第二章表面与界面现象
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。
表面张力
发泡作用
6起泡和消泡作用
泡沫形成主要是合成洗涤剂中活性物定向 吸附作用，是气体-溶液两相界面张力所致， 泡沫产生对洗涤剂的洗涤效果一般影响不大， 但是泡沫对洗涤剂的携污作用，还是有帮助的 因为一部分污垢质点可以被洗涤剂的泡沫膜粘 附，随同泡沫漂浮到溶液表面，但泡沫过多或 泡沫经久不消除，对洗涤各种仪器是不利的， 尤其是洗衣机使用泡沫较多的洗涤剂不太受欢 迎。
• 甲酸钠（HCOONa） • 乙酸钠（CH3COONa） • 丙酸钠（CH3CH2COONa） • 丁酸钠（CH3CH2CH2COONa） 哪一个是表面活性剂
胶束(micelle)
两亲分子溶解在水中达一定浓度时，其非极性部分
会互相吸引，从而使得分子自发形成有序的聚集体，使
憎水基向里、亲水基向外，减小了憎水基与水分子的接
•表面活性剂分子都是两亲分子 •亲油基使得表面活性剂分子有溶于油相 的倾向（汽油、煤油、动植物油、各种 脂肪烃芳烃化合物，一些不与水相容的 液体有机物等） •亲水基一般是-COO、-NH2、-SO3、 -OSO3、-OP32-、-O-(CH2CHO)nH、 -CONHCH2CH2OH、 -N(CH2CH2OH)2、-N(CH3)2、 -N(CH2CH3)2
触，使体系能量下降，这种多分子有序聚集体称为胶束。
随着亲水基不同和浓度不同，形成的胶束可呈现
棒状、层状或球状等多种形状。
胶束
球形胶束
棒状胶束
层状胶束
脂质双层与细胞膜
1. 临界胶束浓度 ( CMC ) (Critical Micelle Concentration)
在表面张力对浓度绘制的 曲线 上会出现转折。继续增 加活性剂浓度，表面张力不再 降低，
5增溶作用
第二章.气液界面及相关现象
dµ 2 = RTd ln c
c dΓ M =− ⋅ RT dc
这就是著名的Gibbs吸附等温线方程。 吸附等温线方程。 这就是著名的 吸附等温线方程 吸附量与浓度及表面张力之间的关系： 吸附量与浓度及表面张力之间的关系： dΓ M ∝− dc
若
dΓ 则为负吸附 此溶质对溶剂称表 > 0, M < 0, 面惰性剂。 型曲线者） 面惰性剂。（Ⅰ型曲线者） dc
要弄清其实质应从溶液表面层与体相的区别出发来 加以探讨。 加以探讨。 事实： 溶质在溶液表面层的浓度与其内部浓度是不 事实 ： 同的。 同的。 原因： 表面层内存在吸附作用， 若为正吸附， 原因 ： 表面层内存在吸附作用 ， 若为正吸附 ， 则表 面浓度大；若为负吸附，则表面浓度小。 面浓度大；若为负吸附，则表面浓度小。 通过描述表面层内的吸附过程， 通过描述表面层内的吸附过程 ， 即可找出表面张力 变化的规律。 变化的规律。
下的纯液体或纯液体的混合液。 下的纯液体或纯液体的混合液。 将毛细管浸入液体 液体分子间力小于液体与管壁 间的附着力时，液面为凹形，液面上升h。例如水； 间的附着力时，液面为凹形，液面上升 。例如水； 当液体分子间力大于液体与管壁间力时， 当液体分子间力大于液体与管壁间力时 ， 液面为 凸形，液面下降 。例如汞。 凸形，液面下降h。例如汞。
第二章 气－液界面及相关现象
前已述及，气体与液体间的界面称为液体表面。 前已述及，气体与液体间的界面称为液体表面。纯 液体表面上的分子比内部分子具有更高的能量， 液体表面上的分子比内部分子具有更高的能量，而能 量降级为一自发过程， 量降级为一自发过程，所以它必然导致表面面积为最 小状态。这就是水滴洒在固体表面为何呈球形的原因。 小状态。这就是水滴洒在固体表面为何呈球形的原因。 还有很多界面现象都与界面性质相关。 还有很多界面现象都与界面性质相关。本章将以界面 能为核心讨论液体表面状态及现象。 能为核心讨论液体表面状态及现象。
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。
表面和界面现象
渗透油CTH磺化蓖麻油，主要成份的化学名称为蓖麻酸硫酸 酯钠盐，分子式为C18H12O6Na2分子量为390.4。
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表面和界面现象
1. 表面活性剂与洗涤剂 第一次世界大战期间， 德国油脂缺乏，需寻找非油
表面活性剂与洗涤剂 20世纪80年代和90年代，国际表面活性剂和洗涤剂
行业有两个新潮。 ―为使用新型表面活性剂烷基多苷，它具有良好的
应用性能、生物相容性、环境相容性和原料可再生 性。而中国人用了上千年的皂角就属于这一类。 另一个新潮是使用多种酶制剂－脂肪酶、蛋白酶、 淀粉酶、纤维素酶等，以分解各种污物，达到前所 未有的洗涤效果。 我们的祖先在1000年以前就应用了这个原理，创造 出猪胰洗涤剂。
1. 表面活性剂与洗涤剂 人类认识表面活性剂是从洗涤剂开始的。
在历史上的一段时间内，洗涤剂，甚至皂，就作为 表面活性剂的同义词而使用。洗涤剂的起源已久远 得无法考证。最早使用的皂是羧酸的碱金属盐类。
据记载，幼发拉底河流域的苏美尔人早在公元前 2500年、腓(féi )尼基人在公元前600年就知道用羊油 和草木灰制造肥皂的方法——将两者共沸。
脂产品的洗涤剂。由于德国煤炭产量颇丰，于是转 向开发煤焦油衍生物，从而发展了短链烷基萘磺酸 盐类表面活性剂。 主要是丙基萘磺酸盐、丁基萘磺酸盐……癸基萘磺酸 盐，统称为Nekal。因其皆为固体粉末，而且水溶液 润湿性能较好，故中文译作拉开粉。 通常是1-3个烷基取代的萘磺酸盐混合物。
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表面和界面现象
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表面和界面现象
冰淇淋是我们最喜爱的食物；有了洗涤剂我们的生 活才能如此美好。若没有表面活性剂，这两样东西 都不会有。这真是太可悲了。
化学物理中的界面现象与表面反应
化学物理中的界面现象与表面反应在化学物理学中，界面现象与表面反应是研究物质与界面、表面之间相互作用的重要领域。
界面现象是指物质与界面之间产生的物理现象，如表面张力、接触角等；而表面反应则是指发生在物质表面的化学反应。
一、界面现象1.表面张力表面张力是液体表面各点之间的相互作用力。
具体来说，液体表面各处的分子组成不同，内部的分子仍然受到液体内部的相互作用力，而表面上的分子只能受到一侧的相互作用力，这就导致表面上的分子有向下的趋势，而这种向下的趋势就是表面张力。
例如，我们把一根干净的细棒插入一杯水中，可以发现水面会稍稍上升，这就是水分子在表面张力的作用下向外抬起细棒。
表面张力影响着液体的形态，使得液体在排斥进一步收缩形态，从而使得液滴成为尽可能球形的形状。
同时，在界面上的物质转移以及表面活性剂的作用下，表面张力也起到了重要的作用。
2.接触角接触角是表面张力和性质的一个体现，是形成于固体表面和液体之间的，已知液体的表面张力和固体表面对该液体不感性的程度。
按照定义，接触角α 角为液体和固体表面接触在一个贯穿液面和固体交界面的线上时，线上端点所扫过的角度。
易受环境因素影响的表面现象还有溶液表面的吸附现象。
溶液中的赖屯分子聚集在其表面，使表面张力增加，造成液面凹陷，称为溶液的表面凹陷。
二、表面反应表面反应指的是在物质表面发生的化学反应。
表面反应的机制有两种：“电化学反应”和“理化反应”。
1.电化学反应在电化学反应中，化学反应的发生是通过在电极上加电而引起表面电荷变化，从而促使反应发生。
电化学反应常常结合了电化学过程、动力学和反应热力学三个方面来研究。
在电化学反应中，电势的变化是关键参数之一。
在反应过程中电势变化并不是线性的，而是富含非线性项，这对于预测和解释表面反应的活性和选择性是非常具有挑战性的。
2.理化反应与电化学反应相比，理化反应是更加广泛的表面反应机制，其中包括了表面化学、液固相化学、气固相化学等多种机制。
第二章__纳米材料的基本效应
第二章 纳米材料的基本效应 2.4 量子尺寸效应
当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的
电子能级由准连续变为离散能级的现象，以及半导
体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未
被占据分子轨道，能隙变宽的现象，均称为量子尺
寸效应。
第二章 纳米材料的基本效应 2.4 量子尺寸效应
能带理论表明，金属费米能级附近电子能级一般是 连续的，但只有在高温或宏观尺寸情况下才成立。
第二章 纳米材料的基本效应 2.2 表面效应（界面效应）
表面效应
这种表面原子的活性不但引起纳米粒子表面原子 输运和构型变化，同时也引起表面电子自旋构象和电
子能谱的变化。下面举例说明纳米粒子表面活性高的
原因。
第二章 纳米材料的基本效应 2.2 表面效应（界面效应）
图2-4 将采取单一立方晶格结构的原子尽可能以接近圆（或球）形进行配置的超微粒模式图
金纳米颗粒的熔点与粒径之间的关系曲线。
⑸特殊的力学性质
由纳米超微粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良
好的韧性，这是因为纳米超微粒制成的固体材料具有
大的界面，界面原子的排列相当混乱。原子在外力变
形条件下容易迁移，因此表现出很好的韧性与一定的
延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性能。这就是目
前的一些展销会上推出的所谓“摔不碎的陶瓷碗”。
表面效应是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径
的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。如下图。
从图中可以看出，粒径在10nm 以下，将迅速增加表面原子的比 例。当粒径降到1nm时，表面原子 数比例达到约90%以上，原子几 乎全部集中到纳米粒子的表面。
Relationship between the ratio of the surface atoms to whole atoms and particle size
表面与界面知识点总结 -回复
表面与界面知识点总结 -回复
以下是表面与界面的知识点总结：
1. 表面：物质外部与空气、液体、固体等相接触的部分。
通常有分子层之称。
2. 界面：两种不同状态的物质相接触的部分，如气液界面、固液界面等。
3. 表面张力：液体表面对外界的张力。
液体分子内部相互吸引，表面上的液体分子则受到邻居分子的吸引力只能向内收缩，形成一个比内部压力高的膜状物。
例如水滴在菜叶表面停留就是因为水滴表面的张力与菜叶表面的张力相等而凝聚在菜叶上。
4. 比表面积：单位质量内所含有的分子数和面积，即面密度。
比表面积可以反映物质粒子间的作用力。
5. 吸附：物质表面吸附分子或离子的现象。
吸附可分为化学吸附和物理吸附，化学吸附是指吸附过程中发生化学反应，物理吸附是指吸附过程中没有化学反应。
6. 原子层沉积(ALD)：是指以原子为单位，将一种气态化合物分子逐层沉积在衬底表面的过程。
这种技术可以制备高质量、均匀、复杂的薄膜，并广泛应用于微电子、光电、生物等领域。
总之，了解表面和界面的知识对于化学、材料学等领域非常重要，能够帮助我们更加深入理解物质的性质、结构和相互作用关系。
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Image of reconstruction on a clean Gold (100) surface
An STM image of a single-walled carbon nanotube
adsorption
• Adsorption is the adhesion of atoms, ions, or molecules from a gas, liquid, or dissolved solid to a surface.This process creates a film of the adsorbate on the surface of the adsorbent.
实际上，除了绝对真空条件下的固体以外，在所有情ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ下我们处 理的都是界面，因为每个“单一相”都与其他“相”相接触， 如……
Interface and surface
在物理化学、表面化学和表面物理的教材 中，表面和界面可以互换使用。 In many standard physical chemistry, surface chemistry and surface physics textbooks, the words surface and interface are used interchangeably because the authors neglect the small differences between the air phase and absolute vacuum conditions.
Scanning tunneling microscope
The silicon atoms on the surface of a crystal of silicon carbide (SiC). Image obtained using an STM
Scanning tunneling microscope
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.液-固界面
properties of solid surface
• surface roughness: uneven Surface roughness is defined as the ratio of real surface area to the plan area, and it is larger than 1 for all practical surfaces.
Wetting of different fluids: A shows a fluid with very little wetting, while C shows a fluid with more wetting. A has a large contact angle, and C has a small contact angle
properties of solid surface
At the atomic level, solid surfaces have been found to consist of a mixture of flat regions, called terraces, and defects, steps, kinks and point defects
Wettability and repellency
Water droplet immersed in oil and resting on a brass surface
Same fluids as above, but resting on a glass surface
Wettability and repellency
properties of solid surface
it has become possible to image surface atoms with the advent of scanning probe microscopy techniques, such as atomic force microscopy (AFM), and scanning tunneling microscopy (STM)..
properties of solid surface
• chemically heterogeneous: due to the presence of different chemical groups, impurities or crystals at the surface.
properties of solid surface
表面和界面(surface and interface)
5.固-固界面
properties of liquid surface
• Elasticity: Liquid surfaces tend to contract to the smallest possible surface area • Violent agitation: water molecules on surface jump in and out of the surface very rapidly • Adsorption: concentration difference between surface and bulk in solution
Adsorption and absorption
The term sorption encompasses both processes(adsorption and absorption), while desorption is the reverse of it. Adsorption is a surface phenomenon.
• The chemical heterogeneity of a surface is an important property in industry affecting catalysis, adhesion, adsorption, wettability, biocompatibility, printability and lubrication behavior of a surface, and it must be determined analytically when required.
第二章表面及界面现象
• 2.1表面及界面现象 • 2.2吸附、润湿、乳化、增溶及相关应用 • 2.3界面双电层
Interface and surface
• An interface is the physical boundary between two adjacent bulk phases.
Adsorption and absorption
• This process differs from absorption, in which a fluid (the absorbate) permeates or is dissolved by a liquid or solid (the absorbent). Adsorption is a surface-based process while absorption involves the whole volume of the material.
界面是两个相邻主体相的物理边界。
In some cases it may extend over several molecular thicknesses.
Interface and surface
We use the word surface in order to define the physical boundary of only one of these phases, such as solid surface and liquid surface etc.
wetting
• Wetting is the ability of a liquid to maintain contact with a solid surface, resulting from intermolecular interactions when the two are brought together. • The degree of wetting (wettability) is determined by a force balance between adhesive and cohesive forces.
当我们用“表面”这个词的时候，是用来指某个“单相”的物理边界， 比如固体表面和液体表面等。
Interface and surface
In reality, we deal with an interface in all cases other than absolute vacuum conditions for solids, since every single phase is in contact with another phase such as solid–air,liquid–air contacts.
properties of liquid surface
• Surface tension: is the force that operates inwards from the boundaries of its surface perpendicularly, tending to contract and minimize the area of the surface. • Capillary action:is a physical effect caused by the interactions of a liquid with the walls of a thin tube.