定向作用力FK(静电力) ―发生于极性分子之间。 诱导作用力FD ―发生于极性与非极性分子之间。 分散作用力FL(色散力)―发生于非极性分子之间。
Transient dipoles
• At any instant
• Electrons are
unevenly
• Electrons touring distributed
固体分散度的变化
例如：石英的粉碎。1kg直径为1cm米变成 1nm米，表面积和表面能增加143倍。由于高 分散系比低分散系能量高得多，必然使物系由 于分散度的变化而使性质方面有很大差别。
物理性质 熔点、沸点、蒸汽压、 溶解度、吸附、 润湿和烧结等
化学性质 化学活性、催化、 固相反应等
表面质点不对称受力能量升高
表面质点不对称结构
无机材料科学第五章固体表面与界 面
内容提要
固体表面力场与表面能。 离子晶体在表面力场作用下，离子的极化与重排过程。 多相体系中的界面化学：如弯曲效应、润湿与粘附，表面改性。 多晶材料中的晶界分类，多晶体的组织，晶界应力与电荷。
第一节 固体的表面
表面:一个相和它本身蒸汽或真空接触的分界面 界面:一相与另一相(结构不同)接触的分界面。
– At least a tendency
无机材料科学第五章固体表面与界 面
Transient Induced Dipoles
• An instant later…
• Electrons moved
• Dipole aligned parallel
– Unfavorable
• Like charges repel
第五章 表面与界面
总述 理想晶体和玻璃体/实际晶体和玻璃体
理想晶体和玻璃体：任一个原子或离子都处在三维无 限连续的空间中，周围对它作用 完全相同。
实际晶体和玻璃体：有限处于物体表面的质点，其境
遇和内部是不同的，表面的质点 受力不均衡而处于较高的能阶。
无机材料科学第五章固体表面与界 面
无机材料科学第五章固体表面与界 面
3、 NaCl形成双电层厚度为0.02nm,在Al2O3、SiO2、ZrO2 等表面上也会形成双电层。
4、当表面形成双电层后，它将向内层发生作用，并引起 内层离子的极化和重排，这种作用随着向晶体的纵深推移而 逐步衰减。表面效应所能达到的深度，与阴、阳离子的半径 差有关，差愈大深度愈深。
5、离子极化性能愈大，双电层愈厚，从而表面能愈低。
内部原子对称配位受力平衡 表面原子无不机材对料称科学配第五位章受固体力表面不与平界 衡
面
表面力的分类
(1)范得华力(分子引力) (2) 长程力
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(1) 范得华力(分子引力)
是固体表面产生物理吸附或气体凝聚的原因。 与液体内压、表面张力、蒸汽压、蒸发热等性质有关。
through orbital
space
• Dipole
• Evenly distributed • Transient: an
about nucleus
instant later,
– On overage
electrons will have
无ed
Induced Dipoles
• The effect of one dipole on a neighboring atom:
• Electrons of atom 2 drawn towards +ve side of atom 1
• “Induced” dipole in atom 2
• Aligned antiparallel
表面力的作用： 液体: 总是力图形成球形表面来降低系统的表面能。 固体: 使固体表面处于较高的能量状态(因为固体不能流动),只能 借助于离子极化、变形、重排并引起晶格畸变来降低表 面能，其结果使固体表面层与内部结构存在差异。
NaCl 晶 体
图3－1 离子晶体表面的电子云变形和离子重排
说明：
1. 离子晶体MX在表面力 作用下，处于表面层的负 离子X在外侧不饱和，负 离子极化率大，通过电子 云拉向内侧正离子一方的 极化变形来降低表面能。 这一过程称为松弛，它是 瞬间完成的，接着发生离 子重排。
一、固体表面的特征 二、晶体表面结构 三、固体的表面能
无机材料科学第五章固体表面与界 面
一、固体表面的特征
1. 固体表面的不均匀性，表现在： (1)绝大多数晶体是各向异性，同一晶体有许多性能不同的表面。 (2)同一种物质制备和加工条件不同也会有不同的表面性质。 (3)晶格缺陷、空位或位错而造成表面不均匀。 (4)在空气中暴露，表面被外来物质所污染，吸附外来原子可占据
NaCl 晶 体
图3－1 离子晶体表面的电子云变形和离子重排
2. 从晶格点阵稳定性 考虑作用力较大，极 化率小的正离子应处 于稳定的晶格位置而 易极化的负离子受诱 导极化偶极子排斥而 推向外侧，从而形成 表面双电层。重排结 果使晶体表面能量趋 于稳定。
无机材料科学第五章固体表面与界 面
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不同的表面位置，形成有序或无序排列，引起表面不均匀。 (5)固体表面宏观光滑，原子尺寸衡量，实际上也是凹凸不平的。
2. 固体表面力场
固体表面力定义：晶体中每个质点周围都存在着一个力 场，在晶体内部，质点力场是对称的。但在固体表面， 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，表现出剩余的键力。
• Or pointing in
completely
different 无机材料科学第五章固体表面与界 面
direction
表达式：F范＝FK＋FD＋FL 1/r7
说明：分子间引力的作用范围极小，一般为3～5埃。 当两个分子过分靠近而引起电子层间斥力约等于B/r3 , 故范得华力只表现出引力作用。
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(2) 长程力： 属固体物质之间相互作用力，本质仍是范得华力。 按作用原理可 分为： A. 依靠粒子间的电场传播的，如色散力，可以加和 B. 一个分子到另一个分子逐个传播而达到长距离的。诱导作用力
二、晶体表面结构 1. 离子晶体表面
超细结构(微观质点排列) 显微结构(表面几何状态)