表面化学07-1

《物理化学》第四版表面化学教案物理化学第四版表面化学教案介绍本教案旨在介绍《物理化学》第四版中有关表面化学的部分内容。

表面化学是物理化学中的一个重要分支，研究物质与表面相互作用的过程和性质。

通过本教案，学生将了解到表面化学的基本概念、主要理论以及实际应用等方面的知识。

教案内容1. 表面化学概述- 表面化学的定义和基本概念- 表面活性物质的特性及应用- 表面化学与其他分支学科的关系2. 表面现象和表面张力- 表面现象的定义和分类- 表面张力的概念和测定方法- 表面张力的影响因素3. 吸附现象- 吸附的定义和分类- 吸附等温线及其解释- Langmuir等温吸附模型4. 表面活性剂- 表面活性剂的定义和分类- 表面活性剂的表面性质和胶束形成- 表面活性剂在乳液和胶体中的应用5. 表面电荷- 表面电荷的产生和性质- 双电层理论- 表面电荷与溶液pH值的关系6. 表面分析方法- 电子显微镜- 表面拉曼光谱- 表面等离子共振光谱教学目标通过研究本教案，学生将能够：- 掌握表面化学的基本概念和理论知识- 理解表面现象、表面张力和吸附等重要概念- 理解表面活性剂的性质和应用，以及表面电荷的产生和影响因素- 了解常用的表面分析方法及其原理教学方法本教案将采用多种教学方法，如讲解、实验演示、案例分析等，以提高学生的研究兴趣和理解能力。

在教学过程中，鼓励学生积极参与讨论，并帮助他们建立对表面化学理论的正确理解和应用能力。

教学评估为了评估学生对表面化学的理解程度和研究效果，教师将采用以下方式进行评估：- 课堂问答：通过提问学生的方式，检查他们对教学内容的理解情况。

- 实验报告：要求学生完成相关实验，并撰写实验报告，评估他们对实验内容和相关理论的理解和应用。

- 小组讨论：组织学生进行小组讨论，促进他们之间的合作和交流，评估他们的团队合作能力和表达能力。

教材选择参考资料。

第七章薄膜的形成薄膜结构和性能的差异与薄膜形成过程中的许多因素密切相关。

因此，在讨论薄膜结构和性能之前，先研究薄膜的形成问题。

虽然薄膜的制备方法有许多种类，薄膜形成的机制各不相同，但是在许多方面，还是具有其共性特点。

在本章中，我们以真空蒸发薄膜的形成为例进行重点讨论。

§7-l 凝结过程薄膜的形成一般分为凝结过程、核形成与生长过程、岛形成与结合生长过程。

凝结过程是薄膜形成的第一阶段。

凝结过程是从蒸发源中被蒸发的气相原子、离子或分子入射到基体表面之后，从气相到吸附相，再到凝结相的一个相变过程。

一、吸附过程一个气相原子入射到基体表面上，能否被吸附，是物理吸附还是化学吸附，是一个比较复杂的问题。

固体表面与体内在晶体结构上一个重大差异就是原子或分子间的结合化学键中断。

原子或分子在固体表面形成的这种中断键称为不饱和键或悬挂键。

这种键具有吸引外来原子或分子的能力。

入射到基体表面的气相原子被这种悬挂键吸引住的现象称为吸附。

如果吸附仅仅是由原子电偶极矩之间的范德华力起作用称为物理吸附；若吸附是由化学键结合力起作用则称为化学吸附。

固体表面的这种特殊状态使它具有一种过量的能量称为表面自由能。

吸附现象使表面自由能减小。

伴随吸附现象的发生而释放的一定的能量称为吸附能。

将吸附在固体表面上的气相原子除掉称为解吸，除掉被吸附气相原子的能量称为解吸能。

因为从蒸发源入射到基体表面的气相原子都有一定的能量。

它们到达基片表面之后可能发生三种现象；（1）与基体表面原子进行能量交换被吸附；（2）吸附后气相原子仍有较大的解吸能，在基体表面作短暂停留后再解吸蒸发（再蒸发或二次蒸发）；（3）与基体表面不进行能量交换，入射到基体表面上立即反射回去。

用真空蒸发法制备薄膜时，入射到基体表面上的气相原子中的绝大多数都与基体表面原子进行能量交换形成吸附。

将吸附过程用能量关系表示时可由图7-1说明。

当入射到基体表面的气相原子动能较小时，处于物理吸附状态，其吸附能用Q p表示。

化学类核心期‎刊表1.化学总论类核‎心期刊表序号刊名中文译名中国刊号出版国1 Journa‎l of the Americ‎a n Chemic‎a l Societ‎y美国化学会志‎540B00‎03-1 美国2 Chemic‎a l review‎s化学评论540B00‎10 美国3 Angewa‎n dte Chemie‎应用化学547E00‎02 德国4 Chemic‎a l commun‎i catio‎n s 化学通讯540C00‎07-D 英国5 Accoun‎t s of chemic‎a l resear‎c h 化学研究述评‎540B00‎59 美国6 Chemic‎a l Societ‎y review‎s化学会评论540C00‎05 英国7 Chemis‎t ry 化学540E00‎70 德国8 The Journa‎l of physic‎s and chemis‎t ry of solids‎固体物理学与‎固体化学杂志‎538C00‎03 英国9 Bullet‎i n of the Chemic‎a l Societ‎y of Japan 日本化学会通‎报540D00‎05 日本10 Canadi‎a n journa‎l of chemis‎t ry 加拿大化学杂‎志540NA0‎01 加拿大11 Journa‎l of chemic‎a l educat‎i on 化学教育杂志‎540B00‎53 美国12 Pure and applie‎d chemis‎t ry 理论化学与应‎用化学540B00‎05 美国13 Chemic‎a l & pharma‎c eutic‎a l bullet‎i n 化学与药学通‎报633D00‎08 日本序号刊名中文译名中国刊号出版国14 Journa‎l of chemic‎a l resear‎c h 化学研究杂志‎540C00‎10 英国15 Chemis‎t ry world 化学世界540C00‎04 英国16 Chemis‎t ry letter‎s化学快学540D00‎60 日本17 Curren‎t medici‎n al chemis‎t ry 当今医药化学‎633JM0‎01 阿联酋18 Theoch‎e m 分子结构杂志‎540LB0‎57 荷兰19 CALPHA‎K相图计算542C00‎62 英国20 Journa‎l of comput‎e r-aided molecu‎l ar design‎计算机辅助分‎子设计杂志542LB0‎10 荷兰21 Journa‎l of comput‎a tiona‎l chemis‎t ry 计算化学杂志‎540B00‎23 美国22 Neuroc‎h emist‎r y intern‎a tiona‎l国际神经化学‎595C00‎01 英国23 New journa‎l of chemis‎t ry 化学新志540C00‎77 英国24 Journa‎l of chemic‎a l inform‎a tion and comput‎e r scienc‎e s 化学信息与计‎算机科学杂志‎540B00‎52 美国25 Helvet‎i ca chimic‎a acta 瑞士化学学报‎540E00‎11 德国2．无机化学类核‎心期刊表序号刊名中文译名中国刊号出版国1 Inorga‎n ic chemis‎t ry 无机化学543B00‎01-1 美国2 Dalton‎transa‎c tions‎道尔顿汇刊540C00‎07-A 英国3 Inorga‎n ica chimic‎a acta 无机化学学报‎543LD0‎02 瑞士4 Polyhe‎d ron 多面体543C00‎01 英国5 Carbon‎碳812C00‎52 英国6 Europe‎a n journa‎l of inorga‎n ic chemis‎t ry 欧洲无机化学‎杂志540E00‎01 德国7 Journa‎l of radioa‎n alyti‎c al and nuclea‎r chemis‎t ry 放射分析化学‎与核化学杂志‎542LB0‎13 荷兰8 Journa‎l of biolog‎i cal inorga‎n ic chemis‎t ry 生物无机化学‎杂志540E00‎68 德国3．有机化学类核‎心期刊表序号刊名中文译名中国刊号出版国1 Journa‎l of organi‎c chemis‎t ry 有机化学杂志‎545B00‎02-1 美国2 T etrah‎e dron letter‎s in organi‎c chemis‎t ry 四面体通讯545C00‎03 英国3 Macrom‎o lecul‎e s 大分子545B00‎12-1 美国4 T etrah‎e dron 四面体545C00‎02 英国5 Organo‎m etall‎i cs 有机金属化合‎物545B00‎14-1 美国6 Organi‎c & biomol‎e cular‎chemis‎t ry 有机与生物分‎子化学540C00‎17 英国7 Advanc‎e s in organo‎m etall‎i c chemis‎t ry 有机金属化学‎进展545B00‎19 美国8 Synlet‎t合成化学快报‎545E00‎52 德国9 Synthe‎s is 合成545E00‎02 德国10 Europe‎a n journa‎l of organi‎c chemis‎t ry 欧洲有机化学‎杂志540E00‎02 德国11 Biopol‎y mers 生物聚合物545B00‎06 美国12 Aldric‎h imica‎acta 奥尔德里奇化‎学公司学报545B00‎67 美国13 Journa‎l of organo‎m etall‎i c chemis‎t ry 有机金属化学‎杂志545LD0‎02 瑞士14 Advanc‎e s in polyme‎r scienc‎e聚合物科学进‎展823B00‎07 美国序号刊名中文译名中国刊号出版国15 Progre‎s s in lipid resear‎c h 脂类研究进展‎545C00‎06 英国16 Organi‎c letter‎s有机快报545B00‎79 美国17 Natura‎l prodrc‎t report‎s天然报告540C00‎66 英国18 Journa‎l of polyme‎r scienc‎e. Part A, polyme‎r chemis‎t ry 聚合物科学杂‎志. A 辑，聚合物化学545B00‎01*1 美国19 Synthe‎t ic commun‎i catio‎n s 合成通讯545B00‎57 美国4．物理化学、理论化学类核‎心期刊表序号刊名中文译名中国刊号出版国1 The Journa‎l of chemic‎a l physic‎s化学物理学杂‎志542B00‎03 美国2 Chemic‎a l physic‎s letter‎s化学物理学快‎报542LB0‎01 荷兰3 Langmu‎i r 兰格缪尔542B00‎68 美国4 The Journa‎l of physic‎a l chemis‎t ry. A, Molecu‎l es, spectr‎o scopy‎,kineti‎c s, enviro‎n ment & genera‎l theory‎物理化学杂志‎.A辑，分子、光谱学、动力学、环境与普通理‎论542B00‎06-1A 美国5 Journa‎l of physic‎a l and chemic‎a l refere‎n ce data 物理与化学参‎考数据杂志530B00‎10 美国6 The journa‎l of physic‎a l chemis‎t ry. B, Conden‎s ed matter‎, materi‎a ls, surfac‎e s, interf‎a ces & bio-physic‎a l 物理化学杂志‎.B辑，凝聚态、材精神病、表面、界面与生物物‎理542B00‎06-1B 美国7 Surfac‎e scienc‎e表面科学538LB0‎02 荷兰8 Advanc‎e s in cataly‎s is 催化作用进展‎542B00‎22 美国9 Physic‎a l chemis‎t ry chemic‎a l physic‎s物理化学化学‎物理学542C00‎59 英国10 Journa‎l of the Electr‎o chemi‎c al Societ‎y电化学学会志‎542B00‎05 美国11 Thin solid films 固体薄膜712LD0‎03 瑞士12 Cataly‎s is review‎s催化评论542B00‎12 美国13 Journa‎l of membra‎n e scienc‎e膜科学杂志542LB0‎09 荷兰14 Coordi‎n ation‎chemis‎t ry review‎s配位化学评论‎543LD0‎03 瑞士15 Electr‎o chimi‎c a acta 电化学学报542C00‎01 英国16 Journa‎l of colloi‎d and interf‎a ce scienc‎e胶体与界面科‎学杂志542B00‎04 美国17 Journa‎l of cataly‎s is 催化杂志542B00‎07 美国18 Radiat‎i on physic‎s and chemis‎t ry 辐射物理学与‎化学542C00‎03 英国19 Colloi‎d s and surfac‎e s. A, physic‎o chemi‎c al and engine‎e ring aspect‎s胶体与表面. A辑，物理化学问题‎和工程问题537LB0‎53-A 荷兰20 Intern‎a tiona‎l review‎s in physic‎a l chemis‎t ry 国际物理化学‎评论542C00‎68 英国21 Thermo‎c himic‎a acta 热化学学报542LB0‎05 荷兰22 Photoc‎h emist‎r y and photob‎i ology‎光化学与光生‎物学582B01‎50 美国23 Progre‎s s in solid state chemis‎t ry 固体化学进展‎540C00‎09 英国24 Farada‎y discus‎s ions of the Chemic‎a l Societ‎y化学学会法拉‎第论坛540C00‎55 英国25 Theore‎t ical chemis‎t ry accoun‎t s 理论化学报道‎542E00‎04 德国26 Chemph‎y schem‎物理化学542E00‎09 德国5．分析化学类核‎心期刊表序号刊名中文译名中国刊号出版国1 Analyt‎i cal chemis‎t ry 分析化学546B00‎01 美国2 Journa‎l of chroma‎t ograp‎h y. A 色谱法杂志.A辑546LB0‎02-A 荷兰3 Analyt‎i ca chimic‎a acta 分析化学学报‎546LB0‎03-B 荷兰4 The Analys‎t分析化学家546C00‎01-A 英国5 Electr‎o phore‎s is 电泳546E00‎52 德国6 Journa‎l of separa‎t ion scienc‎e分离科学杂志‎546E00‎03 德国7 Journa‎l of chroma‎t ograp‎h y. B, Analyt‎i cal tech-nologi‎e s in the biomed‎i cal and life scienc‎e s 色谱法杂志.B辑，生物医学与生‎命科学应用611LB0‎54 荷兰8 Journa‎l of electr‎o analy‎t ical chemis‎t ry 电解化学杂志‎546LD0‎02-B 瑞士9 Journa‎l of the Americ‎a n Societ‎y for Mass Spec-tromet‎r y 美国质谱学会‎志546B00‎75 美国10 Analyt‎i cal and bioana‎l ytica‎l chemis‎t ry 分析化学和生‎物分析化学546E00‎01 德国11 Rapid commun‎i catio‎n s in mass spectr‎o metry‎质谱学快讯546C00‎65 英国12 LC GC North Americ‎a北美液相色层‎法和气相色层‎法546B00‎68 美国13 Trends‎in analyt‎i cal chemis‎t ry 分析化学趋势‎546LB0‎11 荷兰14 Journa‎l of mass spectr‎o metry‎质谱测定法杂‎志546C00‎07 英国15 T alant‎a塔兰塔546LB0‎05 荷兰16 Chroma‎t ograp‎h ia 色层法546E00‎02 德国17 Separa‎t ion and purifi‎c ation‎review‎s分离与提纯评‎论810B00‎90 美国18 Surfac‎e and interf‎a ce analys‎i s 表面与界面分‎析538C00‎62 英国6．晶体学类核心‎期刊表序号刊名中文译名中国刊号出版国1 Journa‎l of crysta‎l growth‎晶体生长杂志‎549LB0‎01 荷兰2 Acta crysta‎l logra‎p hica. Sectio‎n D, Biolog‎i cal crysta‎l logra‎p hy 结晶学报. D辑，生物结晶学549KD0‎01-D 丹麦3 Journa‎l of non-crysta‎l line solids‎非晶性固体杂‎志549LB0‎02 荷兰4 Acta crysta‎l logra‎p hica. Sectio‎n A, Founda‎t ions of crysta‎l logra‎p hy 结晶学报. A辑，结晶学基础549KD0‎01-A 丹麦5 Journa‎l of applie‎d crysta‎l logra‎p hy 应用结晶学杂‎志549KD0‎02 丹麦。

导入网格2 定义求解器3 开启能量方程4 操作工况参数operating conditions1操作压力的介绍关于参考压力的设定，首先需了解有关压力的一些定义。

ANSYS FLUENT中有以下几个压力，即Static Pressure（静压）、Dynamic Pressure（动压）与Total Pressure（总压）；Absolute Pressure （绝对压力）、Relative Pressure（参考压力）与Operating Pressure（操作压力）。

这些压力间的关系为，Total Pressure（总压）=Static Pressure（静压）+Dynamic Pressure （动压）；Absolute Pressure（绝对压力）=Operating Pressure（操作压力）+Gauge Pressure（表压）。

其中，静压、动压和总压是流体力学中关于压力的概念。

静压是测量到的压力，动压是有关速度动能的压力，是流动速度能量的体现。

而绝对压力、操作压力和表压是FLUENT引入的压力参考量，在ANSYS FLUENT中，所有设定的压力都默认为表压。

这是考虑到计算精度的问题。

2操作压力的设定设定操作压力时需要注意的事项如下：对于不可压缩理想气体的流动，操作压力的设定直接影响流体密度的计算，因为对于理想气体而言，流动的密度由理想气体方程获得，理想气体方程中的压力为操作压力。

对于低马赫数的可压缩流动而言，相比绝对静压，总压降是很小的，因此其计算精度很容易受到数值截断误差的影响。

需要采取措施来避免此误差的形成，ANSYS FLUENT通过采用表压（由绝对压力减去操作压力）的形式来避免截断误差的形成，操作压力一般等于流场中的平均总压。

对于高马赫数可压缩流动的求解而言，因为此时的压力比低马赫可压缩流动的大得多，所以求解过程中的截断误差的影响不大，可以不设定表压。

由于ANSYS FLUENT中所有需输入的压力都为表压，因此此时可以将操作压力设定为0（这样可以最小化由于压力脉动而引起的误差），使表压与绝对压力相等。