4-1 表面与界面

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1、第四章表面与界面表4－1石英粉表面积与表面能直径（m）表面积A（m2/g）表面能（J/m2）10－210－90.262.6×1060.272.7×106表面:一个固体(液体)与它本身蒸气（或真空）接触的分界面。界面:一个固相与另一个固相（结构不同）接触的分界面。表面、界面：第一节固体的表面一、固体表面的特征二、固体的表面结构三、固体的表面能一、固体表面的特征1.固体表面的特点不均一性(1)固体表面的凹凸不平(2)固体中晶体晶面的不均一性：各相异性、晶面不完整(3)表面被外来物质所污染，表面吸附外来杂质(4)制备和加工条件表现在：2.固体表面力场定义：晶体中每个质点周围都存

2、在着一个力场，在晶体内部，质点力场是对称的。但在固体表面，质点排列的周期重复性中断，使处于表面边界上的质点力场对称性破坏，表现出剩余的键力，称之为固体表面力。固体中表面力分为哪几类？表面力的分类：(2)范得华力(分子引力)(1)化学力（长程力）：本质上是静电力定向作用力FK(静电力)：发生于极性分子之间诱导作用力FD：发生于极性与非极性分子之间。分散作用力FL(色散力)：发生于非极性分子之间。F范＝FK＋FD＋FL1/r7▲▲二、固体的表面结构1、离子晶体的表面结构2、粉体的表面结构3、玻璃的表面结构4、固体表面的几何结构表面力的作用：液体:总是力图形成球形表面来降低系

3、统的表面能。固体:使固体表面处于较高的能量状态(因为固体不能流动),只能借助于离子极化、变形、重排并引起晶格畸变来降低表面能，其结果使固体表面层与内部结构存在差异。二、晶体表面结构1.离子晶体表面超细结构(微观质点排列)显微结构(表面几何状态)1、离子晶体的表面结构在固体表面力的作用下，离子晶体表面结构发生怎样的变化？受哪些因素影响？说明：1.离子晶体MX在表面力作用下，处于表面层的负离子X在外侧不饱和，负离子极化率大，通过电子云拉向内侧正离子一方的极化变形来降低表面能。这一过程称为松弛，它是瞬间完成的，接着发生离子重排。NaCl晶体图3－1离子晶体表面的电子云变形和离子

4、重排NaCl晶体图3－1离子晶体表面的电子云变形和离子重排2.从晶格点阵稳定性考虑作用力较大，极化率小的正离子应处于稳定的晶格位置而易极化的负离子受诱导极化偶极子排斥而推向外侧，从而形成表面双电层。重排结果使晶体表面能量趋于稳定。3、NaCl形成双电层厚度为0.02nm,在Al2O3、SiO2、ZrO2等表面上也会形成双电层。4、当表面形成双电层后，它将向内层发生作用，并引起内层离子的极化和重排，这种作用随着向晶体的纵深推移而逐步衰减。表面效应所能达到的深度，与阴、阳离子的半径差有关，差愈大深度愈深。5、离子极化性能愈大，双电层愈厚，从而表面能愈低。应用：硅酸盐材料生产中

5、，通常把原料破碎研磨成微细粒子(粉体)以便于成型和高温烧结。表面能减少NaCl晶体离子晶体表面的电子云变形和离子重排表面离子受内部离子作用电子云变形离子重排NaCl表面层中Na+向里；Cl-向外移动并形成双电层晶体内部晶体表面0.281nm0.266nm0.020nm如：PbI2表面能最小（130尔格／厘米2）；PbF2次之（900尔格／厘米2）；CaF2最大（2500尔格／厘米2）离子极化性能愈大，双电层愈厚，从而表面能愈低。粉体：细微的固体粒子集合体。粉体在制备过程中，表面层离子的极化变形和重排使表面晶格畸变，有序性降低。随着粒子的微细化，比表面增大，粉体表面结构趋于

6、无定形化。基于X射线、热分析和其它物理化学方法对粉体表面结构所作的研究测定，提出两种不同的模型：一种认为粉体表面层是无定形结构；另一种认为粉体表面层是粒度极小的微晶结构。2、粉体表面结构粉体表面层是无定形结构的实验验证：石英的相变吸热峰面积随SiO2粒度的变化；石英密度值随粒度的变化。粉体表面层是微晶结构的实验验证：对粉体进行更精确的X射线和电子衍射研究；对鳞石英粉体表面的易溶层进行的X射线测定。在熔体转变为玻璃体的过程中，为了保持最小表面能，玻璃表面各成分将按其对表面自由能的贡献能力自发地转移和扩散。在玻璃成型和退火过程中，碱、氟等易挥发组分自表面挥发损失。玻璃中的极化

7、离子会对表面结构和性质产生影响。3、玻璃表面结构表面张力的存在，使玻璃表面组成与内部显著不同实验观测表明，固体实际表面是不规则而粗糙的，存在着无数台阶、裂缝和凹凸不平的峰谷。这些不同的几何状态同样会对表面性质产生影响，其中最重要的是表面粗糙度和微裂纹。4、固体表面的几何结构（1）不同晶面上原子密度不同(11面心立方结构(100)、(110)、(111)三个低指数面上原子的分布结晶面表面密度最邻近原子次邻近原子面心立方（111）0.90766（100）0.78544（110）0.55522结晶面、表面原子密度及邻近原子数：（2）