表面物理化学 第1章 液体的表面

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1、表面物理化学主讲教师：戈磊中国石油大学（北京）材料科学与工程系本课程教学方式：教师讲授和学生报告相结合要求：每人准备一段表面物理化学相关ppt文件，按顺序进行报告，报告时间不少于30分钟。表达内容清晰、有条理，听讲的同学进行提问。课后将报告内容和问题的回答写成报告，作为作业.选题范围1.表面活性剂2.纳米功能薄膜材料的制备3.材料的新型表征技术4.微乳液和乳状液5.不溶性单分子膜的合成应用6.新型功能材料的制备及应用7.纳米界面材料8.金属缓蚀剂9.新材料的界面光化学10.或其他表面物理化学有关的内容洗手液洗发水洗衣柔顺剂洗面奶太阳能电池TiO2溶胶表面涂

2、有TiO2薄膜仿真花光诱导氧化钨功能薄膜SEM红细胞TEM油滴光学显微镜光学显微镜下的小环藻牛奶微乳液微乳液驱油LB膜分离膜技术发光材料压电材料磁悬浮列车超导材料荷叶疏水布料光致变色眼镜光致变色油墨变色玫瑰是一座宝藏，有付出必有收获；是实现成才之梦的必由之路；充满美感、饱含哲理；需倾全力，才有可能达到其高深的科学境界；《表面物理化学》课程——在科学面前，我们永远只是一名婴儿；我们惟有虔诚地热爱科学！基本概念基本公式基本方法基本实验基本框架表面物理化学对化学分支学科间和化学与其他学科的交叉起决定性的作用表面物理化学对科学素质的培养起重要的作用课程简介表面物理

3、化学是研究物质在多相体系中表面和界面的特征和在表面发生的物理和化学过程及其规律的科学。表面物理化学涉及化学、物理学、计算机科学、材料科学、生物科学、环境科学、药物学等多种学科，是一门多学科交叉的科学。近年来，随着电子技术、计算机技术、显微技术和高真空技术的发展，一些新型测试技术的不断出现，如光电子能谱、低能电子衍射、扫描隧道显微镜和原子力显微镜等，使表面物理化学的研究进入了一个崭新的阶段。STM技术的出现使得对单个原子的操控成为现实，图为操纵48个铁原子在金属铜表面上构成的量子栅栏量子栅栏是以原子为材料在金属表面构成的闭合图案，由于电子具有波动性，因此，在

4、量子栅栏内可明显观察到二维电子概率驻波。表面物理化学发展特点（1）研究体系接近实际体系。由单一的金属界面研究进入到合金、金属氧化物和盐类界面研究；由单一物种的吸附研究进入到多类物种共吸附以及吸附物之间、吸附物与表面之间作用的研究。（2）研究精度达到原子水平可以操纵原子使之达到表面指定位置，使材料性能大大改善。例如：加一个原子或减一个原子使催化剂的催化性能或耐蚀性得到提高。（3）由宏观的界面化学研究深入到量子界面化学和计算机模拟界面化学微观层次。本课程内容包括：气－液、液－液、气－固以及液－固等界面现象及其规律；新型功能材料的界面化学、界面光化学；界面化学的

5、微观描述和界面化学的测试表征方法等。为以后的科学研究工作打下坚实的理论基础。第一章液体的表面界面：在多相体系中，两相接触的约几个分子厚度的过渡区，即相与相之间的分界面称为界面。习惯上人们将气－液、气－固界面称为表面。本章主要研究液体物质的表面。几种常见的界面气-液界面（表面）气-固界面（表面）液-液界面液-固界面固-固界面毛细管口的水滴、夏天早晨草上的露珠、玻璃板上的汞球、椭球形的雨滴（受重力影响）为什么液滴都是呈球形的呢？表面张力的作用。1.1表面张力与表面吉布斯函数表面张力：在液面上（对弯曲液面是在液面的切面上）垂直作用于单位长度上使表面积收缩的力，单

6、位为N•m-1或mN•m-1。液体在表面张力的作用下会自发的表现出收缩其表面积的倾向。具有低表面张力的肥皂泡皂膜实验表面张力的方向1.1.2表面吉布斯函数在皂膜实验中，液膜在外力作用下移动了距离，所做的功为，使得表面积增加了将上式代入物质的基本热力学公式可得：计算可得：从上式可以看出，表面张力的物理意义是在等温等压下，增加了单位面积时吉布斯函数的增量，故又称为比表面自由能，单位为J/m2表面吉布斯函数和表面张力分别是用热力学和力学方法研究的物理量，各具特色。1.2表面自由能的微观定性解释表面张力的存在基于两个事实：分子在一定距离内有相互作用；与之相邻的另一

7、相气体密度明显低于液体密度。液体内部的分子之间的作用力只在较短的距离起作用，它周围分子对它的作用是等同的，来自各个方向，大小相等，故合力为零，所以液体分子在体相内运动无需做功。当分子处于液体表面时，分子位于空气和液体界面处，由于气体密度比液体小，气相对表面液体分子的作用力要比液体小的多，于是分子受力不平衡，合力是指向液体内部，因此产生了液体的表面张力。同量的液体，处于表面的分子越多，表面积就越大，体系的能量就越高。也就是增加表面积同时增加了体系的能量，此能量来源于环境对体系做功，故称为表面功。或者当大块物质变成细小颗粒时，体系的比表面积增加，体系的能量也增

8、加，均需要环境对体系做功。小麦面粉1.3表面吉布斯函数的分子理论设