第九章 界面现象-习题与解答.doc

第九章 界面现象-习题与解答一.填空1.下，把一半径的水珠分散成的小水珠，则小水滴的数目为（）个。此过程系统=（）J。（已知20时，2.同中液体，在一定温度下形成液滴，气泡和平面液体，对应的饱和蒸气压分别为，和，若将三者按大小顺序排列应为（）。3.将一玻璃毛细管垂直插入某液体中，若该液体对毛细管不润湿，则管内液面呈（），产生的附加压力的方向指向（），管内液面管外（）平液面。4.在溶剂中加入某溶质B，能使该溶液的表面张力增大，则该溶质的表面浓度（）体相浓度，发生（），该溶质为表面（）物质。5.液体的液滴愈小，饱和蒸气压愈（）;液体中的气泡愈小，气泡内的液体饱和蒸气压愈（）。6.兰格缪尔单分子层吸附理论的基本假设是（）、（）、（）、（）。7.由于界面效应引起的亚稳定状态有（）、（）、（）、（）。8.物理吸附和化学吸附的本质区别是（）。答案：1. 2. 3. 凸形;液体;低于4. 低于;负吸附;惰性 5. 愈大;愈小 6. 固体表面是均匀的吸附是单分子层的；相邻吸附质分子间无作用力；吸附与解吸达动态平衡； 7. 过冷液体；过热液体；过饱和蒸气；过饱和溶液8. 吸附剂与吸附质之间作用力不同二.选择题1.下面关于的物理意义中不正确的是（）A.是沿着与表面相切的方向，垂直作用于表面上单位长度线段上的紧缩力。B.是恒温，恒压下可以可逆的增加单元表面积所需的非体积功。C.是在一定的温度，压力下，单位表面积中的分子所具有Gibbs函数值。D.是恒温，恒压下增加单位表面所引起的系统Gibbs函数值。2.在吸附过程中，以下热力学量的变化正确的是（）A. B.C. D.3.某溶液中溶质B的浓度为（表面）（体相），证明（）A. B.C. D.4.溶液的表面层对溶质发生吸附，当表面浓度本体浓度，则（）A.称为正吸附，与纯溶剂相比，溶液的表面张力降低。B.称为无吸附，与纯溶剂相比，溶液的表面张力不变。C.称为负吸附，与纯溶剂相比，溶液的表面张力升高。D.称为负吸附，与纯溶剂相比，溶液的表面张力降低5.等温等压下，将一定质量的水由一个大球分散为许多小水滴时，以下的物理量中保持不变的有（）A.表面吉布斯函数 B.表面张力C.液面上的附加压力 D.饱和蒸气压6.水在玻璃毛细管中上升的高度反比于（）A.空气的压力 B.毛细管半径C.液体的表面张力 D.液体的粘度7.下面关于表面活性剂的讨论，不正确的是（）A.表面活性剂是能显著的降低水的表面张力的物质B.表面活性剂都是由亲水的极性基与增水的非极性基组成C.表面活性剂的浓度超过某一特定值后，将在溶液内部形成胶团D.在水中加入表面活性剂时，吸附量8.对弯液面所产生的附加压力（）A.一定等于零 B.一定不等于零C.一定大于零 D.一定小于零9.对于物理吸附的描述中，那一条是不正确的（）A.吸附力来源于范德华力，其吸附一般不具有选择性B.吸附层可以是单分子层或者双分子层C.吸附速率较小D.吸附热较小答案：1.C,2.A,3.B,4.C,5.B,6.B, 7.D,8.B, 9.C三、计算题1. 在298K、101.325kPa 下，将直径为1m的毛细管插入水中，问需在管内加多大压力才能防止水面上升？若不加额外的压力，让水面上升，达平衡后管内液面上升多高？已知该温度下水的表面张力为0.072Nm-1，水的密度为1000kgm-3，设接触角为0。重力加速度为g=9.8ms-2。2.泡压法测定丁醇水溶液的表面张力。20实测最大泡压力为0.4217 kPa，若用同一个毛细管，20时测的水的最大泡压力为0.5472 kPa，已知20时水的表面张力为 72.75 mNm-1，请计算丁醇溶液的表面张力。解：设Dp1，Dp2，s1，s2 分别为丁醇溶液及水的最大泡压力与表面张力。根据拉普拉斯公式及泡压法的原理可知： （a） （b） 因为实验使用同一根毛细管，r 为定值，联立式（a）和式（b）得： = 56.1 Nm -1四.问答题1.液体表面层中的分子受到的不对称力与液体的表面张力有何联系与区别？答：液体表面层的分子与内部分子均受到分子之间力的作用，但受力的情况有所不同。在液体内部，分子的周围环境是对称的，分子间作用力彼此相互抵消。而表面层分子，由于物质在两相中的密度不同或两相的组成不同，使表面层分子受到一个指向液体内部的净作用力。这就是液体表面分子受到的不对称力。这个力力图将液体表面层分子拉向液体内部，使表面紧缩，这种收缩倾向在液面上处处在，因此将这种与表面相切并垂直作用于单位长度线段上的表面紧缩力称为表面张力，可见，表面层分子所受到的不对称力是分子间作用力，是短程的，微观的力，是表面层亿万分子受到不对称的分子间力作用后的宏观表现，其方向与液面相切。2.有人说，在弯液面上取一小截面ABC，周界以外的表面对周界有表面张力的作用两者大小相等，方向相反，互相抵消了，怎么还会有附加压力呢?答：表面张力是作用于液体表面上的，处于静止状态的液面上任何一点都必须满足力平衡的条件，所以周界两侧的表面张力大小相等，方向相反，使液面处于力平衡状态，这是对液面上各点而言的，而附加压力是分析液面内外单位载面上所承受的压力问题，由于液面是弯曲的，周界以外的表面对小截面的表面张力的合力不等于零，对凸液面合力的方向，指向液体内部，对凹液面则指向气相，使液面两边的压力不相等，这就是附加压力的来源。3.什么叫毛细凝聚现象？答：由Kelvin公式可知，当毛细管中的液体能润湿毛细管壁时，管内液面呈凹形，液面曲率半径，则，即凹液面上方的平衡蒸气压力小于平液面上的饱和蒸气压，且r愈小，即凹液面上方的平衡蒸气压力时，尽管对平面液体未达饱和，但对毛细管中发生凝聚，形成液体。该过程称为毛细凝聚现象，多孔性固体的内孔中常存在这种现象。4.由润湿过程知，铺展系数，式中为接触角，当某液体能在固体表面上铺展时，有，则必须或，这显然是不可能的，对此该作何解释？答：铺展系数的定义是与杨氏方程结合，可得。而杨氏方程适用的条件必须为热力学平衡系统。对的系统，液体能在固体表面自发展开，但即使达到平衡。对这种系统，杨氏方程不能适用，也不存在接触角，故只能用值判断铺展润湿能否自发进行。5.设一弯曲玻璃毛细管A,插入水中后，由于毛细现象，水面上升高度将超过h，因而水滴会从弯口B处不断滴出。这个设想能否实现？为什么?答：这个设想如果能实现，即可利用滴下的水滴，推动叶轮作功，系统恢复原状而得到了功，这就是第一类永动机，显然是不可能实现的。从表面化学的规律来分析，玻璃毛细管中的水面呈凹面上方的气相，才使液面升高，若要在管口处形成液滴落下，首先要在弯口B处形成凸液面，凸液面一旦形成，附加压力的方向则将由原来指相气相转为指向液体内部，则无法保持毛细管内升高的液面了。所以凸液面不可能形成，也就不可能形成液滴落下了。实际的情况将是在最初形成的凹形水面到大毛细管口B处时，由于水面无法继续延伸，为了达到液面两边力的平衡只有改变凹液面的曲率半径r，使产生的附加压力与B处的液柱静压力达到平衡（即）。6.表面活性剂溶液的表面张力与浓度曲线如图9-2，当浓度超过某一值后，曲线呈水平，即，是否可由吉布斯吸附公式认为：此时吸附量。故认为其在表面层浓度与体相浓度相等？答：这种理解是错误的。表面活性剂溶液在液体表面发生正吸附，并呈定向排列。当浓度超过某一值后，曲线呈水平，此时表面活性剂分子在液面上的吸附达饱和，因此再增加溶液的浓度c，表面吸附量不再发生变化。所以，这种情况下，以单个分子形式存在的体相中缔和形成胶团，溶液的表面张力也不再发生变化。所以，这种情况下，以单个分子形式存在的体相浓度与表面浓度之差为一定值，即，而不是0。7.进行蒸馏实验时，通常在蒸馏瓶中加入少量碎瓷片或沸石类的物质以防止爆沸，试分析其原因。答：暴沸现象是由于新相种子（小气泡）难以生成而产生的。由开尔文公式可知，对小气泡，越小，气泡内的饱和蒸气压液越小，而附加压力却越大。在液面下的下气泡需承受的外压力等于大气压力，液体静压力及附加压力三者之和。在正常沸腾温度下，气泡内的饱和蒸气压远远小于，因此小气泡无法产生。只有再升高温度，使p增大，当达到时，液体便开始沸腾，而一旦气泡形成，它便迅速长大，随之相应增加，相应降低，气泡反抗的外压迅速减小，因而液体沸腾激烈，形成暴沸现象。为了防止暴沸发生，可以先在液体中加入一些素烧瓷片或沸石因为这些多孔隙物质能提供新相种子（小气泡），使液体过热程度大大降低。8.为什么表面活性剂能大大地降低水的表面张力。答：因为表面活性剂分子是由亲水的极性基团（如等）和憎水的非极性基团（如碳氢基团）组成的有机化合物，极性基团与水分子的吸引力远小于水分子之间的吸引力，故它的存在有利于其在水中的均匀分布；非极性基团与水分子的吸引力远小于水分子之间的吸引力，故它的存在有利于表面活性剂分子聚集在溶液表面或水-油两相界面，因此当表面活性剂溶于水时将会吸附在水的表面上，采取极性基团向着水，非极性基团指向空气（或油相）的表面定向排列使水和另一相的接触面减小，从而引起水的表面张力显著降低。9.两块平板玻璃在干燥时，得放在一起很容易分开。若在其间放些水，再叠放在一起，使之分开却很费劲，这是什么原因？答：因为水能润湿玻璃，所以在两块玻璃之间水层的四周皆呈凹液面。凹液面处产生一指向空气的附加压力，附加压力的作用是使两块玻璃的内外两侧受压不等，与水接触的内侧压力较小，与空气接触的外侧所受压力较大故水层周围凹液面处的附加压力使两块玻璃更难分开。10.在两只水平放置的毛细管中间皆装有一段液体，（a）管中的液体对管壁完全润湿；（b）管中的液体对管壁完全不润湿，如图所示。当在管右端加热时，管中液体各向哪一端流动？答：当在右加热时，右端的毛细管膨胀，由可知，上述两因素皆使加热端的附加压力在数值上变小，而破坏原来的平衡。由于两管中附加压力方向不同，使（a）管中的液体向冷端移动，(b)管中的液体向热端移动。11.在半径相同的毛细管下端有两个大小不同的圆球形气泡，如图所示。试问将活塞C关闭，A及B打开会出现什么现象？答：两气泡联通后，由于弯液面附加压力的作用，大气泡会变得更大，小气泡变得更小，直到小气泡收缩至毛细管口，其液面的曲率半径与大气泡相等时为止。12.解释下列各种现象及原因：（1）.四氯化碳和水混合均匀静置放置后会自动分层；（2）汞液滴或空气中气泡通常呈球形；（3）粉尘大的工厂或矿山容易发生爆炸事故（4）矿泉水注入玻璃杯中，水面可略微高出杯口；答：（1）四氯化碳和水混合均匀后的油水体系，静置后自动分层是液体自动缩小表面界面积的现象，四氯化碳和水混合均匀后，形成了一种以小液滴的形式分散在另一种液体中的多相分散系统，相之间的表面积很大，表面吉布斯函数很高，处于热力学不稳定状态，因此系统会自动缩小表面积而使体系趋于稳定。（