表面物理化學(xué)ppt課件(已修改)
2025-05-24 03:03 本頁面
【正文】 固體表面的物理化學(xué) 2022年 9月 18日 提要 ? 界面與表面； ? 液體的表面張力（產(chǎn)生機(jī)理，測量）； ? 固體的表面能（機(jī)理，熱力學(xué)關(guān)系，測量，計(jì)算）； ? 固體表面的形貌與結(jié)構(gòu)； ? 表面能對納米材料的影響（制備，穩(wěn)定性）； ? 納米顆粒曲率半徑對其穩(wěn)定性的影響； ? 納米材料與結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定化機(jī)制。 界面和表面 對于物質(zhì)體系而言， 界面 是指 兩相接觸 的約 幾個分子或原子厚度的過渡區(qū) ，若其中一相為氣體，這種界面通常稱為表面。 嚴(yán)格講 固體的表面 應(yīng)是固體與其飽和蒸氣之間的界面，但習(xí)慣上把固體與空氣的界面 稱為固體的表面。 加熱一杯水 界面和表面 氣 液界面 與液體有關(guān)的界面舉例 2HOHg液 液 界面 液 液界面 空氣 4CuSO溶液氣 液 界面 界面和表面 鐵管 Cr鍍層 固 固界面 氣 固界面 玻璃板 Hg2HO液 固界面 液 固界面 固 固界面 與固體有關(guān)的界面舉例 界面和表面 液體的表面張力（ surface tension） ?液體分子之間存在相互作用（相互吸引）； ?內(nèi)部分子所受的力可以彼此抵銷； ?表面層分子受力不均衡，受到體相分子的拉力大，受到氣相分子的拉力?。ㄒ?yàn)闅庀嗝芏鹊停? ?表面分子受到被拉入體相的作用力，從而形成表面張力。 ?表面張力 與氣 液界面相切，作用于界面的邊界線上 ，使表面有自動收縮到最小的趨勢（液滴趨向于呈球形），并使表面層顯示出一些獨(dú)特性質(zhì)，如表面吸附、毛細(xì)現(xiàn)象等。 產(chǎn)生機(jī)理 表面張力的測量 液體的表面張力（ surface tension） 作用于可移動線上的表面張力 FFlF???? ?2*lFFl22????可移動線處于力學(xué)平衡： 單位 : N/m Soup film on an adjustable frame 表面張力的測量 液體的表面張力（ surface tension） 產(chǎn)生新的表面積所做的表面功 dAdxFdW 2** ???lFdAdxF22* ???固體材料： 表面性能 vs. 本體性能 Surface property: Adsorption, catalysis, oxidation Friction, adhesion, lubrication Bulk property: Electrical conductance, Thermal conductance, Melting temperature, Heat capacity Modulus, hardness 10 通常的材料性能 固體的表面能 固體表面的分類 固體的表面能 表面原子的鍵合模型 固體表面原子處于與本體原子不一樣的鍵合環(huán)境： ? 周圍缺少相鄰的原子， 具有不飽和的懸空鍵； ? 處于更高的能量狀態(tài)（表面能）。 固體的表面能 ? 固體表面上的原子與晶體內(nèi)部相比，處于一個較高的能量狀態(tài)，所以表面積增加，體系的自由能就增加。 ? 表面能的定義： 每增加單位表面積時(shí)，體系自由能的增量。 固體的表面能 PTniAG,???????????表面能也稱為表面自由能或表面張力； ?表面張力通常只針對液體。 表面自由能的熱力學(xué)推導(dǎo) 在建立新表面時(shí)，鄰近原子將丟失，鍵被切斷，因此，必須對系統(tǒng)做 表面功（ γdA): 對于一個多組分的材料系統(tǒng)，吉布斯自由能的改變 : ??????iii dndAV d pS d TdG ??G系統(tǒng)的自由能； S熵； T溫度 V體積； p壓力； ? 表面張力； A表面積 μi組分 i 的化學(xué)勢； ni 組分 i 的化學(xué)成分。 ?????iii dnVd pSdTdG ?G=G(T, p, ni) G=G(T, p, ni, A) PTniAG,?????? ????因此，表面自由能： 固體表面能（表面張力）的測定 將固體熔化， 測定液態(tài)表面張力與溫度的關(guān)系 ，作圖外推到凝固點(diǎn)以下來估算固體的表面張力。 液體表面張力的測量 2Fl??固體表面能的測量 Figure . Schematic showing two new surfaces being created by breaking a rectangular into two pieces. 產(chǎn)生 兩個 新表面所需做的表面功（ W） ，等于鍵能（ ?）與斷裂鍵的數(shù)量的乘積 : abNAW ???212 ???a 為表面原子密度； Nb為單個原子所對應(yīng)的斷裂鍵的數(shù)量 因此表面能可以表示為： ANW ab ???面積 A上斷裂鍵的數(shù)量 理論計(jì)算 固體表面能的確定 產(chǎn)生單位新表面時(shí)所需要的能量 = 外界對體系所做的表面功 PTniAG,?????? ????G為能量； A為新表面積 根據(jù)熱力學(xué)上的定義， 面心立方晶體 (100)、 (110)、 (111)三個低指數(shù) 晶面上的原子密度與近鄰配位數(shù) 42441122?????baNaa?52224412212???????baNaaa?3232262213613212????????baNaaa?對于晶面上的每個原子： 斷裂鍵的數(shù)量 (Nb) = 近鄰配位數(shù)的變化 面心立方結(jié)構(gòu)的表面能 Figure . Schematic representing low index faces of a facecentered cubic (fcc) crystal structure: (A) {100}, (B) {110}, and (C) {111}. ? ?? ?? ? 21 1 121 1 0221 0 0322544221aaaa??????????????{100} {110} {111} {100}面： {110}面： {111}面： Surface Energy of Different Crystallographic Orientations for Silver 19 Nb ρa(bǔ) 單晶的熱力學(xué)平衡形態(tài) Figure . Examples of single crystals with thermodynamic equilibrium shape. Topleft: sodium chloride, topright: silver, bottomleft: silver, and bottomright: gold. Gold particles are formed at 1000 ?C and some facets have gone through roughening transition. NaCl Ag Ag Au 低密勒指數(shù)晶面的表面能低；因此，晶體通常由低指數(shù)表面所包圍 晶體表面的形貌 熱力學(xué)平衡形態(tài)預(yù)測 1 1 (a) 1 1 (b) . (c) (d) Figure . Conformation for a hypothetical twodimensional crystal. (a) (10) plane, (b) 11) plane, (c) shape given by the Wulff construction, and (d) Wulff construction considering only (10) and (11) planes. [. Adamson and . Gast, Physical Chemistry of Surfaces, 6th edn. John Wiley amp。 Sons, New York, 1997.] (10) 面 (11) 面 形態(tài)
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