固体的表面及其结构课件

1、固体的外表及其构造 本课件仅供学习使用 学习完毕请自行删除 本课件仅供学习使用 学习完毕请自行删除 本课件仅供学习使用 学习完毕请自行删除固体的外表及其构造 本课件仅供学习使用 学习完5.1 固体的外表及其构造5.2界面行为5.3 粘土水系统第五章 固体的外表与界面 5.1 固体的外表及其构造第五章 固体的外表与界面 5.1 固体的外表及其构造5.1.1 固体的外表5.1.2 固体的外表构造5.1 固体的外表及其构造5.1.1 固体的外表5.1.1 固体的外表1. 理想外表2. 清洁外表1台阶外表2弛豫外表3重构外表3. 吸附外表4. 固体外表能和外表张力5. 外表偏析6. 外表力场 5.1.

2、1 固体的外表1. 理想外表1. 理想外表 指理论上构造完整的二维点阵平面，忽略了晶体内部周期性势场在晶体外表中断的影响，忽略了外表原子的热运动、热扩散和热缺陷等，忽略了外界对外表的物理化学作用等。这种理想外表作为半无限的晶体，体内的原子的位置及其构造的周期性，与原来无限的晶体完全一样。 没有杂质的单晶，作为零级近似可将清洁外表理想为一个理想外表。1. 理想外表理想外表构造示意图 d理想外表构造示意图 d 2. 清洁外表 指不存在任何吸附、催化反响、杂质扩散等物理化学效应的外表，其化学组成与体内一样，但周期构造可以不同于体内。根据外表原子的排列，清洁外表又可分为台阶外表、弛豫外表、重构外表等。

3、 2. 清洁外表Pt557有序原子台阶外表示意图1台阶外表 由有规那么的或不规那么的台阶的外表所组成，因而不是一个平面。112111110(001)周期Pt557有序原子台阶外表示意图1台阶外表 112弛豫外表示意图 2 弛豫外表 由于固相的三维周期性在固体外表处突然中断，外表上原子产生的相对于正常位置的上、下位移，称为外表弛豫。LiF(001)弛豫外表示意图， Li F d0d0.1A0.35A弛豫外表示意图 2 弛豫外表 LiF(0重构外表示意图 3重构外表 指外表原子层在水平方向上的周期性不同于体内，但垂直方向的层间距那么与体内一样。d0d0asa重构外表示意图 3重构外表d0d0asa

4、 3. 吸附外表 吸附外表有时也称界面。它是在清洁外表上有来自体内扩散到外表的杂质和来自外表周围空间吸附在外表上的质点所构成的外表。 根据原子在基底上的吸附位置，一般可分为：顶吸附、桥吸附、填充吸附和中心吸附四种吸附情况。 3. 吸附外表4. 固体外表能和外表张力外表能：增加外表单位面积体系自由能的增量J/m2 外表张力：扩张外表单位长度所需要的力N/m外表能与外表张力的单位为等因次。 J/m2Nm/m2N/m 4. 固体外表能和外表张力外表能：增加外表单位面积体系自由 固体的外表能和外表张力的特点 与液体相比：1固体外表能中包含了弹性能，外表张力在数值上不等于外表能；2固体外表张力为各向异性

5、；3实际固体的外表绝大多数处于非平衡状态，决定固体外表形态的主要是形成固体外表时的条件以及它所经历的历史；4固体外表能和外表张力的测定非常困难。 固体的外表能和外表张力的特点4. 固体界面能和界面张力界面能：增加界面单位面积体系自由能的增量J/m2 界面张力：扩张界面单位长度所需要的力N/m界面能与界面张力的单位为等因次。 J/m2Nm/m2N/m 4. 固体界面能和界面张力界面能：增加界面单位面积体系自由 注意：界面能或界面张力两外表的外表能或外表张力之和两相之间总存在一定的相互作用能；当两相化学组成或构造相近时，其相互作用能越明显，那么界面能或界面张力越小，形成的界面越稳定。 注意：界面能

6、或界面张力平面上B峰顶处C 化学力：孤立峰顶处质点C平面上B凹谷深处A 一般半圆形凹处质点间色散力要比平面处大4倍。 2外表粗糙度 原因： 色散力产生于质点相互作用力，A点周围质点多，C点最少。 化学力产生于静电相互作用力，C点断键多，作用力强。 即：外表粗糙度将使外表力场变得不均匀，其活 性及其它外表性质也随之发生变化。 原因： b. 使比外表积增大 外表粗糙度直接影响固体比外表积、内、外外表积比值以及与之相关的属性，如强度、密度、润湿、孔隙率和孔隙构造、透气性和浸透性等。 c. 加强界面相互啮合的程度 外表粗糙度关系到两种材料间的封接和结合界面间的吻合和结合强度。 b. 使比外表积增大3外

7、表微裂纹 外表微裂纹是由于晶体缺陷或外力作用而产生，强烈影响外表性质，对脆性材料强度影响尤为重要。 脆性材料理论强度约为实际强度的几百倍 原因：固体外表微裂纹的应力倍增器作用裂缝尖端承受的实际应力远远大于所施加的应力。3外表微裂纹 葛里菲斯Griffith材料断裂强度理论:式中 R断裂强度； C微裂纹长度； E弹性模量； 外表自由能。即：高强材料，E和应大而裂纹尺寸C应小 葛里菲斯Griffith材料断裂强度理论 刚拉制的玻璃棒的弯曲强度：6108N/m2 空气中放置几小时后的弯曲强度：4108N/m2 原因：由于大气腐蚀而形成外表微裂纹。 那么：控制外表裂纹的大小、数目和扩展，就能更充分地利

8、用材料固有的强度 实际应用：钢化玻璃 预应力混凝土制品 增强原理：通过外表处理使外层处于压应力状态以闭合外表微裂纹 。 刚拉制的玻璃棒的弯曲强度：6108N/m2 注意： 固体外表各种性质并非其内部性质的延续，由于外表吸附使内外性质相差较大。金属：外表被一层氧化膜所覆盖。如铁在570以下形成Fe3O4/Fe2O3/Fe的外表构造： 外表层高价氧化物 次 层低价氧化物 最里层金属非氧化物，如SiC、Si3N4外表有一层氧化物氧化物，如Al2O3、SiO2外表被OH基覆盖 注意： 为研究真实晶体外表构造或一些高技术材料制备的需要，需获得干净外表，可用真空镀膜、真空劈裂、离子冲击、电解脱离及蒸发或其

9、它物理化学方法来清洁被污染的固体外表。 为研究真实晶体外表构造或一些高技术材5.1.3 固体外表活性 1. 固体外表活性的产生及机理 2 . 外表官能团与选择性反响活性5.1.3 固体外表活性 1. 固体外表活性的5.1.3 固体外表活性 1. 固体外表活性的产生及机理 热力学：G0 越多，说明反响前系统自由焓G愈高，那么进展反响趋势愈大； 动力学：反响活化能E愈小，说明该反响所需抑制的能垒愈小，反响速度愈快，那么活性愈大。 即：固体活性状态 较高能位。 具有极高反响能力的固体物质称为活性固体。 5.1.3 固体外表活性 1. 固体外表活性的产生活性的本质原因：固体比外表积增大、 晶格畸变、构

10、造缺陷但凡能够通过机械或化学方法使固体微细化、比外表积增加、外表能增高或使晶格畸变、构造疏松、构造缺陷增加，就能使固体的活性增加，获得活性固体。 机械方法：粉碎 研磨 化学方法：热分解低温煅烧：活性MgO 高温煅烧：惰性MgO 重结晶共沉淀产生活性的本质原因：固体比外表积增大、研磨时间对高岭土的活化作用1比外表积在183的液氮中测定；2酸溶解速率在室温0.75mol/LHCl中经48h后每平方米外表所溶解的质量百分数 研磨时间对高岭土的活化作用2 . 外表官能团与选择性反响活性 固体外表形成不同极性外表官能团，从而具有不同选择反响的能力。随比外表积增大，外表官能团数目增多，对外表选择性反响的影响增大。 2 . 外表官能团与选择性反响活性 固体外表形成不同极性外表D断面：Si4( O2/2)3 E断面 ：Si4( O2/2)3O2 例如：SiO2外表原为亲水，能吸附H2O形成硅醇基团。和苯乙烯反响时，反响首先在外表的 Si4( O2/2)3 处开场引起聚合反响，当遇到Si4(O2/2)3O2时，聚合物反响终止，其结果在固相外