优选固体材料界面化学与物理
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。
《无机非金属材料科学基础》第6章 固体的表面与界面行为
由此我们可以得到一个重要的结论:肥皂池的半径越 小，泡膜两侧的压差越大。
上式是针对球形表面而言的压差计算式，对于 一般的曲面，即当表面并非球形时，压差的计算式 有所不同。一般地讲，描述一个曲面需要两个曲率 半径之值;对于球形，这两个曲率半径恰好相等。一 般曲面两个曲率的半径分别为R1和R2。我们可以得 到一般曲面的压差计算式:
1. 共价键晶体表面能
2. 离子晶体表面能
每一个晶体的自由焓都是由两部分组成，体积 自由焓和一个附加的过剩界面自由焓。为了计算 固体的表面自由焓，我们取真空中0K下一个晶体 的表面模型，并计算晶体中一个原子(离子)移到晶 体表面时自由焓的变化。在0K时，这个变化等于 一个原子在这两种状态下的内能之差。
目录
• 第一节 • 第二节 • 第三节 • 第四节 • 第五节
表面与界面物理化学基本知识 固体的表面(固-气) 固-液界面 浆体胶体化学原理 固-固界面
6.1 表面与界面物理化学基本知识
固体的界面可一般可分为表面、界面和相界面： 1）表面:表面是指固体与真空的界面。 2）界面:相邻两个结晶空间的交界面称为“界面”。 3）相界面:相邻相之间的交界面称为相界面。相界面有
界面间的吻合和结合强度。
表面微裂纹是由于晶体缺陷或外力作用而产生。微 裂纹同样会强烈地影响表面性质，对于脆性材料的强度 这种影响尤为重要。
脆性材料的理论强度约为实际强度的几百倍，正是 因为存在于固体表面的微裂纹起着应力倍增器的作用， 使位于裂缝尖端的实际应力远远大于所施加的应力。
葛里菲斯（Griffith）建立了著名的玻璃断裂理论， 并导出了材料实际断裂强度与微裂纹长度的关系
R 2E C
材料物理化学-第五章 表面与界面
湖南工学院
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。
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。
材料物理化学第四章 表面与界面
电动电位或ξ电位影响因素 ①．ζ -电位和双电层厚度有关，双电层越厚， ζ -电位越大。
②．阳离子浓度：阳离子浓度越大，扩散层压 缩，ζ -电位降低；
③阳离价态：电价越高，ζ -电位越小；同价 离子半径越大，ζ -电位越低； ④矿物组成，形状粒度。ζ -电位的大小顺序 为： H+<Al3+<Ba2+<Sr2+<Ca2+<Mg2+<NH4+<K+<Na+<Li+
属于这一类流动的主要有高聚合物的溶液、乳浊液、 淀粉、甲基纤维素等
（5）膨胀流动
这一类型的流动曲线是假 塑性的相反过程。流动曲线通 过原点并凹向剪应力轴如图(b) 所示。这些高浓度的细粒悬浮 液在搅动时好像变得比较粘稠， 而停止搅动后又恢复原来的流 动状态，它的特点是强度随切 变速率增加而增加。 属于这一类流动的一般是非塑性原料，如氧化铝、 石英粉的浆料等。
第四章 表面与界面
目的要求：
• 1. 理解表面功、比表面吉布斯函数、表面 张力的概念。 • 2. 理解润湿现象及弯曲液面的附加压力， 并掌握其计算。 • 3. 掌握分散度与蒸汽压的关系，能解释各 种介稳现象（过冷液体、过热液体、过饱 和蒸汽、过饱和溶液、微小晶体的溶解 度）。
• 4. 弄清毛细现象的成因。明确吸附的概念 及分类。了解主要吸附剂。 • 5.了解固体对气体的吸附量的表示。 理解 兰格缪尔吸附理论的要点，并掌握其吸附 方程式的运用。 • 6. 了解表面活性物质的概念和分类。 • 7. 了解表面活性剂的应用（去污作用、减 水作用、助磨作用、起泡作用）
同号离子相互交换， 离子以等当量交换， 交换和吸附是个可逆过程， 离子交换并不影响粘土本身结构等特点。
界面物理化学复习知识点
界面物理化学复习知识点绪论1、界面定义界面：物体与物体之间的接触面，也称两种物质之间的接触面、连接层和分界层。
复合材料的界面是指基体与增强物之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域。
界面通常包含以下几个部分：基体和增强物的部分原始接触面；基体与增强物相互作用生成的反应产物，此产物与基体及增强物的接触面；2、复合材料定义：用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分（或称组元），通过人工复合、组成多相、三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料。
外加颗粒增强和内生颗粒增强复合材料的比较3、界面连接情况根据界面的连接紧密程度，界面连接有两种情况:物质之间无相互渗透和物质之间有相互渗透4、界面所起的作用界面的效应(1)传递效应界面能传递力，即将外力传递给增强物，起到基体和增强物之间的桥梁作用。
(2)阻断效应结合适当的界面有阻止裂纹扩展、中断材料破坏、减缓应力集中的作用。
(3)不连续效应在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦出现的现象，如抗电性、电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。
(4)散射和吸收效应光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生散射和吸收，如透光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击及耐热冲击性等。
(5)诱导效应一种物质(通常是增强物)的表面结构使另一种(通常是聚合物基体)与之接触的物质的结构由于诱导作用而发生改变，由此产生一些现象，如强的弹性、低的膨胀性、耐冲击性和耐热性等界面效应是任何一种单一材料所没有的特性，它对复合材料具有重要的作用。
界面效应既与界面结合状态、形态和物理-化学性质有关，也与复合材料各组分的浸润性、相容性、扩散性等密切相关。
5、物质固液气态，表现出的界面种类，举例说明气—液界面：蒸发、蒸馏、表面张力、泡沫。
蒸发——部分液相分子在一定温度下转换为气相分子；蒸馏——液体分子蒸发后，部分气相分子凝结为液相分子。
液—液界面：乳液、界面张力。
乳液——两不互溶液体相互接触时，一相的微滴分散在另一项的液体内，微滴对光线发生漫射反射；界面张力——互不相溶的两相液体接触界面上所特有的一种力。
材料的表面和界面化学
材料的表面和界面化学材料的表面和界面化学是研究材料表面和界面性质以及相关现象的学科领域。
表面和界面化学在材料科学、物理、化学等多个学科中都扮演着重要的角色，对于理解和解决材料在各种应用中的性能和稳定性问题具有重要意义。
1. 表面化学表面化学主要研究材料表面的性质和化学反应。
材料表面是材料与外界相接触的部分，其性质对材料的功能和性能起着至关重要的作用。
表面化学通过研究表面吸附、催化反应、表面能量和界面张力等现象，揭示了材料表面的本质和特征。
表面吸附是表面化学的重要研究内容之一。
通过研究气相或溶液中分子在固体表面上的吸附过程，可以了解到物质在表面附近的行为和性质。
这对于催化反应、腐蚀控制、表面修饰和生物材料等领域都具有重要意义。
例如，金属氧化物表面的氧化还原反应关系到能源转换和环境保护等领域。
2. 界面化学界面化学研究不同物质相接触时的性质和相互作用。
界面可以是固体与液体、气体与液体、液体与液体等不同相之间的接触面。
在实际应用中，界面往往是发生化学反应、传递质量和能量的关键位置。
界面化学涉及多种现象，例如表面张力、界面电荷和界面传递等。
表面张力是液体分子间相互作用力导致的表面收缩趋势，决定了液体在固体表面的润湿性。
界面电荷则涉及到固体、液体或气体接触形成的电荷分布以及电位差的产生，它对于电化学反应和电化学能量转换十分重要。
界面传递主要指的是传质和传热现象，如固体催化剂上的反应物传质、电池中的离子传输等。
3. 应用前景材料的表面和界面化学研究对于材料的设计、制备和应用都具有重要意义。
通过控制和调节材料的表面和界面性质，可以优化材料的性能和功能，提高材料的稳定性和可靠性。
在能源材料领域，表面和界面化学的研究有助于提高太阳能电池、储能材料和催化剂等能源材料的效率和稳定性。
例如，通过调控催化剂表面的活性位点和表面缺陷，可以提高催化剂的选择性和活性，从而实现高效催化反应。
在材料保护和腐蚀控制方面，表面和界面化学的研究可以帮助设计新型防腐蚀涂层和材料表面修饰技术，提高材料的抗腐蚀性能和使用寿命。
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a
b
第一章 绪 论
MDF(Macro-Defect-Free/无宏观缺陷)水泥
Tf=(2Eσ/πc)1/2
复合材料
第一章 绪 论
三、研究表面与界面的意义 四、表界面研究的目的
第一章 绪 论
五、界面化学与物理的研究内容及研究趋势
1、 界面行为研究 2、 界面与纳米晶块体研究 3、 异相界面研究 4、 界面科学基础研究 5、 界面分析与表征技术
分子之间。 诱导作用力FD ，发生于极性与非极
性分子之间。 分散作用力(色散力) ，发生于非
极性分子之间。
F范＝FK＋FD＋FL 1/r7
(2) 化学力：
本质上是静电力
第二章 表 面
表面力的作用：
液体: 总是力图形成球形表面来降低系统的 表面能。
固体: 使固体表面处于较高的能量状态(因为 固体不能流动),只能借助于离子极化、变形、重 排并引起晶格畸变来降低表面能，其结果使固体 表面层与内部结构存在差异。
第二章
2.1.2 固体的表面特点
一、固体表面的不均匀性
表面
第二章 表 面
（一）从原子尺度上，实际固体表面并非光滑，是凹凸不平的
1、表面粗糙度的概念
第二章 表 面
2、表面粗糙度的表征
(1)轮廓算术平均偏差(Ra):
通过零件的表面轮廓作一中线 m ，将一定长度的轮廓分成两部分，
使中线两侧轮廓线与中线之间所包含的面积相等，即
• 理想表面
• 清洁表面
• 吸附表面
理想表面
第二章 表 面
第二章
清洁表面 1、台阶表面
表面
[110] [112]
[111]
周期
Pt（557）有序原子台阶表面示意图
2、 弛豫表面
第二章 表 面
3、重构表面
第二章 表 面
as
a
d0 d0
重构表面示意图
4、双电层表面
晶 体
NaCl
第二章
表面
表面离子受 内部离子作用电 子云变形 离子重排 表面能减少
第二章 表 面
三、存在表面微裂纹 是由于晶体缺陷或外力作用而产
生。微裂纹同样会强烈地影响表面性质，对于脆性材料的 强度,这种影响尤为重要。
R 2E C
式中， R为断裂强度，C为微裂纹长度， E为弹性模量， α是表面自由能。
第二章 表 面
2.2 表面能和表面吸附
2.2.1 固体的表面能
表面能的理论计算
固体材料界面化学与物理
第一章 绪 论
一、表面、界面的基本涵义 固体的面可一般可分为表面和界面：
气 液 气— 液 界 (表) 面
液
液
液-液
界 面
液
固
固-液
界 面
气 固
固-气 界(表) 面
固
固
固-固
界 面
习惯
第一章 绪 论
界面实例
气--液界 (表)面 固--气界(表)面
液--液界面
固--液界面
固--固界面
（六）不论表面进行多么严格的清洁处理，总有一些杂质由体内偏 析到表面上来，从而使固体表面组成与体内不同，从而由于表面偏 析造成表面的不均匀。
第二章 表 面
二、 存在表面力场
第二章 表 面
(1) 范得华力(分子引力) 是固体表面产生物理吸附或气体凝聚的原因。
与液体内压、表面张力、蒸汽压、蒸发热等性质有关。 来源三方面：定向作用力FK(静电力) ,发生于极性
离子晶体表面的电子云变形和离子重排
第二章
表面
0.020nm
晶
晶
体
体
内
表
部
面
0.281nm
0.266nm
NaCl表面层中Na+向里；
Cl-向外移动并形成双电层
三、吸附表面
第二章 表 面
顶位吸附
桥吸附
填充吸附 中心吸附
第二章
二、粉体的表面结构
表面
无定形结构 微晶结构
第二章 表 面
三、非晶体的表面结构
第一章 绪 论
研究内容几乎涉及所有学科：
生命科学（生物膜及膜模拟化学）
界
能源科学（三次采油、煤的液化、化学电源）
面
材料科学（超细材料、材料的表面改性）
信息科学（LB膜，微电子器件）
第一章
研究热点：
1、界面结构研究 2、界面反应过程 3、界面控制 4、界面表征技术 5、表面改性
绪论
第一章 绪 论
Ry = Y 峰 max + Y 谷 max
3、表面粗糙度对材料性能的影响
第二章 表 面
(二）绝大多数晶体是各向异性，因而同一晶体可以有许多性能不 同的表面。
（三）同一种物质制备和加工条件不同也会有不同的表面性质。
（四）晶格缺陷、空位或位错而造成表面不均匀。
(五)在空气中暴露，表面被外来物质所污染，吸附外来原子可占据 不同的表面位置，形成有序或无序排列，也引起表面不均匀
参考资料
1、胡褔增，《材料的表面与界面》，华东理工大学出版社 2、崔国文，《表面与界面》，清华大学出版社 3、李恒德，《材料表面与界面》，清华大学出版社 4、朱履冰，《表面与界面物理》，天津大学出版社
第二章 表 面
第二章
表
面
第二章 表 面
2.1固体的表面结构和特点
2.1.1 固体的表面结构 一、晶体的表面结构 从物理学的角度，晶体的表面可以分为：
F1+F3+……+Fn-1=F2+F4+……+Fn 1/n
第二章 表 面
轮廓的平均算术偏差值Ra，就是在一定测量长度L范 围内，轮廓上各点至中线距离绝对值的平均算术偏差。用 算式表示为 :
1
n
Ra = 1/L |Y(x)|dx 1/n |Yi |
0
i1
第二章 表 面
(2)微观不平度十点高度(Rz)：
例如：
一克水
表面积
表面能
形成一球形水滴
4.84×10-4m2 3.5× 10-5J
分散成直径为 1× 10-9
m的微小球形水滴
6×103m2 434J
第一章 绪 论
顆粒直径(nm)
10 5 2 1
比表面积( m 2 / g )
表面原子占
总原子數的百分比(%)
90
20
180
40
450
80
900
99
第一章 绪 论
第一章 绪 论
第一章 绪 论
二、表界面现象及表界面科学发展简史
在表界面发生许多现象，如毛细现象、润湿作用、液 体过热、蒸气过饱和、吸附作用等。
水滴为什么是圆形而 不是方形？
第一章 绪 论
界(表)面积不大，它们对系统性质的影响可以忽 略。但是分散度增加，表面积很大时，表面现象显 得很突出，便不能忽略对系统性质的影响。
0
ls
Rz = (Ymax 峰 1+ Ymax 峰 2 + Ymax 峰 3+ Ymax 峰 4 + Ymax 峰 5)/5 + (Ymax 谷 1+ Ymax 谷 2 + Ymax 谷 3+ Ymax 谷 4 + Ymax 谷 5)/5
(3)轮廓最大高度(Ry):
在取样长度 L 内，取最大峰值和最大谷值之和。