表面化學(xué)論文

表面化學(xué)學(xué)科發(fā)展概述（東北大學(xué)）摘要表面化學(xué)對(duì)于化學(xué)工業(yè)很重要,它可以幫助我們了解不同的過(guò)程,例如鐵為什么生銹、燃料電池如何工作、汽車(chē)內(nèi)催化劑如何起作用等;此外,表面化學(xué)反應(yīng)對(duì)于許多工業(yè)生產(chǎn)起著重要作用,如人工肥料的生產(chǎn);表面化學(xué)甚至能解釋臭氧層破壞;半導(dǎo)體工業(yè)也是與表面化學(xué)相關(guān)聯(lián)的領(lǐng)域；表面化學(xué)與許多學(xué)科有關(guān)，且發(fā)展歷史悠久，將來(lái)也一定會(huì)有更廣闊的發(fā)展空間。關(guān)鍵詞表面化學(xué)化工工業(yè)其他學(xué)科發(fā)展概述一、表面化學(xué)簡(jiǎn)介表面化學(xué)是物理化學(xué)的一個(gè)分支,是在膠體化學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一門(mén)古老而又年輕的學(xué)科。它主要研究在物質(zhì)兩相之間的界面上發(fā)生的物理化學(xué)過(guò)程。通常將氣-固、氣-液界面上發(fā)生的物理化學(xué)過(guò)程稱(chēng)為表面化學(xué),而在固-液、液-液界面上發(fā)生的物理化學(xué)過(guò)程稱(chēng)為界面化學(xué)。但也有些學(xué)者將所有的界面過(guò)程化學(xué)問(wèn)題都稱(chēng)作表面化學(xué)或界面化學(xué),并不是分得很?chē)?yán)格?？梢哉f(shuō)在自然界和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活中,到處都存在著在與表面化學(xué)有關(guān)的問(wèn)題,如:水珠滴在干凈的玻璃板上,就會(huì)自動(dòng)鋪展;但如果水珠滴在荷葉上,情況則完全相反,此種現(xiàn)象都與表面化性質(zhì)有關(guān)。表面化學(xué)與許多學(xué)科,如:電器及通訊器材學(xué)科、材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物及分子生物學(xué)、土壤學(xué)、地質(zhì)學(xué)、環(huán)境科學(xué)等都有密切聯(lián)系。它在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與人們?nèi)粘Ｉ钪卸加袕V泛應(yīng)用。如石油的開(kāi)采、油漆涂料的生產(chǎn)、各種輕化工、日用化學(xué)品的制造、信息材料的制造、采礦中的浮選、環(huán)境污染的處理與防治。同時(shí),食品、紡織、軍工、體育用品、農(nóng)藥、建材等眾多領(lǐng)域都與膠體和表面化學(xué)有關(guān)。因此,可以夸張地說(shuō),表面化學(xué)已經(jīng)滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)及人民生活的各個(gè)方面。二、表面化學(xué)的重要性密切接觸的兩相之間的過(guò)渡區(qū)（約幾個(gè)分子的厚度）稱(chēng)為界面,如果其中一相為氣體,這種界面通常稱(chēng)為表面。在相的界面上所發(fā)生的一切物理化學(xué)現(xiàn)象,統(tǒng)稱(chēng)為界面現(xiàn)象,通常將氣一液、氣一固界面現(xiàn)象稱(chēng)為表面現(xiàn)象。表面化學(xué)是研究表面上所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的科學(xué),主要研究對(duì)象是表面的形成、表面組成結(jié)構(gòu)和表面上進(jìn)行的吸附、擴(kuò)散以及化學(xué)反應(yīng)的能力等。表面化學(xué)過(guò)程的研究對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活有著重要作用。石油煉制工業(yè)中的催化重整、加氫精制工藝過(guò)程同催化劑的表面性質(zhì)和分子同催化劑表面的反應(yīng)性能密切相關(guān)。表面化學(xué)家對(duì)哈伯一博施（HaberBosch）過(guò)程的透徹研究促進(jìn)了合成氨工業(yè)的飛速發(fā)展。在環(huán)保方面,人們對(duì)一氧化碳在金屬表面氧化過(guò)程的研究促進(jìn)了汽車(chē)尾氣凈化裝置的研制,極大地減少了汽車(chē)尾氣對(duì)環(huán)境的污染；對(duì)氟氯烴以催化方式破壞臭氧層過(guò)程的研究有助于幫助人們找到更好的保護(hù)臭氧層的方法。在微電子領(lǐng)域,人們不僅用化學(xué)氣象沉積法生成了大量的很薄的半導(dǎo)體,而且對(duì)半導(dǎo)體表面物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了深人研究,為開(kāi)發(fā)新的高效半導(dǎo)體器件提供了理論依據(jù)。在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域,紡織、造紙、礦山都離不開(kāi)高效工業(yè)表面活性劑,就連實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化采掘石油也需加入表面活性劑以有效地降低巖芯與石油混合物之間的表面張力以及粘度。在能源行業(yè),水在半導(dǎo)體表面光解制氫的研究成果可為實(shí)現(xiàn)利用水中氫資源開(kāi)辟途徑；人們正試圖找到效率更高的燃料電池,以使車(chē)用氫氣燃料電池替代日漸匾乏的汽油。表面化學(xué)反應(yīng)引起的腐蝕是日常生活（自來(lái)水管、炊具、鐵門(mén)、欄桿等）與工業(yè)生產(chǎn))（如船舶、汽車(chē)、橋梁、核電站與飛機(jī)等）中所面臨的重要問(wèn)題：全世界每年有高達(dá)1/4的鐵因銹蝕(鐵在潮濕、有氧環(huán)境下的催化氧化)而失去使用價(jià)值,每年因腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失約7000億美元。表面化學(xué)研究則可以提供防止腐蝕的方法,通過(guò)調(diào)節(jié)表面組分,如在表面形成一層氧化物保護(hù)膜或惰性物質(zhì),可以減少腐蝕,如:將鉻鍍?cè)诓讳P鋼的表面,由于鉻對(duì)空氣或氧以及酸類(lèi)有很大的惰性,可使鋼材防腐蝕?？梢?jiàn)表面化學(xué)過(guò)程的研究在廣泛的用化學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的應(yīng)用范圍內(nèi)起了關(guān)鍵作用,具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。表面化學(xué)過(guò)程的研究在基礎(chǔ)化學(xué)研究中也有很重要的作用。在化學(xué)反應(yīng)的理論研究中,在氣相中研究分子的形成最簡(jiǎn)單,因?yàn)樵跉庀嘀恍杩紤]發(fā)生相互碰撞的兩個(gè)反應(yīng)物的影響。然而,在實(shí)際應(yīng)用中,有很多重要的反應(yīng)發(fā)生在很復(fù)雜的環(huán)境中,反應(yīng)物要經(jīng)常與鄰近分子進(jìn)行能量與動(dòng)量的交換,如:在溶液中,環(huán)境是無(wú)序動(dòng)態(tài)變化的,對(duì)這類(lèi)系統(tǒng)的描述,必須考慮環(huán)境的影響,研究起來(lái)非常困難。氣固界面提供了一個(gè)處于簡(jiǎn)單的氣相環(huán)境與復(fù)雜的液相環(huán)境之間的環(huán)境,在固體表面,吸附分子與載體交換能量與動(dòng)量,但在很多理想情況,載體是長(zhǎng)程有序的,因此,分子與載體間的相互作用很有規(guī)律,可以進(jìn)行精確的實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算。所以通?？梢园驯砻婊瘜W(xué)反應(yīng)的研究看作深入理解實(shí)際反應(yīng)的一種途徑。催化領(lǐng)域面臨的首要任務(wù)是在已積累的大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上繼續(xù)深入認(rèn)識(shí)若干系列催化過(guò)程的機(jī)理和開(kāi)發(fā)新的催化反應(yīng),研制相應(yīng)的催化材料。由于表面技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用,人們愈來(lái)愈多的在金屬及氧化物單晶材料的表面上進(jìn)行在實(shí)際應(yīng)用中有重要作用的復(fù)雜催化反應(yīng)的模擬研究,以便積累數(shù)據(jù),綜合分析,從中找出有關(guān)催化反應(yīng)基元過(guò)程的重要信息和線(xiàn)索,為設(shè)計(jì)和改進(jìn)所需高效催化劑提供理論依據(jù)。三、表面化學(xué)的發(fā)展由于在化學(xué)研究中的重要性,表面與界面化學(xué)過(guò)程的研究已經(jīng)有了很長(zhǎng)的歷史。早在;<世紀(jì),人們就開(kāi)始了表面的研究,例如催化、電化學(xué)以及表面相的熱力學(xué)研究等。法國(guó)科學(xué)家薩巴蒂埃（P.sabatier）因使用細(xì)金屬粉末作催化劑,發(fā)明了一種制取氫化不飽和烴的有效方法與他人分享了1912年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。隨后人們認(rèn)識(shí)到這個(gè)反應(yīng)中最關(guān)鍵的步驟是控制氫分子在金屬表面的吸附,而不使氫在金屬表面上解離成氫原子(氫分子在金屬表面容易發(fā)生解離吸附)。這個(gè)方法經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)后,至今仍是有機(jī)物氫化反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程。德國(guó)科學(xué)家哈伯(F.Haber)因合成氨法的發(fā)明而獲得1918年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1932年美國(guó)科學(xué)家朗繆爾(I.Langmuir)因提出并研究表面化學(xué)獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。他于1909年開(kāi)始研究表面化學(xué),1916年提出了單分子層吸附理論和“朗繆爾吸附等溫方程”,1917年制成“表面天平”,以測(cè)定分子在表面膜內(nèi)的表面積,1920年研究了表面反應(yīng)動(dòng)力學(xué),得到被后人命名為“朗繆爾等溫線(xiàn)”的基本理論。后來(lái),英國(guó)科學(xué)家欣謝爾伍德(C.N.Hinshelwood)進(jìn)一步發(fā)展了這個(gè)理論,成為多相催化反應(yīng)的“朗繆爾一欣謝爾伍德機(jī)理”。從1932年開(kāi)始,表面化學(xué)過(guò)程領(lǐng)域就沒(méi)有獲得過(guò)諾貝爾獎(jiǎng)。1956年欣謝爾伍德與蘇聯(lián)科學(xué)家謝苗諾夫(N.N.Semenov)因化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的研究而共同獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1986年美國(guó)科學(xué)家赫希巴赫(D.R.Herschbach)、美籍華裔科學(xué)家李遠(yuǎn)哲(Y.T.Lee)與德國(guó)科學(xué)家波拉尼(J.C.Polanyi)因他們對(duì)化學(xué)基元反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的貢獻(xiàn)而共同獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。這些諾貝爾獎(jiǎng)的工作主要集中在氣相化學(xué)反應(yīng)基本原理的研究上。在朗繆爾的工作以后,相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)表面化學(xué)領(lǐng)域都缺乏開(kāi)創(chuàng)性的研究工作,原因主要有三點(diǎn):首先,制備表面時(shí),很難精確控制表面的組分與形狀。其次,缺乏可以直接探測(cè)表面分子反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)技術(shù),表面反應(yīng)只含有幾個(gè)分子,通常以極快的速度在只有一個(gè)分子厚的薄層中進(jìn)行。人們只能在氣相測(cè)量化學(xué)組分,進(jìn)而推斷分子在表面可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng),所以這樣得到的結(jié)果可靠性不高。最后,表面具有極高的化學(xué)活性,在大氣中,表面很容易吸附空氣中的氣體或與之發(fā)生反應(yīng),在研究一個(gè)特定的反應(yīng)時(shí)很難保持表面的清潔,因此這樣的研究通常需要真空設(shè)備、電子顯微鏡、無(wú)塵室等先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及先進(jìn)的方法以保證結(jié)果具有極高的精確度與可靠性。整個(gè)領(lǐng)域由于20世紀(jì)50年代到60年代半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了變化。由于真空技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了一些在高真空條件下研究表面的新方法,使人們可以從微觀(guān)水平上對(duì)表面現(xiàn)象進(jìn)行研究,表面化學(xué)開(kāi)始成為一項(xiàng)獨(dú)立的基礎(chǔ)學(xué)科,并吸引了一批具有固體物理、物理化學(xué)、化學(xué)工程知識(shí)背景的科學(xué)家,從此表面化學(xué)得到迅猛發(fā)展,大量研究成果被廣泛應(yīng)用于涂料、建材、冶金、能源等行業(yè)。
20世紀(jì)60年代以后,各種表面分析技術(shù)不斷涌現(xiàn)。近幾十年來(lái),檢測(cè)表面性能的實(shí)驗(yàn)技術(shù)有了突破性的發(fā)展,對(duì)表面組成、結(jié)構(gòu)、電子性能、磁學(xué)性能都可以從極微觀(guān)的層次進(jìn)行表征,為深人研究表面反應(yīng)過(guò)程提供了十分方便的實(shí)驗(yàn)手段。常用的實(shí)驗(yàn)方法有X射線(xiàn)光電子能譜、紫外光電子能譜、俄歇電子能譜、電子能量損失譜、低能電子衍射、程序升溫脫附技術(shù)等,其中,尤以賓尼(GerdBinning)和羅雷爾(HcinrichRohrer)在20世紀(jì)80年代發(fā)明掃描隧道顯微鏡(STM)以及后來(lái)賓尼等研制的原子力顯微鏡(AFM)為代表,將表面分析技術(shù)的開(kāi)發(fā)推上巔峰。這些林林總總的表面分析技術(shù)與方法成為人們探索表面的有力武器,將人們帶人了迷人的原子和分子世界,實(shí)現(xiàn)了人們一直渴望“看到”以及操控原子和分子的夢(mèng)想,給表面化學(xué)的發(fā)展帶來(lái)了無(wú)盡的生機(jī)與活力。四、表面化學(xué)與礦物加工的關(guān)系及應(yīng)用案例近年來(lái),由于國(guó)內(nèi)礦產(chǎn)資源趨向于共生關(guān)系更復(fù)雜的多金屬?gòu)?fù)雜礦,利用傳統(tǒng)的浮選方法處理存在分離困難、所得產(chǎn)品質(zhì)量不高等問(wèn)題,造成了很大的資源浪費(fèi)。如何實(shí)現(xiàn)復(fù)雜礦產(chǎn)資源的綜合利用,已成為選礦科技的重要問(wèn)題之一。正在研究和發(fā)展中的電位調(diào)控浮選新技術(shù),它比以捕收劑—pH匹配為特征的傳統(tǒng)黃藥浮選前進(jìn)了一步,能夠?qū)崿F(xiàn)硫化礦物的高選擇性、低藥劑消耗的浮選分離。由于電位調(diào)控浮選過(guò)程中在不同的礦漿電位下,礦物表面會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜的過(guò)程,比如氧化還原反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)、溶解、吸附和沉淀等。這些復(fù)雜的過(guò)程會(huì)導(dǎo)致礦物表面發(fā)生改變,形成非勻質(zhì)成分的氧化產(chǎn)物,從而影響礦物表面的親水性和疏水性,進(jìn)而影響硫化礦物的可浮性使不同礦物之間能有效地分離。因此,研究不同電位下硫化物表面形成的氧化產(chǎn)物相的化學(xué)構(gòu)成具有重要意義。對(duì)于硫化物無(wú)捕收劑浮選過(guò)程中表面產(chǎn)物層的構(gòu)成至今存在很大的爭(zhēng)議。主要分歧在于硫化物表面起疏水作用的物質(zhì)是缺金屬硫化物還是多硫化物和單質(zhì)硫。Buckley認(rèn)為缺金屬硫化物是硫化礦物表面造成疏水的主要物質(zhì)，而Yoon提出硫化物表面的疏水產(chǎn)物主要是多硫化物。他解釋測(cè)出的硫化物表面存在的單質(zhì)硫的量要比表面存在的多硫化物的量要少很多，因此,單質(zhì)硫的存在與硫化物的疏水性沒(méi)有關(guān)系。國(guó)內(nèi)學(xué)者普遍認(rèn)為單質(zhì)硫是引起硫化物表面疏水的主要物質(zhì)，但是,對(duì)于在中性浮選介質(zhì)中不同電位下硫化物表面形成的疏水物質(zhì)的形態(tài)尚未見(jiàn)報(bào)道。參考文獻(xiàn)1、范明霞、張智，活性炭孔徑分布和表面化學(xué)性質(zhì)對(duì)吸附影響的研究進(jìn)展【J】煤炭加工與綜合利用，2011年01期2、林信惠、李艷平，Lrvinglangmuir:pioneerofsurfacechemistry【J】自然辯證法通訊、2012年03期3、馬秀芳、李微雪、鄧輝球，現(xiàn)代表面化學(xué)的發(fā)展——2007年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)簡(jiǎn)介【G】自然雜志；2007年06期

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