材料表界面章PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1 材料表界面章材料表界面章PPT課件課件 第一章第一章 緒論緒論 第二章第二章 液體界面液體界面 第三章第三章 固體表面固體表面 第1頁/共84頁 第一章第一章 緒論緒論 表界面科學(xué)研究的重要性 表界面科學(xué)發(fā)展歷程 表界面的基本概念 第2頁/共84頁 表界面的定義 若其 中一相為氣體，這種界面通常稱為表面 (surface)。 第3頁/共84頁 定義：三維規(guī)整點陣到體外空間之間的過渡區(qū)域。 厚度隨材料種類而異，從一個到多個原子層不等。 在過渡區(qū)域，周期點陣遭到嚴(yán)重擾動，甚至完全變異 。 物理界面是不同于兩相的第三相。 物理表面 理想表面清潔表面吸附表面 第4頁/共84頁 物理表面 二、

2、清潔表面二、清潔表面: :指不存在任何污染的化學(xué)純表面，即不 存在吸附、催化反應(yīng)或雜質(zhì)擴散等物理化學(xué)效應(yīng)的表面。 表面上會發(fā)生與體內(nèi)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)和成分成分不同的變化。 馳豫：點陣常數(shù)變化，非平衡態(tài)；馳豫：點陣常數(shù)變化，非平衡態(tài)； 重構(gòu)：原子重排，不同于本體內(nèi)的晶面；重構(gòu)：原子重排，不同于本體內(nèi)的晶面； 臺階化：有規(guī)律的非完全平面結(jié)構(gòu)；臺階化：有規(guī)律的非完全平面結(jié)構(gòu)； 偏析：溶液或溶質(zhì)在相界、晶偏析：溶液或溶質(zhì)在相界、晶 界或缺陷上的聚集；界或缺陷上的聚集； 吸附：氣相原子或分子在氣吸附：氣相原子或分子在氣 固界面上的聚集。固界面上的聚集。 結(jié)構(gòu)變化結(jié)構(gòu)變化 化學(xué)組成變化化學(xué)組成變化 第5頁/共84

3、頁 d s 內(nèi)部內(nèi)部 表面表面 d0 指表面層之間以及表面和指表面層之間以及表面和 體內(nèi)原子層之間的垂直間體內(nèi)原子層之間的垂直間 距距d ds s和體內(nèi)原子層間距和體內(nèi)原子層間距d d0 0相相 比有所膨脹和壓縮的現(xiàn)象。比有所膨脹和壓縮的現(xiàn)象。 可能涉及幾個原子層?？赡苌婕皫讉€原子層。 d0 內(nèi)部內(nèi)部 表面表面 d0 指表面原子層在水指表面原子層在水 平方向上的周期性平方向上的周期性 不同于體內(nèi)，但在不同于體內(nèi)，但在 垂直方向上的層間垂直方向上的層間 間距間距d d0 0與體內(nèi)相同。與體內(nèi)相同。 表面不是平面，表面不是平面， 由規(guī)則或不規(guī)則由規(guī)則或不規(guī)則 臺階組成。臺階組成。 表面表面 結(jié)構(gòu)變

4、化結(jié)構(gòu)變化 弛豫弛豫重構(gòu)重構(gòu)臺階化臺階化 第6頁/共84頁 指溶液或溶質(zhì)在相指溶液或溶質(zhì)在相 界、晶界或缺陷上界、晶界或缺陷上 的聚集。的聚集。 氣相原子或分子在氣相原子或分子在 氣固界面上的聚氣固界面上的聚 集。集。 化學(xué)組成變化化學(xué)組成變化 偏析偏析吸附吸附 第7頁/共84頁 表界面通常有五類：表界面通常有五類： 氣氣-液表面液表面 氣氣-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頁/共84頁 第二章第二章 液體表面液體表面 表界面的兩個最基本性能：表界面的兩個最基本性能： 表界面四大基本定律之中的三個。表界面四大基本定律之中的三個。 表面張力和表面自由

5、能表面張力和表面自由能 第9頁/共84頁 由于分子在體相內(nèi)部與界面上所處的 力場環(huán)境是不同的，產(chǎn)生了凈吸力。 而凈吸力會在界面各處產(chǎn)生一種張力 。 把作用于單位把作用于單位邊界線邊界線上的這種力稱為上的這種力稱為表面張力表面張力，用，用 表示表示，單位是單位是N Nm m-1 -1。 。 表面張力也可以理解為系統(tǒng)增加單位面積時所需做 的可逆功，單位為J/m2，是功的單位或能的單位。 所以也可以理解為表面自由能，簡稱表面能。 表面張力 第10頁/共84頁 表面張力的本質(zhì)： 表面張力產(chǎn)生的根本原因： 表面張力的方向： 分子間相互作用力的不平衡 分子間相互作用力 表面張力的方向和液面相切，如果液面是

6、平面，表面張 力就在這個平面上。 如果液面是曲面，表面張力就在這 個曲面的切面上，并促使液體表面積縮小的方向。 表面張力 第11頁/共84頁 影響表面張力的因素： 1. 分子間力的影響分子間力的影響 表面張力與物質(zhì)的本性和所接觸相的性質(zhì)有關(guān)。液體或表面張力與物質(zhì)的本性和所接觸相的性質(zhì)有關(guān)。液體或 者固體中的分子間的相互作用力或化學(xué)鍵力越大，表面者固體中的分子間的相互作用力或化學(xué)鍵力越大，表面 張力越大。張力越大。 Hg NaCl H2O 苯 金屬鍵離子鍵極性共價鍵及氫鍵非極性共價鍵 表面張力 第12頁/共84頁 影響表面張力的因素： 1. 分子間力的影響分子間力的影響 表面張力 第13頁/共8

7、4頁 影響表面張力的因素： 2. 溫度的影響溫度的影響 隨溫度升高，分子間的距離增大，分子間的相互作用力隨溫度升高，分子間的距離增大，分子間的相互作用力 減弱，表面張力就會下降。當(dāng)溫度升高到臨界溫度時，減弱，表面張力就會下降。當(dāng)溫度升高到臨界溫度時， 液體與氣體的界面消失，表面張力趨于零。液體與氣體的界面消失，表面張力趨于零。 表面張力 第14頁/共84頁 表面自由能 B nTp AG , )/( 狹義表面自由能的定義：保持溫度、壓力和組成不 變，每增加單位表面積時，Gibbs自由能的增加值 稱為表面Gibbs自由能，或簡稱表面自由能或表面 能，用符號表示，單位為Jm-2。 表面自由能 第15

8、頁/共84頁 表面張力與表面表面張力與表面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 不同點：物理概念、意義不同： 表面張力（通常）指純物質(zhì)的表面層分子間實際存在 著的（收縮）張力。單位：N / m。 表面自由能表示形成單位新表面使體系自由能的增加 ，可表示為：J/m2 第16頁/共84頁 表面張力與表面表面張力與表面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 相同點： 既可表示表面自由能又可表示表面張力，兩者量綱既可表示表面自由能又可表示表面張力，兩者量綱 相同，數(shù)值相等：相同，數(shù)值相等： 表面自由能表面自由能 J / m2 = N m /m2 =

9、 N / m 表面張力表面張力 第17頁/共84頁 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 吸附等溫式 表界面四大定律之中的三個 第18頁/共84頁 1. Laplace方程 彎曲表面上的附加壓力 ps ps 由于液面是彎曲的，沿由于液面是彎曲的，沿AB的周界上的表面張力不能抵的周界上的表面張力不能抵 消，作用于邊界的力有一指向曲率中

10、心的合力。消，作用于邊界的力有一指向曲率中心的合力。所有所有 的點產(chǎn)生的合力和為的點產(chǎn)生的合力和為 Ps ，稱為，稱為附加壓力。附加壓力。 AB AB 第19頁/共84頁 1. Laplace方程 附加壓力的方向總是指向曲率中心。 ps ps 彎曲表面上的附加壓力 第20頁/共84頁 （1）凸液面，液滴的曲率半徑r為正，P為正，附加壓力 指向液體內(nèi)部，r越小，P越大； （2）平液面，r趨向無窮大，P為零，跨越平液面不存在 壓力差； （3）凹液面，r為負，P為負，附加壓力指向空氣。 2 48 2/ (2-15) Prr dr pr r d 1. Laplace方程 第21頁/共84頁 涉及的計算

11、： 知道內(nèi)外壓差，液體表面張力，計算液珠直徑。 2 48 2/ (2-15) Prr dr pr r d 1. Laplace方程 第22頁/共84頁 1. Laplace方程的應(yīng)用 液體表面張力測定液體表面張力測定 毛 細 管 法 最 大 氣 泡 壓 力 法 滴 重 法 吊 環(huán) 法 吊 板 法 第23頁/共84頁 1. Laplace方程的應(yīng)用 MN 0 p p p 2 H O Hg 毛細管現(xiàn)象毛細管現(xiàn)象 浸潤液體在細管里升高的現(xiàn)象和不浸潤液體在細管里降低的現(xiàn) 象,叫做毛細現(xiàn)象.能夠產(chǎn)生明顯毛細現(xiàn)象的管叫做毛細管. 毛細管法 第24頁/共84頁 p=2/r (2-19) gh=2 /r (2

12、-20) h r r 毛細管法 1. Laplace方程的應(yīng)用 第25頁/共84頁 毛細管法 gh=2 /r (2-20) h r r 1. Laplace方程的應(yīng)用 第26頁/共84頁 2. Kelvin公式 彎曲表面上的蒸汽壓 Kelvin公式表明： 液滴的半徑越小，其蒸汽壓越大。 氣泡的半徑越小，其蒸汽壓越小。 r M R V P P RT 22 )ln( 0 第27頁/共84頁 2. Kelvin公式 彎曲表面上的蒸汽壓 涉及計算時特別注意： 液滴：凸面，r0。 氣泡：凹面，r0, PrP0 r M R V P P RT 22 )ln( 0 凸液面使得蒸氣壓增凸液面使得蒸氣壓增 大，因

13、此液滴極難產(chǎn)大，因此液滴極難產(chǎn) 生和存在。生和存在。 當(dāng)蒸汽中有灰塵存在或容器的內(nèi)表面粗糙時，這些物質(zhì)可以作為蒸汽的凝結(jié)中當(dāng)蒸汽中有灰塵存在或容器的內(nèi)表面粗糙時，這些物質(zhì)可以作為蒸汽的凝結(jié)中 心，使液核易于生成及長大，在蒸汽的過飽和程度較小的情況下，蒸汽就開始心，使液核易于生成及長大，在蒸汽的過飽和程度較小的情況下，蒸汽就開始 凝結(jié)。凝結(jié)。 2. Kelvin公式 第30頁/共84頁 1. 過飽和蒸汽 2. Kelvin公式 當(dāng)空氣中的水蒸氣凝結(jié)時，首先形成非常小的液核，在液核存在當(dāng)空氣中的水蒸氣凝結(jié)時，首先形成非常小的液核，在液核存在 的基礎(chǔ)上繼而長大形成大的液滴，從而發(fā)生水蒸氣的凝結(jié)。的基

14、礎(chǔ)上繼而長大形成大的液滴，從而發(fā)生水蒸氣的凝結(jié)。根據(jù)根據(jù) kelvin公式：公式： 對于初始形成的液核，半徑非常小，其對應(yīng)的飽和蒸汽壓遠遠大對于初始形成的液核，半徑非常小，其對應(yīng)的飽和蒸汽壓遠遠大 于平液面水的飽和蒸汽壓，所以液核很難形成，從而發(fā)生了空氣中于平液面水的飽和蒸汽壓，所以液核很難形成，從而發(fā)生了空氣中 水蒸氣過飽和現(xiàn)象。水蒸氣過飽和現(xiàn)象。 若在空中存在凝結(jié)中心，若在空中存在凝結(jié)中心， 比如灰塵，比如灰塵， 會使水滴初始凝結(jié)曲率半會使水滴初始凝結(jié)曲率半 徑變大，徑變大， 當(dāng)相應(yīng)的飽和蒸氣壓小于高空中有的水蒸氣壓力時，當(dāng)相應(yīng)的飽和蒸氣壓小于高空中有的水蒸氣壓力時， 蒸蒸 氣會凝結(jié)成水。

15、人工降雨正是利用種原理，氣會凝結(jié)成水。人工降雨正是利用種原理， 通過向云層通過向云層 中的過飽中的過飽 和水氣提供凝聚中心和水氣提供凝聚中心( 例如例如Ag I 微粒微粒) 以達到以達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頁/共84頁 2. 過熱液體 按照相平衡條件應(yīng)當(dāng)沸騰而不沸騰的液體。 液體液體 氣泡氣泡 凹液面凹液面 r0,Pr0，是，是正正吸附，此時表面層中溶質(zhì)濃度吸附，此時表面層中溶質(zhì)濃度高于高于本體溶液，表本體溶液，表 面活性物質(zhì)就屬于此種情況。面活性物質(zhì)就屬于此種情況。 2）0，是，是負負吸附，此時表面層中溶質(zhì)濃度吸附，此時表

16、面層中溶質(zhì)濃度低于低于本體濃度，非本體濃度，非 表面活性物質(zhì)就屬于此種情況。表面活性物質(zhì)就屬于此種情況。 TT cRTcRT c ) ln ( 1 )( 22 2 1 2 第57頁/共84頁 第三章第三章 固體表面固體表面 物理吸附物理吸附化學(xué)吸附化學(xué)吸附 吸附力吸附力 范德華力范德華力化學(xué)鍵力化學(xué)鍵力 吸附熱吸附熱 較小，近于液化熱較小，近于液化熱較大，近于化學(xué)反應(yīng)熱較大，近于化學(xué)反應(yīng)熱 選擇性選擇性 無選擇性無選擇性有選擇性有選擇性 吸附穩(wěn)定性吸附穩(wěn)定性 不穩(wěn)定，易解吸不穩(wěn)定，易解吸比較穩(wěn)定，不易解吸比較穩(wěn)定，不易解吸 分子層分子層 單分子層或多分子層單分子層或多分子層單分子層單分子層 吸

17、附速率吸附速率 較快，不受溫度影響，故一較快，不受溫度影響，故一 般不需要活化能般不需要活化能 較慢，溫度升高則速度加快，較慢，溫度升高則速度加快， 故需要活化能故需要活化能 1.物理吸附與化學(xué)吸附的比較：物理吸附與化學(xué)吸附的比較： 第58頁/共84頁 2.Langmuir吸附理論的基本假設(shè)是：吸附理論的基本假設(shè)是： 1）吸附是單分子層的；）吸附是單分子層的；2)固體表面是均勻的；固體表面是均勻的；3）被吸附分子間沒有相互作用；）被吸附分子間沒有相互作用； 4）吸附速率和脫附速率相等，達到動態(tài)平衡。）吸附速率和脫附速率相等，達到動態(tài)平衡。 3.Langmuir吸附等溫式的表達式：吸附等溫式的表

18、達式： 其中其中b為為吸附系數(shù)吸附系數(shù)，b的大小代表了的大小代表了固體表面吸附氣體的強弱程度固體表面吸附氣體的強弱程度。 Langmuir吸附等溫式適用于吸附等溫式適用于單分子層化學(xué)吸附單分子層化學(xué)吸附。 4.Freundlish吸附等溫式的表達式：吸附等溫式的表達式： 它只適用于它只適用于中壓范圍的吸附中壓范圍的吸附 5.BET多分子層吸附理論的假設(shè)是多分子層吸附理論的假設(shè)是: 1)固體表面是均勻的固體表面是均勻的; 2)吸附靠分子間力吸附靠分子間力, 吸附可以是多分子層的吸附可以是多分子層的; 3)吸附分子的吸附分子的 解吸不受四周其它分子影響解吸不受四周其它分子影響; 4)吸附與脫附建立

19、起動態(tài)平衡。吸附與脫附建立起動態(tài)平衡。 bp bp 1 n kpV 1 第59頁/共84頁 1. 表面發(fā)生變化時，表面發(fā)生變化時，Gibbs自由能的變化以及自由能的變化以及 環(huán)境所做的環(huán)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頁/共84頁 第61頁/共84頁 第62頁/共84頁 2. 與與Kelvin公式相關(guān)的計算。公式相關(guān)的計算。 r M R V P P RT 22 )ln( 0 r M C C RT ls 2 ln 0 第63頁/共84頁 P32：6. 試用試用K

20、elvin公式解釋空氣中水蒸氣過飽和的原因。公式解釋空氣中水蒸氣過飽和的原因。 在在20下水的密度為下水的密度為998.2 kg/m3，表面張力為，表面張力為72.810-3 N/m，若水滴半徑為，若水滴半徑為10-6 cm，求水的過飽和度。，求水的過飽和度。 根據(jù)根據(jù)kelvin公式：公式： 當(dāng)空氣中的水蒸氣凝結(jié)時，首先形成非常小的液核，在液核當(dāng)空氣中的水蒸氣凝結(jié)時，首先形成非常小的液核，在液核 存在的基礎(chǔ)上繼而長大形成大的液滴，從而發(fā)生水蒸氣的凝存在的基礎(chǔ)上繼而長大形成大的液滴，從而發(fā)生水蒸氣的凝 結(jié)。結(jié)。 對于初始形成的液核，半徑非常小，其對應(yīng)的飽和蒸汽壓遠對于初始形成的液核，半徑非常小

21、，其對應(yīng)的飽和蒸汽壓遠 遠大于平液面水的飽和蒸汽壓，所以液核很難形成，從而發(fā)遠大于平液面水的飽和蒸汽壓，所以液核很難形成，從而發(fā) 生了空氣中水蒸氣過飽和現(xiàn)象。生了空氣中水蒸氣過飽和現(xiàn)象。 r M R V P P RT 22 )ln( 0 第64頁/共84頁 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頁/共84頁 7. 水蒸氣迅速冷凝到水

22、蒸氣迅速冷凝到25時會發(fā)生過飽和現(xiàn)象。已知時會發(fā)生過飽和現(xiàn)象。已知 25下水的下水的表面張力為表面張力為71.49 mN/m，當(dāng)過飽和水蒸氣壓，當(dāng)過飽和水蒸氣壓 為水的平衡蒸汽壓的為水的平衡蒸汽壓的4倍時，試計算：倍時，試計算： （1）在此過飽和情況下，開始形成水滴的半徑。）在此過飽和情況下，開始形成水滴的半徑。 （2）此種水滴中含有多少個水分子。）此種水滴中含有多少個水分子。 第66頁/共84頁 （個） ，根據(jù)開爾文公式： 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頁/共84頁 8. 已知已知17時大粒塊二硝基苯在水中的溶解度為時大粒塊二硝基苯在水中的溶解度為 5.910-3mol/dm3，固液兩相的界面張力為，固液兩相的界面張力為25.710-3 N/m，計算當(dāng)顆粒直徑為，計算當(dāng)顆粒直徑為0.01m時時二硝基苯在水中的溶二硝基苯在水中的溶 解度。二硝基苯密度為解度。二硝基苯密度為1.565g/cm3. 第68頁/共84頁 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頁/共84頁 第70頁/共84頁 第71頁/共84頁 3. 與與Langmuir公式相關(guān)的計算。公式相關(guān)的計算。 Vbp = 1+bp m V Vbp = 1+bp m V p1 (3-11) V mm p V bV 第72頁/共84頁 4：用活性炭吸附CHCl3，符合Langmuir吸附等溫 式，在0 時的飽和吸附量為93.8 dm3*kg-1。已知 CHCl3的分壓為13.4kPa時的平衡

25、吸附量為82.5 dm3*kg-1 。試計算CHCl3的分壓為為6.67kPa時的 平衡吸附量。 第73頁/共84頁 解： 由Langmuir吸附等溫式： 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頁/共84頁 6： -33.6時測得時測得CO 在活性炭上的吸附數(shù)據(jù)如下： 在活性炭上的吸附數(shù)據(jù)如下： p，單位，單位cmHg; a（每克活性炭吸附（

26、每克活性炭吸附CO的體積，單 的體積，單 位位cm3 ，已換算成標(biāo)準(zhǔn)狀況），已換算成標(biāo)準(zhǔn)狀況） p10.118.83243 5467 8.5413.1 18.2 21.0 23.8 26.3 比較比較Freundlish和和Langmuir公式何者更適用于這種吸附，公式何者更適用于這種吸附， 并計算公式中個常數(shù)的值（并計算公式中個常數(shù)的值（76 cmHg=1.01105Pa） a 第75頁/共84頁 （1）將朗繆爾吸附等溫式寫作：）將朗繆爾吸附等溫式寫作： mm V p bV 1 V p 以以 p/ V 對對 p 作圖，可得一直線，由直線的斜率及截距即 作圖，可得一直線，由直線的斜率及截距即

27、可求得可求得Vm 及及 b 。在不同平衡壓力下的。在不同平衡壓力下的 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頁/共84頁 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 由直線的截距由直線的截