材料表界面_1-3章ppt课件VIP

.,1-3章,.,第一章绪论第二章液体界面第三章固体表面,.,第一章绪论,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,.,表界面的定义,表界面是由一个相过渡到另一个相的过渡区域。若其中一相为气体，这种界面通常称为表面(surface)。,表界面区的结构、能量、组成等都呈现连续的梯度变化。,.,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,.,物理表面,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和成分不同的变化。,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；台阶化：有规律的非完全平面结构；,偏析：溶液或溶质在相界、晶界或缺陷上的聚集；吸附：气相原子或分子在气固界面上的聚集。,结构变化,化学组成变化,.,指表面层之间以及表面和体内原子层之间的垂直间距ds和体内原子层间距d0相比有所膨胀和压缩的现象。可能涉及几个原子层。,指表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内，但在垂直方向上的层间间距d0与体内相同。,表面不是平面，由规则或不规则台阶组成。,结构变化,弛豫,重构,台阶化,.,指溶液或溶质在相界、晶界或缺陷上的聚集。,气相原子或分子在气固界面上的聚集。,化学组成变化,偏析,吸附,.,表界面通常有五类：气-液表面气-固表面液-液界面液-固界面固-固界面,.,第二章液体表面,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。,表面张力和表面自由能,.,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。,把作用于单位边界线上的这种力称为表面张力，用表示，单位是Nm-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,.,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,.,影响表面张力的因素：,1.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。,HgNaClH2O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,.,影响表面张力的因素：,1.分子间力的影响,表面张力,.,影响表面张力的因素：,2.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。,表面张力,.,表面自由能,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,.,表面张力与表面Gibbs自由能,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,.,表面张力与表面Gibbs自由能,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，两者量纲相同，数值相等：表面自由能J/m2=Nm/m2=N/m表面张力,.,1.Laplace方程,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,.,1.Laplace方程,弯曲表面上的附加压力,ps,由于液面是弯曲的，沿AB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心的合力。所有的点产生的合力和为Ps，称为附加压力。,A,B,A,B,.,1.Laplace方程,附加压力的方向总是指向曲率中心。,ps,弯曲表面上的附加压力,.,（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。,1.Laplace方程,.,涉及的计算：知道内外压差，液体表面张力，计算液珠直径。,1.Laplace方程,.,1.Laplace方程的应用,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,.,1.Laplace方程的应用,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,.,由Laplace方程可得：若定义h为凹月面底部距平液面的高度，则压差p应等于毛细管内液柱的静压强，即,毛细管法,1.Laplace方程的应用,.,毛细管法,涉及到的计算：知道毛细管液面高度，求表面张力。,1.Laplace方程的应用,.,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。,.,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,凸液面使得蒸气压增大，因此液滴极难产生和存在。,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。,2.Kelvin公式,.,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，在液核存在的基础上继而长大形成大的液滴，从而发生水蒸气的凝结。根据kelvin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。若在空中存在凝结中心，比如灰尘，会使水滴初始凝结曲率半径变大，当相应的饱和蒸气压小于高空中有的水蒸气压力时，蒸气会凝结成水。人工降雨正是利用种原理，通过向云层中的过饱和水气提供凝聚中心(例如AgI微粒)以达到人工增雨的目的。,.,2.过热液体按照相平衡条件应当沸腾而不沸腾的液体。,r0,Pr0，是正吸附，此时表面层中溶质浓度高于本体溶液，表面活性物质就属于此种情况。2）0，是负吸附，此时表面层中溶质浓度低于本体浓度，非表面活性物质就属于此种情况。,.,第三章固体表面,1.物理吸附与化学吸附的比较：,.,2.Langmuir吸附理论的基本假设是：1）吸附是单分子层的；2)固体表面是均匀的；3）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。3.Langmuir吸附等温式的表达式：其中b为吸附系数，b的大小代表了固体表面吸附气体的强弱程度。Langmuir吸附等温式适用于单分子层化学吸附。4.Freundlish吸附等温式的表达式：它只适用于中压范围的吸附5.BET多分子层吸附理论的假设是:1)固体表面是均匀的;2)吸附靠分子间力,吸附可以是多分子层的;3)吸附分子的解吸不受四周其它分子影响;4)吸附与脱附建立起动态平衡。,.,1.表面发生变化时，Gibbs自由能的变化以及环境所做的功。,G=GsA,.,.,.,2.与Kelvin公式相关的计算。,.,P32：6.试用Kelvin公式解释空气中水蒸气过饱和的原因。在20下水的密度为998.2kg/m3，表面张力为72.810-3N/m，若水滴半径为10-6cm，求水的过饱和度。,根据kelvin公式：,当空气中的水蒸气凝结时，首先形成非常小的液核，在液核存在的基础上继而长大形成大的液滴，从而发生水蒸气的凝结。,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。,.,解：ln=0.1078,p,p0,=,1.114,p-p0,p0,=,11.4%,.,7.水蒸气迅速冷凝到25时会发生过饱和现象。已知25下水的表面张力为71.49mN/m，当过饱和水蒸气压为水的平衡蒸汽压的4倍时，试计算：（1）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。,.,.,8.已知17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25.710-3N/m，计算当颗粒直径为0.01m时二硝基苯在水中的溶解度。二硝基苯密度为1.565g/cm3.,.,解：ln=0.458,C,C0,=,1.58,C=9.3210-3mol/dm3,.,.,.,3.与Langmuir公式相关的计算。,.,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93.8dm3*kg-1。已知CHCl3的分压为13.4kPa时的平衡吸附量为82.5dm3*kg-1。试计算CHCl3的分压为为6.67kPa时的平衡吸附量。,.,解：由Langmuir吸附等温式：已知：Vm93.810-3m3kg-1V=82.510-3m3kg-1P=13.4kPa代入上式，求得b5.4510-4m2N-1以p=6.67kPa,Vm和b如上，代入Langmuir式，求得V73.610-3m3kg-1,.,6：-33.6时测得CO在活性炭上的吸附数据如下：p，单位cmHg;a（每克活性炭吸附CO的体积，单位cm3，已换算成标准状况）,比较Freundlish和Langmuir公式何者更适用于这种吸附，并计算公式中个常数的值（76cmHg=1.01105Pa）,a,.,（1）将朗缪尔吸附等温式写作：,以p/V对p作图，可得一直线，由直线的斜率及截距即可求得Vm及b。在不同平衡压力下的p/V值列表如下：,解：,.,Y=1.2975+0.02393X,由直线的截距,得吸附系数,.,（2）将Freundlish吸附等温式写作：,以LgV对Lgp作图，可得一直线，由直线的斜率及截距即可求得1/n及k。,lgV,.,Y=0.27422+0.