固体的表面

8.1　固体的表面

液体与固体的一个重要不同点是液体分子易于移动，而固体分子或移动的，因而固体表面表现以下特点：

①①固体表面不像液体那样易于缩小和变形，所以准确测定液体的表面能是可能的，而测定固体的表面能至今仍无可靠的方法。当然固体表面上的分子或原子不能够移动的现象并不是绝对的，在高压下几乎所有的金属表面上的原子都会流动; 在接近熔点的金属晶体上，尖锐的棱、角会变得钝些，有时还有熔结现象，甚至两种相互接触的金属，可以相互扩散到彼此的内部等，只不过这种现象需要相当长的时间才能观察到。

②固体表面是不均匀的。固体表面通常不是理想的晶面，而是有台阶、裂缝、沟槽、位错和熔结等很不平坦的粗糙表面。如经过研磨加工的金属表面，从宏观看来已非常平滑，可是用放大镜观察，就会发现实际上是凹凸不平的。目前最精细的加工表面，其凹凸的高度仍有10^－4mm左右。固体表面的这种不平坦的性质常用所谓的粗度来表征，R=(++…)，h为表面沟槽的深度。

③固体表面构造的多层次性。一个看起来比较干净的固体表面，实际上仍然覆盖着其它各种物质的膜层。例如，金属表面在原来的金属基体上大约覆盖着三层或四层其它物质的膜层(如图8-1)。

最外一层为普通脏污膜，包括手指油污，大气中的灰尘等，厚度一般为30nm；第二层为吸附分子膜，主要来自对大气中的某些气、液分子的吸附，其厚度一般约为0.3～3nm；第三层为金属氧化膜，它是由金属表面与空气中的氧发生作用而形成的，其厚度一般为10～20nm；第四层为加工变质层，它是由于切削或研磨而产生的，其硬度较基体的要大，又可分为两个部分，其一是表面的碎土状，为极细的结晶群，约为1nm厚，其二是结晶粒子的晶轴和磨光方向一致的纤维组织，厚度约为10^－3nm。因此实际使用的金属面并非具有亲水性，往往是疏水性的。但是通过一定的前处理，便能获得洁净的表面，例如机械研磨、电解研磨、洗涤以及其中几种组配的方法。

正因为固体表面的这些特点，使得固体表面的性质与液体表面有较大的不同。前已叙及液体降低表面张力的方式可通过表面吸附，也可通过缩小其表面积来实现。但对固体来说，一般只能通过表面吸附的途径来降低其表面张力，即当气相或液相中的分子(或原子、离子)碰撞固体表面时，受到固体表面的过剩力场的作用，使一些分子(或原子、离子)停留在固体表面上，造成这些分子(或原子、离子)在固体表面上的浓度比在气相或液相中的浓度大，这种现象即为吸附，通常称固体为吸附剂，被吸附的物质为吸附质。

图8-1　金属表面构造示意图

吸附作用在生产和科学实验中均有广泛的应用，例如用活性炭吸附糖水溶液中的杂质使之脱色，用硅胶吸附气体中的水汽使之干燥，磨版过程中磨砂对油污的作用，印刷中纸张对油墨的作用，固体分散时其表面对所加的表面活性剂的作用……。当然，吸附作用也可以发生在液-液、气-液等界面上，本章将着重讨论固体的吸附作用，即固体对气体和液体的吸附。