第4章-固体界面的吸附.pptx

材料成形界面工程Interfacial Engineering in Materials Processing李 贵武汉科技大学机械自动化学院4/固体界面的吸附4.1 固体表面特性4.2 表面现象及类型4.3 固体表面吸附理论4/1固体表面特性4.1 固体表面特性 1.固体表面 理想的晶体由原胞组成, 并具有三维周期性。但物质不是无限的, 在晶体中原子或分子的周期性排列发生大面积突然终止的地方就出现了界面, 如固体-液体, 固体-气体及固体-固体的界面常把固体-气体(或真空),固体-液体的界面称为固体的表面 很多物理化学过程：催化, 腐蚀, 摩擦和电子发射等都发生在“表面”, 可见其重要性。表面是一个抽象的概念, 实际常把无厚度的抽象表面叫数学表面, 把厚度在几个原子层内的表面叫作物理表面, 而把我们常说实际的固体表面叫工程表面 4.1 固体表面特性 2.固体表面的特点 固体表面的不均一性(1) 固体表面的凹凸不平(2) 固体中晶体晶面的不均一性 各相异性、晶面不完整(3) 表面被外来物质所污染, 表面吸附外来杂质(4) 制备和加工条件4.1 固体表面特性 3.固体金属表面的实际构成示意图工程表面对于给定条件下的表面, 其实际组成及各层的厚度与表面制备过程, 环境以及材料本身的性质有关。4.1 固体表面特性 1. 固体的表面特性固体表面上的原子或分子与液体一样, 受力也是不均匀的, 而且不像液体表面分子可以移动, 通常它们是定位的SolidNaAgNaClMgO石蜡聚乙烯云母γ/(mJ m-2) 200800190120025.433.12400大多数固体比液体具有更高的表面能4/2表面吸附现象及类型4.2表面吸附现象及类型 1. 固体的表面吸附固体表面的气体与液体有在固体表面自动聚集, 以求降低表面能的趋势固体表面的气体或液体的浓度高于其本体浓度的现象, 称为固体的表面吸附。固体表面的吸附作用是表面能存在所引起的一种普遍存在的现象--一种表面效应。干燥剂防毒面具脱色剂色谱污水处理催化剂…推动力：吸附外部介质降低自由能广泛的应用：4.2表面吸附现象及类型 2. 固体表面力场晶体中每个质点周围都存在着一个力场, 在晶体内部, 质点力场是对称的. 但在固体表面, 质点排列的周期重复性中断, 使处于表面边界上的质点力场对称性破坏, 表现出剩余的键力, 称之为固体表面力。表面力的分类(1) 化学力（长程力）化学键 是分子内相邻原子之间的强有力的作用力. 而分子间力是分子间的比较弱的相互作用力它的作用仅有化学键的1/10大小(2) 范得华力(分子引力)范德华力 是存在于分子间的一种吸引力, 也叫分子间力, 它比化学键弱得多一般来说, 某物质的范德华力越大，则它的熔点、沸点就越高对于组成和结构相似的物质, 范德华力一般随着相对分子质量的增大而增强4.2表面吸附现象及类型 2. 吸附的分类物理吸附和化学吸附由范德华力所引起的吸附称为物理吸附 而由剩余化学键力所引起的吸附为化学吸附范德华力 是存在于分子间的一种吸引力, 也叫分子间力, 它比化学键弱得多一般来说, 某物质的范德华力越大，则它的熔点、沸点就越高对于组成和结构相似的物质, 范德华力一般随着相对分子质量的增大而增强化学键 是分子内相邻原子之间的强有力的作用力. 而分子间力是分子间的比较弱的相互作用力它的作用仅有化学键的1/10大小4.2表面吸附现象及类型 3. 吸附基本概念adsorbent(吸附剂) and adsorbate (吸附质)当气体或蒸汽在固体表面被吸附时, 固体称为吸附剂被吸附的气体称为吸附质常用的吸附剂有硅胶、分子筛、活性炭等为了测定固体的比表面, 常用的吸附质有氮气、水蒸气、苯或环己烷的蒸汽等4.2表面吸附现象及类型 4. 吸附的分类物理吸附和化学吸附由范德华力所引起的吸附称为物理吸附 而由剩余化学键力所引起的吸附为化学吸附项 目物理吸附化学吸附吸附热近于液化热1－40kJ/mol近于反应热40－400kJ/mol吸附力Van der waals力，弱化学键，强吸附层单/多分子层仅单分子层吸附选择性无有吸附速率快慢吸附活化能不需需要，且较高吸附温度低温较高温度吸附层结构基本同吸附质分子结构形成新的化合态4.2表面吸附现象及类型 5. 吸附激活能 从热力学角度来看, 吸附将使系统能量下降, 但从动力学的角度来看, 过程需一定的能量将原有气体分子键合进行改组, 才能实现吸附过程, 即需要一定的激活能.从表面对气体分子的化学吸附来讲, 有两种形式:(1)气体化学发生离解, 然后在固体表面发生化学吸附,(2)气体分子发生物理吸附, 在固体表面发生离解, 再产生化学吸附一般来讲，第二种形式所需激活能要比第一种形式小，相对要容易发生一些 4.2表面吸附现象