第10章 界面性质

材料界面性质的研究及应用材料的界面性质是指两种或多种不同材料在接触处的性质，这在材料科学研究中是非常重要的。

在材料的应用中，界面性质的研究和理解会影响新材料的开发、新技术的应用以及材料在各个领域的具体性能和使用效果。

本文将介绍界面性质的定义、研究方法、现有的应用以及未来的发展方向。

一、界面性质的定义在色谱、纳米材料、涂层、复合材料等领域，不同材料之间界面的化学和物理性质是一个关键因素。

这种性质能影响材料的力学性能、热力学稳定性、光电性质等等。

不同材料之间的界面可以是原材料经过工艺处理后的接触面，也可以是不同材料之间的交界处。

在某种意义上，界面性质也可以看作是两种不同材料之间的异质性质。

这种异质性质在很多情况下是非常有意义的，比如，使用美国国家科学基金的研究中心进行研究的一种原子薄膜金属元素交换活性的硅芯片，在这种芯片上，金属元素的交换与界面水的结构有关。

因此，无论是从材料学的角度，还是从物理、化学、生物学等学科的角度，界面性质都是非常重要的。

二、界面性质的研究方法当前，界面性质研究的方法主要有以下几种：1. 电子顺磁共振(EPR)和核磁共振(NMR)这些方法在材料学中是非常常见的。

在EPR技术中，利用化学反应、改变温度或进一步控制电磁波的频率，可以观察到材料界面的变化。

而在核磁共振方法中，通过放置样品在高的磁场中，可以观察到不同原子质量的变化和干扰信号的变化。

2. X射线、中子衍射和表面散射这些方法主要依靠通过材料中的相应实体的固有难度散播的信号来研究材料中的界面固定位和动力学结构。

通过中子、X光、及电子在材料中的衍射能力和表面电子与材料中粒子的碰撞以及表面区域的成像，可以研究材料的界面结构和阶段。

3. 光学和波导这些方法是研究材料的光学性质及其界面的物理性质。

利用光学和波导的技术，可以观察到材料间的光电响应及其他特性。

4. 相转变和热量测定这种方法主要利用其热能活性方法来研究材料中不同材料的相转变和相互作用。

• 表面张力一般随温度增加而降低。
• 纯物体： γ = γ0(1－T/ Tc)n • （3）压力的影响：
• 表面张力一般随压增加而降低。
§10.2 弯曲液面的附加压力及其后果
• （1） 弯曲液面的附加压力：拉普拉斯方程
• 液面 有凸液面和凹液面两种。
• 弯曲液面的附加压力: 由于表面张力的作用,弯 曲液面的两侧存在一个压力差ΔP 。
凹面
0.0000
-9 2.9335 0.3409
-10
ห้องสมุดไป่ตู้
-8
-6
-4
-2
0
log r
• 例: 10-2 水的表面张力与温度的关系为: • γ /10－3 N.m－1 = 75.64 － 0.14 (t /℃ )
• 今将10kg纯水在 303K及 101325Pa条件下定温、 定压可逆分散成半径 r=10－ 8 m的球形雾滴， 计算：
2物理吸附和化学吸附物理吸附化学吸附吸附力分子间力化学键力吸附分子层多层或单层单分子层吸附热小液化热大化学反应热吸附稳定性不稳易解稳不易解吸在一定tp下气体在固体表面达到吸附平衡吸附的速率等于脱附速率时单位质量的固体所吸附的气体的体积
第十章 界面性质
物理化学（下册）
表面和界面(surface and interface)
• 高度分散系统的表面能:
( U AS
) S ,V ,n( B )
( H AS
)S ,P,n(B)
( A AS
)T ,V ,n( B )
( G AS
)T ,P,n( B)
• 单位表面自由能γ : 表面亥姆霍茨自由能或表面 吉布斯自由能。
• 在定温、定压、定组成下： dG T,P,n (B) = γ dAs • 产生表面现象的热力学原因:

有等于系统增加单位面积时所增加的吉布斯函数，
所以也称为表面吉布斯函数
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例：
20 ℃时汞的表面张力 =4.85×10
-1
N· m
-1
，若在此温度
及101.325 kPa 时，将半径r1 = 1 mm的汞滴分散成半径为 r2 =10-5 mm 的微小液滴时，请计算环境所做的最小功。 解：因为T，p 恒定，所以为常数，环境所做的最小功为可逆过程 表面功W’，
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此实验证明，液体表面层存在着一个平行于液面，垂直 于分界线的力，此力使表面收缩 —— 表面张力。



对于弯曲液面，表面张力则与液面 相切。


表面张力
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2. 表面功与表面张力表面吉布斯函数：
dx
当T、p、n不变的条件下，若把 MN移动dx，
F外

l
则增加面积dA=2l· dx，
此时外界必反抗表面张力做功。 WR' F外 dl 在可逆条件下：F外=F表+dF≌F表
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5. 影响表面张力的因素
（1）表面张力和物质性质有关和它接触的另一相的性质有关。 （i）和空气接触时，液体和固体中的分子间作用力越大表面 张力越大。一般：
(金属键)＞ (离子键)＞ (极性共价键)＞ (非极性共价键)
（ii）同一种物质和不同性质的其它物质接触时，界面层中分 子所处的力场不同，界面张力出现明显差异。（看下表数据）
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某些液体、固体的表面张力和液/液界面张力
物质 水(溶液) 乙醇(液)
/（10-3
N· -1） m 72.75 22.75
T/K 293 293
物质 W(固) Fe(固)

ｐａｇｅ ３
消；在垂直方向上的分力为 γ ｃｏｓα 。 因此在垂直于截面方向上这些分力的合力为 ： Ｆ ＝ ２πｒ ｀γ ｃｏｓα ｒ＇ ｃｏｓ α ＝ ｒ Ｆ ＝ ２πｒ ＇ ２γ ／ ｒ §１０－３ 弯曲液面的附加压力和毛细现象 在弯曲液面上垂直作用于单位截面上的力，即为附加压力，用 Ｆ ２γ 来表 该公 式就是拉普拉斯方程。 Ｐ Ｐ＝ Ｐ Ｐ ＝ 外 内 得出： ⑴对指定的液体而言（即 γ 为一定值），附加压力与表面曲率 半径成 反比。曲率半径越大，附加压力越小。 ⑵对于凸液面来说 ｒ ＞ ０ ， ∴ Ｐ ＞ ０ 方向 为指向液体内部。 对于凹液面来说 ｒ ＜ ０ ， ∴ Ｐ ＜ ０ 方向指向气体。 对于水平液 面来说 ｒ → ∞ ， ∴ Ｐ ＝ ０ 。 ⑶对于不同液体而言，液面的曲率相同时，附加压 力与表面张力 成正比。 ⑷从上面推导的过程来看，拉普拉斯方程适用于曲率半径为 定值 的小液滴或液体中小气泡的附加压力的计算； ⑸而对于球形液膜，例如空气中 的肥皂泡，有内、外两个球形表 面，外表面是凸液面，内表面是凹液面，产生的附加 压力均指向 液泡中心，所以液泡内气体的压力大于泡外气体的压力，其附加 ４γ 压 力 。 Ｐ ＝ ｒ πｒ ＇２ ＝ ｒ §１０－３ 弯曲液面的附加压力和毛细现象 三、毛细现象 把一根毛细管插入到液体中，管中液面会出 现两种现象： ⑴若 该液体能润湿毛管管管壁 （例如水），管中的液面呈凹开，曲面受到 一向上的附加 压力；此时曲面下的液体对表 面层的压力Ｐ应当小于大气压Ｐｇ，液面会上升 一定高度 。 ⑵若该液体不能润湿毛管管管壁（例如汞）， 管中的液面呈现凸形，曲面受到一 向下的附 图１０－１０ 毛细管现象 加压力，此时曲面下的液体所受到的压力Ｐ 应当大于 大气压Ｐｇ ，因而液面会下降。 利用毛细现象，可以来测定液体的表面张力，以毛细 管中液体上 升为例： 设毛细管半径为ｒ ，管内液面可以近似看作球形的一部分，并 设 ２γ 方向向上，致使管 该球面的曲率半径为Ｒ ，则附加压 力 Ｐ ＝ 内的液柱上升 一定高度， Ｒ §１０－３ 弯曲液面的附加压力和毛细现象 当达到平衡时，向上的附加压力 Ｐ 与高出液面的那部分液柱的静 ２γ Ｐ ＝ ρｇ ｈ ＝ 压力 ρｇｈ 相等，即： Ｒ 而一般测量时Ｒ不容易测定，转化 成毛细球面的曲率半 径 ｒ。 ｒ ｃｏｓ θ ＝ 从图１０－１０上可知： Ｒ ρｇｈＲ ρｇｈｒ ＝ γ＝ 因而液体的表面张力 ： （１０－１７） ２ ２ ｃｏｓ θ 式中 ρ－－为液体与气体的密度差（或直接表示成液体的密度 ） ｇ－－为重力加速度 θ－－为液体与毛细管壁的接触角 若已知液体的表面张力 γ 和 接触角θ，则可以求得弯曲液面上升的 ２γ 高度ｈ： ｈ＝ ｃｏｓ θ ρｇｒ （１０－１８） 由式 １０－１８可知：在一定温度下（ γ 不变）毛细管愈细，液体的密 度愈小，液体对管壁 润湿得愈好（越小），液体在毛细管中上升得 愈高。 ｃｏｓ 当液体不能润湿管壁时， ＞ ９０ ０ ， θ ＜ ０ ，ｈ为负值，表示管内凸液 θ 面下降的高度。 §１０－４ 分散度对系统性质的影响 一、微小液滴的饱和蒸气压——开尔文公式（ ｋｅｌｖｉｎ） 在一定温度与外压下，纯液体有一定的饱和蒸气压 但这“ 饱和蒸气压， 在一定温度与外压下，纯液体有一定的饱和蒸气压，但这“饱和 蒸 气压”指的是， 平面液体的 气压”指的是，平面液体的。 实验表明，微小液滴的饱和蒸气压高于平 面液体的饱和蒸气压， 高于平面液体的饱和蒸气压 实验表明，微小液滴的饱和蒸气 压高于平面液体的饱和蒸气压， 这说明，蒸气压不但与温度，压力与物质本性有关， 这说明，蒸气压不但与温度，压力与物质本性有关，还与液滴的 大小，即其曲率半 径有关。如图１０－ 所示 所示： 大小，即其曲率半径有关。如图 －１１所示： 恒温下 将１ｍｏｌ液体（平液面） 分散成半径为的小液滴，可 按两种途径来进行如下所示：