材料表界面-第一章知识研讨.ppt

材料表面与界面;管 涌： 表界面基础知识、高分子材料的表面改性和表征， 约10课时；（实验一楼309yguan@ecust.edu.cn) 危大福：表面活性剂、复合材料界面，约8课时； 杨云霞： 无机非金属材料，6课时； 朱以华： 纳米材料，4课时； 张 琰： 生物材料，4课时。 共计 32 课时。;研究生课程学习的特点: 学和用的转换;为什么要学材料表界面？;表界面研究的重要性;1875～1878 Gibbs 定律；奠定了表界面科学的基础 1913～1942 Langmuir 的贡献；（获1932年诺贝尔化学奖） (蒸发、凝聚、吸附、单分子膜等表界面的研究） 20世纪40年代前 表面化学成果大量应用生产； 50年代，微型化、IT发展促进表面化学发展； 60年代～，由于超高真空技术的发展，表面现象向微观领域发展； 2007年，格哈德·埃特尔,成功描述了在表面发生的化学反应细节，并以此方法为现代表面化学奠定了基础。获诺贝尔化学奖。;;表界面是由一个相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（surface)。;（2）气-固界面;（3）液-液界面;（4）液-固界面;（5）固-固界面;材料表界面的形成;第 1 章 表界面基础知识;表面张力和表面自由能;定义：外力F与液膜边缘的长度成正比，比例常数与液体表面特性有关，以σ表示 ，称为表面张力：;在上图中，设在F力作用下金属丝移动dx的距离，则所作的功为：;对于球面;1.3 Laplace方程;对于任意曲面; 当曲面向外位移dz时，作用在xy面积上的压差Δp做功为：;达到平衡时，W1=W2, 即：;1.4.1 毛细管法 当液体完全浸润毛细管壁时;对于该式:;当液体与管壁接触角θ介于0°-180°之间，若弯月面仍为球面，则有：;上面的推导过程可发现如下问题 （1）对凹月面看作为球面的近似处理； （2）只有在凹月面的最低一点毛细上升高度才是 h，在其他各点上，毛细上升高度都大于 h。 必须考虑对以上两个偏差作修正。;修正方法之一是Rayleigh提出的级数近似法 式中第一项是基本的Laplace方程，第二项是考虑弯月面液体质量的修正，其余各项是对偏离球形的修正 ;例： 25℃，101.325kPa下将直径为1μm的毛细管插入水中，问需要外加多大的压力才能防???水面上升？（已知25℃时水的表面张力为71.97×10 -3 N*m-1 );1.4.2 滴重法;Harkins引入修正系数 f 并且得出，f是液滴体积V的函数。 使用时r/v1/3范围最好在 0.6-1.2 以内，因为该区间 f 之变化最为缓慢，结果也更加精确。;Wilkenson等用实验数据拟合得到下面的经验方程 上式是用于0.3（ r/v1/3) 1.2的区间。 吴树森与王飞鸿则提出下面的经验方程： 上式的适用于0.058 （r/v1/3) 0.3区间 ;液态－－气态，跨越曲面，克服压力差，假定液体不可压缩，温度恒定，则由热力学第二定律，压力改变对液相摩尔自由焓的影响为： 式中Vm——摩尔体积。 假定与液体相平衡的蒸汽为理想气体，则气相的摩尔自由焓为：;假定曲面为球面，则r1=r2=r.当液相与气相平衡时，;上式即为Kelvin公式，是表面化学的基本公式之一。 Kelvin公式表明，凸液滴的半径越小，其蒸汽压越大; 凹液滴的半径越小,其蒸汽压越小。;溶液的表面张力 液体的表面张力不仅与温度、压力有关，也与组成有关。在水溶液中,表面张力随组成的变化规律一般有三种比较典型的类型。 ;表面张力随溶质浓度增加成直线关系增加. 一般强电解质的水溶液，如Na2SO4，KOH，NH4Cl，KNO3等无机盐以及蔗糖，甘露醇等多羟基有机物具有类似的图形。 ; 表面张力随溶质浓度增加而减小. 如醇、醛、酸、酮与胺等有机物。 降低表面张力能力与烃链长度有关，碳氢链越长，其降低表面张力能力越强。;在稀溶液中各种脂肪酸的表面张力下降值Δσ与其浓度成正比： ;其特点是加入少量这类物质可显著降低溶液的表面张力。至一定浓度后表面张力不再有明显变化。 8碳以上的直链有机碱金属盐，高碳直链磺酸盐，硫酸盐，苯磺酸盐等表面活性基的水溶液 ;Gibbs以热力学方法导出了关联溶液表面张力与溶液浓度的微分方程式，这就是著名的Gibbs吸附等温式。 如果Г12为正，为正吸附，溶质的表面浓度大于本体浓度，即称为表面超量。 若Г12为负，则为负吸附，溶质的表面浓度小于本体浓度，叫做表面亏量。;1.7 Gibbs吸附等温式; 对丁酸溶液，σ-c曲线的斜率为负值， c2为正值，所以Г12随溶液溶质