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1、表面化学学科发展概述 摘要 表面化学对于化学工业很重要, 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、汽车内催化剂如何起作用等; 此外, 表面化学反应对于许多工业生产起着重要作用, 如人工肥料的生产; 表面化学甚至能解释臭氧层破坏;半导体工业也是与表面化学相关联的领域；表面化学与许多学科有关，且发展历史悠久，将来也一定会有更广阔的发展空间。关键词 表面化学 化工工业 其他学科 发展概述一、表面化学简介 表面化学是物理化学的一个分支, 是在胶体化学基础上发展起来的一门古老而又年轻的学科。它主要研究在物质两相之间的界面上发生的物理化学过程。通常将气- 固、气- 液界面上发生
2、的物理化学过程称为表面化学, 而在固- 液、液- 液界面上发生的物理化学过程称为界面化学。但也有些学者将所有的界面过程化学问题都称作表面化学或界面化学, 并不是分得很严格。可以说在自然界和工农业生产及日常生活中, 到处都存在着在与表面化学有关的问题, 如: 水珠滴在干净的玻璃板上, 就会自动铺展; 但如果水珠滴在荷叶上, 情况则完全相反, 此种现象都与表面化性质有关。表面化学与许多学科, 如: 电器及通讯器材学科、材料科学、医学、生物及分子生物学、土壤学、地质学、环境科学等都有密切联系。它在工农业生产与人们日常生活中都有广泛应用。如石油的开采、油漆涂料的生产、各种轻化工、日用化学品的制造、信息
3、材料的制造、采矿中的浮选、环境污染的处理与防治。同时, 食品、纺织、军工、体育用品、农药、建材等众多领域都与胶体和表面化学有关。因此, 可以夸张地说, 表面化学已经渗透到国民经济及人民生活的各个方面。二、表面化学的重要性密切接触的两相之间的过渡区（ 约几个分子的厚度）称为界面,如果其中一相为气体,这种界面通常称为表面。在相的界面上所发生的一切物理化学现象,统称为界面现象,通常将气一液、气一固界面现象称为表面现象。表面化学是研究表面上所发生的化学反应过程的科学,主要研究对象是表面的形成、表面组成结构和表面上进行的吸附、扩散以及化学反应的能力等。表面化学过程的研究对工农业生产和日常生活有着重要作用
4、。石油炼制工业中的催化重整、加氢精制工艺过程同催化剂的表面性质和分子同催化剂表面的反应性能密切相关。表面化学家对哈伯一博施（Haber Bosch）过程的透彻研究促进了合成氨工业的飞速发展。在环保方面,人们对一氧化碳在金属表面氧化过程的研究促进了汽车尾气净化装置的研制,极大地减少了汽车尾气对环境的污染；对氟氯烃以催化方式破坏臭氧层过程的研究有助于帮助人们找到更好的保护臭氧层的方法。在微电子领域,人们不仅用化学气象沉积法生成了大量的很薄的半导体,而且对半导体表面物理化学性质进行了深人研究,为开发新的高效半导体器件提供了理论依据。在工业生产领域,纺织、造纸、矿山都离不开高效工业表面活性剂,就连实现
5、强化采掘石油也需加入表面活性剂以有效地降低岩芯与石油混合物之间的表面张力以及粘度。在能源行业,水在半导体表面光解制氢的研究成果可为实现利用水中氢资源开辟途径；人们正试图找到效率更高的燃料电池,以使车用氢气燃料电池替代日渐匾乏的汽油。表面化学反应引起的腐蚀是日常生活（ 自来水管、炊具、铁门、栏杆等） 与工业生产)（如船舶、汽车、桥梁、核电站与飞机等）中所面临的重要问题：全世界每年有高达1/4 的铁因锈蚀(铁在潮湿、有氧环境下的催化氧化)而失去使用价值,每年因腐蚀造成的经济损失约7000亿美元。表面化学研究则可以提供防止腐蚀的方法,通过调节表面组分,如在表面形成一层氧化物保护膜或惰性物质,可以减少
6、腐蚀,如:将铬镀在不锈钢的表面,由于铬对空气或氧以及酸类有很大的惰性,可使钢材防腐蚀。可见表面化学过程的研究在广泛的用化学知识解决实际问题的应用范围内起了关键作用,具有很高的经济价值。表面化学过程的研究在基础化学研究中也有很重要的作用。在化学反应的理论研究中,在气相中研究分子的形成最简单,因为在气相只需考虑发生相互碰撞的两个反应物的影响。然而,在实际应用中,有很多重要的反应发生在很复杂的环境中,反应物要经常与邻近分子进行能量与动量的交换,如:在溶液中,环境是无序动态变化的,对这类系统的描述,必须考虑环境的影响,研究起来非常困难。气固界面提供了一个处于简单的气相环境与复杂的液相环境之间的环境,在
7、固体表面,吸附分子与载体交换能量与动量,但在很多理想情况,载体是长程有序的,因此,分子与载体间的相互作用很有规律,可以进行精确的实验与理论计算。所以通常可以把表面化学反应的研究看作深入理解实际反应的一种途径。催化领域面临的首要任务是在已积累的大量实验基础上继续深入认识若干系列催化过程的机理和开发新的催化反应,研制相应的催化材料。由于表面技术的发展及应用,人们愈来愈多的在金属及氧化物单晶材料的表面上进行在实际应用中有重要作用的复杂催化反应的模拟研究,以便积累数据,综合分析,从中找出有关催化反应基元过程的重要信息和线索,为设计和改进所需高效催化剂提供理论依据。三、表面化学的发展 由于在化学研究中的
8、重要性,表面与界面化学过程的研究已经有了很长的历史。早在; 世纪,人们就开始了表面的研究,例如催化、电化学以及表面相的热力学研究等。法国科学家萨巴蒂埃（P.sabatier）因使用细金属粉末作催化剂,发明了一种制取氢化不饱和烃的有效方法与他人分享了1912年诺贝尔化学奖。随后人们认识到这个反应中最关键的步骤是控制氢分子在金属表面的吸附,而不使氢在金属表面上解离成氢原子(氢分子在金属表面容易发生解离吸附 )。这个方法经过适当的改进后,至今仍是有机物氢化反应的标准过程。德国科学家哈伯(F.Haber)因合成氨法的发明而获得1918年诺贝尔化学奖。1932年美国科学家朗缪尔(I.Langmuir)因
9、提出并研究表面化学获诺贝尔化学奖。他于1909年开始研究表面化学,1916年提出了单分子层吸附理论和“朗缪尔吸附等温方程”,1917年制成“表面天平”,以测定分子在表面膜内的表面积,1920年研究了表面反应动力学,得到被后人命名为“朗缪尔等温线”的基本理论。后来,英国科学家欣谢尔伍德(C.N.Hinshelwood)进一步发展了这个理论,成为多相催化反应的“朗缪尔一欣谢尔伍德机理”。从1932年开始,表面化学过程领域就没有获得过诺贝尔奖。1956 年欣谢尔伍德与苏联科学家谢苗诺夫(N.N.Semenov)因化学反应机理的研究而共同获得诺贝尔化学奖。1986年美国科学家赫希巴赫(D.R.Hers
10、chbach) 、美籍华裔科学家李远哲(Y.T.Lee)与德国科学家波拉尼(J.C.Polanyi)因他们对化学基元反应动力学的贡献而共同获得诺贝尔化学奖。这些诺贝尔奖的工作主要集中在气相化学反应基本原理的研究上。 在朗缪尔的工作以后,相当长时间内表面化学领域都缺乏开创性的研究工作,原因主要有三点:首先,制备表面时,很难精确控制表面的组分与形状。其次,缺乏可以直接探测表面分子反应的实验技术,表面反应只含有几个分子,通常以极快的速度在只有一个分子厚的薄层中进行。人们只能在气相测量化学组分,进而推断分子在表面可能发生的化学反应,所以这样得到的结果可靠性不高。最后,表面具有极高的化学活性,在大气中,
11、表面很容易吸附空气中的气体或与之发生反应,在研究一个特定的反应时很难保持表面的清洁,因此这样的研究通常需要真空设备、电子显微镜、无尘室等先进的实验设备以及先进的方法以保证结果具有极高的精确度与可靠性。整个领域由于20世纪50年代到60年代半导体技术的发展出现了变化。由于真空技术的发展,出现了一些在高真空条件下研究表面的新方法,使人们可以从微观水平上对表面现象进行研究,表面化学开始成为一项独立的基础学科,并吸引了一批具有固体物理、物理化学、化学工程知识背景的科学家,从此表面化学得到迅猛发展,大量研究成果被广泛应用于涂料、建材、冶金、能源等行业。20世纪60年代以后,各种表面分析技术不断涌现。近几
12、十年来,检测表面性能的实验技术有了突破性的发展,对表面组成、结构、电子性能、磁学性能都可以从极微观的层次进行表征,为深人研究表面反应过程提供了十分方便的实验手段。常用的实验方法有X射线光电子能谱、紫外光电子能谱、俄歇电子能谱、电子能量损失谱、低能电子衍射、程序升温脱附技术等,其中,尤以宾尼(Gerd Binning)和罗雷尔(Hcinrich Rohrer)在20 世纪80年代发明扫描隧道显微镜(STM)以及后来宾尼等研制的原子力显微镜(AFM)为代表,将表面分析技术的开发推上巅峰。这些林林总总的表面分析技术与方法成为人们探索表面的有力武器,将人们带人了迷人的原子和分子世界,实现了人们一直渴望
13、“看到”以及操控原子和分子的梦想,给表面化学的发展带来了无尽的生机与活力。四、表面化学与矿物加工的关系及应用案例 近年来, 由于国内矿产资源趋向于共生关系更复杂的多金属复杂矿, 利用传统的浮选方法处理存在分离困难、所得产品质量不高等问题, 造成了很大的资源浪费。如何实现复杂矿产资源的综合利用, 已成为选矿科技的重要问题之一。正在研究和发展中的电位调控浮选新技术, 它比以捕收剂pH匹配为特征的传统黄药浮选前进了一步, 能够实现硫化矿物的高选择性、低药剂消耗的浮选分离。由于电位调控浮选过程中在不同的矿浆电位下,矿物表面会发生一系列复杂的过程, 比如氧化还原反应、化学反应、溶解、吸附和沉淀等。这些复
14、杂的过程会导致矿物表面发生改变, 形成非匀质成分的氧化产物, 从而影响矿物表面的亲水性和疏水性, 进而影响硫化矿物的可浮性使不同矿物之间能有效地分离。因此, 研究不同电位下硫化物表面形成的氧化产物相的化学构成具有重要意义。 对于硫化物无捕收剂浮选过程中表面产物层的构成至今存在很大的争议。主要分歧在于硫化物表面起疏水作用的物质是缺金属硫化物还是多硫化物和单质硫。Buckley认为缺金属硫化物是硫化矿物表面造成疏水的主要物质，而Yoon提出硫化物表面的疏水产物主要是多硫化物。他解释测出的硫化物表面存在的单质硫的量要比表面存在的多硫化物的量要少很多，因此, 单质硫的存在与硫化物的疏水性没有关系。国内
15、学者普遍认为单质硫是引起硫化物表面疏水的主要物质，但是, 对于在中性浮选介质中不同电位下硫化物表面形成的疏水物质的形态尚未见报道。参考文献1、范明霞、张智，活性炭孔径分布和表面化学性质对吸附影响的研究进展【J】煤炭加工与综合利用，2011年01期2、林信惠、李艳平，Lrving langmuir : pioneer of surface chemistry【J】自然辩证法通讯、2012年03期3、马秀芳、 李微雪、邓辉球，现代表面化学的发展2007年诺贝尔化学奖简介【G】自然杂志；2007年 06期；4、余娟、杨洪英、范有静、陈焱杰，电位对无捕收剂溶液中黄铜矿表面化学构成的影响【J】2011年
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