材料表界面_第三章.ppt

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1、第三章固体表面一、固体的表面特性二、固体表面的自由能三、固-气界面吸附本章内容3.1固体表面特性特性01特性02特性03表面分子运动受缚性表面不均一性表面吸附性3.1固体表面特性3.1.1固体表面分子（原子）的运动受缚性形成新表面时可以认为经过如下过程：(1)首先体相被分开，形成新表面。(2)然后表面的分子或原子重排，迁移到平衡位置。对液体这两个过程同时完成；对固体第二个过程难完成，产生表面应力3.1固体表面特性3.1.2固体表面的不均一性固体表面凹凸不平晶体晶面的不均一性固体表面污染3.1固体表面特性3.1.3固体表面的吸附性正

2、由于固体表面原子受力不对称和表面结构不均匀性，它可以吸附气体或液体分子，使表面自由能下降。而且不同的部位吸吸附和催化的活性不同。3.1固体表面特性3.1.3固体表面的吸附性当气体或蒸汽在固体表面被吸附时，固体称为吸附剂，被吸附的气体称为吸附质。常用的吸附剂有：硅胶、分子筛、活性炭等。吸附剂吸附质3.1固体表面特性3.1.3固体表面的吸附性物理吸附仅仅是一种物理作用，没有电子转移，没有化学键的生成与破坏，也没有原子重排等。化学吸附相当与吸附剂表面分子与吸附质分子发生了化学反应，在红外、紫外-可见光谱中会出现新的特征吸收带。吸附力物理

3、吸附化学吸附物理吸附与化学吸附的比较3.1固体表面特性3.1.3固体表面的吸附性3.1固体表面特性3.1.3固体表面的吸附性应用：在脱水，脱气，净化，分离，催化等领域有广泛的应用。比表面积的定义：单位质量的吸附剂具有的表面积。A0=A/W其中A0为物质的比表面积（m2/g），A为物质的总表面积（m2），W为物质的质量（g）。提高固体吸附能力的方法：1.物质被粉碎成微粒。2.使固体具有许多内部空隙，即具有多孔性。3.1固体表面特性特性01特性02特性03表面分运动受缚性表面不均一性表面吸附性3.2固体表面的自由能液体的表面能和表面张

4、力在数值上是相等的。当把固体表面切开形成新表面时，新表面上的分子和原子因不能自由移动，仍停留在原来的位置上，但新表面上的分子和原子因受力不均，有自动调整其间距达到表面平衡构型的倾向，于是产生了表面应力。而固体的表面能和表面应力在数值上往往是不相等的。固体的表面能是产生单位面积新表面必须消耗的等温可逆功。3.2固体表面的自由能固体的表面应力定义τ为单位长度上的表面应力，则沿着相互垂直的两个表面上的表面应力与表面张力有如下关系：此式可理解为固体表面张力的力学定义。dA1dA2A3.2固体表面的自由能固体的表面应力dA1dA2A此式可理

5、解为固体表面张力的力学定义。对各向同性的固体，由于τ1=τ2=τ，所以σ=τ；对于各向异性的固体，则τ1≠τ2。对于各向同性固体τ1=τ2，则：对液体=0，所以τ=Gs，也即τ=Gs=σ对固体，τ≠GsdA1dA2A3.2固体表面的自由能固体的表面应力若各向异性固体在两个方向上的面积增量各为dA1和dA2则总的表面自由能增加可表示为：d(A1Gs)=τ1dA1d(A2Gs)=τ2dA2全微分：A1dGs+GsdA1=τ1dA1A2dGs+GsdA2=τ2dA2即：τ1=Gs+A1（dGs/dA1）τ2=Gs+A2（dGs/dA2）

6、3.3固-气界面吸附固-气界面吸附的影响因素：1、温度气体吸附是放热过程，因此无论物理吸附还是化学吸附，温度升高时吸附量减少。在物理吸附中，要发生明显的吸附作用，一般说，温度要控制在气体的沸点附近。化学吸附是表面化学反应，温度升高，吸附速率增大。3.3固-气界面吸附固-气界面吸附的影响因素：2、压力无论是物理吸附还是化学吸附，压力增加，吸附量皆增大。无论是物理吸附还是化学吸附，吸附速率均随压力的增加而增加。3.3固-气界面吸附固-气界面吸附的影响因素：3、吸附剂和吸附质性质（1）极性吸附剂易于吸附极性吸附质。如硅胶、硅铝催化剂等极

7、性吸附剂易于吸收极性的水、氨、乙醇等分子。（2）非极性吸附剂易于吸附非极性吸附质。如活性炭、碳黑是非极性吸附剂，故其对烃类和各种有机蒸气的吸附能力较大。炭黑的情况比较复杂，表面含氧量增加时，其对水蒸气的吸附量将增大。（3）一般吸附质分子的结构越复杂，沸点越高，被吸附的能力越强。这是因为分子结构越复杂，范德华引力越大；沸点越高，气体的凝结力越大，这些都有利于吸附。（4）酸性吸附剂易吸附碱性吸附质，反之亦然。例如，石油化工中常见的硅铝催化剂、分子筛、酸性白土等均为酸性吸附剂或固体酸催化剂，故它们易于吸附碱性气体（如NH3、水蒸气和芳烃

8、蒸气等）。（5）吸附剂的孔结构。3.3固-气界面吸附对气体的吸附量(q)通常有两种表示方法：(2)单位质量的吸附剂所吸附气体物质的量。(1)单位质量的吸附剂所吸附气体的体积(标准状态)。体积要换算成标准状况STP,101325Pa,273.15K,