材料表界面章PPT学习教案

1、会计学1 材料表界面章材料表界面章PPT课件课件 第一章第一章 绪论绪论 第二章第二章 液体界面液体界面 第三章第三章 固体表面固体表面 第1页/共84页 第一章第一章 绪论绪论 表界面科学研究的重要性 表界面科学发展历程 表界面的基本概念 第2页/共84页 表界面的定义 若其 中一相为气体，这种界面通常称为表面 (surface)。 第3页/共84页 定义：三维规整点阵到体外空间之间的过渡区域。 厚度随材料种类而异，从一个到多个原子层不等。 在过渡区域，周期点阵遭到严重扰动，甚至完全变异 。 物理界面是不同于两相的第三相。 物理表面 理想表面清洁表面吸附表面 第4页/共84页 物理表面 二、

2、清洁表面二、清洁表面: :指不存在任何污染的化学纯表面，即不 存在吸附、催化反应或杂质扩散等物理化学效应的表面。 表面上会发生与体内结构结构和成分成分不同的变化。 驰豫：点阵常数变化，非平衡态；驰豫：点阵常数变化，非平衡态； 重构：原子重排，不同于本体内的晶面；重构：原子重排，不同于本体内的晶面； 台阶化：有规律的非完全平面结构；台阶化：有规律的非完全平面结构； 偏析：溶液或溶质在相界、晶偏析：溶液或溶质在相界、晶 界或缺陷上的聚集；界或缺陷上的聚集； 吸附：气相原子或分子在气吸附：气相原子或分子在气 固界面上的聚集。固界面上的聚集。 结构变化结构变化 化学组成变化化学组成变化 第5页/共84

3、页 d s 内部内部 表面表面 d0 指表面层之间以及表面和指表面层之间以及表面和 体内原子层之间的垂直间体内原子层之间的垂直间 距距d ds s和体内原子层间距和体内原子层间距d d0 0相相 比有所膨胀和压缩的现象。比有所膨胀和压缩的现象。 可能涉及几个原子层。可能涉及几个原子层。 d0 内部内部 表面表面 d0 指表面原子层在水指表面原子层在水 平方向上的周期性平方向上的周期性 不同于体内，但在不同于体内，但在 垂直方向上的层间垂直方向上的层间 间距间距d d0 0与体内相同。与体内相同。 表面不是平面，表面不是平面， 由规则或不规则由规则或不规则 台阶组成。台阶组成。 表面表面 结构变

4、化结构变化 弛豫弛豫重构重构台阶化台阶化 第6页/共84页 指溶液或溶质在相指溶液或溶质在相 界、晶界或缺陷上界、晶界或缺陷上 的聚集。的聚集。 气相原子或分子在气相原子或分子在 气固界面上的聚气固界面上的聚 集。集。 化学组成变化化学组成变化 偏析偏析吸附吸附 第7页/共84页 表界面通常有五类：表界面通常有五类： 气气-液表面液表面 气气-固表面固表面 液液-液界面液界面 液液-固界面固界面 固固-固界面固界面 第8页/共84页 第二章第二章 液体表面液体表面 表界面的两个最基本性能：表界面的两个最基本性能： 表界面四大基本定律之中的三个。表界面四大基本定律之中的三个。 表面张力和表面自由

5、能表面张力和表面自由能 第9页/共84页 由于分子在体相内部与界面上所处的 力场环境是不同的，产生了净吸力。 而净吸力会在界面各处产生一种张力 。 把作用于单位把作用于单位边界线边界线上的这种力称为上的这种力称为表面张力表面张力，用，用 表示表示，单位是单位是N Nm m-1 -1。 。 表面张力也可以理解为系统增加单位面积时所需做 的可逆功，单位为J/m2，是功的单位或能的单位。 所以也可以理解为表面自由能，简称表面能。 表面张力 第10页/共84页 表面张力的本质： 表面张力产生的根本原因： 表面张力的方向： 分子间相互作用力的不平衡 分子间相互作用力 表面张力的方向和液面相切，如果液面是

6、平面，表面张 力就在这个平面上。 如果液面是曲面，表面张力就在这 个曲面的切面上，并促使液体表面积缩小的方向。 表面张力 第11页/共84页 影响表面张力的因素： 1. 分子间力的影响分子间力的影响 表面张力与物质的本性和所接触相的性质有关。液体或表面张力与物质的本性和所接触相的性质有关。液体或 者固体中的分子间的相互作用力或化学键力越大，表面者固体中的分子间的相互作用力或化学键力越大，表面 张力越大。张力越大。 Hg NaCl H2O 苯 金属键离子键极性共价键及氢键非极性共价键 表面张力 第12页/共84页 影响表面张力的因素： 1. 分子间力的影响分子间力的影响 表面张力 第13页/共8

7、4页 影响表面张力的因素： 2. 温度的影响温度的影响 随温度升高，分子间的距离增大，分子间的相互作用力随温度升高，分子间的距离增大，分子间的相互作用力 减弱，表面张力就会下降。当温度升高到临界温度时，减弱，表面张力就会下降。当温度升高到临界温度时， 液体与气体的界面消失，表面张力趋于零。液体与气体的界面消失，表面张力趋于零。 表面张力 第14页/共84页 表面自由能 B nTp AG , )/( 狭义表面自由能的定义：保持温度、压力和组成不 变，每增加单位表面积时，Gibbs自由能的增加值 称为表面Gibbs自由能，或简称表面自由能或表面 能，用符号表示，单位为Jm-2。 表面自由能 第15

8、页/共84页 表面张力与表面表面张力与表面Gibbs自由能自由能 材料表界面的基本性能材料表界面的基本性能 不同点：物理概念、意义不同： 表面张力（通常）指纯物质的表面层分子间实际存在 着的（收缩）张力。单位：N / m。 表面自由能表示形成单位新表面使体系自由能的增加 ，可表示为：J/m2 第16页/共84页 表面张力与表面表面张力与表面Gibbs自由能自由能 材料表界面的基本性能材料表界面的基本性能 相同点： 既可表示表面自由能又可表示表面张力，两者量纲既可表示表面自由能又可表示表面张力，两者量纲 相同，数值相等：相同，数值相等： 表面自由能表面自由能 J / m2 = N m /m2 =

9、 N / m 表面张力表面张力 第17页/共84页 12 (1/1/) (2-18)prr r M R V P P RT 22 )ln( 0 1 12 (2-47) 2 ln 22 c ccRTRT TT 2 48 2/ (2-15) Prr dr pr r d 1. Laplace方程 球面球面 非球面非球面 2. Kelvin公式 3. Gibbs 吸附等温式 表界面四大定律之中的三个 第18页/共84页 1. Laplace方程 弯曲表面上的附加压力 ps ps 由于液面是弯曲的，沿由于液面是弯曲的，沿AB的周界上的表面张力不能抵的周界上的表面张力不能抵 消，作用于边界的力有一指向曲率中

10、心的合力。消，作用于边界的力有一指向曲率中心的合力。所有所有 的点产生的合力和为的点产生的合力和为 Ps ，称为，称为附加压力。附加压力。 AB AB 第19页/共84页 1. Laplace方程 附加压力的方向总是指向曲率中心。 ps ps 弯曲表面上的附加压力 第20页/共84页 （1）凸液面，液滴的曲率半径r为正，P为正，附加压力 指向液体内部，r越小，P越大； （2）平液面，r趋向无穷大，P为零，跨越平液面不存在 压力差； （3）凹液面，r为负，P为负，附加压力指向空气。 2 48 2/ (2-15) Prr dr pr r d 1. Laplace方程 第21页/共84页 涉及的计算

11、： 知道内外压差，液体表面张力，计算液珠直径。 2 48 2/ (2-15) Prr dr pr r d 1. Laplace方程 第22页/共84页 1. Laplace方程的应用 液体表面张力测定液体表面张力测定 毛 细 管 法 最 大 气 泡 压 力 法 滴 重 法 吊 环 法 吊 板 法 第23页/共84页 1. Laplace方程的应用 MN 0 p p p 2 H O Hg 毛细管现象毛细管现象 浸润液体在细管里升高的现象和不浸润液体在细管里降低的现 象,叫做毛细现象.能够产生明显毛细现象的管叫做毛细管. 毛细管法 第24页/共84页 p=2/r (2-19) gh=2 /r (2

12、-20) h r r 毛细管法 1. Laplace方程的应用 第25页/共84页 毛细管法 gh=2 /r (2-20) h r r 1. Laplace方程的应用 第26页/共84页 2. Kelvin公式 弯曲表面上的蒸汽压 Kelvin公式表明： 液滴的半径越小，其蒸汽压越大。 气泡的半径越小，其蒸汽压越小。 r M R V P P RT 22 )ln( 0 第27页/共84页 2. Kelvin公式 弯曲表面上的蒸汽压 涉及计算时特别注意： 液滴：凸面，r0。 气泡：凹面，r0, PrP0 r M R V P P RT 22 )ln( 0 凸液面使得蒸气压增凸液面使得蒸气压增 大，因

13、此液滴极难产大，因此液滴极难产 生和存在。生和存在。 当蒸汽中有灰尘存在或容器的内表面粗糙时，这些物质可以作为蒸汽的凝结中当蒸汽中有灰尘存在或容器的内表面粗糙时，这些物质可以作为蒸汽的凝结中 心，使液核易于生成及长大，在蒸汽的过饱和程度较小的情况下，蒸汽就开始心，使液核易于生成及长大，在蒸汽的过饱和程度较小的情况下，蒸汽就开始 凝结。凝结。 2. Kelvin公式 第30页/共84页 1. 过饱和蒸汽 2. Kelvin公式 当空气中的水蒸气凝结时，首先形成非常小的液核，在液核存在当空气中的水蒸气凝结时，首先形成非常小的液核，在液核存在 的基础上继而长大形成大的液滴，从而发生水蒸气的凝结。的基

14、础上继而长大形成大的液滴，从而发生水蒸气的凝结。根据根据 kelvin公式：公式： 对于初始形成的液核，半径非常小，其对应的饱和蒸汽压远远大对于初始形成的液核，半径非常小，其对应的饱和蒸汽压远远大 于平液面水的饱和蒸汽压，所以液核很难形成，从而发生了空气中于平液面水的饱和蒸汽压，所以液核很难形成，从而发生了空气中 水蒸气过饱和现象。水蒸气过饱和现象。 若在空中存在凝结中心，若在空中存在凝结中心， 比如灰尘，比如灰尘， 会使水滴初始凝结曲率半会使水滴初始凝结曲率半 径变大，径变大， 当相应的饱和蒸气压小于高空中有的水蒸气压力时，当相应的饱和蒸气压小于高空中有的水蒸气压力时， 蒸蒸 气会凝结成水。

15、人工降雨正是利用种原理，气会凝结成水。人工降雨正是利用种原理， 通过向云层通过向云层 中的过饱中的过饱 和水气提供凝聚中心和水气提供凝聚中心( 例如例如Ag I 微粒微粒) 以达到以达到人工增雨人工增雨的目的。的目的。 r M R V P P RT 22 )ln( 0 第31页/共84页 2. 过热液体 按照相平衡条件应当沸腾而不沸腾的液体。 液体液体 气泡气泡 凹液面凹液面 r0,Pr0，是，是正正吸附，此时表面层中溶质浓度吸附，此时表面层中溶质浓度高于高于本体溶液，表本体溶液，表 面活性物质就属于此种情况。面活性物质就属于此种情况。 2）0，是，是负负吸附，此时表面层中溶质浓度吸附，此时表

16、面层中溶质浓度低于低于本体浓度，非本体浓度，非 表面活性物质就属于此种情况。表面活性物质就属于此种情况。 TT cRTcRT c ) ln ( 1 )( 22 2 1 2 第57页/共84页 第三章第三章 固体表面固体表面 物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附 吸附力吸附力 范德华力范德华力化学键力化学键力 吸附热吸附热 较小，近于液化热较小，近于液化热较大，近于化学反应热较大，近于化学反应热 选择性选择性 无选择性无选择性有选择性有选择性 吸附稳定性吸附稳定性 不稳定，易解吸不稳定，易解吸比较稳定，不易解吸比较稳定，不易解吸 分子层分子层 单分子层或多分子层单分子层或多分子层单分子层单分子层 吸

17、附速率吸附速率 较快，不受温度影响，故一较快，不受温度影响，故一 般不需要活化能般不需要活化能 较慢，温度升高则速度加快，较慢，温度升高则速度加快， 故需要活化能故需要活化能 1.物理吸附与化学吸附的比较：物理吸附与化学吸附的比较： 第58页/共84页 2.Langmuir吸附理论的基本假设是：吸附理论的基本假设是： 1）吸附是单分子层的；）吸附是单分子层的；2)固体表面是均匀的；固体表面是均匀的；3）被吸附分子间没有相互作用；）被吸附分子间没有相互作用； 4）吸附速率和脱附速率相等，达到动态平衡。）吸附速率和脱附速率相等，达到动态平衡。 3.Langmuir吸附等温式的表达式：吸附等温式的表

18、达式： 其中其中b为为吸附系数吸附系数，b的大小代表了的大小代表了固体表面吸附气体的强弱程度固体表面吸附气体的强弱程度。 Langmuir吸附等温式适用于吸附等温式适用于单分子层化学吸附单分子层化学吸附。 4.Freundlish吸附等温式的表达式：吸附等温式的表达式： 它只适用于它只适用于中压范围的吸附中压范围的吸附 5.BET多分子层吸附理论的假设是多分子层吸附理论的假设是: 1)固体表面是均匀的固体表面是均匀的; 2)吸附靠分子间力吸附靠分子间力, 吸附可以是多分子层的吸附可以是多分子层的; 3)吸附分子的吸附分子的 解吸不受四周其它分子影响解吸不受四周其它分子影响; 4)吸附与脱附建立

19、起动态平衡。吸附与脱附建立起动态平衡。 bp bp 1 n kpV 1 第59页/共84页 1. 表面发生变化时，表面发生变化时，Gibbs自由能的变化以及自由能的变化以及 环境所做的环境所做的 功。功。 G=GsA dAdW 2 1 21 2 11 2 22 33 12 W=() 4; 4 44 33 A A dAAA Ar ANr rr N 第60页/共84页 第61页/共84页 第62页/共84页 2. 与与Kelvin公式相关的计算。公式相关的计算。 r M R V P P RT 22 )ln( 0 r M C C RT ls 2 ln 0 第63页/共84页 P32：6. 试用试用K

20、elvin公式解释空气中水蒸气过饱和的原因。公式解释空气中水蒸气过饱和的原因。 在在20下水的密度为下水的密度为998.2 kg/m3，表面张力为，表面张力为72.810-3 N/m，若水滴半径为，若水滴半径为10-6 cm，求水的过饱和度。，求水的过饱和度。 根据根据kelvin公式：公式： 当空气中的水蒸气凝结时，首先形成非常小的液核，在液核当空气中的水蒸气凝结时，首先形成非常小的液核，在液核 存在的基础上继而长大形成大的液滴，从而发生水蒸气的凝存在的基础上继而长大形成大的液滴，从而发生水蒸气的凝 结。结。 对于初始形成的液核，半径非常小，其对应的饱和蒸汽压远对于初始形成的液核，半径非常小

21、，其对应的饱和蒸汽压远 远大于平液面水的饱和蒸汽压，所以液核很难形成，从而发远大于平液面水的饱和蒸汽压，所以液核很难形成，从而发 生了空气中水蒸气过饱和现象。生了空气中水蒸气过饱和现象。 r M R V P P RT 22 )ln( 0 第64页/共84页 解： ln = 0.1078 rRT p p M2 0 m101mkg2 .998K15.293molKJ314. 8 molkg1002.18mN 3 108 .722 8311 131 r M R V P P RT 22 )ln( 0 p p0 = 1.114 p-p0 p0 = 11.4% 第65页/共84页 7. 水蒸气迅速冷凝到水

22、蒸气迅速冷凝到25时会发生过饱和现象。已知时会发生过饱和现象。已知 25下水的下水的表面张力为表面张力为71.49 mN/m，当过饱和水蒸气压，当过饱和水蒸气压 为水的平衡蒸汽压的为水的平衡蒸汽压的4倍时，试计算：倍时，试计算： （1）在此过饱和情况下，开始形成水滴的半径。）在此过饱和情况下，开始形成水滴的半径。 （2）此种水滴中含有多少个水分子。）此种水滴中含有多少个水分子。 第66页/共84页 （个） ，根据开尔文公式： 解： 591002. 6 018. 0 10769. 1 10769. 1 10769. 1 3 4 )2( 10502. 7 10298314. 8 1008.1807

23、149. 02 4ln 4) 1 ( 23 24 0 24 273 10 3 3- 0 N M m n Vm rV mr r P P 第67页/共84页 8. 已知已知17时大粒块二硝基苯在水中的溶解度为时大粒块二硝基苯在水中的溶解度为 5.910-3mol/dm3，固液两相的界面张力为，固液两相的界面张力为25.710-3 N/m，计算当颗粒直径为，计算当颗粒直径为0.01m时时二硝基苯在水中的溶二硝基苯在水中的溶 解度。二硝基苯密度为解度。二硝基苯密度为1.565g/cm3. 第68页/共84页 解： ln = 0.458 rRT M2 C C 0 m105mkg10565. 1K290m

24、olKJ314. 8 molkg1011.168mN 3 107 .252 93311 131 C C0 = 1.58 r M C C RT ls 2 ln 0 C=9.3210-3mol/dm3 第69页/共84页 第70页/共84页 第71页/共84页 3. 与与Langmuir公式相关的计算。公式相关的计算。 Vbp = 1+bp m V Vbp = 1+bp m V p1 (3-11) V mm p V bV 第72页/共84页 4：用活性炭吸附CHCl3，符合Langmuir吸附等温 式，在0 时的饱和吸附量为93.8 dm3*kg-1。已知 CHCl3的分压为13.4kPa时的平衡

25、吸附量为82.5 dm3*kg-1 。试计算CHCl3的分压为为6.67kPa时的 平衡吸附量。 第73页/共84页 解： 由Langmuir吸附等温式： 已知：Vm93.810-3 m3kg-1 V= 82.510-3 m3kg-1 P=13.4 kPa 代入上式，求得 b5.4510-4 m2N-1 以p =6.67 kPa, Vm和b如上，代入Langmuir式，求 得V73.6 10-3 m3kg-1 Vbp = 1+bp m V 第74页/共84页 6： -33.6时测得时测得CO 在活性炭上的吸附数据如下： 在活性炭上的吸附数据如下： p，单位，单位cmHg; a（每克活性炭吸附（

26、每克活性炭吸附CO的体积，单 的体积，单 位位cm3 ，已换算成标准状况），已换算成标准状况） p10.118.83243 5467 8.5413.1 18.2 21.0 23.8 26.3 比较比较Freundlish和和Langmuir公式何者更适用于这种吸附，公式何者更适用于这种吸附， 并计算公式中个常数的值（并计算公式中个常数的值（76 cmHg=1.01105Pa） a 第75页/共84页 （1）将朗缪尔吸附等温式写作：）将朗缪尔吸附等温式写作： mm V p bV 1 V p 以以 p/ V 对对 p 作图，可得一直线，由直线的斜率及截距即 作图，可得一直线，由直线的斜率及截距即

27、可求得可求得Vm 及及 b 。在不同平衡压力下的。在不同平衡压力下的 p/ V 值列表如下：值列表如下： 13 kgdm V p /kPa13.42224.98442.52657.14571.76389.039 8.54 13.1 18.2 21.0 23.8 26.3 1.572 1.907 2.337 2.721 3.015 3.386kgdmkPa 3 p/V 解：解： 第76页/共84页 102030405060708090100 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 mm V p bV 1 V p Y = 1.2975 + 0.02393 X 0.02393 kg/dm 1 13 m V 1313 m kgdm41.79kgdm 0.02393 1 V 由直线的截距由直线的截