材料表界面思考题答案汇总

《材料表界面》复习思考题答案汇总《材料表界面》复习思考题刘玉飞张硕摘要：本文依据课本上的内容进行整理，只作为考试用的参考资料，不能完全取代课本。关键词：思考题考试答案第一章：序言1.何谓表界面？为什么说表界面不是几何学上的平面？P1（1）表界面是由一个相过渡到另一个相的过渡区域，由物质的具体聚集态表界面可以分为：表面（固—气、液—气）；界面（固—液、液—液、固—固）（2）表界面是相与相之间的过渡区域，其结构、能量、组成等都呈现出连续性变化，是一个结构复杂，厚度约为几个分子维度的准三维区域，因此，表界面并不是几何学上的平面。第二章：液体表面2.试述表面张力（表面能）产生的原因。P6原因为液体表面层的分子所受的力不均匀而产生的。液体表面层即气液界面中的分子受到指向液体内部的液体分子的吸引力，也受到指向气相的气体分子的吸引力，由于气相吸引力太小，这样，气液界面的分子净受到指向液体内部并垂直于表面的引力作用，即为表面张力。这里的分子间作用力为范德华力。3.将1kg密度为的水缓慢地等温喷雾成平均半径为的水滴，试求此喷雾操作所需最小功。设水的表面张力为。3998.2kg/mm10-6mN/108.723−×P73146314316211kg998.2kg/m2.39104(10)3W=nw2.391072.8104(10)218.79VnVmnANmJπσπ−−−−===××==××ו×××=总液滴液滴数个4.试求，质量的水形成一个球形水滴时的表面自由能E1。若将该水滴分散成直径的微小水滴，其总表面能E2又是多少？（已知时水的表面自由能为）C°25gm1=nm2C°25sG327210Jm−−×⋅注：1、由于水平有限，不可避免会有些低级错误。2、非常感谢张硕同学在本文输入过程中给予了大量的帮助。共12页当前第1页《材料表界面》复习思考题答案汇总36322/342333539327316202921721271103(1)10;44()4.84101000/472104.84103.481044(2)(210/2)4.21033102.381044(10)1.26104.210skgVVmArmkgmGGAJVrmArπππππππ−−−−−−−−−−−−×====××=×==×××=×=⋅=××=×==×==×=××i1V水滴数n=V2031712.381072101.2610215.9sGnGAJ−−==×××××=m5.弯曲面的附加压力PΔ与液体表面张力和曲率半径之间存在怎样的关系？若弯曲面为球面，平面又怎样？P9(1)关系为：Laplace方程1211()prrσΔ=+121222(3)0rrprrrpσ=Δ===∞Δ=（）球面平面即跨越平面没有压差。6.毛细管法测定液体表面张力的原理是什么？为什么要对毛细管法进行修正？请对教科书P11例题按(2-23)式进行计算。P10)002cos1gh1r0,180.12cosrgrσθρρθθρσσθΔ⎡Δ∈⎣Δ=（）原理：液体在毛细管中易产生毛细现象。由Laplace方程推广到一般情况:=其中的为气液两相密度之差,为液体与管壁之间的接触角,为毛细管的半径由式可知从毛细管升高或下降的高度h,可以求出液体的表面张力即h。(2)修正的原因：①把凹凸月面当作球面近似处理。②只有在凹月面的最低点毛细上升的高度才是h，凸月面的最高下降才为h，其余各点均大于h。（3）由P11可知：2322262220.12880.1312()326.71012.93810/2rrrarhhhamgagNmσρσρ−−=+−+=×=Δ=Δ=×2代入数据可得:由a可以得到7.，下将直径为C°25kPa325.101mμ1的毛细管插入水中，问需要外加多大的压力才能防止水面上升？（已知时水的表面张力为）C°25131097.71−−⋅×mN共12页当前第2页《材料表界面》复习思考题答案汇总3562271.97102.88100.510pParσ−−××Δ===××8.时，水的饱和蒸汽压为,求该温度下比表面积为时球形水滴的蒸汽压（水在时的表面张力为）C°25kPa168.312610−⋅kgmC°25131097.71−−⋅×mN29030333900433310432271.97101810ln0.3488.3145298.15103101.4164.488rArmrArpMKelvinpRTrppkPapπρρρπσρ−−−−==∴==×××××===××××∴=∴=由方程9.在下水的密度，表面张力为，若水滴的半径为，求水的过饱和度。C°203/2.998mkg=ρcm610−()()()2ln0.1081.1130.113rrCCCMCRTrCCσρrC−==∴==过饱和度为10.已知时大粒块二硝基苯在水中的溶解度为，又固液两相的表面张力为，计算当颗粒直径为C°25Lmol/103−mN/107.253−×mμ01.0时的溶解度。二硝基苯密度为。1587.1()3()2ln0.61.8410/rrCMCmCRTrσρ−==∴=×olL11.试比较二维理想气体定律和理想气体状态方程的异同。P25二维理想气体定律理想气体状态方程A=RTπpv=RT忽略了分子间互相作用力，利用理想化模型推导公式表面压较小的情况下成立低压、高温条件下成立总结：共12页当前第3页《材料表界面》复习思考题答案汇总12012222:11:()2Kelvin:ln1Gibbs:()()ln:cosTTSGSLLGLaplaceprrpMprRTcRTcRTcYoungσσρσσσσσθΔ=•+=∂∂Γ=−=−∂∂=+界面化学四大定律方程公式吸附等温式方程第三章：固体表面12.讨论固体的表面特性。P27(1)固体表面原子（分子）的运动受缚性（迁移性）：表面原子（分子）的运动受到束缚，不能像液体分子那样自由移动。（2）固体表面不均一性。（3）固体表面的吸附性：吸附其他物质的能力。13.比较物理吸附和化学吸附的区别。项目物理吸附化学吸附吸附力范德华力化学键力吸附热小，接近液化热大，接近反应热选择性无有吸附层单、多分子层单分子层吸附速度快，不需要活化能慢，需要活化能可逆性可逆性不可逆性发生吸附速度低于吸附质临界温度远高于吸附质沸点14.用活性炭吸附，符合Langmuir吸附等温式，在时的饱和吸附量为。已知的分压为时的平衡吸附量为。试计算的分压为时的平衡吸附量。3CHClC°0138.93−−⋅kgdm3CHClkPa4.133CHClkPa67.6P333131431:.1:93.882.513.482.513.45.451093.8113.46.6773.5693.816.67mbpLangmiurbpVdmkgVdmkgpkPbbbVbVdmkgbθθ−−−−=+=⋅=⋅=×=⇒=×+××=⇒=⋅+×吸附等温式是指表面被吸附的面积分数由题意可知a15.已知下在某种硅胶上的吸附数据如下：（折算成标准状态）K772N共12页当前第4页《材料表界面》复习思考题答案汇总Pap/0.076030.096870.15670.22130.2497)(3cmV0.89840.92981.0761.1661.258已知试验的的质量为，用BET法求此硅胶的比表面积。g5978.0P370011,11.00480.016840.978822400mmmmmAsCppKbVCVCppVKbVKbVNAwω−=+⋅====+⋅⋅==00pp由BET模型:将对作图求斜率和截距V(p-p)V(p-p)处理后的结果为第四章：表面活性剂16.什么是表面活性剂？表面活性剂的分子结构有什么特点？P40（1）表面活性剂是指能使溶剂表面张力降低，且使表面呈现活性状态的物质。（2）分子结构是由两种不同性质的基团所组成。一种为非极性亲油基团，另外一种为极性亲水基团，即表面活性剂既具有亲水性又有疏水性，形成一种所谓的“两亲结构”的分子。17.表面活性剂的浓度对溶液的表面张力有怎样的影响？为什么有这样的影响？P41(1)随着表面活性剂浓度的增加，表面张力而下降，当达到临界浓度时，表面张力就不再发生变化。（2）表面活性剂其亲水端向水，亲油段相空气，其浓度的上升会使分子聚集在表面，这样，空气和水的接触面减小，表面张力急剧下降，与此同时，水中的表面活性剂也聚集在一起，排列成憎水基向里，亲水基向外的胶束。表面活性剂浓度进一步增加，水溶液表面聚集了足够多的表面活性剂的分子，无间隙地布满在水溶液表面上，形成单分子膜。此时，空气和水完全处于隔绝状态，表面张力趋于平缓。18.表面活性剂按亲水剂类型可怎样分类？P43表面活性剂溶于水能电离成离子的叫做离子型表面活性剂，R基不能电离的叫做非离子型表面活性剂。其中离子型表面活性剂可分成阴离子、阳离子和两性表面活性剂。HLB=738.7(126)0.47737.24HL−+=−+×+=∑∑19.何谓HLB值？HLB值对表面活性剂的选用有何指导意义？P54（1）HLB值是指表面活性剂的亲水性与亲油性的相对大小。（2）HLB越大表示该表面活性剂的亲水性越强,HLB值越低,则亲油性越强.由此,可根据表面活性剂的HLB值的大小,初步选择我们所需要的活性剂类型.20.试求下列表面活性剂十二烷基苯磺酸钠的HLB值。十二烷基苯磺酸钠HLB=738.7(126)0.47737.24HL−+=−+×+=∑∑21.什么是相转型温度？用PIT表示表面活性剂的亲水亲油性较HLB值有什么优点？P56（１）相转型温度是指非离子型表面活性剂在低温下可形成水包油(O/W)型乳状液,随着温度升高,溶解度降低,HLB值下降,使得乳状液从原来的（Ｏ／Ｗ）型转变为油包水型（Ｗ／Ｏ）所对应的温度．又称为亲水-亲油平衡温度．共12页当前第5页《材料表界面》复习思考题答案汇总（２）ＰＩＴ与ＨＬＢ都可以反映出亲水亲油性，但是，ＰＩＴ可以反映出油的种类、水溶液性质、温度和相体积等的影响。同时PIT测定简单、精度高。22.什么是cmc浓度？试讨论影响cmc的因素。请设计一种实验测定cmc的方法。P57（1）CMC浓度是指随着表面活性剂浓度上升，溶液的表面张力逐渐下降，直至表面张力几乎不变时所发生转折时的浓度。（2）疏水基的影响、亲水基、温度、添加剂（电解质、有机物）。（3）测定方法：测定电导率、渗透压、冰点、增溶性、洗净力等物理量发生显著变化的转折点23.温度对离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂溶解度的影响有什么不同？为什么离子型表面活性剂在K.P点以上溶解度迅速增大，而非离子型表面活性剂在C.P点变成浑浊？P60（1）离子型：在足够低的温度下，溶解度随温度升高而慢慢增大，当温度达到一定值后，溶解度会突然增大——Krafft现象非离子型：溶解度随温度升高而下降，当温度升高到一定温度时，溶液会突然变浑浊（2）离子型：表面活性剂以胶束形式溶解非离子型：温度上升时，氢键被削弱，达到C.P.点时，氢键断裂，表面活性剂从溶液中析出，溶液变得浑浊。第五章：固-液界面24.什么是Young’s方程？接触角的大小与液体对固体的湿润性好坏有怎样的关系？0000001:cos2009090180180SGSLLGYoungσσσθθθθθθθ=+⋅=（）方程为其中的为三相交界处自固-液界面经液体内部到气液界面的夹角,又称接触角。（）=完全浸润，液体在固体表面铺展。液体可浸润固体且越小，润湿性越好。液体不浸湿固体。完全不浸湿，液体在固体表面凝聚成小球。25.根据Young-Dupre方程，请设计测定固液界面粘附功的方法。P71222(1):(1cos)(2)(1cos)2tanSLLGSLLGSLSLYoungDupreσθσθθθθθ−=+=+=+−2方程由知测出角即可求出表面粘附功具体的方法:在光滑、均匀的固体表面上放一个小液滴，重力作用可以忽略，将液滴视作球形的一部份，测出液滴的高度h与宽度2r2hr由sin=h求出角，计算出26.证明停滴法测定接触角的方程：222sinrhhr+=θ222tanhr