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表面化學,是指研究各種表面現象實質的科學。在20世紀40年代前,研究成果被廣泛應用於各生產部門,如塗料、建材、冶金、能源等行業。到了60年代末70年代初,表面化學作為一門基礎學科的地位被真正確立。

表面化學 物質的兩相之間密切接觸的過渡區稱為界面(interface),若其中一相為氣體,這種界面通常稱為表面(surfase)。

凡是在相界面上所發生的一切物理化學現象統稱為界面現象(interfase phenomena)或表面現象(surfase phenomena)。

研究各種表面現象實質的科學稱為表面化學。

1 表面化學 -簡介

 
 
 
表面化學在20世紀40年代前,得到了迅猛發展,大量的研究成果被廣泛應用於各生產部門,如塗料、建材、冶金、能源等行業;但就學科來說它只是作為物理化學的一個分支—膠體化學。到了60年代末70年代初,人們從微觀水平上對錶面現象進行研究,使得表面化學得到飛速發展,表面化學作為一門基礎學科的地位被真正確立。

表面化學對於化學工業很重要,物質接觸表面發生的化學反應對工業生產運作至關重要。同時,它可以幫助我們了解不同的過程,例如鐵為什麼生鏽、燃料電池如何工作、汽車內催化劑如何工作等。此外,表面化學反應對於許多工業生產起著重要作用,例如人工肥料的生產。表面化學甚至能解釋臭氣層破壞,半導體工業也是與表面化學相關聯的科學領域。

由於半導體工業的發展,現代表面化學於60年代開始出現。格哈德·埃特爾(Gerhard Ertl)是首批發現新技術潛力的科學家之一。他逐步建立表面化學的研究方法,向人們展示不同實驗過程產生表面反應的全貌。這門科學需要先進的真空實驗設備,以觀察金屬上原子和分子層次如何運作,確定何種物質被置入系統。

格哈德·埃特爾的觀察為現化表面化學提供了科學基礎,他的方法不僅被用於學術研究而且被用於化學工業研發。格哈德·埃特爾發明的研究方法,基於他對哈伯-博施法的研究,應用哈伯-博施法可以從空氣中提取氮,這一點具有重要的經濟意義。埃特爾還對鉑催化劑上一氧化碳氧化反應進行研究,這種化學反應主要發生在汽車催化劑中,以過濾汽車產生的廢氣。
 

2 表面化學 -埃特爾的表面化學

 
 
埃特爾的工作始於20世紀60年代,那時,由於半導體工業的興起,真空技術得到發展,現代表面化學開始出現。固體表面的化學反應非常活躍,因而需要先進的真空實驗設備,格哈德·埃特爾是最先發現新技術潛力的科學家之一。

這一領域看似晦澀,其實並不遙遠。合成氨的研究就是一例。合成氨是人工化肥的主要有效成分,可以說是現代農業的基礎之一。將氫氣和氮氣在催化劑的作用下人工合成氨,叫做哈伯-博施(Haber-Bosch)法(這一方法的發明者弗里茨·哈伯曾獲得1918年的諾貝爾化學獎)。傳統催化劑用鐵作為活性成分,氫氣和氮氣在上面發生反應,這正是表面化學的用武之地。然而傳統的方法有一個步驟反應極慢,能耗很大。藉助一些新的研究方法,埃特爾發現了這一過程的瓶頸所在,並完全闡明了氫氣和氮氣在鐵催化劑表面反應的七個步驟。在了解反應過程之後,只要「疏通」最慢的那個環節,整個反應的效率就會大為改觀。這就好比疏通了一個交通要道的堵車點。埃特爾的工作為研發新一代合成氨催化劑奠定了基礎,具有重要的經濟意義。

埃特爾的另一重要貢獻是對在鉑催化劑上一氧化碳氧化反應的研究。一氧化碳是汽車尾氣中的有毒氣體,在排到大氣前,必須將其氧化成二氧化碳。埃特爾發現在反應的不同時相,幾個反應步驟的速率變化很大,這一看似簡單的過程比哈伯-博施反應還要複雜得多。埃特爾詳盡研究了這一過程,他所使用的一些研究方法對於研究複雜介面上的化學反應具有極大的啟示作用。

埃特爾的研究領域很廣。他還用表面科學的方法和手段來研究很多相關領域的科學問題,包括燃料電池、臭氧層破壞等。他所發展出來的方法,廣泛影響了表面化學的進展,而且他的實際影響並不僅僅在於學術研究,還涉及到農業和化學工業研發的多個方面。

3 表面化學 -表面化學應用

 
 
1.清洗鉑金表面的碳氧化物。
2.空調系統中的氟利昂,通過小冰晶體表面化學反應破壞臭氧層。
3.金屬表面暴露在氧氣中時生鏽。
4.電子工業中,製作半導體元件。
5.人造肥料中所含的氨,是通過氮和氫在金屬(如教科書中提到的鉑銠合金網)表面生成。   
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