第5章—表面结构与性质.pptVIP

Chapter 5　表面结构与性质;表面质点所处环境不同于内部质点，存在悬键或受力不均而处于较高能态，呈现一系列特殊的性质。;（1）表面：固体与真空（或自身的蒸汽）的面。;;清洁表面是指不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理-化学效应的表面。这种表面的组成与体内相同，但周期性结构可以不同于体内。;台阶表面不是一个平面，它是由有规则的或不规则的台阶的表面所组成。;面心立方晶体接近(100)面的邻位面的平台－台阶－扭折模型图 (a) (100)面平台上的台阶；（b）台阶上的扭折;原子力显微镜观察石墨表面上外延生长的有机薄膜，层状成长明显。清晰地观察到約0.3nm生长阶梯。;弛豫是指表面层之间以及表面和体内原子层之间的垂直间距和体内原子层间距相比有所膨胀和压缩的现象。 ;重构是指表面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离与体内相同。;吸附表面有时也称界面。它是指在清洁表面上有来自体内扩散到表面的杂质和来自表面周围空间吸附在表面上的质点所构成的表面。;固体表面自由能:恒温、恒压条件下，增加一个单位表面积时所做的功（J/m2）。（形成单位表面积时，体系Gibbs自由焓的增量）(与热力学平衡性质有关) 表面张力：是扩张表面单位长度所需要的力(N/m)。(与机械性质有关);对没有外力作用的表面系统，系统总表面能将自发趋向于最低化。 液体表面能 倾向于形成球形表面，降低总表面能。 液体表面能和表面张力具有相同的数值。;对于固体，引起表面变形过程比原子迁移率快的多，则表面结构受拉伸或压缩而与正常结构不同，因而，固体的表面能与表面张力在数值上不相等。;（1）一般情况下，固体的表面张力与固体的表面自由能在数值不相等。（因为固体的表面能包含了弹性能）； （2）固体的表面张力是各向异性的。（由于结构的各向异性及表面不均匀所致）； （3）决定固体表面形态不是表面张力，而是形成固体表面时的条件和它所经历的历史； （4）实际固体表面常被外来物污染而影响表面性质。在原子尺度上，实际固体表面是凹凸不平的。 （5）固体的表面自由能和表面张力的测定困难。;问 题 ? 一般说来，同一种物质，其固体的表面能要比液体的表面能大，试说明原因。 ;表面力场的形成：表面断键表现出剩余键力称为表面力。它们导致吸引气体分子、液体分子或固体质点。这种吸引作用是固体表面力和被吸引质点的力场相互作用产生的。这种相互作用力称为固体表面力。 是指固体表面的不饱和价键与被吸附物之间作用，发生电子转移而产生化学力，即形成表面化合物。;A、定向作用力：其大小与分子的电偶极矩及分子间的距离有关。 B、诱导作用力：其大小与分子的电偶极矩及分子间的距离以及非极性分子的极化率有关。 C、色散力（分散作用力）：其大小与非极性分子的极化率及分子间的距离有关。 分子引力主要表现为引力。;通常所说的固体表面是指整个大块晶体的三维周期性结构与真空之间的过渡层，包括所有与体相内三维周期性结构相偏离的表面原子层，一般是一到几个原子层，厚度为0.5-2.0nm，把它看成是一特殊的相，即表面相。 所谓表面结构就是指表面相中的原子组成与排列方式。表面结构与体相的差别通常包括：表面弛豫；表面重构；表面台阶结构等。 ;负离子电子云将被拉向内侧的正离子一方而变形，诱导成电偶极子，形成表面双电层，固体表面好像被一层负离子所屏蔽，并导致表面层在组成上成为非化学计量的。键性由离子键过渡为共价键性。这种影响将延伸到晶体的内部，并呈递减状态。根据Benson等人的计算，NaCl晶体中的这种作用发生在约5个离子层的范围内。;图5.6 离子晶体表面的电子云变形和离子重排;图5.7 NaCl表面层中Na+向里； Cl-向外移动并形成双电层 ;某些晶体的极化性能与表面能;随着粒子的细微化，比表面积越来越大，粉体表面层质点除了极化变形和重排使表面晶格畸变外，因机械力作用而使表面层结构发生更大破坏，结构的有序程度降低，使粉体表面无定形化。 粉体表面结构模型：一是无定形结构；二是粒度极小的微晶结构。;组成与内部不同。由熔体转变成玻璃体的过程，为保持最小表面能，表面活性大的离子自发聚集于表面。其次，成型、退火过程某些物质，如硼、碱、氟等易挥发成分自表面的挥发损失。 ;粗糙：它将引起表面力场不均。表面粗糙度关系到比表面积、润湿性、两种材料间的封接等。 ;5.3　润湿与粘附;与粘附有关的现象;润湿：一种流体从固体表面转换另一种流体的过程。;消失一个固-气和一个液-气界面，产生一个固-液界面为沾湿。若沾湿面积为单位面积，此过程自由能的变化是：;;浸湿：固体表面气体均为液体所置换。 浸湿结果：体系消失了固-气界面，产生了固-液界面。 若固体的总面积为单位面积，则在恒温恒压下，此过程所引起的体系自由能的变化为： ;若铺展