固体的表面及其结构.ppt

第五章 固体的表面与界面 固体的界面界面分类 1）表面：固体与真空之间交界面。 2）界面：相邻两结晶空间之间交界面。 3）相界面：相邻相之间交界面，有三类：固－固相界面（S／S）；固－气相界面（S／V）；固－液相界面（S／L）。 本章主要从物理化学的角度介绍固体表面结构、性质及界面行为。 第五章 固体的表面与界面 5.1 固体的表面及其结构 5.2??界面行为 5.3 粘土－水系统 5.1 固体的表面及其结构 5.1.1 固体的表面 5.1.2 固体的表面结构 5.1.1 固体的表面 1. 理想表面 2. 清洁表面 （1）台阶表面 （2）弛豫表面 （3）重构表面 3. 吸附表面 4. 固体表面能和表面张力 5. 表面偏析 6. 表面力场 1. 理想表面 ? 指理论上结构完整的二维点阵平面，忽略了晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响，忽略了表面原子的热运动、热扩散和热缺陷等，忽略了外界对表面的物理化学作用等。这种理想表面作为半无限的晶体，体内的原子的位置及其结构的周期性，与原来无限的晶体完全一样。 没有杂质的单晶，作为零级近似可将清洁表面理想为一个理想表面。 理想表面结构示意图 2. 清洁表面 指不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理化学效应的表面，其化学组成与体内相同，但周期结构可以不同于体内。根据表面原子的排列，清洁表面又可分为台阶表面、弛豫表面、重构表面等。 Pt（557）有序原子台阶表面示意图 （1）台阶表面 由有规则的或不规则的台阶的表面所组成，因而不是一个平面。 弛豫表面示意图 （2） 弛豫表面 由于固相的三维周期性在固体表面处突然中断，表面上原子产生的相对于正常位置的上、下位移，称为表面弛豫。 重构表面示意图 （3）重构表面 指表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内，但垂直方向的层间距则与体内相同。 3. 吸附表面 吸附表面有时也称界面。它是在清洁表面上有来自体内扩散到表面的杂质和来自表面周围空间吸附在表面上的质点所构成的表面。 根据原子在基底上的吸附位置，一般可分为：顶吸附、桥吸附、填充吸附和中心吸附四种吸附情况。 4. 固体表面能和表面张力 表面能：增加表面单位面积体系自由能的增量（J/m2 ） 表面张力：扩张表面单位长度所需要的力（N/m） 表面能与表面张力的单位为等因次。 （J/m2＝N·m/m2＝N/m） 固体的表面能和表面张力的特点 与液体相比： （1）固体表面能中包含了弹性能，表面张力在数值上不等于表面能； （2）固体表面张力为各向异性； （3）实际固体的表面绝大多数处于非平衡状态，决定固体表面形态的主要是形成固体表面时的条件以及它所经历的历史； （4）固体表面能和表面张力的测定非常困难。 4. 固体界面能和界面张力 界面能：增加界面单位面积体系自由能的增量（J/m2 ） 界面张力：扩张界面单位长度所需要的力（N/m） 界面能与界面张力的单位为等因次。 （J/m2＝N·m/m2＝N/m） 注意： 界面能（或界面张力）两表面的表面能（或表面张力）之和 两相之间总存在一定的相互作用能； 当两相化学组成或结构相近时，其相互作用能越明显，则界面能（或界面张力）越小，形成的界面越稳定。 5. 表面偏析 不论表面进行多么严格的清洁处理，总有一些杂质由体内偏析到表面上来，从而使固体表面组成与体内不同，称为表面偏析。 6. 表面力场 固体表面由于质点排列的周期重复性中断，使处于表面边界上的质点力场对称性破坏，从而表现的剩余键力，称为固体表面力。 固体表面吸附，就是固体表面力场和被吸引质点力场相互作用的结果。 依性质不同，表面力可分为： （1）化学力 （2）分子引力 （1）化学力：本质上是静电力 来自表面质点的不饱和价键，并可用表面能数值来估计，是固体表面产生化学吸附的主要原因。 吸附剂（固体表面：具有吸附作用）＋吸附物（被吸附分子） （2）分子引力，也称范德华（van der Walls）力 是固体表面产生物理吸附和气体凝聚的主要原因，主要来源于三种效应： （1）定向作用：主要发生在极性分子（离子）之间，也称