第一章绪论及液体表面.ppt

考 核 方 式 平时成绩： 30％ （包括考勤15％和课堂练习、作业等15％） 期末考试： 70％ 课 程 内 容 绪论 液体表面 固体表面 固液界面 表面活性剂 高分子材料的表面张力 聚合物的表面改性 复合材料的界面 绪论 材料科学、信息科学和生命科学是当前新技术革命中的三大前沿科学。材料科学是一个基础。材料的表界面在材料科学中有重要的地位。（最近几年，新能源技术又成为一个热点。风能、核能、太阳能（电池）等） 材料表界面对材料整体性能具有决定性影响，材料的腐蚀、老化、硬化、破坏、印刷、涂膜、粘结、复合等等，无不与材料的表界面密切有关。 绪论 例：国产拉丝机与国外的主要差距在于拉丝轮的寿命：国产的为半年，国外先进的为五年。 原因：在于材料的表面处理，基体材料是一样的。在拉丝轮的外圈，涂一层高硬度、低摩擦系数的陶瓷涂层。国内的技术还不能达到。 绪论 绪论 汽车零部件，现在大量使用塑料来制备，以减轻重量和降低成本； 另一方面，从美观性看，塑料件的光泽度不够，在一些要求较高的场合，逐渐地采用塑料电镀的方式，对制件的表面进行处理，提高光泽度。 绪论 材料表面的结构和化学组成，与材料内部有明显的差别； （1）多组份材料；（比如塑料合金的分相与界面，表面富集等）（例：塑料薄膜抗静电剂） （2）单组份材料。（结晶、缺陷等与内部不同） （例：塑料注塑制品表面的结晶度与内部不同） 材料的制备和使用性能，会受到表面特性的强烈影响。 绪论 绪论 表界面通常有五类：气-液界面（表面），气-固界面（表面），液-液界面，液-固界面，固-固界面。 表界面种类 表界面种类 表界面种类 表界面种类 表界面种类 1.2表界面科学发展史 · 1875～1878 Gibbs定律；（界面区物质浓度与本体的区别） · 1913～1942 Langmuir的贡献； （获1932年诺贝尔化学奖，蒸发、凝聚、吸附、 单分子膜等表界面的研究） · 20世纪40年代前 表面化学成果大量应用生产； · 50年代以后，微型化、IT发展促进表面化学发展； · 60年代末～，由于超高真空技术的发展，电子光学仪器的发展，能谱仪的发展，表面现象向微观领域发展； · 2007年，格哈德·埃特尔获诺贝尔化学奖。 关于格哈德·埃特尔 ： 获奖原因：“固体表面化学过程的研究”； 氮是生命体的基本元素，存在于氨基酸、 蛋白质和核酸中，空气中也富含氮气。 固氮法： 自然界固氮法：（1）闪电：10％； （2）固氮细菌：65％； 最后的25％，是合成氨的方法（哈伯－博施法）。进一步制成化肥。奠定了现代农业的基础。哈伯获1918年诺贝尔化学奖。 为什么归为表面化学？ 因为这个过程必须以精细的铁粉作为催化剂，让氮气与氢气同时被吸附到铁粉表面，然后进行反应。 如何控制或促进这个反应？反应的机理？如何来研究 这个反应过程？ 为研究这个反应过程，埃特尔使用了一个理想系统：在真空中铺上一层清洁和光滑的铁粉，再控制性地输入不同的气体 。 埃特尔发现： （1）当氮气分子到达铁粉表面时，它首先是以分子的形成吸附，完全吸附后，两个氮原子之间的键可能断裂，以氮原子的形式与铁粉吸附。 （2）增加氢气的同时测量了铁粉表面氮原子的浓度，发现氢增加得越多，铁表面氮原子的浓度就越低，这表明氮是以原子而不是分子的形式与氢反应。 （3）氮分子分裂成氮原子这一过程限制了整个反应过程的速度 。一旦两个氮原子从彼此的束缚中解放出来，它们立刻与周围的氢原子结合生成氨。 氮分子分裂的速度大大慢于反应中的其他步骤，这意味着后续反应都是在瞬间进行的，很难再寻找方法来研究这些步骤。如何研究后续的反应步骤？ 哈伯－博施过程是一种可逆向进行的反应，反应的方向取决于注入系统的气体是氨气还是氢气加氮气。因此，埃特尔着手研究氨气是如何吸附在铁粉表面、再一步步分解成氮原子和氢原子的。他将重氢加入反应系统，当氨气释放出氢原子后，它会立即接收一个重氢原子，通过这种方法，他观察到两个缺失的中间步骤，即氨分子中的3个氮－氢键不是同时断裂，而是一个接一个地断裂，并测出了最后一步反应过程的速率。 反应过程： （1）氢分子在铁粉表面的吸附； （2）氢分子在铁粉表面断裂为氢原子； （3）氮分子在铁粉表面的吸附； （4）氮分子在铁粉表面断裂为氮原子（最慢的一步）； （5）氮原子与一个氢原子结合； （6）氮原子与第二个氢原子结合； （7）氮原子与第三个氢原子结合。 埃特尔对哈伯－博施过程的研究，表明了他的实验思想和方法的建立过程。利用高度受控的系统，他成功测量了每一个反应步骤的速率和反应动能，这些数据又被用于更有实际应用价值的反应过程的计算。这就是埃特尔的方法学不仅对基础研究，