表面化學(xué)市公開(kāi)課獲獎(jiǎng)?wù)n件

1、第十三章表面化學(xué)第1頁(yè)第1頁(yè)表面現(xiàn)象水滴為何是圓形而不是方形第2頁(yè)第2頁(yè)表面現(xiàn)象它們?yōu)楹文軌蚱谒嫔系?頁(yè)第3頁(yè)水ps水在毛細(xì)管中為何會(huì)上升第4頁(yè)第4頁(yè)界面是相與相之間交界所形成物理區(qū)域界面相是一個(gè)準(zhǔn)三維區(qū)域，其廣度無(wú)限，而厚度約為幾種分子線度體系性質(zhì)在體相為常數(shù)，表面相是體系性質(zhì)連續(xù)改變一個(gè)過(guò)渡區(qū)域界面（Interface）按物質(zhì)匯集狀態(tài)，界面可分為五類： 固氣（S-g）、固液（S-l）、固固（S-S）、液氣（l-g）、液液（l-l）第5頁(yè)第5頁(yè)表面（Surface）表面：凝聚態(tài)物質(zhì)相對(duì)于其純氣相界面。 Sg、Lg界面算作表面 許多文件中也經(jīng)常將兩個(gè)不同體相間界面稱為表面，表面化學(xué)這一術(shù)語(yǔ)

2、也被大家廣泛接受了第6頁(yè)第6頁(yè)表面化學(xué)與其它學(xué)科聯(lián)系表面化學(xué)生命科學(xué)（生物膜及膜模擬化學(xué)） 能源科學(xué)（三次采油、煤液化、化學(xué)電源） 材料科學(xué)（超細(xì)材料、材料表面改型） 信息科學(xué)（LB膜，微電子器件）界面化學(xué)發(fā)展和現(xiàn)實(shí)狀況1805 T . Young 提出界面張力概念1806 P.S. Laplase 表面張力與曲率半徑關(guān)系1878 Gibbs 表面吸附方程1916 Langmuir 固體吸附等溫方程式第7頁(yè)第7頁(yè) 表面與界面化學(xué)雖是物理化學(xué)老式研究領(lǐng)域，但由于電子能譜、掃描隧道顯微鏡等新試驗(yàn)技術(shù)出現(xiàn)，使得表面、界面效應(yīng)及粒子尺寸效應(yīng)知識(shí)呈指數(shù)上升式積累，提出了在分子水平上進(jìn)行基礎(chǔ)研究要求。當(dāng)前

3、涉及這一領(lǐng)域研究已成為催化、電化學(xué)、膠體化學(xué)前沿課題，并與生命科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、膜技術(shù)及醫(yī)藥學(xué)密切相關(guān)，是這些相關(guān)學(xué)科要研究和處理關(guān)鍵課題之一。第8頁(yè)第8頁(yè)期刊Applied Surface Science Elsevier (NL) EProgress in Surface Science Elsevier (NL) ESurface and Coatings Technology Elsevier (NL) ESurface and Interface Analysis Wiley DSurface Science Elsevier (NL) ESurface Science Re

4、ports Elsevier (NL) EThin Solid Films Elsevier (NL) EVacuum Surface Engineering, Surface Instrumentation & Vacuum Technology. Elsevier (NL) E第9頁(yè)第9頁(yè)表面現(xiàn)象微觀成因第10頁(yè)第10頁(yè)表面現(xiàn)象微觀成因表面相分子受力不均勻，其分子有被拉入液相趨勢(shì)。這種受力不均勻性是表面現(xiàn)象產(chǎn)生微觀成因。液體表面積因而有自發(fā)收縮趨勢(shì)。這解釋了為何液滴會(huì)以球形形態(tài)存在液相氣相 第11頁(yè)第11頁(yè)表面自由能(Surface Free Energy) 使液體表面積增大過(guò)程是克服液相

5、分子吸引力, 使體相分子轉(zhuǎn)移到表面相過(guò)程，需要環(huán)境對(duì)體系做功。以可逆方式做功至少，稱之為表面功： 由吉布斯自由能性質(zhì)可知，在恒溫恒壓下，此表面功即等于體系吉布斯自由能改變量相反數(shù)：此式表明，考慮表面相奉獻(xiàn)多相體系，除了溫度、壓力、構(gòu)成等原因，表面積也是影響體系熱力學(xué)函數(shù)一個(gè)主要變量。第12頁(yè)第12頁(yè)表面自由能(Surface Free Energy)表面化學(xué)基本熱力學(xué)關(guān)系式：第13頁(yè)第13頁(yè)表面自由能(Surface Free Energy)由熱力學(xué)基本關(guān)系式可知表面自由能：1. 狹義定義：保持體系溫度、壓力、構(gòu)成不變時(shí)，增長(zhǎng)單 位表面積，體系吉布斯自由能改變2. 廣義定義：保持體系相應(yīng)變量不

6、變時(shí)，增長(zhǎng)單位表面積，體系熱力學(xué)函數(shù)改變第14頁(yè)第14頁(yè)表面自由能(Surface Free Energy)由基本關(guān)系式可知，在恒溫恒壓下，體系表面積增長(zhǎng)，則體系吉布斯自由能增長(zhǎng)，因而該過(guò)程不能自發(fā)進(jìn)行。我們能夠利用這一結(jié)論進(jìn)行過(guò)程方向性判斷。 比如：膠體體系中存在大量直徑100nm下列固體小顆粒，整個(gè)體系固液界面含有很大表面積，當(dāng)固體顆粒匯集在一起時(shí)發(fā)生聚沉現(xiàn)象，從表面化學(xué)觀點(diǎn)看，此時(shí)表面積減小，自由能下降，闡明聚沉過(guò)程自發(fā)進(jìn)行，膠體體系從熱力學(xué)角度看是不穩(wěn)定。關(guān)于基本關(guān)系式討論第15頁(yè)第15頁(yè)表面自由能(Surface Free Energy)2. 麥克斯韋關(guān)系式麥克斯韋關(guān)系式對(duì)于表面化學(xué)

7、基本關(guān)系式同樣成立反應(yīng)體系熵變隨表面積改變關(guān)系反應(yīng)體系表面張力隨壓強(qiáng)改變關(guān)系第16頁(yè)第16頁(yè)表面張力(Surface Tension)從表面現(xiàn)象微觀成因，我們還能夠得出一個(gè)結(jié)論：表面相分子密度較液相分子低，因而表面相分子間存在較大吸引力。從宏觀層面來(lái)看，液體表面仿佛存在一層緊繃液膜，在膜內(nèi)處處存在使膜緊繃力即為表面張力表面張力存在解釋了針為何能夠漂在水面上第17頁(yè)第17頁(yè)表面張力(Surface Tension)在兩相界面上，處處存在著一個(gè)張力，它垂直于表面單位線段上，指向使表面緊縮方向并與表面相切。注意：表面張力是作用在單位長(zhǎng)度線段上力，量綱為 m-1注意區(qū)別表面張力產(chǎn)生原因與表面張力表現(xiàn)作

8、用于單位邊界線上這種力稱為表面張力 ，用g 表示，單位是Nm-1。肥皂膜F第18頁(yè)第18頁(yè)表面張力(Surface Tension) 請(qǐng)同窗們用表面張力知識(shí)思考圖中現(xiàn)象第19頁(yè)第19頁(yè)表面自由能與表面張力 對(duì)于表面相，我們從“能”和“力”角度引出了兩個(gè)不同概念：表面自由能與表面張力。實(shí)際上這兩個(gè)概念有著密切聯(lián)絡(luò)一、兩者量綱相同表面自由能量綱表面張力量綱第20頁(yè)第20頁(yè)表面自由能與表面張力二、兩者數(shù)值相同肥皂膜保持張力平衡：（肥皂膜有兩個(gè)表面）肥皂膜F第21頁(yè)第21頁(yè) 用表面自由能計(jì)算：dx肥皂膜FlW= 自由能 A = 自由能2ldx第22頁(yè)第22頁(yè)2. 用表面張力計(jì)算顯然：肥皂膜F第23頁(yè)第

9、23頁(yè)4. 影響純物質(zhì)原因(1) 物質(zhì)本身性質(zhì)（極性液體比非極性液體大， 固體比液體大）(2) 與另一相物質(zhì)相關(guān) /(N m-1)水 -正庚烷 0.0502 苯 0.0350 汞 0.415純液體表面張力是指與飽和了其本身蒸汽空氣之間界面張力。第24頁(yè)第24頁(yè)(3) 與溫度相關(guān)對(duì)絕大多數(shù)液體 T,對(duì) Cd, Fe, Cu 合金及一些硅酸鹽液體，T。dp=0, dnB=0時(shí)，dG=-SdT+dA, 由全微分性質(zhì)，溫度不變時(shí)，擴(kuò)大單位表面所吸熱(TdS/dA)0, 因此(/T)A,p,n 0TTc(臨界溫度)時(shí)，0（氣液相界面消失）。第25頁(yè)第25頁(yè)(4) 與壓力關(guān)系類似，我們有：等溫等壓條件下，增長(zhǎng)液體表面積，體積幾乎不變，即(V/