哈工大 材料表面与界面复习题库

材料表面界面复习题-材物整理 1. 液体原子结构的主要特征。 （1）液体结构中近邻原子数一般为5~11个（呈统计分布），平均为6个，与固态晶体密排结构的12个最近邻原子数相比差别很大； （2）在液体原子的自由密堆结构中存在五种间隙，四面体间隙占了主要地位。 （3）液体原子结构在几个原子直径范围内是短程有序的，而长程是无序的。 2. 液体表面能的产生原因。 在液体的内部任何分子周围的吸引力是平衡的，可是在液体表面层的分子却不相同。因为表面层的分子，一方面受到液体内层的邻近分子的吸引，另一方面受到液面外部气体分子的吸引，而且前者的作用要比后者大。因此在液体表面层中，每个分子都受到一个垂直于液面并指向液体内部的不平衡力。这种吸引力使表面上的分子趋向于挤入液体内部，促成液体的最小表面积。要使液体的表面积增大就必须要反抗液体内部分子的吸引力而做功，从而增加分子的位能。所以说，分子在表面层比在液体内部有较大的位能，这种位能就是液体的表面能。 3. 液体表面张力的概念和影响因素。 液体表面层的原子或分子受到内部原子或分子的吸引，趋向于挤入液体内部，使液体表面积缩小，因此在液体表面的切线方向始终存在一种使液体表面积缩小的力。液体表面的这种作用力被称为液体的表面张力。 液体的表面张力大小受很多因素的影响。如果不考虑液体内部其它组元向液体表面的偏聚和液体外部组元在液体表面的吸附，液体表面张力大小主要受物质本身结构、所接触的介质和温度的影响。 （1）液体的表面张力来源于液体内部原子或分子间的吸引力，因此液体内部原子或分子间的结合能的大小直接影响到液体的表面张力的大小。一般来说，液体中原子或分子间的结合能越大，表面张力越大。具有金属键原子结合的物质的表面张力最大；其次由大到小依次为：离子键结合的物质、极性共价键结合的物质、非极性共价键结合的物质。 (2)液体的表面张力的产生是由于处于表面层的原子或分子一方面受到液体内部原子或分子的吸引，另一方面受到液体外部原子或分子的吸引。当液体处在不同介质环境时，液体表面的原子或分子与不同物质接触所受的作用力不同，因此导致液体表面张力的不同。一般来说，介质物质的原子或分子与液体表面的原子或分子结合能越高，液体的表面张力越小；反之，介质物质的原子或分子与液体表面的原子或分子结合能越低，液体的表面张力越大。 （3）液体的表面张力还与温度有关。温度升高，液体的密度降低，液体内部原子或分子间的作用力降低，因此液体内部原子或分子对表面层的原子或分子吸引力减弱，导致液体的表面张力下降。γ = γ0(1－T/Tc)n 举例：水的表面张力随温度的升高而下降的趋势。这一变化规律可以从两个方面进行解释：一方面，随温度升高，水的体积膨胀，内部分子间距离增大，导致水中内部分子对表面分子的吸引力降低；另一方面，随温度升高，蒸汽压提高，气相中的分子对水表面分子的吸引力增大。 4. 固体表面能的影响因素。 影响固体表面能的主要因素有：固体原子间的结合能、固体表面原子的晶面取向和温度。 （1）由于表面能的大小主要取决于形成固体新表面所消耗的断键功，因此原子间的结合能越高，断开相同结合键需要消耗的能量越高，所形成的固体表面能越高。 （2）由于固体晶体结构是各向异性的，不同晶面的原子面密度不同，所以形成单位面积的新表面需要断开原子键的数量不同，导致所形成的表面能不同。一般来说，固体表面原子面密度越高，形成单位面积的新表面需要断开原子键的数量越小，表面能越低。 材料表面界面复习题-材物整理 （3）与液体一样，固体的表面能随温度的升高而下降，并且固体表面能随温度升高而下降的速度大于液体。 5. 计算并讨论立方晶系（100）、（110）和（111）面的表面能大小。 采用“近邻断键模型”来计算固体晶体的表面能。假设：第一，每个原子只与其最近邻的原子成键（最近邻原子数即为该晶体结构的配位数），并且只考虑最近邻原子间的结合能；第二，原子间的结合能不随温度变化。 对于具有任意晶体结构的固态晶体，某一晶面{hkl} 的表面能（γS{hkl}）可以用下式计算： γS{hkl} = N{hkl}Z(Ua/2) 其中N{hkl}为{hkl}晶面单位面积的原子数，Z为晶体沿{hkl}晶面断开形成新表面时{hkl}晶面上每个原子需要断裂的键数。 简单立方：

面心立方： 体心立方

(a)单胞结构 (c){011}晶面 (b){001}晶面 (d){111}晶面 a a a

a (a)单胞结构 a

(b){001}晶面 a (c){011}晶面 (d){111}晶面 a 材料表面界面复习题-材物整理 6. 固体晶体表面形状的形成原则和确定方法。 固体晶体的表面平衡形状一方面取决于所形成的总表面积大小，但更重要的是决定于构成表面的晶面表面能大小。一般情况下，固体晶体的表面由那些表面能较低的低指数晶面组成，从而形成多面体形状。固体晶体平衡形状（多面体）形成的原则是固体总表面自由能最低。当固态球状晶体加热后，固体晶体会变为多面体，其原因就是这样的多面体的总表面自由能最低。因此，固体表面的平衡形状为多面体。

假设三个图形的面积均为1cm2，正八边形的边长约为0.46cm。 假设该二维晶体(10) 晶面的表面能为2.5×10-5J/cm，(11) 晶面的表面能为2.25×10-5J/cm，则可以通过计算得到： 图 (a)所示的二维晶体总表面自由能为: Ga = 4×1×2.5×10-5 = 10-4J； 图 (b)所示的二维晶体总表面自由能为: Gb = 4×1×2.25×10-5 = 9×10-5J； 图 (c)所示的二维晶体总表面自由能为: Gc = 4×0.46×2.5×10-5 + 4×0.46×2.25×10-5 = 8.74×10-5J。 对比计算结果可以看出，图 (c)所示的八边形具有最低的总表面自由能。

次表面 最表面 再次表面 (11) (11)

(10(10

(a) (b) (c)

(b) 0.59cm 0.32cm (11) (10) (a) (11) (10) O A B 材料表面界面复习题-材物整理 按照Wuff提出的晶体平衡形状的半经验规律，OA/OB = γ(10) /γ(11)。 再根据两个四边形的公共部分所组成的八边形的面积应该为1cm2，就可以最终确定该八边形的尺寸。 计算结果表明，该八边形(10)边的长度为0.32cm，(11)边的长度为0.59cm，如图 (b)所示。按照这样的八边形计算得到的总表面自由能为 G = 4×0.32×2.5×10-5 + 4×0.59×2.25×10-5 = 8.51×10-5J。 这样的八边形的表面自由能低于正八边形表面自由能（8.74×10-5J），是该晶体以(10)和(11)晶面组成表面的最稳定的平衡形状。 7. 对比分析固体表面物理吸附和化学吸附的主要特点。 物理吸附： （1）固体表面的分子或原子具有不均匀力场，当气体分子（原子）接近固体表面时，将受到固体表面分子（原子）的吸引力，在固体表面形成富集。这种现象为物理吸附。 （2）如果被吸附物质深入到固体体相内部，则称为吸收。 （3）物理吸附的作用力是范德华力，可以看作是气体冷凝形成的液膜，因此物理吸附热的数值与液化热相似。 （4）因为范德华力存在于任何分子之间，因此物理吸附没有选择性。 （5）物理吸附速度一般较快。 （6）物理吸附往往容易脱附，是可逆的。 化学吸附： （1）通过电子转移或电子对共用形成化学键或生成表面配位化合物等方式产生的吸附为化学吸附。 （2）化学吸附的作用力是化学键力，吸附力较大，吸附热与化学反应热相似。 （3）只有固-液体系满足化学反应的热力学条件时，化学吸附才能发生，因此化学吸附有选择性。 （4）化学吸附需要一定的活化能，所以吸附速度较慢。 （5）化学吸附一般不发生脱附，所以是不可逆的。

8. 固体表面吸附Langmuri等温式的基本假设、推导过程和物理含义。 基本假设： （1）固体表面是均匀的，表面各个位置发生吸附时吸附热都相等。 （2）固体表面存在一定的活化位置，每个活化位置只能吸附一个分子（原子）。 （3）吸附只发生在固体的空白表面上，并且是单分子层吸附。 （4）被吸附分子（原子）间没有相互作用力。 （5）当吸附在固体表面的分子（原子）热运动足够大时，又可发生脱附。 （6）吸附速率和脱附速率相等时，达到动态平衡 假设固体表面有S个吸附位，其中已被吸附了S1个，还有S0个未被吸附，则： 固体表面已被吸附的面积分数为：θ= S1/S 固体表面未被吸附的面积分数为：1-θ=S0/S 气体的吸附速率v1与气体的压力p和未被吸附面积分数（1-θ)成正比： v1 = k1p(1-θ) 材料表面界面复习题-材物整理 已吸附分子（原子）的脱附速率v2与已被吸附面积分数（θ)成正比： v2 = k2θ

式中k1和k2为比例常数，在恒温下吸附与脱附达到平衡时，有：v1 = v2 即：k1p(1- θ) = k2θ, θ = k1p/(k2 + k1p) 令：吸附系数b = k1/k2，则：θ = bp/(1 + bp) Langmuri等温式描述了固体表面已被吸附的面积分数（ θ ）与气体平衡压力（p）之间的关系。 9. 固体表面吸附质超点阵的概念及表示方法 对有吸附粒子的金属表面进行的电子衍射结果表明， 除了竞速表面原子的衍射斑点外，还出现了吸附粒子所造成的衍射斑点，说明被吸附粒子在金属表面形成了规律排列的二维点阵。这种由被吸附粒子在金属表面形成的二维点阵称为超点阵。 可用Wood标注法说明超点阵与金属表面点阵之间的关系。 如果金属表面点阵的基矢为a1和a2，超点阵的基矢为as1和as2，则超点阵单元基矢的标注为(as1/a1×as2/a2)。

超点阵表示方法： 图中给出的四种超点阵标注分别为：(1×1)、(2×2)、C(2×2)和(3×1)。其中C表示在超点阵单元中心多出一个吸附原子。 一个超点阵图样的Wood完整标注还应包括吸附剂和吸附质的种类和表面覆盖率。例如：Ni(111)-C(2×2)-O(1/4) 表示氧在金属镍的(111)表面吸附时，当表面覆盖率达到θ =1/4时，得到的超点阵图样为C(2×2)。 10. 讨论液体在固体表面的润湿与铺展现象。(看书和PPT) （1）润湿现象及润湿角 液体在固体表面上铺展的现象，称为润湿。能被水润湿的物质叫亲水物质，如玻璃，石英。不能被水润湿的物质叫疏水物质，如石蜡，石墨。 润湿与不润湿不是截然分开的，可用润湿角进行定量描述。润湿角定义：当固液气三相接触达到平衡时，从三相接触的公共点沿液—气界面作切线，切线与固－液界面的夹角为润湿角。 润湿角大小与润湿程度的关系： <90 o：润湿 >90 o：不润湿 =0 o：完全润湿 =180o：完全不润湿 润湿角公式： s-g=s-l+l-g cos 所以 cos＝（s-g－s-l）/l-g