表面化学和胶体科学处理相间界面以及包含 1-1000 nm 尺寸范围颗粒的系统中发生的现象。这些领域是催化、药物输送、食品科学和环境化学的基础。

表面张力和界面现象

表面张力（γ）是作用在液体表面的每单位长度的力，由界面处不平衡的分子间力引起； 20°C 时水的表面张力为 72.8 mN/m。表面活性剂（表面活性剂）通过在界面处吸附来降低表面张力，具有亲水头和疏水尾，临界胶束浓度（CMC）是胶束形成时的浓度。吉布斯吸附等温线将表面过量浓度与表面张力联系起来： Γ = -(1/RT) dγ/d(ln C)。

吸附

吸附是原子、离子或分子在表面的积累，其中吸附物是吸附的物质，吸附剂是固体表面。物理吸附涉及弱范德华力，ΔHads 为 5-40 kJ/mol，是可逆的，并且随压力增加而增加；而化学吸附涉及化学键形成，ΔHads 为 40-400 kJ/mol，是不可逆的，并且是特异性的。 Langmuir 等温线假设均匀表面上的单层吸附，吸附物分子之间没有相互作用：θ = KP/(1 + KP)，其中 θ 是表面覆盖度，K 是平衡常数。 BET 等温线将 Langmuir 模型扩展到多层吸附，用于测量多孔材料的表面积。

催化

催化剂可以提高反应速率而不被消耗。多相催化发生在固体表面，反应物吸附在活性位点上，重要的工业例子包括用于哈伯-博世氨合成的铁、用于奥斯特瓦尔德硝酸工艺的铂/铑、用于烯烃聚合的齐格勒-纳塔催化剂以及用于流体催化裂化的沸石。均相催化发生在同一相，如用于氢化的威尔金森催化剂、用于烯烃复分解的格鲁布斯催化剂和有机催化剂。酶催化是最有效的形式，催化效率高达10^8 M-1s-1，并且具有精致的底物特异性。

胶体系统

胶体由1-1000 nm颗粒在连续分散介质中的分散相组成，其类型包括溶胶（液体中的固体）、乳液（液体中的液体）、泡沫（液体中的气体）和气溶胶（气体中的液体或固体）。亲液胶体（喜溶剂）自发形成并且热力学稳定，而疏液胶体（讨厌溶剂）需要特殊的制备方法并且动力学稳定。廷德尔效应描述了胶体粒子如何散射光，使光束通过分散体可见，这将胶体与真实溶液区分开来。

胶体稳定性

DLVO 理论通过范德华引力和双电层静电斥力的平衡来描述胶体稳定性。 zeta 电位 (ζ) 是滑移面处的电位，大于 ±30 mV 的 zeta 电位通常可提供良好的胶体稳定性。当通过在临界凝结浓度下添加电解质（特别是根据舒尔茨-哈代规则的多价离子）克服排斥障碍时，就会发生凝结（聚集）。空间稳定使用吸附的聚合物或表面活性剂来通过熵排斥来防止颗粒接近。

乳液和泡沫

乳液是一种不混溶液体在另一种液体中的分散体，主要类型有水包油（O/W）和油包水（W/O）；表面活性剂和聚合物等乳化剂可稳定液滴，防止聚结。微乳液是由高表面活性剂浓度形成的热力学稳定的透明分散体。泡沫是气泡在液体或固体中的分散体，通过表面活性剂（发泡剂）稳定，通过吉布斯-马兰戈尼效应降低表面张力并增加薄膜弹性。

应用程序

表面化学和胶体科学应用于药物中的胶体药物递送系统（脂质体、纳米颗粒）和悬浮液稳定性；食品科学中的蛋黄酱（O/W 乳液）、冰淇淋（泡沫）和牛奶（胶体酪蛋白胶束）；环境科学中的水处理（絮凝、混凝）和污染物吸附；以及涂料和油墨配方、催化剂设计和纳米材料合成的材料科学。