最新固体表面与界面1固体的表面及其结构中南大学无机材料科学基础课件教学讲义ppt课件.ppt

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1、固体表面与界面1固体的表面及其结构2012中南大学无机材料科学基础课件5.1固体的表面及其结构5.2界面行为5.3粘土－水系统第五章固体的表面与界面5.1固体的表面及其结构5.1.1固体的表面5.1.2固体的表面结构2.清洁表面指不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理化学效应的表面，其化学组成与体内相同，但周期结构可以不同于体内。根据表面原子的排列，清洁表面又可分为台阶表面、弛豫表面、重构表面等。Pt（557）有序原子台阶表面示意图（1）台阶表面由有规则的或不规则的台阶的表面所组成，因而不是一个平面。[112][111][110](001)周期弛豫表

2、面示意图（2）弛豫表面由于固相的三维周期性在固体表面处突然中断，表面上原子产生的相对于正常位置的上、下位移，称为表面弛豫。LiF(001)弛豫表面示意图，·Li〇Fd0d0.1A0.35A重构表面示意图（3）重构表面指表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内，但垂直方向的层间距则与体内相同。d0d0asa3.吸附表面吸附表面有时也称界面。它是在清洁表面上有来自体内扩散到表面的杂质和来自表面周围空间吸附在表面上的质点所构成的表面。根据原子在基底上的吸附位置，一般可分为：顶吸附、桥吸附、填充吸附和中心吸附四种吸附情况。4.固体表面能和表面张力表面能：增加表

3、面单位面积体系自由能的增量（J/m2）表面张力：扩张表面单位长度所需要的力（N/m）表面能与表面张力的单位为等因次。（J/m2＝N·m/m2＝N/m）固体的表面能和表面张力的特点与液体相比：（1）固体表面能中包含了弹性能，表面张力在数值上不等于表面能；（2）固体表面张力为各向异性；（3）实际固体的表面绝大多数处于非平衡状态，决定固体表面形态的主要是形成固体表面时的条件以及它所经历的历史；（4）固体表面能和表面张力的测定非常困难。4.固体界面能和界面张力界面能：增加界面单位面积体系自由能的增量（J/m2）界面张力：扩张界面单位长度所需要的力（N/m）界面

4、能与界面张力的单位为等因次。（J/m2＝N·m/m2＝N/m）注意：界面能（或界面张力）<<两表面的表面能（或表面张力）之和两相之间总存在一定的相互作用能；当两相化学组成或结构相近时，其相互作用能越明显，则界面能（或界面张力）越小，形成的界面越稳定。5.表面偏析不论表面进行多么严格的清洁处理，总有一些杂质由体内偏析到表面上来，从而使固体表面组成与体内不同，称为表面偏析。6.表面力场固体表面由于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，从而表现的剩余键力，称为固体表面力。固体表面吸附，就是固体表面力场和被吸引质点力场相互作用的结果。

5、依性质不同，表面力可分为：（1）化学力（2）分子引力（1）化学力：本质上是静电力来自表面质点的不饱和价键，并可用表面能数值来估计，是固体表面产生化学吸附的主要原因。吸附剂（固体表面：具有吸附作用）＋吸附物（被吸附分子）吸附剂将其电子完全给予吸附物，使吸附物变成负离子，如吸附于大多数金属表面上的氧气;吸附物把其电子完全给予吸附剂，而变成吸附在固体表面上的正离子，如吸附在钨上的钠蒸气;常见情况是介于二者之间，即在吸附剂和吸附物之间形成共有电子，且常为不对称;对于离子晶体，表面主要取决于晶格能和极化作用。（2）分子引力，也称范德华（vanderWalls）力

6、是固体表面产生物理吸附和气体凝聚的主要原因，主要来源于三种效应：（1）定向作用：主要发生在极性分子（离子）之间，也称葛生力（Keesenforce）；（2）诱导作用：主要发生在极性分子与非极性分子之间，也称德拜力（Debyeforce）；（3）分（色）散作用：主要发生在非极性分子之间，也称伦敦力（Londonforce）。对不同物质，三种作用并非均等，如对于非极性分子主要是色散作用，定向作用和诱导作用很小可忽略。5.1.2固体的表面结构从表面微观结构与表面几何状态来考虑。1.晶体表面结构2.粉体表面结构3.玻璃表面结构4.固体表面的几何结构1.晶体表面

7、结构（1）真空状态下晶体表面结构特点a.真空状态下，无杂质、气体等吸附作用，是纯粹质点表面力场作用；b.固体质点只能通过表面层质点极化、变形、位移、重排来降低一部分表面能；c.对于阴离子半径较大的离子型化合物，如NaCl、Al2O3、SiO2等，极化重排结果将导致表面双电层的形成——可由真空分解所得MgO颗粒互相排斥证明；d.无论如何极化、重排以及形成表面双电层，但固体表面能仍很高，即仍具有强烈吸附作用。表面力的存在使固体表面处于较高能量状态，但系统总会通过各种途径来降低这部分过剩能量，从而导致表面质点极化、变形、位移、重排并引起原来晶格的畸变。对于不

8、同结构的物质，其表面力的大小和影响不同，因而表面结构状态也会不同。威尔（Weyl）等学者基于结