表面物理化学01.ppt

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1、 表面物理化学表面物理化学与其它科学技术间的关系表面物理化学对材料表面工程技术的意义和作用表面物理化学是一门以多相物系为对象，从原子或分子尺度上探讨各种表面和两相之间界面的组成、结构、性质与吸附质的变化过程，研究界面性质随物质本性而变化之规律的学科。表面物理化学(或表面化学)与表面化学物理(或表面物理)组成表面科学。前者偏重于研究多相物系界面上的性质和由此产生的作用及其应用；后者则着重于界面结构与界面键及其物理效应的研究。两者既有区别又有联系，是同一科学领域内不能截然分开的相邻学科。表面物理化学是随着现代科学技术发展，各学科之间相互交叉和渗透而形成的一门重要的边缘学科。它是通向当前新技术革命中

2、三大前沿科学领域(材料科学、信息科学、生命科学)的重要桥梁。它与无机化学、分析化学、有机化学、高分子化学、物理化学、化学热力学、化学动力学和结构化学等关系十分密切。表面物理化学涉及了整个化学学科的各个分支领域。 “Godmadesolids,butsurfacesweretheworkofthedevil!”。 _Wolfgang E. Pauli (泡利)本课程主要内容 物质表面物质表面 固液界面与润湿固液界面与润湿 固固界面与粘附固固界面与粘附 表面的蒸发和凝聚表面的蒸发和凝聚 固体表面吸附固体表面吸附 固体表面扩散固体表面扩散 表面化学反应表面化学反应 表面电子结构表面电子结构 薄膜制备

3、技术和薄膜材料的应用薄膜制备技术和薄膜材料的应用 表面改性与功能材料表面改性与功能材料 表面研究方法及应用表面研究方法及应用参考书目表面物理化学，谈慕华 黄蕴元编，中国建筑工业出版社，1985年表面物理化学，程传煊编著，科学技术文献出版社，1995年薄膜的基本技术 ，金原 粲著，杨希光译，科学出版社，1982年薄膜物理 ，薛增泉等编著，电子工业出版社，1991年材料表面工程导论，赵文轸 主编，西安交通大学出版社，1998年材料表面与界面，李恒德 肖纪美著，清华大学出版，1990年表面物理化学，A. W. Adamson著，顾惕人译，科学出版社，1984年材料表面科学，曹立礼著， 清华大学出版社

4、，2007年材料表面薄膜技术，杨烈宇等编著，人民交通出版社，1991年表面工程的理论与技术，徐滨士等编著，国防工业出版社，1999年固体化学导论，苏勉曾 编著，北京大学出版社，1987年引言引言表面界面现象是自然界普遍存在的现象。本课程主要介绍与表面界面现象有关的物理化学原理及应用技术。表面现象是人们随处可见的自然现象，它与生命攸关。所有生物都是由胶体组成的；大脑皮层进行的信息交换和传递，被认为是当今自然界中最复杂的表面过程；植物通过叶表面肉中的叶绿素，把空气中游离的二氧化碳和水转化为淀粉和氧的光合作用，就是一个众所周知的表面反应。此外，分折化学中的指示剂吸附离子交换、浊度测定、沉淀过滤、色谱

5、、极谱和脱色作用等；物理化学中的晶核过程、过冷、过热和过饱和现象、多相催化过程和电极过程等；生物化学及分子生物学中的核酸、蛋白质、血液学、生物工程、电泳、渗透、病毒和膜现象等；高分子化学中的合成纤维、塑料、涂料、粘合剂等；材料科学中的腐蚀、断裂、润滑、粉末冶金、合金、陶瓷、水泥和高分子材料等；在超细粉末和纳米材料的制备和粉末团聚的研究方面，界面现象都有重要的应用。涉及表面界面问题的典型技术应用：涉及表面界面问题的典型技术应用：气气/液界面液界面蒸发，精馏，干燥，吸收反应蒸发，精馏，干燥，吸收反应气气/固界面固界面_非均相催化，化学传感器非均相催化，化学传感器液液/液界面液界面萃取萃取液液/固界

6、面固界面腐蚀，电镀腐蚀，电镀固固/固界面固界面大规模集成电路大规模集成电路气气/固固/液液摩擦学，润滑摩擦学，润滑化工生产中的萃取、电解、电镀、印染、墨水、纸浆、颜料、油墨、洗涤剂、催化剂和分散剂等，环境保护中的净化、污水处理、除气溶胶、尘、雾、泡沫等；石油化工、地质和土壤科学中的石油回收和处理、浮选富集矿石、土壤改良等。上述这些均有各种层次不同的表面物理化学问题。人们在科研、生产与生活中所使用的材料，在大多数情况下均为复合体，即使是单质材料，也往往由于原生裂缝的存在而成为两相复合体。其中相与相之间是以界面过渡层分开，且通过界面而产生相互作用和协同作用。界面组成和结构的不同在各个方面和不同程度

7、上影响着材料的宏观性质。总之，材料在形成、使用和破坏的整个过程中，始终伴随着界面的产生、转化和消失。 真实材料往往是不均质的复合体，因此，材料内部结构的改变，或外部环境的影响，常常通过界面发生作用。材料的强度是重要的宏观性质，而对材料强度起主要作用的是界面性质及其变化。由于界面及孔隙结构属于亚微观性质，所以，必须研究材料的组分、结构与性能之间的关系。为此一定要根据表面物理化学和其它相邻基础学科的原则或原理，重视材料结构和特性的研究，才能达到按指定性能设计材料和制造材料的最终目的。由此可见，近代材料科学离不开表面物理化学。当今表面物理化学的前沿课题研究大致有如下三个方面，即：表面组成的研究表面结

8、构的研究表面化学反应的研究引言引言表面化学发展简史表面化学发展简史表（界）面化学是一门既古老又年轻的科学，它是研究表（界）面的物表（界）面化学是一门既古老又年轻的科学，它是研究表（界）面的物理化学规律及体相与表相的相互影响关系的一门学科。历史上对界面现理化学规律及体相与表相的相互影响关系的一门学科。历史上对界面现象的研究是从力学开始的，早在十九世纪初就形成了界面张力的概念。象的研究是从力学开始的，早在十九世纪初就形成了界面张力的概念。而最早提出界面张力概念的是而最早提出界面张力概念的是T.YoungT.Young，他在，他在18051805年指出，体系中两个相年指出，体系中两个相接触的均匀流体

9、，从力学的观点看就象是被一张无限薄的弹性膜所分开，接触的均匀流体，从力学的观点看就象是被一张无限薄的弹性膜所分开，界面张力则存在于这一弹性膜中。杨还将界面张力概念推广应用于有固界面张力则存在于这一弹性膜中。杨还将界面张力概念推广应用于有固体的体系，导出了联系气体的体系，导出了联系气液、固液、固液、固液、固气界面张力与接触角关系气界面张力与接触角关系的杨氏方程。的杨氏方程。 18061806年，拉普拉斯（年，拉普拉斯（P.S.LaplaceP.S.Laplace）导出了弯曲液面两边附加压力与界面）导出了弯曲液面两边附加压力与界面张力和曲率半径的关系张力和曲率半径的关系. .可用该公式解释毛细管现

10、象。可用该公式解释毛细管现象。18691869年普里年普里（A.DapreA.Dapre）研究了润湿和黏附）研究了润湿和黏附 现象，将黏附功与界面张力联系起来。现象，将黏附功与界面张力联系起来。界面热力学的奠基人吉布斯（界面热力学的奠基人吉布斯（GibbsGibbs）在）在18781878年提出了界面相厚度为零的年提出了界面相厚度为零的吉布斯界面模型，他还导出了联系吸附量和界面张力随体相浓度变化的吉布斯界面模型，他还导出了联系吸附量和界面张力随体相浓度变化的引言引言普遍关系式即著名的吉布斯吸附等温式。1859年，开尔文（Kelvin）将界面扩展时伴随的热效应与界面张力随温度的变化联系起来。后来

11、，他又导出蒸汽压随界面曲率的变化的方程即著名的开尔文方程。在19131942年期间，美国科学家朗格缪(Langmuir)在界面科学领域做出了杰出的贡献，特别是对吸附、单分子膜的研究尤为突出。他于1932年获诺贝尔奖，被誉为界面化学的开拓者。界面化学的统计力学研究是从范德华开始的。1893年，范德华认识到在界面层中密度实际上是连续变化的。他应用了局部自由能密度的概念，结合范德华方程，并引入半经验修正，从理论上研究了决定于分子间力的状态方程参数与界面张力间的关系。50年代以后，界面现象的统计力学研究经过勃夫（F.Buff）、寇克伍德（Kirkwood）、哈拉西玛（Harasima）等的研究工作，取

12、得了实质性的进展。表面和界面表面和界面(surface and interface)(surface and interface)在一个非均匀的体系中,至少存在着两个性质不同的相。两相共存必然有界面。可见，界面是体系不均匀性的结果。一般指两相接触的约几个分子厚度的过渡区，若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。常见的界面有：气-液界面，气-固界面，液-液界面，液-固界面，固-固界面。严格讲表面应是液体和固体与其饱和蒸气之间的界面，但习惯上把液体或固体与空气的界面称为液体或固体的表面。表面和界面表面和界面(surface and interface)(surface and interface)

13、几点说明：几点说明：1、严格讲，界面是、严格讲，界面是“界界”而不是而不是“面面”。因客观存在的界面是。因客观存在的界面是物物理面而非几何面，是一个准三维的区域。理面而非几何面，是一个准三维的区域。2、目前，常用于处理界面的模型有两种：一为古根海姆、目前，常用于处理界面的模型有两种：一为古根海姆（Guggenheim）模型。其处理界面的出发点是：界面是一个）模型。其处理界面的出发点是：界面是一个有一定厚度的过渡区，它在体系中自成一相有一定厚度的过渡区，它在体系中自成一相界面相。界面界面相。界面相是一个既占有体积又有物质的不均匀区域。该模型能较客相是一个既占有体积又有物质的不均匀区域。该模型能较

14、客观地反映实际情况但数学处理较复杂。另一个模型是吉布斯观地反映实际情况但数学处理较复杂。另一个模型是吉布斯（Gibbs）的相界面模型。该模型认为界面是几何面而非物）的相界面模型。该模型认为界面是几何面而非物理面，它没有厚度，不占有体积，对纯组分也没有物质存在。理面，它没有厚度，不占有体积，对纯组分也没有物质存在。该模型可使界面热力学的处理简单化。该模型可使界面热力学的处理简单化。表面和界面表面和界面(surface and interface)(surface and interface)常见的界面有：1.气-液界面表面和界面表面和界面(surface and interface)(surfa

15、ce and interface)2.气-固界面表面和界面表面和界面(surface and interface)(surface and interface)3.液-液界面表面和界面表面和界面(surface and interface)(surface and interface)4.固-固界面引言引言二十世纪60年代初，由于电子工业与航天技术的发展，打破了表面科学在50年代进展缓慢的局面。电子工业和航天技术的发展要求所有部件的尺寸尽量地缩小，以便增大表面积与体积之比，而且材料的表面特性在一定程度上支配着半导体技术和航空工业的发展。因此，迫切需要微观测试手段来对表面现象进行研究，促使超高真

16、空设备不断完善，其真空度高达106Pa。另外，电子计算机和新的表面测试技术的不断引进，于是出现了低能电子衍射仪、俄歇电子能谱仪、X射线光电子能谱仪等， 它们只要在面积很小的表面(一般为1cm2)上即可进行测试，并能获得可鉴别的信号。因此，促进了表面物理化学研究新局面的形成。引言引言到了70年代，科学家以新发展起来的高分辨率电子能量损失谱(HREELS)来研究表面吸附物种和表面反应机理。Yates、Somorjai、Ertl等科学家将分子束技术推广到表面的研究中，从而将理论与应用的研究结合起来，致使表面吸附和表面反应动力学的研究向前迈进了一大步。从60年代末至70年代初，已经进入从微观水平上研究表面现象的阶段，表面科学得到了飞速发展，表面科学终于作为一门独立的学科而被公认了。目前，科学家已能在低于微米级的表面上，获得小于1原子单层(103原子/cm2)的原子信息，于是可在优于10-7Pa的超高真空下，从分子水平上研究表面现象。不少科学家正致力于催化剂和多相催化过程、有关表面的组成、结构和吸附态对表面反应的影响及表面机理的研究，从而寻找有实用价值的高效催化剂。引言引言例如，在研究铁催化剂表