《表面物理化学》PPT课件

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1、固体表面的物理化学2013年9月18日提要界面与表面；液体的表面张力（产生机理，测量）；固体的表面能（机理，热力学关系，测量，计算）；固体表面的形貌与结构；表面能对纳米材料的影响（制备，稳定性）；纳米颗粒曲率半径对其稳定性的影响；纳米材料与结构的稳定化机制。界面和表面对于物质体系而言，界面是指两相接触的约几个分子或原子厚度的过渡区，若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。严格讲固体的表面应是固体与其饱和蒸气之间的界面，但习惯上把固体与空气的界面称为固体的表面。加热一杯水界面和表面气-液界面与液体有关的界面举例液-液界面液-

2、液界面空气气-液界面界面和表面铁管Cr镀层固-固界面气-固界面玻璃板液-固界面液-固界面固-固界面与固体有关的界面举例界面和表面液体的表面张力（surfacetension）液体分子之间存在相互作用（相互吸引）；内部分子所受的力可以彼此抵销；表面层分子受力不均衡，受到体相分子的拉力大，受到气相分子的拉力小（因为气相密度低）；表面分子受到被拉入体相的作用力，从而形成表面张力。表面张力与气-液界面相切，作用于界面的边界线上，使表面有自动收缩到最小的趋势（液滴趋向于呈球形），并使表面层显示出一些独特性质，如表面吸附、毛细现象等。

3、产生机理表面张力的测量液体的表面张力（surfacetension）作用于可移动线上的表面张力可移动线处于力学平衡：单位:N/mSoupfilmonanadjustableframe表面张力的测量液体的表面张力（surfacetension）产生新的表面积所做的表面功固体材料：表面性能vs.本体性能Surfaceproperty:Adsorption,catalysis,oxidationFriction,adhesion,lubricationBulkproperty:Electricalconductance,Ther

4、malconductance,Meltingtemperature,HeatcapacityModulus,hardness10通常的材料性能固体的表面能固体表面的分类固体的表面能表面原子的键合模型固体表面原子处于与本体原子不一样的键合环境：周围缺少相邻的原子，具有不饱和的悬空键；处于更高的能量状态（表面能）。固体的表面能固体表面上的原子与晶体内部相比，处于一个较高的能量状态，所以表面积增加，体系的自由能就增加。表面能的定义：每增加单位表面积时，体系自由能的增量。固体的表面能表面能也称为表面自由能或表面张力；表面张力通常只

5、针对液体。表面自由能的热力学推导在建立新表面时，邻近原子将丢失，键被切断，因此，必须对系统做表面功（γdA):对于一个多组分的材料系统，吉布斯自由能的改变:G---系统的自由能；S---熵；T---温度V---体积；p---压力；---表面张力；A---表面积μi---组分i的化学势；ni---组分i的化学成分。G=G(T,p,ni)G=G(T,p,ni,A)因此，表面自由能：固体表面能（表面张力）的测定将固体熔化，测定液态表面张力与温度的关系，作图外推到凝固点以下来估算固体的表面张力。液体表面张力的测量固体表面能的测量

6、Figure2.2.Schematicshowingtwonewsurfacesbeingcreatedbybreakingarectangularintotwopieces.产生两个新表面所需做的表面功（W），等于键能（）与断裂键的数量的乘积:a为表面原子密度；Nb为单个原子所对应的断裂键的数量因此表面能可以表示为：面积A上断裂键的数量理论计算固体表面能的确定产生单位新表面时所需要的能量=外界对体系所做的表面功G为能量；A为新表面积根据热力学上的定义，面心立方晶体(100)、(110)、(111)三个低指数晶面上的原

7、子密度与近邻配位数对于晶面上的每个原子：断裂键的数量(Nb)=近邻配位数的变化面心立方结构的表面能Figure2.3.Schematicrepresentinglowindexfacesofaface-centeredcubic(fcc)crystalstructure:(A){100},(B){110},and(C){111}.{100}{110}{111}{100}面：{110}面：{111}面：SurfaceEnergyofDifferentCrystallographicOrientationsforSilver1

8、9Nbρa单晶的热力学平衡形态Figure2.7.Examplesofsinglecrystalswiththermodynamicequilibriumshape.Top-left:sodiumchloride,top-right:silver,bottom-left:silver,andbottom