学奖获得者。
计算化学的发展,使定量的计算扩大到原子数较多的分子,并 加速了量子化学向其它学科的渗透。
1928~1933年,许莱拉斯、詹姆斯和库利奇计 算 He、H2,得到了接近实验值的结果。70 年代 又对它们进行更精确的计算,得到了与实验值几 乎完全相同的结果。
以色列化学家阿龙·切哈诺沃(Aaron Ciechanover)、阿夫拉 姆·赫什科(Avram Hershko)和美国化学家欧文·罗斯(Irwin Rose),在20世纪70—80年代发现泛素调节的蛋白质降解,揭示 了泛素调节的蛋白质降解机理,指明了蛋白质降解研究的方向, 成为2004年诺贝尔化学奖获得者。
胶体与固体表面化学绪论

绪论一、概述胶体化学是胶体与界面化学的简称,是物理化学的一个分支科学,或者说是一个专业方向。
既涉及物理,又覆盖着化学,因此其应用非常广泛。
注:物理化学的五个专业方向—热力学、动力学、电化学、量子化学、胶体与界面化学,前四者理论性很强,后者则理论与应用并重。
胶体化学:它强调理论,但并不排斥应用,应用与理论的紧密结合、浑然一体是这门课最鲜明的特点。
应用领域:生物、纳米材料、石油开发、陶瓷、造纸、涂料、催化、医药、食品、海洋产业、粘合剂等。
但是,许多人在碰到胶体与界面化学问题时,由于缺乏这门课程的基本知识而变得束手无策,从而限制了发展。
胶体化学涉及的理论面:1、运动理论2、光学理论3、电学理论4、稳定理论5、流变理论6、界面理论二、胶体概念1、分散体系自然界没有绝对纯的物质,所谓纯都是相对的。
从广义上讲,整个地球都是由各种分散体系构成的。
分散体系:所谓分散体系,是指一种或几种物质以一定的分散度分散在另一种物质中形成的体系。
分散相:以分散状态存在的不连续相称为分散相。
分散介质:连续相则称为分散介质。
2、胶体按分散相粒径大小:粗分散体系:颗粒某一线度>1000nm(10-6m,)胶体:颗粒某一线度1~1000nm(10~10m)真溶液:分散相称分子状态,粒径一般<1nm(国际纯粹和应用化学联合会IUPAC分类法)三、胶体化学的研究对象研究胶体分散体系和粗分散体系性质的一门科学。
1、分子胶体一般指高分子聚合物(高聚物)的溶液,也叫亲液胶体。
如:PAM、高分子在溶液中以无规线团状态存在,线团尺寸再胶体尺度范围内。
分散相与分散介质之间没有清晰的界面(均相)高聚物分散相在分散介质中溶解分散,熵增大,自由焓减小。
(热力学稳定)2、缔合胶体当表面活性剂的浓度高于临界胶束浓度(CMC)时,许多个表面活性剂分子会在溶液中聚集成一定形状的胶束(按照一定的排列组合方式)。
如果在这些胶束中溶进一些特定性质的物质,则形成所谓的微乳液或液晶。
《物理化学》第四版表面化学教案

《物理化学》第四版表面化学教案物理化学第四版表面化学教案介绍本教案旨在介绍《物理化学》第四版中有关表面化学的部分内容。
表面化学是物理化学中的一个重要分支,研究物质与表面相互作用的过程和性质。
通过本教案,学生将了解到表面化学的基本概念、主要理论以及实际应用等方面的知识。
教案内容1. 表面化学概述- 表面化学的定义和基本概念- 表面活性物质的特性及应用- 表面化学与其他分支学科的关系2. 表面现象和表面张力- 表面现象的定义和分类- 表面张力的概念和测定方法- 表面张力的影响因素3. 吸附现象- 吸附的定义和分类- 吸附等温线及其解释- Langmuir等温吸附模型4. 表面活性剂- 表面活性剂的定义和分类- 表面活性剂的表面性质和胶束形成- 表面活性剂在乳液和胶体中的应用5. 表面电荷- 表面电荷的产生和性质- 双电层理论- 表面电荷与溶液pH值的关系6. 表面分析方法- 电子显微镜- 表面拉曼光谱- 表面等离子共振光谱教学目标通过研究本教案,学生将能够:- 掌握表面化学的基本概念和理论知识- 理解表面现象、表面张力和吸附等重要概念- 理解表面活性剂的性质和应用,以及表面电荷的产生和影响因素- 了解常用的表面分析方法及其原理教学方法本教案将采用多种教学方法,如讲解、实验演示、案例分析等,以提高学生的研究兴趣和理解能力。
在教学过程中,鼓励学生积极参与讨论,并帮助他们建立对表面化学理论的正确理解和应用能力。
教学评估为了评估学生对表面化学的理解程度和研究效果,教师将采用以下方式进行评估:- 课堂问答:通过提问学生的方式,检查他们对教学内容的理解情况。
- 实验报告:要求学生完成相关实验,并撰写实验报告,评估他们对实验内容和相关理论的理解和应用。
- 小组讨论:组织学生进行小组讨论,促进他们之间的合作和交流,评估他们的团队合作能力和表达能力。
教材选择参考资料。
绪论

Physical Chemistry
绪 论
三.物理化学的学习方法
1. 抓住三基:基本概念、基本理论、基本计算 2. 注重定性概念定量化的方法和技巧
•
• •
准确掌握公式的物理意义,适用范围
学习物理化学思维方法和逻辑推理过程 重视习题
3. 实验
四、主要参考书
天津大学 物理化学教研室编的 《物理化学》第4版 南京大学 傅献彩等编的《物理化学》第5版
Physical Chemistry
物理化学
Physical Chemistry
绪 论
一、物理化学的任务和内容
物理化学 从研究物理变化和化学变化的联系入手,探
求化学变化的基本规律。又称理论化学。 主要内容 (1)化学热力学:研究化学反应的方向和限度 (2)相变化、表面化学、电化学、胶体和大分子化学
由于附加压力的存在, 新相种子难以形成, 也就是说构成结 石的晶核在没有诱因( 比如胆管感染, 肝脏异常) 的情况 下, 是难以形成的。 四、物理化学渗透到药学各个环节
新药合成 药物生产-----化学动力学 性能表征-----比表面积 贮存期测定----化学动力学 半衰期测定---给药时间 中草药有效成分的提取----表面与胶体
药物体内过程:药理学、药代动力学
药物提取分离和合成:合成药物化学、天然药物化学
Physical Chemistry
物理化学在药学中的作用
一、为药物新剂型的开发提供理论指导 固体分散体-----低共熔相图原理 灰黄霉素-酒石酸低共熔混合பைடு நூலகம்的溶出速度比纯灰黄霉素 的大2.7倍;
48%尿素与52% 磺胺噻唑制成的低共熔混合物的溶出速度 是纯磺胺噻唑的12倍。
(3)化学动力学:研究化学反应的速率和机理
物理化学中的表面化学和界面反应

物理化学中的表面化学和界面反应物理化学是研究物质内部原子、分子、离子、电子等微观粒子之间相互联系和相互作用的科学。
表面化学作为物理化学的一个重要分支,研究的对象是在物质的表面和界面上发生的化学过程。
物质的表面和界面具有不同于其体积的化学和性质,而表面化学和界面反应又是解释表面和界面特性及其应用的重要工具。
下面将从表面化学和界面反应两个方面进行讨论。
一、表面化学表面化学主要研究物质表面的性质和表面反应,包括表面性质可控性、界面现象、表面结构及性质的表征方法等方面。
表面是物理、化学、生物学等学科的交叉参考区域,在材料、环境、生命等领域得到广泛应用。
1. 表面性质可控性表面化学中的一个主要问题是如何控制表面性质。
在工业生产中,通过表面改性和涂层可以改变或增强材料的一些性质。
而表面性质可控性的实现需要先掌握表面性质的测量方法,例如,接触角法、表面扫描量热法、拉曼光谱等。
而后,通过改变实验条件和反应体系等方法,实现表面性质的控制。
2. 界面现象在液态分子之间存在分子间相互作用力,这种相互作用力决定了跨越两个相界面的物种在不同相中的分配情况。
界面现象包括了润湿、吸附、表面扩散和表面张力等现象。
润湿是指一个液滴与固体表面相互作用以确保其黏附并最大化其表面面积的过程。
吸附是指固体或液体表面上含有大量吸附分子的状态。
表面扩散是表面扩散到固体表面上的分子传输的过程。
表面张力是液体表面弹力的结果,由于表面的少数分子具有表面能更高而导致液体表面充满能被认为是一个紧张的物系中,其位于底部的液体颗粒并不具有那么高的能量而感受到整个系统的拉力。
3. 表征方法表面结构与性质的表征方法是表面化学方法的重要组成部分。
常见的表面结构表征方法包括X射线衍射、表面等温线、表面张力、反射吸收、拉曼散射等。
而对于表面性质,其表征方法包括接触角测定、吸附测定、表面扫描量热等。
二、界面反应界面反应是指两个或更多相之间的反应过程,例如气-固、气-液、固-液等。
物理化学-表面物理化学

正吸附作用:平衡后,对于表面活性物质来说,它在表面层中所含比例要大 于它在本体溶液中的比例,即发生正吸附作用。
负吸附作用:平衡后,对于表面活性物质来说,它在表面层中所含比例要小 于它在本体溶液中的比例,即发生负吸附作用。
表 面 压:可以理解为是对浮片所产生的二维压力,其数值等于纯水的表面 张力与膜表面张力之差。
第十三章 表面物理化学
一、名词解释 比 表 面:即单位质量物质的表面积。
界 面:密切接触的两相间的过渡区,称为界面。如果其中一项为气相,这 种界面通常称为表面。
表面张力:在一定温度和压力下,垂直于单位长度的边界与表面相切,并指向 固体方向的力,称为表面张力,单位N/m。
表面自由能:在等温等压下,组成恒定的封闭系统,可逆的改变单位表面积, 所引起吉布斯自由能的变化值。用γ表示,单位为J·m-2。 ---------- 狭义 在指定各项应变量不变的情况下,每增加单位表面积时,系统热 力学能或Gibbs自由能等热力学函数的增值。 ---------- 广义
接 触 角:当系统达到平衡时,在气液固三相交界处,气液界面与固液界面的夹角。
二、重要知识点
1、比表面(A0) 表示:多相分散体系的分散程度。
定义:
单位质量物质的表面积
单位体积物质的表面积
2、表面张力
由于有前后两面 液气界面
F= 2γl 式中:γ称为表面张力,其单位为N·m-1
3、安托诺夫(Antomoff)规则
体积不变。则ΔG2
+γ·As
过程(3)是小液滴挥发,气相和液相的化学势相同,但小液滴表面消失, 则 ΔG3=-γ·As
解释的现象: (1)蒸汽中若不存在凝结中心,则可பைடு நூலகம்达到很大的饱和度。 (2)加沸石可以防止暴沸。
表面物理化学简答和论述

表面物理化学简答和论述1.什么是表面自憎现象?某种低能液体在高能表面铺展形成单分子铺展层后,多余低能液体在固体表面不能铺展而形成液滴的现象叫做表面自憎现象。
2.什么是毛细凝结?在亲液毛细体系中,液体在毛细管中能构成凹陷液面,毛细体系中液体的饱和状态蒸汽压离大于正常饱和状态蒸汽压,并使饱和状态蒸汽压在该体系中不易凝固的现象。
3.表面现象有着广泛的应用溶解:例如用活性炭硅醚有机物;用硅胶或活性氧化铝硅醚水蒸汽;用分子筛拆分氮气和氧气;泡沫离子交换等。
催化作用:在多相催化中使用固体催化剂以加速反应。
如石油工业的催化裂化和催化加氢、胶束催化等。
表面膜:例如微电子集成电路块中存有关键应用领域的lb膜;在生物学和医学研究中存有关键意义的bl膜和人工膜;能够减缓湖泊水库水分冷却的天然糖蛋白膜等。
新相生成:晶核生成或晶体生长是典型的新相生成,过冷、过热、过饱和等亚稳现象产生的主要原因也是由于新相生成。
泡沫乳状液:如油品乳化、破乳;泡沫灭火等。
润润现象:喷药农药、感光乳液酿制、电镀工件的润湿及利用润湿促进作用展开离子交换等。
冲洗工业。
4.影响表面张力的因素分子间相互作用力的影响:对纯液体或纯固体,表面张力决定于分子间构成化学键能够的大小,通常化学键越弱,表面张力越大。
两种液体间的界面张力,界于两种液体表面张力之间。
(金属键)>(离子键)>(极性共价键)>(非极性共价键)温度的影响:温度增高,表面张力上升。
压力的影响:表面张力一般随压力的增加而下降。
因为压力增加,气相密度增加,表面分子受力不均匀性略有好转。
另外,若是气相中有别的物质,则压力增加,促使表面吸附增加,气体溶解度增加,也使表面张力下降5.接触角的测定角度测量法:一类应用领域最甚广、较便利直观、最轻易的方法;长度测量法――垂片法;借由测量法:主要用作液态粉末接触角测量影响接触角测量的因素除平衡时间和温度外,影响接触角稳定的因素还有接触角滞后和吸附作用。
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什么是胶体?
• 实验:将一把泥土放入水中
既不下沉、也不溶解的 极为微小的土壤颗粒 称为胶体颗粒;含胶体 颗粒的体系称为胶体 体系
土中的盐类 形成真溶液
一泥土
可见:胶体是一个具 有巨大相 界面的分散体系
泥沙+浑浊的小土粒 (底部)
实验结果的推断:
◆胶体是一定分散范围内物质存在的一种状态,而 不是物质固有的特性。 ◆胶体是高度分散的体系,具有很大的表面积 ◆有扩散慢和不能透过半透膜,推断胶体溶液中的 质点不是以小分子而是以大粒子形式分散在介质 中 ◆胶体粒子在重力场重不沉降或沉降速度极慢,推 断分散质点不会太大,约1nm ~1μm
1.清洗铂金表面的碳氧化物。 2. 氟利昂,通过小冰晶体表面化学反应破坏臭氧层。 3.金属表面暴露在潮湿的空气中时生锈。 4.电子工业中,制作半导体元件。 5.人造肥料中所含的氨,是通过氮和氢在金属表面生成
氟里昂是一种氟氯烃, 南极上空出现臭氧层空洞
1973年,美国化学家马里奥· 莫利纳首次提出氟里昂对臭氧层有影响。 云层中冰冷的粒子此时便成了释放活性氯的化学反应的催化剂, 冰晶表面离子催化假设。
三、胶体化学与表界面化学的相关性
◆胶体的基本特性:
特有的分散程度、多相性、聚结不稳定性 ◆ 研究物质的界面特性——界面化学 表面张力、表面能、表面现象、表面吸 附、单分子膜、表面润湿等 ◆研究一群质点所构成的分散体系的性质 ————胶体化学 动力性质、电性质、光学性、流变性质、 胶体的聚结与稳定性等
分散系统按分散相粒子的大小分类
类型
粗分散系统
粒子半径
>100nm
特性
热力学和动力学都不稳定的多相系统, 不能透过滤纸,不扩散,普通 显微镜下或肉眼可见。
热力学不稳定的多相系统,可通过普 通滤纸,不能透过半透膜,扩散慢, 在超显微镜下可见。 热力学稳定的均相系统,能透过半透 膜,扩散快,超显微镜下不可见。
表面和界面(surface and interface)
常见的界面有: 1.气-液界面
表面和界面(surface and interface)
2.气-固界面
表面和界面(surface and interface)
3.液-液界面
表面和界面(surface and interface)
4.固-固界面
现代胶体科学的研究内容
分散体系的形成与稳定
分散体系
纳米材料
光学性能、流变性能 智能流体、电磁流变体
界面现象
润湿、吸附、界面 电现象、界面双电层 结构
生物膜、仿生膜、溶液中的有序分 子组合体
有序组合体
中国胶体与表面化学的发展
• 我国胶体与表面化学的发展基本上是从解放后开始的。
1954年,傅鹰院士-中国胶体化学的奠基人之一,主持 建立了北京大学胶体化学教研室; 1955年,戴安邦院士(南京大学)筹建胶体化学专业, 中国有了第一批胶体化学毕业生; 20世纪90年代以前,只北京大学、南京大学、山东大学、 华东师范大学有胶体与表面化学的研究机构; 1983年,在北京大学召开全国第一届胶体与界面化学学术 会议; 2002年,在山东大学召开第九届全国会议。 ——逐渐与国际接轨。
表面和界面(surface and interface)
在一个非均匀的体系中,至少存在着两个性质不同的相。两 相共存必然有界面。可见,界面是体系不均匀性的结果。 一般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。 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。
胶体分散系统 分子分散系统
1~100nm <1nm
胶体的特性:特有分散程度、多相不均匀性、 易聚结的不稳定性等。
胶体化学研究的三个领域
• 分子胶体(亲液溶胶) • 缔合胶体(表面活性剂胶束溶液) • 粗分散体系和溶胶(憎液溶胶)
胶体分散体系分类
• 液溶胶: 分散介质为液体 灭火泡沫(G→L); 牛奶 (L→L); 墨 水(S→L) • 固溶胶:分散介质为固体 ◆ 泡沫塑料(G→S); 珍珠(L→S); 有色玻璃(S→S) • 气溶剂:分散介质为气体 雾(L→G) ; 烟尘(S→G)
表面和界面(surface and interface)
几点说明: 1、严格讲,界面是“界”而不是“面”。因客观存 在的界面是物理面而非几何面,是一个准三维的 区。 2、古根海姆(Guggenheim)模型:界面是一个 有一定厚度的过渡区,它在体系中自成一相—界面 相。界面相是一个既占有体积又有物质的不均匀 区域。该模型能较客观地反映实际情况但数学处 理较复杂。 吉布斯(Gibbs)的相界面模型:界面是几何面而 非物理面,它没有厚度,不占有体积,对纯组分 也没有物质存在。该模型可使界面热力学的处理
2007年度诺贝尔化学奖
格哈德•埃特尔, 1936年出生于德国 的巴特坎施塔特, 1965年从慕尼黑技 术大学获得化学博 士学位,柏林马普 学会弗里茨-哈伯研 究所的名誉教授。
2007年度诺贝尔化学奖
分子层面机制 固体表面化学(气固表面化学反应)过程的 研究方法。高真空条件下,用LEED(低能电子散射)研究 氢原子在金属表面吸附。启发了人们对于催化反应的了解。 包括氨合成/一氧化碳在铂表面的氧化。但是他发展出来的方 法学,广泛的影响了表面化学的进展。应用:
绪论
分散系统及分类
分散系统:一种或多种物质以一定的分散度分散在另一
种物质中所形成的系统。 分散相(disperse phase):被分散的物质,以颗粒分散状 态存在的不连续相,相当于溶液中的溶质; 分散介质(disperse medium):有分散相在其中的均匀
介质,或称连续相,相当于溶液中的溶剂
绪论
5、泡沫乳状液 如油品乳化、破乳;泡沫灭火等。 6、润湿作用 如喷洒农药、感光乳液配制、电镀工 件的润湿及利用润湿作用进行浮选等。 此外,在超细粉末和纳米材料的制备和粉末团聚的 研究方面,界面现象都有重要的应用。 由上可见,界面化学所研究的是包括从宏观到微 观的相界面。无论是在科学研究中或是在工业应 用上,界面现象均有着极其广泛的应用。
绪论
绪论
绪论
二、胶体化学的发展
◆渗析实验与“胶体”名词的由来 1861 英国科学家Thomas Graham,首先提出胶体的概念 ◆ 1903年德Zsigmondy发明了超显微镜,真正为人们重视并获 得发展; ★1905年俄国化学家BeNMaPH用200多种物质做实验,证明任
何物质既可制成晶体状态也可制成胶体状态。 ★1907年 第一本胶体化学专门刊物《胶体化学和工业杂志》 创刊;(胶体化学真正作为一门独立学科)。
绪论
一、表面(界面)物理化学 二、胶体化学的发展 三、胶体化学与表界面化学的相关性
绪论
一、表面(界面)物理化学
是一门以多相物质系为对象,从原子或分子尺度
上探讨各种表面和两相界面的组成、结构、性质与
吸附质的变化过程,研究界面性能随物质本性而变
化的规律的学科。
绪论
表面化学的发展简史
绪论
界面现象有着广泛的应用。主要有: 1、吸附 如用活性炭脱除有机物;用硅胶或活性氧化铝脱除 水蒸汽;用分子筛分离氮气和氧气;泡沫浮选等。 2、催化作用 在多相催化中使用固体催化剂以加速反应。如 石油工业的催化裂化和催化加氢、胶束催化等。 3、表面膜 如微电子集成电路块中有重要应用的LB膜;在 生物学和医学研究中有重要意义的BL膜和人工膜;能延缓 湖泊水库水分蒸发的天然糖蛋白膜等。 4、新相生成 晶核生成或晶体生长是典型的新相生成,过冷、 过热、过饱和等亚稳现象产生的主要原因也是由于新相生 成。
比表面(specific surface area)
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:
Am A / m
或
AV A /V
式中,m和V分别为固体的质量和体积,A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。