表面化学 百科内容来自于: 百度百科

凡是在相界面上所发生的一切物理化学现象统称为界面现象(interface phenomena)或表面现象(surface phenomena)。 研究各种表面现象实质的科学称为表面化学。表面化学在20世纪40年代前,得到了迅猛发展,大量的研究成果被广泛应用于各生产部门,如涂料、建材、冶金、能源等行业;但就学科来说它只是作为物理化学的一个分支—胶体化学。到了60年代末70年代初,人们从微观水平上对表面现象进行研究,使得表面化学得到飞速发展,表面化学作为一门基础学科的地位被真正确立。

定义

物质的两相之间密切接触的过渡区称为界面(interface),若其中一相为气体,这种界面通常称为表面(surface)。

简介

表面化学对于化学工业很重要,物质接触表面发生的化学反应对工业生产运作至关重要。同时,它可以帮助我们了解不同的过程,例如铁为什么生锈燃料电池如何工作、汽车内催化剂如何工作等。此外,表面化学反应对于许多工业生产起着重要作用,例如人工肥料的生产。表面化学甚至能解释臭气层破坏,半导体工业也是与表面化学相关联的科学领域。
由于半导体工业的发展,现代表面化学于60年代开始出现。格哈德·埃特尔(Gerhard Ertl)是首批发现新技术潜力的科学家之一。他逐步建立表面化学的研究方法,向人们展示不同实验过程产生表面反应的全貌。这门科学需要先进的真空实验设备,以观察金属上原子和分子层次如何运作,确定何种物质被置入系统。
格哈德·埃特尔的观察为现化表面化学提供了科学基础,他的方法不仅被用于学术研究而且被用于化学工业研发。格哈德·埃特尔发明的研究方法,基于他对哈伯-博施法的研究,应用哈伯-博施法可以从空气中提取,这一点具有重要的经济意义。埃特尔还对铂催化剂一氧化碳氧化反应进行研究,这种化学反应主要发生在汽车催化剂中,以过滤汽车产生的废气。

埃特尔的表面化学

埃特尔的工作始于20世纪60年代,那时,由于半导体工业的兴起,真空技术得到发展,现代表面化学开始出现。固体表面的化学反应非常活跃,因而需要先进的真空实验设备,格哈德·埃特尔是最先发现新技术潜力的科学家之一。
这一领域看似晦涩,其实并不遥远。合成氨的研究就是一例。合成氨是人工化肥的主要有效成分,可以说是现代农业的基础之一。将氢气和氮气在催化剂的作用下人工合成氨,叫做哈伯·博施(Haber-Bosch)法(这一方法的发明者弗里茨·哈伯曾获得1918年的诺贝尔化学奖)。传统催化剂用铁作为活性成分,氢气和氮气在上面发生反应,这正是表面化学的用武之地。然而传统的方法有一个步骤反应极慢,能耗很大。借助一些新的研究方法,埃特尔发现了这一过程的瓶颈所在,并完全阐明了氢气和氮气在铁催化剂表面反应的七个步骤。在了解反应过程之后,只要“疏通”最慢的那个环节,整个反应的效率就会大为改观。这就好比疏通了一个交通要道的堵车点。埃特尔的工作为研发新一代合成氨催化剂奠定了基础,具有重要的经济意义。
埃特尔的另一重要贡献是对在铂催化剂一氧化碳氧化反应的研究。一氧化碳是汽车尾气中的有毒气体,在排到大气前,必须将其氧化成二氧化碳埃特尔发现在反应的不同时相,几个反应步骤的速率变化很大,这一看似简单的过程比哈伯-博施反应还要复杂得多。埃特尔详尽研究了这一过程,他所使用的一些研究方法对于研究复杂介面上的化学反应具有极大的启示作用。
埃特尔的研究领域很广。他还用表面科学的方法和手段来研究很多相关领域的科学问题,包括燃料电池臭氧层破坏等。他所发展出来的方法,广泛影响了表面化学的进展,而且他的实际影响并不仅仅在于学术研究,还涉及到农业化学工业研发的多个方面。

表面化学应用

1、清洗铂金表面的碳氧化物。
2、空调系统中的氟利昂,通过小冰晶体表面化学反应破坏臭氧层
3、金属表面暴露在空气中时生锈
4、电子工业中,制作半导体元件。
5、人造肥料中所含的氨,是通过氮和氢在金属(如教科书中提到的铂铑合金网)表面生成。
表面化学使用仪器图

表面化学使用仪器图

表面化学

作者:顾惕人马季铭戴乐蓉定价: ¥ 40.00 元
出版社: 科学出版社 出版日期: 1999年06月
ISBN: 7-03-002632-2/O·494 开本: 16 开
类别:物理化学,精细化工 页数: 406 页
简介
本书较全面地介绍各种界面(液一气、液一波、固一气、固一液等)上发生的物理化学过程.全书包括:液体表面、溶液表面、液一液界面、不溶物的表面膜、表面电现象、乳状液和泡沫、固体的表面、化学吸附、物理吸附、液相吸附、润湿现象和洗涤作用等十二章.
目录
第一章液体表面
表面张力与表面自由能
1.1表面张力与表面自由能
1.2表面自由能的定性解释
1.3表面自由能的分子理论
1.4关于表面张力物理真实性的争论
1.5表面张力与体系性质关系
表面热力学基础
1.6表(界)面相与相界面
1.7表面自由能的热力学定义
1.8表面热力学函数
1.9纯液体表面的一些热力学关系
弯曲液面
1.10Laplace公式与毛细现象
1.11液体蒸气压、曲率与Kelvin公式
1.12液体形状与Bashforth?Adams方程
表面张力的测定
1.13毛细高度法
1.14气泡最大压力法
1.15滴体积(重)法
1.16脱环法
1.17吊片法
1.18停滴(泡)法
1.19悬滴法
参考文献
第二章溶液表面
溶液表面张力与表面活性
2.1溶液的表面张力
2.2表面活性剂
2.3溶液表面张力测定
溶液表面的吸附
2.4溶液表面吸附量
2.5Gibbs吸附公式
2.6各种吸附定义与换算
2.7Gibbs吸附公式对非电解质溶液表面的应用
2.8Gibbs吸附公式对电解质溶液表面的应用
2.9表面活性剂在溶液表面上的吸附
2.10溶液表面吸附层状态方程
2.11Butler公式与表面状态方程
2.12吸附过程的标准热力学函数
2.13二元液体混合物的表面性质
2.14多组分溶液的表面性质
2.15动表面张力与吸附速度
参考文献
第三章液?液界面
3.1液?液界面张力
3.2Antonoff规则
3.3液?液界面张力的现代理论
3.4液?液界面上的吸附
3.5超低界面张力
界面张力的测定
关于低界面张力体系的一些规律
3.6微乳状液
参考文献
第四章不溶物的表面膜
一般介绍
4.1一种液体在另一种液体上的展开
4.2表面压
4.3表面电势和表面粘度
单分子膜的各种状成
4.4气态膜(G)
4.5液态扩张膜(Le)
4.6转变膜(I)
4.7凝聚膜
4.8分子结构与膜型的关系
表面膜的化学反应
4.9理论处理
4.10实验测定
4.11分子取向的效应
4.12分子取向效应的理论处理
4.13表面电荷的催化效应
4.14表面反应平衡位置的移动
高分子的表面膜
4.15高分子在界面上的展开
4.16高分子表面膜的通性
4.17分子量的测定
4.18高分子表面膜的理论
4.19高分子结构对表面膜性质的影响
多分子膜
4.20转移到固体上的单分子膜和多分子膜
4.21双分子膜
参考文献
第五章表面电现象
双电层
5.1界面电荷与电势
5.2扩散双电层
5.3Stern双电层
离子吸附与电毛细现象
5.4离子的吸附
5.5电毛细现象
电动现象
5.6电渗
5.7电泳
5.8流动电势与沉隆电势
参考文献
第六章乳状液和泡沫
乳状液
6.1乳状液的一般介绍
6.2乳状液的稳定性
6.3乳状液的类型
6.4乳状液的破坏
6.5多重乳状液
泡沫
6.6多面体泡沫
6.7泡沫的稳定与破坏
参考文献
第七章固体的表面
固体的表面热力学
7.1固体的表面自由能和表面张力
7.2晶体的平衡形状
晶体的表面结晶学
7.3二维结晶学的一些基本概念
7.4表面结构
固体表面的不完整性与不均匀性
7.5表面结构中的晶格缺陷
7.6固体表面的粗糙性与多孔性
7.7表面层内化学组成的变化
清洁固体表面的获得
7.8清洁表面的直接制备
7.9表面杂质清除法
固体表面能和表面自由能的理论与实验估算
7.10理论估算
7.11实验估算方法
测定固体表面成分和结构的方法
7.12低能电子衍射
7.13Auger电子能谱
7.14光电子能谱
7.15场发射显微镜和场离子显微镜
参考文献
第八章化学吸附
一般介绍
8.1物理吸附和化学吸附的区别
8.2活化吸附理论
吸附和脱附的动力学
8.3化学吸附速度研究的定性结果
8.4吸附速度和脱附速度的定量描述
8.5程序升温热脱附
分子在表面上的行为
8.6分子在表面上的滞留时间
8.7分子在表面上的活动性
吸附等温线
8.8Langmuir公式
8.9Freundlich公式
8.10Temkin公式
8.11三个公式的比较
化学吸附机构
8.12d带理论
8.13气体在金属上的吸附机制
8.14气体在氧化物上的吸附机制
8.15吸附层的结构
化学吸附热
8.16吸附热的测定结果
8.17吸附热的计算
8.18吸附热和吸附量的关系
参考文献
第九章物理吸附
基础知识
9.1固体的表面积和孔
9.2吸附等温线的类型
9.3吸附膜的表面压
9.4吸附膜的一般性质
物理吸附的力
9.5两个孤立原子之间的相互作用
9.6固体表面和孤立原子的相互作用
物理吸附理论
9.7单分子层吸附理论
9.8BET多分子层吸附理论
9.9Polanyi吸附势理论
9.10de Boer?Zwikker的极化吸附理论
9.11Frenkel?Halsey?Hill的厚板理论
毛细凝聚现象
9.12Kelvin公式的各种变形
9.13吸附滞后现象
9.14滞后环的形状与孔结构
9.15平均孔半径和孔径分布
9.16分子筛
气体吸附的热力学
9.17表面热力学特征函数的基本公式
9.18吸附熵
9.19吸附热
9.20实验和理论的比较
混合气体的吸附
9.21混合饱和蒸气的吸附
9.22Langmuir型的混合吸附公式
9.23BET型的混合吸附公式
9.24理想吸附溶液的理论
9.25吸附势理论的推广
参考文献
第十章液相吸附
浓溶液的吸附
10.1复合等温线
10.2个别等温线
10.3单分子和多分子吸附层
10.4质量作用定律和Langmuir公式
10.5溶液吸附的热力学
稀溶液的吸附
10.6吸附等温线
10.7关于溶液吸附法测定固体的比表面
10.8同系物的吸附规律——Traube规则
10.9吸附热力学
10.10表面和溶质的相互作用
10.11混合溶液的吸附
高分子溶液的吸附
10.12影响高分子吸附的各种因素
10.13吸附等温式
表面活性剂在固?液界面上的吸附理论
10.14理论
10.15吸附等温线的理论计算
10.16吸附通用公式的应用
10.17表面胶团化热力学
10.18临界表面胶团浓度
10.19表面反胶团
参考文献
第十一章润湿现象
11.1润湿的类型
11.2接触角和Young方程
11.3毛细管体系的润湿
11.4非理想固体表面上的接触角
11.5接触角的测定
11.6液体对固体表面的润湿规律
11.7固体表面自由能的估算
11.8固?液界面吸附层的结构
参考文献
第十二章洗涤作用
概论
12.1污垢的分类
液体污垢的清除
12.2置换?滚落机制
12.3乳化机制
12.4加溶机制
固体污垢的清除
12.5DLVO理论与防止污垢质点的再沉淀
12.6污垢质点自基物表面的清除
助洗剂
12.7各种助选剂的作用
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