黑龙江省专业技术人员继续教育知识更新培训专业课程函授学习材料

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化工专业2011年函授学习材料

应用表面化学与技术

主讲教师：哈尔滨工业大学 姜兆华 姚忠平 教授

绪 论

一、界面化学的研究对象

任何自然科学都是以物质(实物粒子及其场)为研究对象，而化学热力学则是以大量的实物粒子组成的宏观体系为研究对象。把体相与表面相的成分、性质、结构看成是没有差别的均一体，这在表面现象影响不太大时还基本正确。而当把研究对象之线性尺寸缩小至几个分子的量级时，构成表面质点数占整个体系质点具有相当的比例，在这种情况表面因素不能忽略，这就是界面化学的任务。它是以不均匀体系内相与相的界面上发生的物理化学变化规律及体相与表面相的相互影响关系为研究对象。从体相与表面相的联系人手，研究体相变化时所引起界面性质的变化规律。要注意这里所说的相界面不是真正的二维平面，而是一个准三维的区域、其广度是无限的，而厚度约为几个分子（线性尺寸为10-9-10-7m）。在此，有几个概念要首先弄清楚。 1．界面相(表面相)与体相

界面是相与相之间的交界所形成的物理区域。相据相的概念，在界面的两侧必然存在着物理性质或化学性质的不均匀。考虑到分子的线度，这种不均匀体相间的界面应该是准三维的界面区域——界面相(表面相)γ。那么，与界面相相邻的相就称之为体相，如图0-1所示。

可以这样看，体系性质保持常数的区域为体相，是相对局部而言。某一性质发生变化的过渡区为界面相，是相对原来体相的表面而言的，所以又叫表面相γ。

2．界面的分类

根据物质的聚集状态，所组成的界面通常可分为五类：固—气(S-g)、固—液(S-L)、固—固(S1-S2)、液-液(L1- L2)、液—气(L-g)。习惯上把凝聚态物质相对于其纯气相的界面称为表面(严格讲，应该是物质相对于真空才是表面)。若按上述表面的定义，S-g、L-g才可算作表面。但许多文献中常常把两个不同体相问的界面也称为表面，正因如此，表面化学这一术语也被大家接受了(严格说为界面化学)。

有了上述分类后,我们可以总结一下,与界面有关的一些现象. a s/g: 气体吸附与固体间的化学反应,升华,尘,烟,催化等 b s/l: 固体在溶液中的吸附和溶解,电极过程,焊接,选矿等 c s1/s2: 固相间的反应,磨擦, 润滑,粘附等 d l/g: 蒸发,精馏, 泡沫, 云雾 e l1/l2: 乳状液

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二、表面现象存在的普遍性

界面现象是无处不在的，只要在任何两个相界面上都可以发生界面现象。 ①乳化液：这是两种不相混溶的液相放在一起通过搅拌等方法,使其中一种液体成为液珠分散在另一种液体中面形成的。我们可以利用这一现象为实际服务，大家都知道，发射卫星要使用火箭推进剂，一般这种推进剂燃料是联氨(肼)，这是极易爆炸的危险品。为使平时存储更加安全，人们将其变成乳化液而存储，在发射使用前再破乳使用。但是这种乳液的配制非常困难，美国人B.A.H. Seaman 研制出了油基氨酸型乳化剂，从而解决了这一问题。

OCH3NCH2COOH

CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7C基氨酸型乳化剂

② 三次采油： 过去是钻井后靠地下压力向外喷原油，这是一次采油。当地下压力降低，采用注水的方法将原油再采出这叫二次采油。现在对于老油田（比如大庆油田），单纯靠注水已经不行了，对于附着在地下岩石、泥砂表面的原油通过注入润湿剂、乳化剂等方法，可将这部分附着原油有效采出，这就是三次采油。③发泡电极：大家都知道电池里边有电极，当电极上通过的电流密度过大时因极化造成工作电压下降。为减少这种极化人们希望电极表面积越大越好，但是电池体积过大使用上受到限制。哈工大电化学专业的王纪三教授想出了发泡电极的方法，其原理就是提高比表面积。

Aγ =A/V或A/m，单位体积或质量下物体的表面积称为比表面积。对于一个正方体，边长为L则V=L3、 总面积A=6L2、 Aγ=6/L。

现在我们考察一下保持总体积不变的1×10-6m3的镍块, 切割边长分别为1cm, 1μm和1 nm不同粒度时，其总表面积变化和比表面积变化情况。

cm μm nm

边长m 10-2 10-6 10-9

分割后的立方体个数 1 10-12 10-21 (V=10-6m3=nV分=nL分3) 总面积 6×10-4 6 6×103 比表面积 6×102 6×106 6×10-9

由此可以看出同样是体积为1×10-6m3的镍块，若将其分割为纳米， 总面积可达6000M2、比表面达6×109。 对于镍电极来说达到纳米粒度量级的话，由电流I=A i可知，同样保持电流强度不变，电流密度可大大下降。发泡电极就是基于上述原理，制造成空间的三维网状结构，使比表面积大大提高。

④不沾油排烟罩：这是大家熟悉的家庭用具，不沾油是为了清洁、卫生和美观。怎样才能不沾油呢?这就是界面润湿的问题，一般是通过表面涂履聚四氟乙烯达到憎油憎水的效果。

⑤化妆品：目前对化妆品的要求的是保健与美容兼顾，在对人皮肤有保护作用的前提下不能产生积累毒性。这种积累毒性与氰化钾的剧毒不同，属于慢性长期的积累使皮肤色素加深甚至发生癌变等不良影响，基于这一点考虑，多数合成化妆品不理想，现在人们都趋向于天然提取物的化妆品，那么这些天然物通过什么方法提取变为化妆品呢?也是利用了界面现象，靠乳化剂、渗透剂和分散剂等的复合作用。

⑥ 药物：西药片剂大概我们每个人都吃过，实际上片剂中有许多是辅助成分，速效感冒胶囔为什么制成微粒状，微粒可以提高比表面积，胶囔是一种很好的亲水性表面活性剂，便于胃肠液对于药物的润湿，充分快速发挥药物的作用。大家

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在广告中见过或听说过‖康太克‖这种药，每天一片就可以。还有一种更长效的黄胺类药剂，所谓长效就是使药物慢慢释放逐渐被胃肠吸收，这是靠调节药中的辅助成分控制润湿程度来实现的。

⑦居室：现在室内外装饰非常流行，但是也带来了环境污染问题。实际上涂料喷漆中较多含有非成膜的有机溶剂，这类溶剂在涂料固化过程中就逐步挥发到周围环境中而造成污染。为改变这种情况可用添加表面活性剂的办法制成水基涂料。 三、.表面化学在化工行业发挥着重要作用

①目前各类纳米材料具有许多新的性能，而纳米材料中表面因素发挥着重要作用。新型高活性催化剂，在化工、制药行业为最核心的问题，也是技术创新的源泉。如由于汽油等的不完全燃烧，汽车排放的尾气中含有大量一氧化碳。如果不通过净化就排放会给人类生活造成危害。基于2007年诺贝尔化学奖格哈德·埃特尔有关一氧化碳在金属铂表面氧化过程的研究，现在汽车可以利用催化剂实现一氧化碳的清洁排放。

②化工中蒸馏、分离、过滤等基本单元操作中过饱和、过冷等表面现象屡见不鲜。零度是水的冰点，零度以下的水都会变成固态，可是表面化学的研究者们则可以证实零下一百多摄氏度的水仍然是液态。他们在超高真空条件下，利用分子束技术和同位素标记技术测量普通H2O分子和重水D2O分子在界面相互扩散的情况，以此来测量水分子的扩散系数。研究结果表明，在零下133—零下111摄氏度的温度范围内，水依然保持液态水的特征，因此认为在如此低的温度下存在着超冷水。这在人们的印象中是难以想象的，但这是事实。

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