表面化学和胶体化学

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1、第八章第八章 表面化学和胶体化学表面化学和胶体化学1 1 引引 言言一、几个概念一、几个概念表表面面化化学学：研研究究物物质质相相界界面面上上发发生生的的现现象象的的规规律律。 1. 1. 界面和表面界面和表面界面（界面（interface）：）：密切接触的两相间的过渡区，密切接触的两相间的过渡区，约约10-910 -8 m， 有几个分子层厚。有几个分子层厚。五类界面：气五类界面：气(g)-液液(l) ，气气(g)- 固固(s)， 液液(l)- 固固(s) ，液液(l1)-液液(l2) ，固固(s1)- 固固(s2)表面（表面（surface）：）： 若其中的一相为气相（习惯）。如若其中的一相

2、为气相（习惯）。如l-g，s-g。2. 2. 界面现象和表面现象：界面现象和表面现象： 在相的界面上发生的行为在相的界面上发生的行为 。如：如： 露珠为球形露珠为球形 微小液滴易蒸发微小液滴易蒸发 水在毛细管中会自动上升水在毛细管中会自动上升3. 3. 比表面比表面A A0 0 单位（量纲）：长度单位（量纲）：长度-1-1 或或 单位（量纲）：面积单位（量纲）：面积质量质量- -1 1例如：有边长为例如：有边长为 的立方体，的立方体，分割成边长为分割成边长为 的小立方体，的小立方体，可见：体系的分散程度越高，比表面积越大。可见：体系的分散程度越高，比表面积越大。二、表面化学和胶体化学的关系二、

3、表面化学和胶体化学的关系 胶体：胶体： 粒子粒径在粒子粒径在1nm100nm间的高度分散的多间的高度分散的多 相体系。相体系。胶体粒子的比表面积极大，表面效应极为显著。胶体粒子的比表面积极大，表面效应极为显著。2 2 表表 面面 热热 力力 学学 性性 质质1. 1. 表面张力表面张力 表面层粒子受力不均匀，产生内压力。表面层粒子受力不均匀，产生内压力。 表面有自动缩小的趋势，产生表面收缩力。表面有自动缩小的趋势，产生表面收缩力。表表面面层层粒粒子子受受力力分分析析一、表面张力及其影响一、表面张力及其影响例：记例：记 ，金属丝移动金属丝移动到一定位置时，可以保持不再滑动到一定位置时，可以保持不

4、再滑动表面张力表面张力m2l m1f表面张力：垂直作用于单位长度相界面上，与表表面张力：垂直作用于单位长度相界面上，与表 面平行（平面）或相切（曲面）的收面平行（平面）或相切（曲面）的收 缩力。缩力。力的方向：与液面相切，与单位线段垂直。力的方向：与液面相切，与单位线段垂直。力的类型：表面收缩力。力的类型：表面收缩力。力的单位量纲：力的单位量纲：NmNm-1-1表面层分子受力不均匀表面层分子受力不均匀 内压力内压力 表面张力表面张力体系的一种强度性质，受到多种因素的影响。体系的一种强度性质，受到多种因素的影响。金属键金属键离子键离子键极性键极性键非极性键非极性键, , 与压强有关与压强有关 与

5、温度有关与温度有关 一般：温度升高一般：温度升高, ,；教材教材P P544 544 式（式（11-311-3） 温度升高到临界温度温度升高到临界温度T Tc c时，时，00其它：分散度其它：分散度 , ,运动情况等运动情况等 与接触相的性质有关（见教材与接触相的性质有关（见教材P P543543表表11-211-2）一般：压强升高一般：压强升高, ,；见教材见教材P P544544图图11-511-52. 2. 影响表面张力的因素影响表面张力的因素 与物质本性有关与物质本性有关分子间的作用力越大，分子间的作用力越大，越大：越大： 接触相相同，接触相相同， 固体固体 液体液体二、比表面二、比表

6、面GibbsGibbs自由能与表面自由能与表面GibbsGibbs自由能自由能 恒恒T、P、恒组成、可逆过程，生成恒组成、可逆过程，生成dAs新新表面表面需环境作功：需环境作功：dGT，p=Wr=dAs 表面分子具有比内部分子高的能量表面分子具有比内部分子高的能量例如：一滴水（例如：一滴水（1克水），比表面积克水），比表面积A0=4.85cm2g-1表面能约为表面能约为4.8572.810-7 = 3.510-5 Jr =10-7cm小水滴，比表面积小水滴，比表面积 A0=3.0107 cm2g-1表面能达到表面能达到 220J，是原有表面能的是原有表面能的6.3106倍。倍。积分：积分：则：

7、则：= Gs/As= Wr/As得：得： ：（：（比）表面比）表面Gibbs自由能，表面自由能。自由能，表面自由能。 也表示恒也表示恒T，p，ni下，增加单位面积所必须下，增加单位面积所必须 对体系作的非体积功，又称比表面功。对体系作的非体积功，又称比表面功。 单位量纲：单位量纲：Jm-2 Jm-2 = Nmm-2 = Nm-1 讨论：讨论：dU =TdS pdV +dAs+ idni dH =TdS + Vdp +dAs+ idni dA =-SdT pdV +dAs+ idni dG =-SdT +Vdp +dAs+ idni注意：注意：表面自由能与表面张力的代表符相同，均表面自由能与表面

8、张力的代表符相同，均 为为，量纲相通，但两者的概念不同！量纲相通，但两者的概念不同！ 表面自由能是单位表面积的能量，标量；表面自由能是单位表面积的能量，标量； 表面张力是单位长度上的力，矢量。表面张力是单位长度上的力，矢量。 GT,p =As+ ini ，GT,p = ini =（GT,p - GT,p）/As = Gs/As Gs：(比比)表面过剩表面过剩Gibbs自由能，自由能，表面过剩自由表面过剩自由能能 恒恒T，p下的表面过程有：下的表面过程有： dGT,p = dGs =dAs+ Asd0 体系中各相组成（体系中各相组成（ni）恒定，恒定，确定，则：确定，则： dGs = dAs 0

9、，表面积减小为自动过程；微物表面积减小为自动过程；微物 表面积不能改变时，表面积不能改变时， dGs = Asd 0， 减小为自动过程，吸附，润湿等表面过程。减小为自动过程，吸附，润湿等表面过程。自动自动平衡平衡自动自动平衡平衡平衡平衡自动自动比表面比表面GibbsGibbs自由能和表面张力的比较自由能和表面张力的比较 比表面比表面GibbsGibbs自由能自由能 表面张力表面张力符号符号 数值数值 相等相等量纲量纲 相通相通单位单位 J.mJ.m-2 -2 N.mN.m-1-1 标量标量 矢量矢量 强度性质强度性质要点：要点： 1 1） 表面分子所受到不对称力场表面分子所受到不对称力场 表面

10、张力表面张力 2 2） 一切减小一切减小 ，As 的过程为自动过程的过程为自动过程提问：表面提问：表面Gibbs自由能、比表面自由能、比表面Gibbs自由能、自由能、 表面张力三者的概念、单位是否相同？表面张力三者的概念、单位是否相同？ 如何表示？如何表示？ 固体表面有过剩的固体表面有过剩的Gibbs自由能吗？它与自由能吗？它与 液体的有何不同？液体的有何不同？一、弯曲液面下的附加压强一、弯曲液面下的附加压强1.1.液面的曲率液面的曲率2.2.弯曲液面的附加压强弯曲液面的附加压强附加压强附加压强p ps s：由表面张力的合力产生，指向由表面张力的合力产生，指向“球心球心”的压强的压强ABpsp

11、0p = p0 + ps凸面凸面ABpsp0p = p0 - ps凹面凹面3 3 弯曲表面的特性弯曲表面的特性ABABp0平面平面p = p0其大小与表面的弯曲程度、表面张力的大小相关其大小与表面的弯曲程度、表面张力的大小相关Young-Young-LaplaceLaplace公式公式球面球面任意曲面任意曲面附加压强附加压强p ps s：由表面张力的合力产生，指向由表面张力的合力产生，指向“球心球心”的压的压强强适用范围：适用范围：1)适用毛细管直径适用毛细管直径0.5mm情形情形2)适用于适用于r为定值的小液滴或液体中小气泡。为定值的小液滴或液体中小气泡。注意：注意：1) r 的符号：的符号

12、：凸液面，凸液面，r0，ps0， r 指向液相指向液相(固相固相)内部内部凹液面，凹液面，r 0，ps0， r 指向气相指向气相平液面，平液面，r,ps0， 2）气泡的附加压强：气泡的附加压强： 肥皂泡两个肥皂泡两个l-g界面，界面，r1r2 ps=ps,1+ ps,2= 4/r r1r2ps,1ps,2气气气气例例: :有完全为水润湿的两似球形固体微粒，其接有完全为水润湿的两似球形固体微粒，其接触点周围有水触点周围有水, ,气气/ /液界面的形状类似于滑轮槽，液界面的形状类似于滑轮槽，气气/液界面的曲率半径为液界面的曲率半径为0.02mm，滑轮槽的最小滑轮槽的最小内径为内径为0.16mm，已

13、知已知20时水的表面张力为时水的表面张力为72.810-3 Nm-1。请定量说明水对微粒的聚结是请定量说明水对微粒的聚结是否有利？否有利？解：解：r1= 210-5 m r2= 810-5 msslr2r1毛细现象毛细现象：毛细管插入液相中，毛细管内液体毛细管插入液相中，毛细管内液体 上升或下降的现象。上升或下降的现象。 原因：附加压强原因：附加压强 ps=p静压静压时，时， 在液面处达力平衡在液面处达力平衡p大气大气hp大气大气pSrrm ps= 2/r p静压静压=gh cos=rm/r 2/r =gh 2cos/rm=gh h = 2cos/rmg rm , , h 90o，h0； 90

14、o ，h0；rm，h 0rm：毛细管半径毛细管半径r：凹液面曲率半径凹液面曲率半径 公式应用：测表面张力公式应用：测表面张力 最大气泡压力法最大气泡压力法ps+p控控=p大气大气 减小减小p控控 ：气泡长大，最终逸出：气泡长大，最终逸出气泡半径气泡半径r 变化：变化： 大大小小大大ps变化：小变化：小大大小小 ps,max= 2/r (r曲率曲率=r毛细管毛细管) ps,max = p大气大气 - p控控 p控控p大气大气pS二、微小物质的特性二、微小物质的特性 微小物质：比表面积大，微小物质：比表面积大，Gs=As大大1.弯曲液面的饱和蒸气压与表面曲率半径的关系弯曲液面的饱和蒸气压与表面曲率

15、半径的关系Kelvin公式公式 r1 r2，p2 p1； r1， p1 p0， r2取为取为r， p2= pr Kelvin公式化为：公式化为： 凹液面，凹液面，r0，则：则：pr= p凹凹 p0， 且且|r|越小越小，p凹凹越小；越小； 凸液面，凸液面，r0，则：则：pr= p凸凸 p0， r/m 10-6 10-7 10-8 10-9 pr / p0 1.001 1.011 1.114 2.95 物质要小到一定程度，表面效应才显著物质要小到一定程度，表面效应才显著 微小物质的饱和蒸气压微小物质的饱和蒸气压 pr 增大，增大， 其化学势增高其化学势增高Kelvin公式化为：公式化为： 微小物

16、质的熔点低微小物质的熔点低（凸面）（凸面） 微小物质的饱和蒸气压大块物质饱和蒸气压微小物质的饱和蒸气压大块物质饱和蒸气压 微小物质化学势微小物质化学势大块物质化学势大块物质化学势，熔融时，熔融时，则：则：微物熔融应满足：微物熔融应满足：只有降低熔点，才能使只有降低熔点，才能使 减小，故有：减小，故有： Tf（微小）微小） Tf（大块大块） 微小固体物质的溶解度大微小固体物质的溶解度大溶解度：恒溶解度：恒Tp下下，溶质在溶剂中达到溶解，溶质在溶剂中达到溶解 平衡时的（饱和）浓度。平衡时的（饱和）浓度。 将开尔文公式与亨利定律结合，推导得：将开尔文公式与亨利定律结合，推导得：和和若若r2r1，则则

17、c2 c1，即：物质颗粒越小，其溶解度越大；即：物质颗粒越小，其溶解度越大；因为固体颗粒的因为固体颗粒的r0，所以微小物质的溶解度所以微小物质的溶解度(c r)大于正常条件下物质的溶解度大于正常条件下物质的溶解度(c 0) 微小物质化学活性大微小物质化学活性大 微小物质化学势高，所以化学活性大微小物质化学势高，所以化学活性大 介安状态与新相难成介安状态与新相难成 易蒸发，易升华，易融化，易溶解，其逆过程易蒸发，易升华，易融化，易溶解，其逆过程 难冷凝，难凝华，难凝固，难结晶。难冷凝，难凝华，难凝固，难结晶。 共同特征：从原体系中形成新的相态，初成的共同特征：从原体系中形成新的相态，初成的 新相

18、颗粒是极微小的，则新相颗粒是极微小的，则i大，大，微粒微粒很快很快蒸发蒸发 ( (升华，融化，溶解升华，融化，溶解) )。形成亚稳（介安）体系。形成亚稳（介安）体系 过饱和蒸气过饱和蒸气 过冷液体过冷液体 过热液体过热液体 过饱和溶液过饱和溶液 介安状态（热力学不稳定状态）介安状态（热力学不稳定状态） 过饱和蒸气过饱和蒸气 降温过程：降温过程：A A：不能凝出微小液滴不能凝出微小液滴B B：凝出微小液滴凝出微小液滴ABAB：过饱和蒸气过饱和蒸气 pB pA消除：如人工降雨，加消除：如人工降雨，加AgI颗粒颗粒 pBT微小微小大块大块BAlgTAppA 过冷液体过冷液体原因：凝固点下降。如纯净水

19、可到原因：凝固点下降。如纯净水可到-40-40不结冰。不结冰。过热液体过热液体 液体在正常沸腾温度不沸腾，要温度超过正液体在正常沸腾温度不沸腾，要温度超过正 常沸腾温度才沸腾。常沸腾温度才沸腾。原因：液体表面气化，液体内部的极微小气泡原因：液体表面气化，液体内部的极微小气泡 （新相）不能长大逸出（气泡内为凹液面）。（新相）不能长大逸出（气泡内为凹液面）。小气泡受到的压力为：小气泡受到的压力为： p = p大气大气+ ps+ p静静 p静静=gh ps = 2/rp大气大气psh如如 r =-10-8m，T = 373.15K时，时， = 58.8510-3N.m-1， ps= 2 /r =11

20、.77103kPa h = 0.02m，=958.1kgm-3 p静静= gh = 958.19.80.02=0.1878kPa p大气大气=100kPa p =100 + 0.1878 + 11.77103 = 11.87103kPa 根据开尔文公式根据开尔文公式 得：得： 气泡内液面上的液体饱和蒸气压为：气泡内液面上的液体饱和蒸气压为： pr=94.34kPa p pr 过饱和溶液过饱和溶液原因：微小物质的溶解度大。解决方法：加晶种原因：微小物质的溶解度大。解决方法：加晶种一、吸附热力学一、吸附热力学 吸附：在一定条件下，某种物质在相界面上自动吸附：在一定条件下，某种物质在相界面上自动 聚

21、集的现象。聚集的现象。 1.1.吸附热吸附热 固体吸附气体时，气体分子运动自由度下降，固体吸附气体时，气体分子运动自由度下降， 则：则：Ss0 0 ，表面过程表面过程Gs0 0，可逆条件下，可逆条件下， Qr = TSs 0 0 ，故吸附过程为故吸附过程为放热反应放热反应 且：且：Hs= Gs + TSs 0 0 2 2吸附热的确定吸附热的确定 量热方法：用热量计量热方法：用热量计 由克由克- -克公式计算（等量吸附热）克公式计算（等量吸附热）4 4 固固/ /气界面的吸附作用气界面的吸附作用吸附热的大小吸附热的大小 吸附强弱，吸附性质吸附强弱，吸附性质小：与气体的液化热接近，气体液化为物理过

22、程小：与气体的液化热接近，气体液化为物理过程大：与化学反应的热效应接近，吸附大：与化学反应的热效应接近，吸附 化学过程化学过程二、物理吸附与化学吸附二、物理吸附与化学吸附 吸收光谱，有新的特征谱线出现吸收光谱，有新的特征谱线出现 化学吸附化学吸附 原有特征谱线出现位移或加强原有特征谱线出现位移或加强 物理吸附物理吸附 两者比较，差异见两者比较，差异见P556表表11-511-5； 共同之处是吸附热服从同一规律，吸附量也服共同之处是吸附热服从同一规律，吸附量也服 从同一规律。从同一规律。物理吸附与化物理吸附与化学并不一定是学并不一定是截然分开的，截然分开的，由物理吸附转由物理吸附转到化学吸附也到

23、化学吸附也许是捷径。许是捷径。Ed Ea|QC| |QP |NiNiHHHHDH-HQPQCEaPH+HrEd0(+)(+)( )( )Ea：吸附活化能吸附活化能Ed：解解吸活化能吸活化能QC：化学吸附热化学吸附热QP：物理吸附热物理吸附热 三、吸附曲线类型三、吸附曲线类型 1 1吸附量吸附量： 吸附达到平衡时单位质量的吸附剂吸附气体的吸附达到平衡时单位质量的吸附剂吸附气体的 体积体积V V（标准状态下）或物质的量（摩尔数）。标准状态下）或物质的量（摩尔数）。 = V/m m3g-1 m3kg-1 或或 = n/m molg-1 molkg-1 显然显然 = f (T,p) ,T, p之间的关

24、系之间的关系( (三维三维) ) 2. 2. 吸附曲线：吸附曲线： 恒恒 T = f (p) 吸附等温式吸附等温式 吸附等温线吸附等温线 恒恒 p = f (T) 吸附等压式吸附等压式 吸附等压线吸附等压线 恒恒 p= f (T) 吸附等量式吸附等量式 吸附等量线吸附等量线 四固体吸附气体的等温方程式四固体吸附气体的等温方程式（三个）（三个）1 1FreundlichFreundlich公式公式 - - 经验经验( (实验实验) )式式 根据吸附等量线数据，作出吸附压强根据吸附等量线数据，作出吸附压强(p)与温与温度度 (1/T)曲线，可以求出吸附热。曲线，可以求出吸附热。 最常用的是吸附等温

25、线，有五种类型最常用的是吸附等温线，有五种类型(P559) 2. 2. LangmuirLangmuir单分子层吸附理论单分子层吸附理论 三点假设，动态平衡，三点假设，动态平衡， b = k吸吸/ /k解解（吸附平衡常数）（吸附平衡常数）压强低压强低(p小小)，吸附弱，吸附弱(b小小)， bp1，p1；压强高压强高(p大大)，吸附强，吸附强(b大大)， bp1，p0；一般状态下，一般状态下， p01 p1/n (弗伦德利希表达弗伦德利希表达)。m123ppp/3BET多分子层吸附理论多分子层吸附理论 （Brunauer-Emmett-Teller提出）提出） 四点假设，推得二常数公式，四点假设

26、，推得二常数公式，P561式（式（11-40）；）； 三常数公式，三常数公式，P562式（式（11-41）。）。 是实验测定比表面积的理论基础。是实验测定比表面积的理论基础。提问：为什么气体在固体表面上的吸附总是放热提问：为什么气体在固体表面上的吸附总是放热？ 但确有些气体在固体表面上的吸附是吸热但确有些气体在固体表面上的吸附是吸热 的（如的（如H2在玻璃上的吸附），如何解释？在玻璃上的吸附），如何解释？5 固固/液界面现象液界面现象若若cB,0 cB，则则B 0。一、固固/液界面的吸附液界面的吸附 1.固固/液界面吸附的特点液界面吸附的特点 含溶质、溶剂，情况复杂含溶质、溶剂，情况复杂2.固

27、固/液界面吸附的一些经验规律液界面吸附的一些经验规律 自学自学3.固固/液界面吸附等温线液界面吸附等温线 非稀溶液复合吸附等温线非稀溶液复合吸附等温线 稀溶液吸附等温线稀溶液吸附等温线二、二、 润湿作用润湿作用润湿：简单说是液体附着在固体上的现象。润湿：简单说是液体附着在固体上的现象。 严格说严格说 。P567 dGs=Asd0是自动过程，是自动过程，降低程度不同，降低程度不同，润湿程度不同。润湿程度不同。1.1.沾湿（粘附润湿）沾湿（粘附润湿）特点：液、固接触后，液体的形状基本保持不变。特点：液、固接触后，液体的形状基本保持不变。始态：一个始态：一个l/g界面和界面和一个一个s/g界面；界面

28、；末态：末态：一个一个s/l界面；界面； G沾沾= s/ls/gl/g= Wa 0平衡平衡自动自动s/g s/l l/g 沾湿的条件沾湿的条件自动自动平衡平衡自动自动平衡平衡 s/g s/l 浸湿的条件浸湿的条件2.2.浸湿（浸润）浸湿（浸润） 当固体浸入液体时，当固体浸入液体时，s/g界面完全被界面完全被s/l界面界面所取代。所取代。特点：固体完全浸没在液体之中。特点：固体完全浸没在液体之中。始态：一个始态：一个s/g界面；界面； 末态：末态：一个一个s/l界面；界面； G浸浸 = s/ls/g 0自动自动平衡平衡3.3.铺展润湿（完全润湿）铺展润湿（完全润湿） 少量的某液体在光滑的少量的某

29、液体在光滑的s/g界面（或界面（或l/g界面）界面） 上自动展开，形成一层液态薄膜的过程。上自动展开，形成一层液态薄膜的过程。 特点：特点： l/g界面界面增加很多，增加很多，A l/g,始始Al/g,末末； 原有的原有的s/g界面（或界面（或l/g界面）消失，界面）消失， 为新的为新的l/g界面取代。界面取代。 始态：一个始态：一个s/g界面；末态：界面；末态：一个一个s/l和和l/g界面；界面； G展展 = l/g +s/ls/g 0自动自动平衡平衡 自动自动平衡平衡s/g s/l l/g 铺展的条件铺展的条件4.4.内聚功内聚功（Wc）内聚：其实质是某种液体在与之完全相同的液体内聚：其实

30、质是某种液体在与之完全相同的液体 表面铺展的逆向过程。表面铺展的逆向过程。内聚功：内聚功：Wc = 2l/g = WaWc 若若WaWc ，则则 0， G展展 0，自动铺展。，自动铺展。 Gs 增大增大 更难于进行更难于进行 润湿层次增高润湿层次增高GT,p,沾湿沾湿=Gs,沾湿沾湿=s/l -s/g -l/g GT,p,浸湿浸湿 = Gs,浸湿浸湿 =s/l -s/g GT,p,铺展铺展= Gs,铺展铺展=s/l -s/g+l/gs/g s/l l/g 最低条件：最低条件：s/g s/l l/g 自动自动平衡平衡自动自动平衡平衡 s/g s/l 最低条件：最低条件： s/g s/l 自动自动

31、平衡平衡s/g s/l l/g 最低条件：最低条件： s/g s/l l/g 提问：液体润湿固体，对同一液体来说，固体表提问：液体润湿固体，对同一液体来说，固体表 面张力大的容易润湿还是小的容易润湿？面张力大的容易润湿还是小的容易润湿？ 对同一固体来说，液体表面张力大的容易对同一固体来说，液体表面张力大的容易 润湿还是小的容易润湿？润湿还是小的容易润湿？ 三、接触角（润湿角）三、接触角（润湿角） 1.1.接触角（接触角（）：）： 固、液、气三相交点处，固固、液、气三相交点处，固- -液界面的水平液界面的水平 线与气线与气- -液界面在交点处切线之间的夹角，液界面在交点处切线之间的夹角， 且且总

32、在液滴内。总在液滴内。gls 玻璃板玻璃板gls ls玻璃板玻璃板 2 2 杨氏方程杨氏方程( (YoungYoung方程）方程） o o点受力分析：点受力分析： 表面张力，表面张力，s/g，s/l，l/g 的方向确定：的方向确定：使界面缩小使界面缩小 三个力处于平衡状态，合力为三个力处于平衡状态，合力为0 0（水平方向）（水平方向） YoungYoung方程方程l sg l/gl/g s/ls/l s/gs/go 3 3与润湿现象的关系与润湿现象的关系 若若 ，则，则= 0= 0，符合铺展符合铺展 润湿的最低条件，故发生完全润湿润湿的最低条件，故发生完全润湿( (可逆可逆) )； 若若0 0

33、 ，则，则0 09090o o s/g s/l 是浸湿的最低条件，是浸湿的最低条件， 故在此范围内发生故在此范围内发生浸浸润；润；9090o o 是润湿与否的分界线是润湿与否的分界线9090o o 液体润湿固体；液体润湿固体；9090o o液体不润湿固体；液体不润湿固体； 若若 0 0 ，则，则9090o o 180 180o o 在此范围内不润湿，在此范围内不润湿，=180=180o o为完全不润湿为完全不润湿4 4接触角测量接触角测量 1 1）直接观察法：照相，测角度。）直接观察法：照相，测角度。例：高温例：高温x-x-射线透射仪测金属射线透射仪测金属( (冰铜冰铜) )与炉渣间与炉渣间

34、2 2）显微测算显微测算 四润湿现象的应用四润湿现象的应用 利用润湿：金属利用润湿：金属AlAl电解（熔液润湿电极）、金属电解（熔液润湿电极）、金属 焊接焊接印染印染洗涤洗涤农药、机械设备润滑农药、机械设备润滑 利用不润湿：注水采油利用不润湿：注水采油矿物浮选矿物浮选 应用很多，其它自学。应用很多，其它自学。6 液液/气气 界界 面面 现现 象象一、溶液表面吸附一、溶液表面吸附 1. 1. 溶液表面的吸附现象溶液表面的吸附现象 降低表面张力降低表面张力(d0) )的表面过程为自动过程。的表面过程为自动过程。形成溶液时，若形成溶液时，若溶质溶质 溶剂溶剂，则溶质将自动、大，则溶质将自动、大量进入

35、表面层，形成溶质在溶液表面的自动聚集。量进入表面层，形成溶质在溶液表面的自动聚集。这就符合吸附的定义，称为这就符合吸附的定义，称为溶液表面的吸附现象。溶液表面的吸附现象。 吸附量定义吸附量定义(简单简单)为：为： 溶质溶质 溶剂溶剂，出现，出现 cin cs，B 0，正吸附正吸附 溶质溶质 溶剂溶剂，出现，出现 cin cs，B 0，负吸附负吸附改变表面张力趋势溶质的扩散趋势改变表面张力趋势溶质的扩散趋势( (动态平衡动态平衡) )2 2表面张力等温线（表面张力等温线（三种类型）三种类型）1 1）A线：线：c , ，负吸附负吸附例：不挥发酸（碱），例：不挥发酸（碱），含多个含多个OH-OH-基

36、的有机化合物基的有机化合物2 2）B线：线： c，, 正吸附。正吸附。例：大部分低脂肪酸，醇，例：大部分低脂肪酸，醇，醛等极性有机物，醛等极性有机物，比水小。比水小。ABC 3) C线：线： c，到一定浓度后，到一定浓度后，几乎几乎 不再变化，正吸附。不再变化，正吸附。例：例： 含八个含八个C原子的有机酸，有机胺盐，磺酸盐，原子的有机酸，有机胺盐，磺酸盐，苯磺酸盐。苯磺酸盐。最低点，可能是杂质影响的结果。最低点，可能是杂质影响的结果。3.3.SzyszkowskiSzyszkowski经验公式经验公式 为经验常数为经验常数可描述表面张力等温线可描述表面张力等温线B B线线或或 碳链增加，碳链增

37、加，值增大，值增大，( (表面活性值表面活性值) )增大。增大。 极稀溶液极稀溶液， ，与与c 成成正正比比(线线性性部部分分), c 越越大大,越越小小(到到最最低低点点)； 浓溶液，浓溶液， ，与与c 抛物线（指数）关系抛物线（指数）关系（等温线曲线部分等温线曲线部分）。）。：同系物具有相同的值同系物具有相同的值; ;：表面活性常数。表面活性常数。同系物每增加一个同系物每增加一个- -CHCH2 2- -，长长 链有机物的链有机物的值为短链的值为短链的3 3倍。倍。 4. 4.溶液表面吸附的溶液表面吸附的GibbsGibbs吸附等温式吸附等温式 （1 1） 推导推导 二元溶液：溶剂量：二元

38、溶液：溶剂量：n1(本体相本体相) ，n1s(表面相表面相), 溶质量：溶质量：n2 (本体相本体相)，n2s(表面相表面相) dG = - SdT+Vd p+dAs+idni 恒恒T，p下：下：dG =dAs+ idni 表面层：表面层：dGs =dAs+ 1sdn1s+ 2sdn2s （1） 积分：积分：Gs =As+ 1sn1s+ 2sn2s dGs =dAs+ Asd +1sdn1s+2sdn2s + n1sd1s +n2sd 2s （2） Asd= -（ n1sd1s +n2sd 2s ） (3) 由溶液本体的由溶液本体的Gibbs-Duhem 方程方程 n1d1+ n2d2=0 得

39、：得： (5) 将将(4)、(5)代入代入(3)得：得：Asd= -(n2s - n1s )d 2 又：又：d2=RTdlna2=a2-1RTda2 （2=2+RTlna2）平衡时，平衡时，Gibbs吸附等温式吸附等温式 2 2意义：意义：单位面积的表面层中，所含溶质的量单位面积的表面层中，所含溶质的量 与同量溶剂在溶液本体中所含溶质的量的差值，与同量溶剂在溶液本体中所含溶质的量的差值， 称溶质的表面吸附量（表面超额）。称溶质的表面吸附量（表面超额）。 若为稀溶液，则若为稀溶液，则 a 用用 c 代替，故有：代替，故有：Gibbs吸附等温式吸附等温式：也是一种溶质的表面活性：也是一种溶质的表面

40、活性（2 2） c 关系关系 A类线类线 ，d/dc0，0，负吸附，负吸附， 表面浓度低于本体浓度；表面浓度低于本体浓度； B类线：类线：d/dc0， 0，正吸附，正吸附， 表表 面浓度高于本体浓度；面浓度高于本体浓度； C类线：类线：达极小值达极小值 后，几乎不变，后，几乎不变，具具 有饱和吸附量，即，有饱和吸附量，即， 表面浓度与表面浓度与 内部浓度内部浓度 有确定差值有确定差值( (不变不变) )。cCB (d/dc) 越大，越大，越大。越大。 （3）溶质的表面活性）溶质的表面活性 表示溶质降低表面张力的能力，表示溶质降低表面张力的能力， 用用(0-)/0或或d/dc 表示。表示。 0：

41、纯水的表面张力纯水的表面张力 ：浓度为浓度为c 的溶液的表面张力。的溶液的表面张力。 Traube近近似似规规则则：同同系系物物每每增增加加一一个个-CH2-， 表面活性增为原来的表面活性增为原来的3倍。倍。 （4） d/dc的的求算求算 根据表面张力的等温曲线（根据表面张力的等温曲线（c）作作切线；切线； Szyszkowski经验公式求导经验公式求导 （见（见P576式式11-59和式和式11-60） 则得类似于则得类似于兰缪尔兰缪尔吸附等温式的表达：吸附等温式的表达：由式由式11-6011-60可知：可知：当溶质浓度很高时，有：当溶质浓度很高时，有：令：令：称为饱和吸附量称为饱和吸附量兰

42、缪尔吸附等温式兰缪尔吸附等温式（5 5）求饱和吸附量）求饱和吸附量m m 和溶质分子截面积和溶质分子截面积 N1：溶液中单位面积上的溶质分子数溶液中单位面积上的溶质分子数 N1 = N 2/3 N：溶液中单位体积溶质分子数溶液中单位体积溶质分子数 L：阿伏加德罗常数阿伏加德罗常数 作作 图，斜率图，斜率= 1/m，截距截距 =1/m ,m溶质分子截面积溶质分子截面积:实验得到实验得到CnH2n+1X化合物在单分子膜中每个分子的截面积化合物在单分子膜中每个分子的截面积 化合物种类化合物种类 X a1020/m2 酯肪酸酯肪酸 -COOH 20.5 二元酯类二元酯类 -COOC2H5 20.5 酰

43、胺类酰胺类 -CONH2 20.5 甲基酮类甲基酮类 -COCH3 20.5 甘油三酸酯类甘油三酸酯类 -COOCH2 20.5 饱和酸的酯类饱和酸的酯类 -COOR 22.0 醇类醇类 -CH2OH 21.6 5.5.表面惰性物质与表面活性物质表面惰性物质与表面活性物质 1）表面惰性物质：表面惰性物质： 凡是使溶液表面张力增加的物质，凡是使溶液表面张力增加的物质， 例例A；2）表面活性物质：表面活性物质： 凡是使溶液表面张力减小的物质，凡是使溶液表面张力减小的物质， 例例B，C。 习惯上：加入少量就能习惯上：加入少量就能显著降低显著降低表面张力的物表面张力的物 质质，又称又称表面活性剂表面活

44、性剂，例，例C 。二、表面活性剂二、表面活性剂 加入少量就能显著降低溶液表面张力的物质加入少量就能显著降低溶液表面张力的物质 1. 结构特点和分类结构特点和分类 结构特点：具有不对称性，含两亲基团，结构特点：具有不对称性，含两亲基团， 用用 o o表示，以水的表面活性剂为例，表示，以水的表面活性剂为例， 亲水亲水( (憎油憎油) )极性基团：易溶于极性溶剂中极性基团：易溶于极性溶剂中 亲油亲油( (憎水憎水) )非极性基团：一般为碳氢链非极性基团：一般为碳氢链 分类：可按用途、物理性质或化学结构分类分类：可按用途、物理性质或化学结构分类 按化学结构分：（按化学结构分：（P577P577）离子型

45、：离子型：在水中能电离为离子在水中能电离为离子阴离子型阴离子型 RCOONaRCOO 阳离子型阳离子型 RNH3ClRNH3+ 两性型两性型 R1NHR2COOH R1NHR2COO R1NH2R2COOH+非离子型：非离子型：在水中不能电离为离子在水中不能电离为离子 HOCH2CH2OCH2nCH2OH混合型：混合型：含有两种亲水基团，一个带电，一个不带电含有两种亲水基团，一个带电，一个不带电 R(C2H4O)n SO4 Na2. 物理、化学性质物理、化学性质表面吸附的定向排列与形成溶液胶团表面吸附的定向排列与形成溶液胶团极稀溶液极稀溶液稀溶液稀溶液开始形成开始形成胶团溶液胶团溶液大于大于C

46、MC溶液溶液位置：位置：对应对应- -c 曲线上转折处曲线上转折处胶团：胶团：稳定存在，稳定存在， 无表面活性无表面活性 形状：形状：球，棒，球，棒， 层，椭圆层，椭圆CMC 临界胶临界胶团浓度团浓度（CMC）： 形成一定形状的胶团所需表面活性物质的形成一定形状的胶团所需表面活性物质的 最低浓度。最低浓度。CMC越小，表面活性越大。越小，表面活性越大。 CMC测定：测定：通过物理化学性质的转折点。通过物理化学性质的转折点。 L-B膜膜形成形成 3.3.表面活性剂的应用表面活性剂的应用 润湿作用润湿作用 ， 改变改变 ，可以改变润湿状态（程度），可以改变润湿状态（程度） 助磨：助磨：干磨效率干磨

47、效率 湿磨效率湿磨效率4. 表面活性剂的表面活性剂的HLB值值 HLB值：亲水亲油平衡值值：亲水亲油平衡值 增溶作用增溶作用 起泡作用与消泡作用起泡作用与消泡作用 洗涤去污作用洗涤去污作用 润湿、起泡、增溶、乳化润湿、起泡、增溶、乳化 估算估算 Davies提出：提出： HLB=7+ （基团基团HLB） 离子型表面活性剂也适用离子型表面活性剂也适用（非离子型）（非离子型）一、分散体系的分类一、分散体系的分类1 1按聚集状态分按聚集状态分 2.2. 按分散度分按分散度分 分散系统分散系统 粒子线度粒子线度 实实 例例 分子分散分子分散 1nm 乙醇水溶液、空气乙醇水溶液、空气 胶体分散胶体分散

48、1nm 100nm AgI或或Al(OH)3 粗分散粗分散 100nm 悬浊液、乳浊液、泡沫悬浊液、乳浊液、泡沫7 7 胶体化学基本概念胶体化学基本概念3. 3. 不同分散系统的性质不同分散系统的性质 分子分散：分子分散：透明，不能发生光的散射，扩散透明，不能发生光的散射，扩散速度快，溶质和溶剂均可透过半透膜，溶质和溶速度快，溶质和溶剂均可透过半透膜，溶质和溶剂不会自动的分散成两相，剂不会自动的分散成两相，热力学稳定体系热力学稳定体系，溶，溶质、溶剂间无相界面，为均相系统。质、溶剂间无相界面，为均相系统。 胶体分散：胶体分散：分散质与分散相间存在界面，微分散质与分散相间存在界面，微小粒子高度分

49、散，恒小粒子高度分散，恒T T、p p下：下： dGs= dAs+Asd 微小粒子有自动聚集成大颗粒或降低微小粒子有自动聚集成大颗粒或降低 的趋势，扩的趋势，扩散速度慢，渗透压低，不能透过半透膜（散速度慢，渗透压低，不能透过半透膜（热力学热力学不稳定体系不稳定体系，但，但动力学稳定体系动力学稳定体系-布朗运动）布朗运动） 粗分散体系：粗分散体系：分散质与分散相间存在界面。分散质与分散相间存在界面。与胶体存在共同特性，也是胶体化学的研究对象与胶体存在共同特性，也是胶体化学的研究对象注意：注意：高分子化合物高分子化合物从分散度（线度大小）为胶从分散度（线度大小）为胶体分散系统，具有溶胶性质（如扩散

50、速率慢，不体分散系统，具有溶胶性质（如扩散速率慢，不能通过半透膜），与水或其它溶剂具有很强亲和能通过半透膜），与水或其它溶剂具有很强亲和力，过去称为力，过去称为亲液溶胶亲液溶胶，为，为热力学稳定系统热力学稳定系统，为，为真溶液均相体系。真溶液均相体系。 憎液溶胶：憎液溶胶： 其它溶胶分散系（具有明显的憎水性）。其它溶胶分散系（具有明显的憎水性）。二、二、 胶体的制备与纯化胶体的制备与纯化（自学）（自学）1 1制备制备亲液胶体：直接溶解亲液胶体：直接溶解憎液胶体：憎液胶体：分散法分散法( (胶磨法胶磨法 、超声波法、胶溶法、超声波法、胶溶法) ) 凝聚法凝聚法( (物理凝聚与化学凝聚方法物理凝聚

51、与化学凝聚方法) )2 2纯化：纯化：除去胶体中的电解质及杂质，常用：半透膜渗析。除去胶体中的电解质及杂质，常用：半透膜渗析。三、胶体的基本性质三、胶体的基本性质 1. 1. 动力性质动力性质：胶体粒子不规则热运动引起。：胶体粒子不规则热运动引起。（1 1）布朗运动：）布朗运动：线度线度 4040nmnm的粒子，在分散介质的粒子，在分散介质 中处于不停的，无规则的热运动状态。中处于不停的，无规则的热运动状态。（2）扩散：扩散：有浓度梯度时，物质粒子因热运动而有浓度梯度时，物质粒子因热运动而 发生宏观上的定向迁移发生宏观上的定向迁移( (高浓度高浓度低浓度低浓度) )。 T一定：动能一定：动能=

52、(3/2)kT = (1/2) mv2 = const 胶体粒子运动速率胶体粒子运动速率溶液中的溶质运动速率溶液中的溶质运动速率 布朗运动公式，爱因斯坦布朗运动公式，爱因斯坦- -布朗位移公式，布朗位移公式， 可求出胶团的摩尔质量：可求出胶团的摩尔质量：M = (4/3)r3L（3）渗透压渗透压 n: : 体积为体积为V的溶液中所含溶质的量。的溶液中所含溶质的量。 对大分子溶液，注意唐南平衡。对大分子溶液，注意唐南平衡。（4 4）沉降与沉降平衡）沉降与沉降平衡 沉降与沉降平衡沉降与沉降平衡 沉降：多相分散系统中的物质粒子，因受沉降：多相分散系统中的物质粒子，因受 重力作用下沉的过程。重力作用下

53、沉的过程。 扩散扩散沉降沉降 沉降平衡：沉降平衡：扩散速扩散速率率= =沉降速沉降速率率 沉降速度：沉降速度： 当重力场中净力（重力与浮力差）等于介质当重力场中净力（重力与浮力差）等于介质 中质点所受阻力时，质点作匀速运动，此运中质点所受阻力时，质点作匀速运动，此运 动速率为沉降速率。动速率为沉降速率。 解释一些现象，解释一些现象，如离心分离技术。如离心分离技术。沉降平衡时：沉降平衡时： 解释一些现象，如粉尘对大气的污染。解释一些现象，如粉尘对大气的污染。 2.光学性质光学性质 丁达尔（丁达尔（Tyndall）现象：现象： 一束光通过溶胶，从侧面（与光垂直方向）一束光通过溶胶，从侧面（与光垂直

54、方向） 可以看到一个光的圆锥体，可以看到一个光的圆锥体，区分溶胶与溶液区分溶胶与溶液 原因：发生了光的原因：发生了光的散射散射作用作用 分散相粒子尺寸分散相粒子尺寸 入射光波长：反射或折散入射光波长：反射或折散 分散相粒子尺寸分散相粒子尺寸 入射光波长：散射入射光波长：散射 胶体胶体1 100nm，可见光波长可见光波长400 700nm 散射光强散射光强瑞利公式：瑞利公式： I-4 ：可解释现实中多彩的散射光；可解释现实中多彩的散射光； In ：可解释憎液溶胶与亲液溶胶的差异；可解释憎液溶胶与亲液溶胶的差异； n2 (n0)2 = ( n + n0) ( n n0) = n ( n + n0)

55、 IV 2： 可解释真溶液为什么难见光散射；可解释真溶液为什么难见光散射； IN ： 可解释浊度计的基本原理；等等。可解释浊度计的基本原理；等等。 四、胶体的电性质四、胶体的电性质 1.1.电动现象：电动现象：在外场作用下，分散相与分散介在外场作用下，分散相与分散介 质之间发生相对移动的现象。质之间发生相对移动的现象。 电泳电泳：在外电场作用下，：在外电场作用下，胶体粒子胶体粒子（分散相）（分散相） 在分散介质中定向移动的现象。在分散介质中定向移动的现象。 胶体粒子带电胶体粒子带电 实验结果：实验结果： 在相同的电势梯度下，胶体粒子与一般离子在相同的电势梯度下，胶体粒子与一般离子 具有相近的移

56、动速率具有相近的移动速率 胶体粒子带电量大胶体粒子带电量大 胶体粒子质量为一般离子的胶体粒子质量为一般离子的10001000倍，胶体倍，胶体 离子带电量也应为一般离子的离子带电量也应为一般离子的10001000倍。倍。 电渗电渗：在多孔膜：在多孔膜( (或毛细管或毛细管) ) 的两端施加一定电压，的两端施加一定电压， 分散介质分散介质将通过多孔将通过多孔 膜而定向移动膜而定向移动液液 体带电体带电，多孔膜带电，多孔膜带电 与液体相反。与液体相反。 + 向溶胶中加入电解质，电泳速率降低甚至降向溶胶中加入电解质，电泳速率降低甚至降 为零为零 外加电解质可以改变胶体粒子带外加电解质可以改变胶体粒子带

57、 电的多少甚至带电符号相反。电的多少甚至带电符号相反。实验结果：实验结果：外加电解压对电渗速度影响大。外加电解压对电渗速度影响大。 流动电势流动电势：在外力作用下，迫使分散介质通过：在外力作用下，迫使分散介质通过 多孔膜（毛细管）定向移动，多孔膜多孔膜（毛细管）定向移动，多孔膜 两端产生的电势差。两端产生的电势差。 电渗过程的逆过程电渗过程的逆过程 沉降电势沉降电势：分散相粒子在重力或离心力场的作分散相粒子在重力或离心力场的作 用下快速运动时，在移动方向两端所用下快速运动时，在移动方向两端所 产生的电势差产生的电势差。 电泳过程的逆过程电泳过程的逆过程 电动现象说明：电动现象说明：分散相和分散

58、介质均带电。分散相和分散介质均带电。 2.2.胶体带电的原因胶体带电的原因 离解离解 SiO2+H2O H2SiO3 HSiO3 + H+ 吸附吸附 高度分散的胶体粒子具有很高的表面高度分散的胶体粒子具有很高的表面Gibbs 自由能，吸附带电粒子以降低自由能，吸附带电粒子以降低Gs。 3.电动电势（电动电势（电势）电势） 双电层（双电层（Stern模型与模型与Bockris模型模型） 电势电势 电势的测定电势的测定 五、胶体结构、稳定性和聚结五、胶体结构、稳定性和聚结 胶体特征：胶体特征： 动力性质、光学性质动力性质、光学性质胶体的微粒性，胶体的微粒性， 与分散介质存在界面。与分散介质存在界面

59、。 电性质电性质胶体带电，所带电是一般离子的胶体带电，所带电是一般离子的10001000倍。倍。 1.1.胶体结构胶体结构+胶胶核核胶胶粒粒胶胶团团紧紧密密层层扩扩散散层层 胶核由于离解和胶核由于离解和 吸附而带电；吸附而带电； 反电离子以扩散反电离子以扩散 双电层形式分布。双电层形式分布。例：例： AgI胶体胶体KI+过量过量AgNO3:AgIm nAg+,(n-x)NO3-x+ xNO3- -AgNO3+过量过量KI: AgIm nI-, (n-x)K+x - x K+ Fe (OH)3 m y FeO+ ( y - z ) Cl- z+ zCl- 分子团分子团 决定电势离子决定电势离子

60、紧密层紧密层 扩散层扩散层 胶核胶核 胶粒胶粒 胶团胶团 2. 2. 胶体的稳定性胶体的稳定性 动力稳定性动力稳定性 布朗运动布朗运动 聚结稳定性聚结稳定性 胶体粒子带电胶体粒子带电 静电斥力，电荷外渗静电斥力，电荷外渗 溶剂化作用溶剂化作用 机械阻力机械阻力 3.3.胶体的聚沉胶体的聚沉 （1 1）电解质的聚沉）电解质的聚沉 电势电势（25 25 30 30 mV） 明显聚沉明显聚沉 要使胶体在一定时间内发生明显聚沉，电解要使胶体在一定时间内发生明显聚沉，电解质浓度必须越过某一数值，这一最小浓度称为质浓度必须越过某一数值，这一最小浓度称为聚聚沉值沉值。一般一般 mmoldm3。 聚沉能力聚沉

61、能力=聚沉值聚沉值-1 规律：规律： 几乎所有电解质在浓度足够高时，可使几乎所有电解质在浓度足够高时，可使 胶体发生聚沉。胶体发生聚沉。 电解质起聚沉作用的主要是反电离子，电解质起聚沉作用的主要是反电离子， 反电离子价数越高，聚沉能力越强。反电离子价数越高，聚沉能力越强。: (只代表数量级只代表数量级): 如：如：As2S3溶胶的聚沉实验溶胶的聚沉实验 价态价态 1 2 3 聚沉能力聚沉能力 1 20 350 26=64 36=792价数相同的反电离子的聚沉能力，随着价数相同的反电离子的聚沉能力，随着 离子水化作用减弱而增大。离子水化作用减弱而增大。 感胶离子序感胶离子序 P599Schulz

62、e-Hardy规则：规则： 有机反电离子具有非常大的聚沉能力。有机反电离子具有非常大的聚沉能力。 原因是静电作用和吸附能力强原因是静电作用和吸附能力强(很强很强Van Der waals力力)。 同电性离子的价数越高，电解质的聚沉能力同电性离子的价数越高，电解质的聚沉能力 越低。原因：吸附使越低。原因：吸附使 电位增大。电位增大。 电解质的聚沉能力是正负离子的作用之和。电解质的聚沉能力是正负离子的作用之和。 （D-H极限公式）极限公式） 电解质混合物对胶体的聚沉能力不具加和性电解质混合物对胶体的聚沉能力不具加和性 （促进或对抗）（促进或对抗）（2 2）胶体的相互聚沉）胶体的相互聚沉 加入反电胶

63、体加入反电胶体（3 3）加入）加入少量少量高分子物质（敏化作用）高分子物质（敏化作用） 搭桥效应搭桥效应 脱水效应脱水效应 高分子化合物对水亲和力强，使胶体粒子高分子化合物对水亲和力强，使胶体粒子 脱水，降低溶剂化作用脱水，降低溶剂化作用 电中和电中和 中和胶体离子表面电荷。但过多，形成中和胶体离子表面电荷。但过多，形成 水化外壳，对胶体有保护作用。水化外壳，对胶体有保护作用。（4 4）施加外力）施加外力 如加热、通电：加热加速布朗运动，增加碰撞。如加热、通电：加热加速布朗运动，增加碰撞。六、其他分散系六、其他分散系1.缔和胶体缔和胶体 微乳液，应用微乳液，应用2.乳状液乳状液 W/O型，型，O/W型，鉴别、应用型，鉴别、应用3.泡沫泡沫 特点，应用特点，应用4.凝胶凝胶 构型，应用构型，应用8 界面科学研究方法简述界面科学研究方法简述 自学为主自学为主一、表面原子排布及表面电子态研究一、表面原子排布及表面电子态研究二、表面化学组成的研究二、表面化学组成的研究三、表面分析技术三、表面分析技术