表面及界面化学一
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。
第三章 3.3表面及界面
12 23 cos 2 31 cos 3 0 1 2 3 2
如果是同一相的晶粒，平衡时晶粒 间最常见的夹角为120o。
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§3.3.3 相界
• 相界：不同相(相: 具有特定的结构和成分组成)之间 的界面。 按相界面上原子间匹配程度分为： 共格界面、半共格界面、非共格界面
100
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§3.3.2 晶界
• 晶界的平衡
晶界能的存在，使晶界有收缩的趋势。 类似与表面张力，单位长度晶界上的收缩力F = （ : 晶界能） 看左图，为了使O点不动，则： grain1
31
grain3 O 3
12
1 2
grain2 23
23 31 12 或： sin 3 sin 1 sin 2
（通过这道题我们可以明白，晶体中的位错线互相缠结构成位错网络。位 错网中位错彼此纠缠，相互钉扎。如果在外切应力作用下让位错移动，类 似于F-R位错源的开动，外切应力需要大于一个临界值，此临界值正比于 1/D，所以如果材料的位错密度越大(即D越小)，则材料越难变形。所以高密 度的位错对材料有强化作用。）
② 大角度晶界
大角度晶界结构复杂。绝大部分晶粒间形成的是大角度晶界。 大角度晶界的晶界能与晶粒之间的取向基本无关。
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2.
大角度晶界
大角度晶界（high angle grain boundaries ）为原子呈 不规则排列的一过渡层。大多数晶粒之间的晶界都属于大 角度晶界。 重合位置点阵（ coincidence site lattice ）模型：图 3.67， 该模型说明，在大角度晶界结构中将存在一定数 量重合点阵原子。
材料物理化学-第五章 表面与界面
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④n↑或↓ 三、吸附与表面改性 吸附：新鲜的固体表面能迅速地从空气中吸附气体或其它物质来降低其表面能。吸附是 一种物质的原子或分子附着在另一种物质表面现象。 表面改性：通过改变固体表面结构状态和官能团。 表面活性剂：降低体系的表面（或界面）张力的物质。
5.3 无机材料的晶界与相界
液体
开 the contact 两相的化学性能或
F 为润湿张力，θ为润湿角（接触角 angle），由于 所以，润湿先决条件是γSV>γS或γSL很小，当固液 化学结合方式很接近时，是可以满足这一要求。
材料物理化学
固
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改变γSV——减少氧化吸附膜； 改变γSL——两相组成相似； 改变γLV——液体中加入表面活性剂 ⑶浸渍润湿 浸渍润湿指固体浸入液体中的过程。
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第五章
表面与界面
表面的质点由于受力不均衡而处于较高的能阶。这就使物体表面呈现一系列特殊的性 质。高分散度物系比低分散度物系能量高得多，必然使物系由于分散度的变化而使两者在物 理性能（如熔点、沸点、蒸气压、溶解度、吸附、润湿和烧结等）和化学性质（化学活性、 催化、固相反应）方面有很大的差别。随着材料科学的发展，固体表面的结构和性能日益受 到科学界的重视。随着近年来表面微区分析、超高真空技术以及低能电子衍射等研究手段的 发展，使固体表面的组态、构型、能量和特性等方面的研究逐渐发展和深入，并逐渐形成一 门独立学科——表面化学和表面物理。 表面与界面的结构、性质，在无机非金属固体材料领域中，起着非常重要的作用。例如 固相反应、烧结、晶体生长、玻璃的强化、陶瓷的显微结构、复合材料都与它密切相关。 表面：—个相和它本身蒸汽（或真空）接触面称之。 界面：—个相与另一个相（结构不同）接触的分界面称之。 相界：指具有不同组成或结构的两固相间的分界面。 晶界：是指同材料相同结构的两个晶粒之间的边界。 习惯上把液-气界面、固-气界面称为液体表面和固体表面。表面可以由一系列的物理化 学数据来描述（表面积、表面组成、表面张力、表面自由能、熵、焓等），表面与界面的组 成和结构对其性能有着重要的影响。 表面与界面起突出作用的新型材料，如薄膜、多层膜、超晶格、超细微粒与纳米材料等 发展如日中天。
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/A1.6 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。
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。
界面化学的原理和应用
界面化学的原理和应用界面化学是一门研究物质在界面上相互作用的学科，广泛应用于化学、物理、生物等领域。
本文将介绍界面化学的基本原理以及其在不同领域的应用。
一、界面化学的基本原理界面化学研究的核心是物质在不同相之间的相互作用。
这些相可以是气-液界面、液-液界面、液-固界面等。
在任意相之间的界面，存在着分子间的相互作用力。
这些相互作用力包括静电作用、范德华力、电子云偶极互作用力等。
界面化学的基本原理可以概括为以下几个方面：1. 表面张力：液体的表面上的分子受到内部分子的吸引作用而产生收缩趋势，形成表面张力。
表面张力决定了液体在界面上的稳定性和流动性。
2. 吸附现象：当固体与气体或液体接触时，固体表面上的分子与气体或液体中的分子发生相互作用。
吸附分为吸附与脱附两个过程，吸附可以是化学吸附或物理吸附。
3. 分散体系：当液体中包含有微小的颗粒时，这些颗粒会受到吸附、凝聚、电荷等因素的影响，形成分散体系。
分散体系的稳定性与其中的分散剂的作用密切相关。
4. 表面活性剂：表面活性剂是一类能聚集在界面上，同时能降低表面张力的物质。
表面活性剂在很多实际应用中起到了极为重要的作用，如乳化、泡沫稳定等。
二、界面化学的应用1. 表面改性：通过在固体表面引入特定的化学官能团或者表面活性剂，可以改变其表面性质，如增强润湿性、降低摩擦系数等。
这对于某些技术领域，如涂料、润滑剂等的研发具有重要意义。
2. 电化学：电化学是研究电子、离子或原子在界面上的转移和化学反应的学科。
界面化学在电化学领域的应用广泛，包括电池、电解池、电镀等。
通过控制界面上的电荷转移过程，可以实现电化学反应的调控。
3. 生物界面化学：生物体内许多重要的生物过程发生在界面上，如细胞膜的功能、蛋白质的折叠等。
界面化学的原理被广泛应用于生物领域，用于研究生物界面的性质和功能。
4. 界面分析：界面化学的研究方法之一是通过界面分析手段来了解界面的结构和性质。
常用的界面分析技术包括表面张力测量、扩散反射红外光谱、表面等离子共振等。
表面化学和界面化学的研究进展
表面化学和界面化学的研究进展表面化学和界面化学是物理化学领域的两个重要分支，涉及到很多工业和科学领域。
表面化学是研究物体表面和表面反应的化学学科，界面化学是研究不同物质之间的交界面以及相互作用的学科。
这两个学科不仅在化学反应中具有重要作用，而且在化妆品、涂料、油墨、功能材料、环境保护等许多领域都有广泛的应用。
本文将介绍表面化学和界面化学的研究进展。
一、表面化学1. 表面化学现象的研究方法表面化学现象是从材料表面开始的，例如润湿、吸附、粘附、腐蚀、氧化、还原等。
为了研究这些表面化学现象，不断发展了一系列的研究方法，如表面张力法、等离子体接枝法、悬浮体积法、电化学法、原子力显微镜法等。
2. 表面活性剂的应用表面活性剂是一类在液-液或液-固表面具有特殊性质的化合物，含有极性头基和非极性尾基。
表面活性剂广泛应用于洗涤、起泡、乳化、稳定胶体等方面，如肥皂、洗发水、洗衣粉、柔顺剂、发胶等。
研究表明，在含有表面活性剂的体系中，表面活性剂的结构和性能对体系的性质有着重要的影响。
3. 表面改性技术表面改性技术是改变材料表面的化学成分和性质，以实现材料的新功能和使用价值。
常用的表面改性技术包括等离子体接枝、氧化、还原、硅化和电沉积等。
表面改性技术可以使材料表面具有降解、免疫、抗菌、耐磨、抗氧化等性质，在环保、医疗、生产等方面具有广泛的应用。
二、界面化学1. 催化反应的界面效应催化反应是一种界面反应，通常发生在固体-气体或固体-液体界面上，具有很高的催化活性。
催化反应涉及到很多反应机理，包括吸附、表面分子运动，分子结构改变等过程。
研究催化反应的界面效应，有助于优化催化剂的性质和提高反应产率。
2. 界面活性剂在水油界面上的作用界面活性剂不仅可以降低表面张力，还可以在水油界面上形成胶态结构，阻隔水和油的相互扩散，形成稳定的分散体系。
界面活性剂在油漆、涂料、乳化剂等领域的应用越来越广泛，且逐渐向高效、绿色、环保的方向发展。
表面及界面化学一--2011
表面与界面化学
表面与界面化学
参考教材： • 颜肖慈, 罗道明编著.界面化学,化学工业出版社,2005. • 朱步瑶, 赵振国主编.界面化学基础,化学工业出版社.1996. • 顾惕人 主编.表面化学,科学出版社, 2003. • 沈钟等.《胶体与表面化学》
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界面现象的本质
最简单的例子是液体及其蒸气组成的表面。
液体内部分子所受的力可以
彼此抵销，但表面分子受到体相 分子的拉力大，受到气相分子的 拉力小（因为气相密度低），所 以表面分子受到被拉入体相的作 用力。
这种作用力使表面有自动收缩到最小的趋势，并
使表面层显示出一些独特性质，如表面张力、表面吸 附、毛细现象、过饱和状态等。
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同物质 分子的作用，另一方面受到性质不同的另一相中物质分 子的作用，其作用力往往不能相互抵销，因此，界面层 会显示出一些独特的性质。
对于单组分体系，这种特性主要来自于同一物质在 不同相中的密度不同；对于多组分体系，则特性来自于 界面层的组成与任一相的组成均不相同。
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界面（Interface）
界面是相与相之间的交界 所形成的物理区域
界面相是一个准三维区 域，其广度无限，而厚 度约为几个分子的线度
体系性质在体相为常数， 表面相是体系性质连续变 化的一个过渡区域
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表面和界面(surface and interface)
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表面与界面化学
主讲内容:
• 界面化学的基本现象、概念及规律 • 材料界面化学的基本知识和一般研究方法 • 包括：气-液、液-液、液-固、固-固、气-固界面
现象及规律；常用界面化学的测试方法及其应 用，纳米材料表面化学
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表面与界面化学
表面与界面化学
参考教材： • 颜肖慈, 罗道明编著.界面化学,化学工业出版社,2005. • 朱步瑶, 赵振国主编.界面化学基础,化学工业出版社.1996. • 顾惕人 主编.表面化学,科学出版社, 20源自3. • 沈钟等.《胶体与表面化学》
3.液-液界面
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表面和界面(surface and interface)
4.液-固界面
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表面和界面(surface and interface)
5.固-固界面
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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。
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界面现象的本质
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分散度与比表面功
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 AS / m 或 AV AS /V
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。
按物质聚集状态，界面可分为五类： 固－气 （S-g）、固－液（S-l）、固－固（S-S）、液－ 气（l-g）、液－液（l-l）
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界面现象的本质
最简单的例子是液体及其蒸气组成的表面。
液体内部分子所受的力可以
彼此抵销，但表面分子受到体相 分子的拉力大，受到气相分子的 拉力小（因为气相密度低），所 以表面分子受到被拉入体相的作 用力。
这种作用力使表面有自动收缩到最小的趋势，并
使表面层显示出一些独特性质，如表面张力、表面吸 附、毛细现象、过饱和状态等。
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分散度与比表面功
表面功（surface work）
由于表面层分 子的受力情况与本 体中不同，因此如 果要把分子从内部 移到界面，或可逆 的增加表面积，就 必须克服体系内部 分子之间的作用力， 对体系做功。
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表面和界面(surface and interface)
常见的界面有： 1.气-液界面
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表面和界面(surface and interface)
2.气-固界面
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表面和界面(surface and interface)
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
比表面Av/（m2/m3） 6 ×102 6 ×103 6 ×105 6 ×107 6 ×109
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分散度与比表面功
从表上可以看出，当将边长为10-2m的立方体分 割成10-9m的小立方体时，比表面增长了一千万倍。
剂，为什么起到净化水质的作用？
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0 绪 论 界面现象
0.1 表面吉布斯自由能和表面张力 0.２ 液体的界面现象 0.３ 表面活性剂及其作用 0.４ 固体表面的吸附
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0.1 表面吉布斯自由能和表面张力
❖表面和界面 ❖界面现象的本质 ❖分散度与表面功 ❖表面自由能 ❖表面张力 ❖界面张力与温度的关系
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同物质 分子的作用，另一方面受到性质不同的另一相中物质分 子的作用，其作用力往往不能相互抵销，因此，界面层 会显示出一些独特的性质。
对于单组分体系，这种特性主要来自于同一物质在 不同相中的密度不同；对于多组分体系，则特性来自于 界面层的组成与任一相的组成均不相同。
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绪论
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表面现象
水滴为什么是圆形 而不是方形
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表面现象
它们为什么可以 漂在水面上
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大气
毛细玻璃管
ps
水
水在毛细管中为 什么会上升
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思考题：与界面现象相关的几个问题
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。
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
比表面Av/（m2/m3） 6 ×102 6 ×103 6 ×105 6 ×107 6 ×109
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界面（Interface）
界面是相与相之间的交界 所形成的物理区域
界面相是一个准三维区 域，其广度无限，而厚 度约为几个分子的线度
体系性质在体相为常数， 表面相是体系性质连续变 化的一个过渡区域
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表面和界面(surface and interface)
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。
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分散度与比表面功
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。
例如，把边长为1cm的立方体1cm3逐渐分割 成小立方体时，比表面增长情况列于下表：