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第三章固体表面课件
固体材料的界面有三种: (l)表面 金属表面的实际构成示意图 (1)理想表面(实际上不存在) (2)清洁表面 (3)实际表面 清洁表面 清洁表面——经过诸如离子轰击、高温脱附、超高真空中解理、蒸发薄膜、场效应蒸发、化学反应、分子束外延等特殊处理后,保持在10-6Pa-10-9Pa超高真空下外来沾污少到不能用一般表面分析方法探测的表面 实际表面 实际表面——暴露在未加控制的大气环境中的固体表面,或者经过一定加工处理(如切割、研磨、抛光、清洗等),保持在常温和常压(也可能在低真空或高温)下的表面。(也称吸附表面) 3.1固体表面特性 3.1固体表面特性 3.1固体表面特性 3.1.2固体表面的不均一性 固体表面的最突出特性之一是其不均一性。 表现为: (1)表面粗糙 3.1固体表面特性 (2)固体中晶体晶面的不均一性(晶格缺陷、空位、错位) 3.1固体表面特性 3.1.3固体表面吸附性 (1) 固体表面具有吸附其他物质的能力。 (2) 如果被吸附物质深入到固体体相中,则称为吸收。 (3) 根据吸附力的本质,可将固体表面的吸附作用区分物理吸附和化学吸附。 3.1固体表面特性 3.1固体表面特性 比表面积:单位质量的吸附剂所具有的表面积。可按下式计算: 3.1固体表面特性 例:1g某种固体,其密度为2.2 g/cm3,把它粉碎成边长为10-6 cm的小立方体,求其总表面积。 3.1固体表面特性 解:设小立方体的边长为a,则其体积V=a3,表面积为6a2,1g某固体的体积为1/ρ,这样的小立方体的个数n=(1/ρ)/V,所以,总表面积: 3.2固体表面的自由能 3.2.1 固体的表面能和表面应力 定义τ为单位长度上的表面应力,则沿着相互垂直的两个表面上的表面应力与表面张力有如下关系: 此式可理解为固体表面张力的力学定义。 3.2固体表面的自由能 若各向异性固体在两个方向上的面积增量各为dA1和dA2如图3-3, 3.2固体表面的自由能 则总的表面自由能增加可表示为: 3.2固体表面的自由能 对于各向同性固体τ1=τ2,则(3-5)式简化为: 对液体 =0,所以τ= Gs ,也即 τ= Gs=σ 对固体,τ≠Gs,相差 一项 3.2 固体表面的自由能 3.2.2 固体表面能的实验测定 (1)从应变速率与应力的关系 估算 3.2 固体表面的自由能 (2)从溶解热测定估算 3.2固体表面的自由能 解:氯化钠摩尔质量=58.5 每g 1μm颗粒的氯化钠晶体的总表面积为2.8×104cm2, 因此氯化钠的表面能为: 3.3 固-气表面吸附 3.3.1吸附等温线 吸附量可用单位质量吸附剂所吸附气体的量或体积来表示,即: 式中q和q’为吸附量,x为被吸附气体的量,v为被吸附气体的体积,m为吸附剂的质量。 3.3.2 Langmuir吸附等温式 (1)固体表面存在一定数量的活化位置,当气体分子碰撞到固体表面时,就有一部分气体被吸附在活化位置上,并放出吸附热; (2)已吸附在固体表面上的气体分子又可重新回到气相,即存在凝集与逃逸(吸附与解吸)的平衡,是一个动态平衡的过程。 Langmuir吸附等温式 ● 假定固体表面有S个吸附位, ● 已被气体分子占据了S1个, ● 尚空余S0=S-S1个。 ● 则θ=S1/S 表示表面已被吸附的面积分数 ● 1-θ=S0/S 表示表面未被占据,即空位的面积分数 Langmuir吸附等温式 气体的吸附速率V1: V1 = k1 P (1-θ) 被吸附分子的解吸附速率V2: V2 = k2θ 在等温下达到平衡时有 V1= V2 即 k1 P (1-θ) =k2θ Langmuir吸附等温式 Langmuir吸附等温式 Vm代表表面上吸满单分子层气体的吸附量,V代表压力为P时的实际吸附量。 Langmuir吸附等温式 (2)吸附系数b随温度和吸附热而变化,其关系式为: Langmuir吸附等温式 脱附时两个离子都可以脱附,解吸速度为: Langmuir吸附等温式 Langmuir吸附等温式 如果同一表面吸附了A、B两种粒子,这种情况称为混合吸附。A的吸附速度为:A的解吸速度为 平衡时Va1= Va2,所以: Langmuir吸附等温式 Langmuir吸附等温式 Langmuir吸附等温式 例:用活性炭吸附CHCl3,
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