界面化学
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界面化学篇一：界面化学
界面化学
1前言
界面就是任何两个互不相溶物体(两个相)的接触区域。物质界面上的性质往往与物质内部的性质不同，特别是在分散体系界面很大的情况下，这种界面性质或现象,就表现得愈为突出。改变界面结构，不一定涉及到物质内部的性质，也往往能使物质产生截然不同的表现和结果，因此，研究界面已成为当前科学发展和生产需要的重要课题。界面化学就是处于这样的时代要求下，在早期胶体化学的基础上，由物理化学派生出来的一门分支学科。它的主要任务是研究物质相界面或多相界面上的物理化学性质及通过改造界面性质解决各方面有关的实际技术问题。所以，界面化学既是一门理论性很强的学科，也是实用性很强的一门科学。
2界面化学
2.1界面化学的内容
界面化学的内容，主要包括:研究气—固、气—液、液—液、液—固等各相之间的界面性质，如界面能、界面结构和界面电性质等;多分散系统的稳定理论、动力学、光散射现象；吸附理论、湿润、起泡、乳化以及表面活性剂等问题。这些内容已广泛应用于工农业生产的各个部门，渗透到各个兄弟学科，如各种化学工业、建筑科学、选矿、环境保护、石油工业、微电子学、医药工业、日用化工、冶铸、航天、原子能、农业科学、海洋科学等等。近年来各种界面化学的理论及应用研究报导剧增，已由各类化学文献总数的第二十多位上升到第三、四位，可见其发展之迅速。
近年来，界面化学的主要发展集中在：由表面能理论研究发展起来的表面活性剂，分散体系的稳定理论，吸附理论及它们的应用。这些研究成就已在各学科及工农业生产领域中发挥着巨大的作用，为技术改造和革新作出了很大贡献。
2.2表界面化学在无机材料中的应用
表界面化学可概括许多表面或界面现象，其在人们的日常生活中非常普遍。本文首先研究表界面在单一无机材料中的应用[2]。
（1）金属材料的腐蚀：将Cr镀在不锈钢表面，由于Cr对空气或氧以及酸类有很大的惰性，可使钢材防腐蚀。
（2）表面活性剂的开发：人们熟悉的如肥皂、洗表界面化学在材料研究中的应用涤剂、清洁剂等，都是表面有活性的物质。在工业生产领域里，纺织、造纸、矿山都离不开高效工业表面活性剂，就连实现强化采掘油也需加入表面活性剂以有效地降低岩芯与石油混合物之间的表面张力以及黏度。
（3）催化作用：目前全世界约有85％左右的化学产品是经催化作用实现的。如合成氨、合成橡胶、费托合成(由CO及H个简单的无机分子经催化剂的作用转化成一系列烷烃、烯烃、芳烃以及醇醛等含氧有机化合物)，以及由煤经液化或气化，进行碳化学的催化过程等，催化剂的表面性质和分子同催化剂表面的反应性能密切相关。近些年来，由于表面技术的发
展及应用，人们愈来愈多地使用金属及氧化物单晶材料来模拟复杂催化剂的活性组分，从而获得十分有用的结论。
3 表界面化学在复合材料中的应用
为了克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围，研究人员以一种材料为基体，另一种材料为增强体组合成一种新型材料即复合材料。材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求，得到重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点。复合材料的基体材料分为无机和有机材料两大类，增强材料主要有各种纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。在2005年南京复合材料技术发展的研讨会中描述了复合材料界面理论研究、界面改性技术、新型界面改性剂、界面层结构及形态与材料性能的关系，界面层及其性能的表征和参数测试技术，并分析了当前聚合物基复合材料的研究状态和发展趋势[3]。
3.1在无机刚性粒子增强复合材料中的应用
无机刚性粒子增强聚合物是近年来研究的热点。欧玉春等[4]提出刚性粒子增强、增韧聚合物的界面结构模型，即在均匀分散的刚性粒子周围嵌入具有良好界面结合和一定厚度的柔性界面相，以便在材料经受破坏时能引发银纹，中止裂缝的扩展。在一定形态结构下它还可引发基体剪切屈服，从而消耗大量冲击能，又能较好地传递所承受的外应力，达到既增强又增韧的目的。
随着材料学科的发展，人们获得具有较大比表面积的纳米材料，是表面研究工作进入一个巅峰状态。由于纳米材料的尺寸效应、大的比表面积，表面原子严重失配，处于高度的活化状态，与聚合物之间有强的界面作用，从而可增强增韧聚合物。容敏智等[5]研究了聚苯乙烯辐射接枝纳米SiO2粒子增强PP体系，从复合材料的界面效应等角度研究纳米粒子与聚合物之间发生的协同作用，并对复合材料的力学行为进行了分析解释。
3.2在有机微粒子增强复合材料中的应用
近些年来，随着表界面化学学科的发展，研究学者们将其应用到一种特殊行业即军工行业。含能固体填料的加入，使高能发射药在微观结构上表现出固体填料粒子呈分散相分布，黏结剂呈连续相分布，从而形成一种非均相聚合物体系。如此，可使高能发射药力学性能降低，应用受到一定限制。从微观结构研究发射药黏结剂与固体填料界面间的相互作用(来自:WWw.HnnscY.com 博文 学习 网:界面化学)将成为表征发射药宏观力学性能的理论基础和有效手段。因此，可以以界面分析结果为指南，建立
与宏观力学性能的定量关系，为提出合理的键合机理，指导键合剂和包覆技术的开展提供理论基础。蔚红建等人采用动态接触角和界面张力仪，研究了星型GAP（S-GAP）与固体填料AP、RDX和HMX之间的表界面性能，为提高GAP推进剂的力学性能提供了一定参考[6]。王晗等人[7]采用动态接触角和界面张力仪研究了氮含量不同的硝化棉(NC)与不同粒度的高氯酸铵(AP)表面性能以及NC与填料之间的界面性能，研究了界面性能对含AP和铝粉(Al)改性双基推进剂(AP/Al/CMDB)力学性能的影响。国防科技大学的工作人员采用扫描电镜观察和测试探测液在填料AP、黏合剂基体上接触角的方法，并通过计算填料与基体的粘附功和界面张力，研究了HTPB推进剂填料与基体界面的黏结性能。
4 材料表界面现代分析方法
4.1表界面观察
利用透射电镜、扫面电镜等手段对材料表面或复合材料断裂面进行观察，获得材料的宏观特征。肖忠良教授课题组[8]曾通过扫描电镜对变燃速火药层间界面微观黏结情况进行观察，通过与宏观力学性能测试结果对比，得出两层间界面结合良好，此研究只是定性研究微观结构，没有将微观与宏观建立起定量关系。
4.2XPS在复合材料界面中的应用
XPS方法即利用一定能量的光子照射材料样品，电子就可以从原子的某能级发射出来，根据这些光电子的结合能或动能及其变化，就能断定元素构成及元素周围化学环境的变化情况。Johansson等人[9]曾用此方法对包覆的TiO2粉末的表面结构和包覆情况进行表征。Mikael Epstein[10]用此技术对PET、LLDPE等纤维在表面处理前后的表面结构变化，来说明纤维与高分子基底材料的黏合强度。
5 结语
材料的表面和界面的好坏是直接影响材料性能的关键因素之一，进而影响其在生产实践中的应用。尤其是具有优良性能的复合材料，当材料受到外力作用时，除增强材料和基体受力外，界面亦起着极其重要的作用。复合材料的强度、刚性和韧性是代表物理机械性能的重要指标，对复合材料进行界面改性使两相界面具有合适的黏附力，形成一个相互作用匹配且能顺利传递应力的中间模量层，以提高聚合物基复合材料的力学性能一直是高分子材料科学的重要研究领域。随着各种新型材料的研制，表界面化学知识的应用范围将不断推广。
参考文献
[1]陈邦林，化学世界, 1984,5,190~191
[2] 甄开吉.表面化学[D].吉林：吉林大学出版社.1995.
[3] 黄玉东.聚合物基复合材料界面研究现状与发展趋势[Z].复合材料技术发展的研讨会,南京,2005.
[4] 欧玉春，方晓萍．聚丙烯混杂复合体系的界面和力学性能[J]．高分子学报，1997，(2)：31-37．
[5] 容敏智，章明秋．纳米SiO：增韧增强聚丙烯的界面效应与逾渗行为[J]．复合材料学报，2002，(2)：1-4．
[6] 蔚红建，付小龙，邓重清等.星型GAP与固体推进剂填料的表界面性能[J].固体火箭技术,2011,34(2)：211-215.
[7] 王晗，樊学忠，周文静，等.AP/Al/CMDB推进剂表面和界面性能研究[J].含能材料,2010,18(6):685-690.
[8] 何利明，肖忠良，马忠亮，等.变燃速火药层间黏结状态研究[J].安、徽化工,2003(3):12-15.
[9] Johansson L.S.,Surface and Interface Analysis[J], 1991, Vol.17:663.
[10] Epstein M. And Shishoo R.L. ,J. Appl. Sci. ,1995 Vol.57:751.
界面化学篇二：界面化学基础习题参考答案
界面化学基础习题参考答案
第一章
1．一个小水滴的体积V?
43
?r?5.3?10
15.3
3?16
cm3
16
1 cm3水分散成小水滴的个数为n＝?10个＝1.887×1015个
3r
?6?10cm2
5
这些小水滴的总表面积S＝1.887×1015×4πr2＝
??0.07205N·m-1×60m2=4.32J
2．N·m-1=N·m·m-2=J·m-2 表面自由能 3．（略） 4．U?
s
?(NL?NV)C
24r
2
2
????
???T??
??T?
s
T?(NL?NV)? U???
5．dU?TdS?pdV??dA?对表面dV?0则有
??dn
i
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dU?TdS??dA???idni U
s
??U???S????????T????T＋? ?????
?A?A?T??T,p,nj????p，A，n
s
?U
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??T?2?
?T??T?p，A，n
s
6．U?1880mN?m
?1
?0.43mNm?K?1808K?2.66J?m
-1-1?2
7．当T=4620K时，γ=0
当T=823K时，γ=380mN·m-1 ?
380????-1-1
??mN?m?K ?
3797??T?p
3803797
?450)mN?m
-1
?1273k?(380?8．U
s
?335.0mN?m
-1
?(22.05?293?0.096)mN?m
?1
?50.18mJ?m
?2
1 mol甲醇的体积为32/0.8=40cm3每个甲醇分子的半径为
1
?
r??23
?6.02?10
40
3?3?8
??cm?2.51?10cm
4??
1 cm3的表面积S=
3r
?1.2?10cm?1.2?10m
8242
总表面积S’=4.8×105m2
ΔG=4.8×105×22.05×10-3·J·m-2
=1.06×104J·m-2
9．不能。因为当水沿毛细管上升到管口时，曲率将发生变化，直到曲率半径增加到附加压力与毛细上升的静水压相等时，液面停止上升，可见，当水上升到弯管的最高点时，便停止变化。 10．?p??gh???
?1?R1
?
?11?1?????????/R1 R2??R1??
?5
h?
0.072051000?9.8?5?10
m?0.147m
（a）?gh?
?h?tg
5
h?
2
0.0720510?9.8tg
3
5
h=9.17×10－3m=1cm
（b）R1?? R2?? h?0
11.体系 曲率 压差 体系 曲率 压差
球面内外
1R1R
2?R4?R
圆筒内外
1R1
2?R1
球形液泡内外 平面左右0 0
?11?
? ???圆柱内外 马鞍形的中心两侧? R1R2RRR1R2R1
?12?
1
1
?11
12．（a）2管水面上升至石蜡部分下口，3管水面上升至凸出部分下口；4管上升至弯管管口。5管水面略低于1管水面（因为曲率半径较大）
（b）2、3管水面与1管相同，4、5管与（a）同。
13. 水在二平板玻璃间形成凹面，附加压力朝向气相，相当于形成往两边的拉力（力方向相反），因此，玻璃不易拉开。
而汞在二平板玻璃间形成凸面，附加压力朝向汞内部，这就相当于两边各有一往中间的力。此力使两玻璃更易分开。 14．?p＝
?
r
当r?当r?
1212
?10?10
?4
m时，?p＝1.44kPa，pL=99.86kPa m时，?p?＝0.144kPa，pL?101.16kPa
'
?3
15. 根据凯尔文公式
ln
pr
pr
p平
?
2??MRTr??
??
2?0.072?0.0188.314?293?5?10
?6
?10
3
??2.13?10
?4
p平
?0.9998pr?2338?
0.9998 Pa=23 3
当 r??5?10
?9
m时
pr
p平
?0.808 0pr?1890 P a
上述计算说明，曲率半径越小，凹形液面上的饱和蒸气压越小，蒸气越容易凝聚。 16．对液珠，r>0 同样利用开尔文公式可得 当 r??5?10当 r??5?10
?6
m时
prpr
p平p平
?1.000 2pr=2338.5 Pa ?1.23 7 pr=2892 Pa
?9
m时
上述计算结果表明，当液滴越小，其饱和蒸气压越大，因此，若大小不同的液滴同处于一封闭容器中，则最后小液滴消失，大液滴变大。
17．
?
r
??p???gh??r????gh （天弯液面校正）
若考虑到弯液面校正
弯液面上液体面积为 2R?R?
?R2
2
S?R(2?
2
?
2
2
)
2R??h?R(2?
?
2
) ?h=R(1?
?
4
)
??r????g(h??h)
h?
?r????g
?R(1?
?4
)
18．活塞连通时，左端小泡变小，右端大泡变大，当小泡收缩到管口且曲率半径与右端大泡的曲率半径相同时，两泡不再变化，若通大气，则两泡同时变小，但小泡变化较快，直到两泡的曲率为零，则膜内外压力相同，泡停止变化。
b. 活塞连通前，右边泡内压力大于左边泡内压力，因此，连通后，右边泡变小，左边泡变平，当两边压力相同时，不再变化，此时，左边本来稍向内凹的气泡变成向外凸，若连通大气，则左右均变平。
19．成球状。因为球形的曲率半径处处一样，附加压力一样。若开始时为不规则形状，则由于附加压力的作用，不规则形状最后会自动调节成球形。
20．泡内空气压力为
2?0.072??3
p'??101.325?10??Pa=14501 kPa ?8
1?10??
根据克拉贝龙—克劳修斯方程
ln
p?p
θ
?
?HR
θ
(
1T1
?
1T2
)?
40600?11?
???
8.314?373T2/K?
T2=601.2k=328℃ 21．ln
pp
θ
??
2?0.072?0.0181000?8.314?293?r
r?1.01?10m
x??11?x??r?
?p??????r?rx?f??p??x? =4.524?10
22．r??
2
?8
?(2?10
?6
?1.0?110
1
?82
)?
?7
1.?42 10
m
?
r
?7
??x???2?R?2?3.14?10
2?6
?0.072N
N
?1.01?10
?7
?8
2?0.072?0.0188.314?293?1000?ln0.9
m
x?-6
?1.0?10m
?p=7.13?10Pa
f?2?R???2.2?6
10 N
?7
m?
2.26?
9.8
10
?7
?2.31?10
43
?8
kg
?21
3
?
19
3
一个粒子体积 V??3.14?12?510? m?5.23
?15
10 m
一个粒子重 m'?5.2?310?
?19
28?001?.4651 0 kg
2.3?110
?8
需粒子数 N?kg
2.31?101.465?10
?8?15
?1.58?10个
7
总长度 L= 1.58?10?10
7?6
m?15.8m
?3
23．??
r2
????gh?
1.0099?10
2
?997.2?9.8?1.4323?10
?2
?
0.15402
N?m
-1
?0.077N?m
?1
24．??
???gb
2
?
查B-A表，
?
??25 ?=90 x
b
?0.48184
?1
x?0.125 cmb?0.2596 cm
?=
500?9.8?2.596?10
25
2?6
N?m?
?1.32?10
?3
N?m
?1
25．mg=2?r?? ??
Fmgr
F?V??r
g
?83
V?4.03?10m
Vr
3
?
4.03?10
3
?8?9
3.006?10
?1.482 F=0.2657
?8
?=
0.2657?4.03?10?950?9.8
3.01?10
?3
?33.1 mN/m
上述结果是假设液体可很好地润湿滴管而得得到的，若液滴不能润湿滴管，r应为内径，此时
Vr
3
?
4.03?101.27?10
3
?8?12
?1.967?10
4
26．（略）
27．有关系，因外部试管太小，在内、外管间会形成一凹液面，从而使基准点位置不易确定。 28．
2?r1
??gh1
2?r2
??gh2
??
?g
?rr
(h1?h2)?122?r2?r1?
? ?
2?r
优点，不必校正液柱高度
29．p??水gh?p??1gh'?
?
?
2?r2?r1
??水gh??lgh'?2?r22
??水g(h1?h2) (h1?h2)(
r1r2r2?r1
)
??
?水g
当两管端口在液体中心处于同一水平位置时，不必校正。
第二章 溶液表面
1．强电解质水溶液（如多数无机盐）表面张力随浓度增加而缓慢升高，大致成直线关系；无机盐对水溶液表面张力的影响可看作是阳离子和阴离子贡献的加和，且溶液表面张力的变化方向与盐类本身表面张力的变化方向相同。
第二类曲线的变化规律是溶液表面张力随浓度增加而逐步缓慢降低，一般极性低分子量有机物属此类型，
??2??????其特点是一级微商?皆为负值且服从特劳贝规则。第三类曲线的特点是：溶液表?和二级微商?2?
?c?c????
面张力在低浓度时急剧下降，很快达最低点，随后溶液表面张力随浓度变化趋于缓慢，逐渐趋于一个稳定值，这类曲线对特劳贝规则适用，其另一特点是，降低溶液表面张力的有效值和效率（cmc）都较高（cmc小）。
2．加入溶质后使溶液表面张力降低的性质叫表面活性，用?解答）。
?d?dc?
表示，可分为三类（上第一题
c?0
界面化学篇三：表面与界面化学
表面与界面化学试卷(a)2005
1. ① surface tension: Surface tension is defined as the force acting at right angles to any line of unit length on the liquid surface or surface tension is the work required to increase the area of a surface isothermally and reversibly by unit amount. (3 points)
②CMC: CMC is the concentration above which micelle formation becomes appreciable. (3 points)
③solubilisation: Surfactant solutions above the CMC can solubilise otherwise insoluble organic material by incorporating it into the interior of the micelles. This is known as micellar solubilisation. (3 points)
④ interface: The point, area, or surface along which two substances or other qualitatively different things meet. (3 points)
⑤coverage: a measure of the extent of adsorption of a species onto a surface. Usually defined as ? ? N / N m , Where Nads is the number of adsorbate atoms per unit area and Nm ads
is the number of atoms adsorbated per unit area to produce one complete layer on the surface. (3 points)
⑥unit mesh: the unit cell of a two-dimensional surface structure. (3 points) ⑦surface atom density: the number of atoms per unit surface area。 (3 points) ⑧ surface activity: The strong adsorption of such materials at surfaces or interfaces in
the form of an orientated monomolecular layer is termed surface activity. (3 points)
2. (1) (a) Intercepts: a,a,?.
(b)Reciprocals: 1/a,1/a,0.
(c) Multiply by a: 1,1,0
So the Miller index is (110). （5 points）
(2) the (110) face contains two atoms per unit cell. The
area of the (110) unit cell face is 21/2a2. So the face atom density Ns=2/(21/2a2)= 21/2/a2（5 points）
(3) the unit mesh is shown in the following figure as dashed lines. （5 points）
(4) The CN in a bcc crystal is 8 (2 points). So, we can estimate the value of the energy Eb required to break each M-M bond as Eb??Hv, where NA is the Avogadro number(2 4NA
points). If we were to separate the bulk and form two (110) planes each with Ns surface atoms, the two bonds would be broken per surface atom(2 points). The surface energy, ?, is therefore given by ?(110)?2EbNs?Hv22?Hv(2 points) ??2224NAa4NA?a
3. P/(V(P0-P))?104 (cm-3) 4.17 16.67
P/P0 0.04 0.2
The slop and the intercept are 0.0078125, 0.0001045 respectively. (3 points) Vm=1/(0.0078125+0.0001045)=126.31 cm3 (3 points)
The specific sruface area
A=N0?Vm/m22400=6.02?1023?16.2?10-20?126.31/1.5/22400
=367m2/g (4 points)
4. Read off a number of pairs of values of pressure (P) and temperature (T) which yield the same surface coverage, (5 points) and then plot a line of ( ln P ) v's (1/T), the slope of which yields the adsorption heat. (5 points)
5. (1)In spreading wetting, the contact angle should be zero. (2 points)
For adhesion wetting, the contact angle should less than 180 degree (2 points)
For immersional wetting, the contact angle should less than 90 degree (2 points)
(2)glyceryl monostearate. (3 points)
6. The real space overlayer structures for c(2?4) and (1?2) are shown in the Fig.(a) and Fig.(b), respectively.
(a) (3points) (b) (3points)
Pd atoms
O atoms
The corresponding LEED patterns are shown as Fig (c) and Fig.(d)
(c) (3 points) (d) (3 points)
Pd spots
O spots
7. (1) the work of adhesion Wa= ?w+?O-?wO=72.8+21.8-50.8=43.8mN m-1 (4 points)
(2) the work of cohesion for n-octane Wc=2?O=2?21.8=43.6 mN m-1(2 points)
the work of cohesion for water Wc’=2?w=2?72.8=145.6 mN m-1(2 points)
(3) the initial spreading coefficient of n-octane on water
S=?w-(?O+?wO)=72.8-(21.8+50.8)=0.2 mN m-1(4 points)
表面与界面化学试卷(a)2007
1. ① surface tension: Surface tension is defined as the force acting at right angles to any line of unit length on the liquid surface or surface tension is the work required to increase the area of a surface isothermally and reversibly by unit amount. (3 points)
②CMC: CMC is the concentration above which micelle formation becomes appreciable. (3 points)
③solubilisation: Surfactant solutions above the CMC can solubilise otherwise insoluble organic material by incorporating it into the interior of the micelles. This is known as micellar solubilisation. (3 points)
④ interface: The point, area, or surface along which two substances or other qualitatively different things meet. (3 points)
⑤coverage: a measure of the extent of adsorption of a species onto a surface. Usually defined as ? ? N / N m , Where Nads is the number of adsorbate atoms per unit area and Nm ads
is the number of atoms adsorbated per unit area to produce one complete layer on the surface. (3 points)
⑥unit mesh: the unit cell of a two-dimensional surface structure. (3 points) ⑦surface atom density: the number of atoms per unit surface area。 (3 points) ⑧ surface activity: The strong adsorption of such materials at surfaces or interfaces in
the form of an orientated monomolecular layer is termed surface activity. (3 points)
⑨ Krafft point: Micelle-forming surfactants exhibit another unusual phenomenon in that their solubilities show a rapid increase above a certain temperature, known as the Krafft point.
⑩ surface excess: The difference in concentration between surface and inner due to the adsorption is termed “surface excess”.
2. P/(V(P0-P))?104 (cm-3) 4.17 16.67
P/P0 0.04 0.2
The slop and the intercept are 0.0078125, 0.0001045 respectively. (3 points) Vm=1/(0.0078125+0.0001045)=126.31 cm3 (3 points)
The specific sruface area
A=N0?Vm/m22400=6.02?1023?16.2?10-20?126.31/1.5/22400
=367m2/g (4 points)
3. Read off a number of pairs of values of pressure (P) and temperature (T) which yield the same surface coverage, (5 points) and then plot a line of ( ln P ) v's (1/T), the slope of which yields the adsorption heat. (5 points)
The unit cell is illustrated below - note, this cell contains only one repeat unit and is the primitve unit cell for the adsorbate.
It is rectangular in shape and shows no rotational misalignment with the substrate unit cell. Using the substrate vectors given on the diagram we have the following relations: b1 = a1; b2 = 3.a2
Hence, this structure is a M(110)(1x3) structure.
The ratio of the areas the unit cells of the adsorbate and substrate is 3:1 and the adsorbate cell contains only one adsorbed entity - consequently
Coverage = ( 1 / 3 ) x 1 = 0.33
4. The real space overlayer structures for c(2?4) and (1?2) are shown in the Fig.(a) and Fig.(b), respectively.
(a) (3points) (b) (3points)
Pd atoms
O atoms