表界面总结分解.docx

第 1 章 绪论 表界面：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，表界面区的结构、能量、组成等都呈现连续的梯度变化。 物理表面：三维的规整点阵到体外空间之间的过渡区域, 这个过渡区的厚度随材料的种类不同而异, 可以是一个原子层或多个原子层。是不同于两相的第三相。 理想表面：是指除了假设确定的一套边界条件外, 系统不发生任何变化的表面。 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。 结构变化 弛豫：表面附近的点阵常数发生明显的变化。 重构：表面原子重新排列, 形成不同于体内的晶面。 台阶化：指出现一种比较规律的非完全平面结构的现象。 化学组成变化 吸附：指气相中的原子或分子在气固或液固界面上的聚集。 偏析：指溶液或溶质在相界、晶界或缺陷上的聚集。吸附和偏析是化学组分在表面区的变化。 吸附表面：吸附有外来原子的表面。 第2章液体表面 系统的能量越低越稳定, 故液体表面具有自动收缩的能力。 表面张力：是单位长度上的作用力, 单位是N/ m。它是反抗表面扩大的一种收缩力, 它的作用是使一定体积的系统具有最小的表面积。 也可以理解为系统增加单位面积时所需作的可逆功, 单位为J/ m2 , 是功的单位或能的单位, 所以σ也可以理解为表面自由能, 简称表面能。 单组分液体的表面张力等于比表面自由能。 附加压力的方向总是指向曲率中心一边, 且与曲率大小有关, Laplace 方程： 球面：Δp = 2σ/ r 任意曲面：Δp = σ( 1/ r1 + 1/ r2 ) 当曲率半径r1 = r2= r, 曲面成为一个球面, 对于平液面，两个曲率半径都为无限大，Δp = 0，表示跨过平液面不存在压差。 液体表面张力的测定： 1 毛细管法 当毛细管浸在液体中, 若液体能完全浸润管壁, 则会发生毛细上升现象, 液面呈凹月形。反之, 若液体完全不浸润管壁, 则液面下降呈凸液面。 毛细升高现象可用Laplace 方程处理。假定毛细管截面是圆周形, 且管径不太大, 并假定凹月面可近似看作半球形, 此时不仅两个曲率半径相等, 而且都等于毛细管半径r。 由Laplace 公式可得Δp = 2σ/ r 则压差Δp应等于毛细管内液柱的静压强Δρgh，即Δρgh = 2σ/ r (1) Δρ为液气两相密度差, g为重力加速度。 也可以改写成:a2 = 2σ/ Δρg = rh (2) a为毛细常数, 它是液体的特性常数。 当液体完全不浸润管壁时, 式(2 -21)仍适用, 毛细上升改为毛细下降, h 表示下降深度。 更普遍的情况是液体与管壁之间的接触角θ介于0°～180°之间, 若弯月面仍为球面, 则有:Δρgh =2σcosθ/r(3) 由式(1)或式(3) , 从毛细升高或下降的高度h , 即可求出液体的表面张力。 2 最大气泡压力法 将一根毛细管插入待测液体中，缓缓通入惰性气体，使其在管端形成气泡逸出,当毛细管很细时，可假设气泡在生成过程中始终是球体的一部分。但气泡在发展过程中半径由大变小，当气泡形状恰为半球时，气泡的半径最小，正好等于毛细管半径,Δp也相应达到最大值。实验过程中用连接在毛细管上的U形压力计测出最大气泡压力，则Δpmax =Δρgh = 2σ/ r，若测试中，毛细管下端在液面下的深度为t，则Δpmax =Δρgh - pt。 3 滴重法 是一种既精确又方便的方法。它既可测定气液表面张力, 又可测液液界面张力。 在恒温的条件下, 使管端缓慢形成的液滴滴入杯中, 在收集到适量的液体后即可称重, 由此精确地测得每滴液重。由液滴质量mg 与表面张力σ的关系为mg = 2πrσ，是毛细管半径, 液体能润湿管端平面时为外径, 不能润湿时为内径。 4 吊环法 将环放在液面上, 然后测定将环向上拉起时所需的力P。根据表面张力的基本概念可知, 欲将一个物体从液面上分离, 所需的最大拉力应等于该物体的质量加上表面张力与被分离表面周长的乘积。设环的内径为R’, 环由半径为r 的铂丝制成。P = W环+ 2πσR’+ 2πσ( R’+ 2 r) 式中W环为铂环重力,，后面两项为二圆柱形液膜对环施加的表面作用力。 令F = P - W环, R = R’+ r , 则可得F = 4π( R′+ r)σ= 4πRσ。 5 吊板法 将一块平板, 如显微镜盖玻片或铂箔部分浸到液体中, 平板另一端挂在天平上, 测定吊板脱离液面时所需的最大拉力W总, 则有 P = W总- W板= 2(l + d)σ l 为吊板宽度, d 为厚度, 2 ( l + d )为平板周长,W为平板在空气中的重力。 测出W总后, 可由式求出表面张力σ。 若液体与吊板之间存在接触角θ, 则相应的公式为:P =