10 第十章 界面现象习题解
界面现象题目--答案参考
界面现象习题集1、为什么自由液滴必成球形答：纯液体表面上的分子比内部分子具有更高的能量，而能量降级为一自发过程，所以它必然导致表面面积为最小状态。
2、为什么有云未必有雨如何使云变成雨答：空气的上升运动，造成气温下降，形成过饱和水气；加上吸湿性较强的凝结核的作用，水气凝结成云，来自云中的云滴，冰晶体积太小，不能克服空气的阻力和上升气流的顶托，从而悬浮在空中。
当云继续上升冷却，或者云外不断有水气输入云中，使云滴不断地增大，以致於上升气流再也顶不住时候，才能从云中降落下来，形成雨。
3、分子间力与什么有关，其与表面张力的关系何在答：分子间力与温度、电荷分布、偶极矩、分子相对质量、外加电场有关 表面张力实质为每增加单位表面积所增加的自由焓1）表面张力的物理意义需用分子间作用力解释：在液体表面，表面分子的两侧受力不等。
气相分子对它的引力远远小于液相。
必然受到向下的拉力。
所以，要将液体内部的分子拉至表面，必须克服分子间力对其做功。
该功主要用来增加其表面能。
即： Γ为增加单位表面积所做的功。
对纯液体而言，热力学诸函数关系为：通常以等温等压和定组成条件下，每增加单位表面积引起自由焓的变化，即比表面自由焓。
比表面自由焓即为表面张力。
2）表面张力是液体分子间引力大小的度量指标之一，凡是影响分子间力的因素必将影响表面张力。
4、20℃时汞的表面张力Γ=×10-1N/m ，求在此温度及的压力下，将半径r1=1.0mm 的汞滴分散成r2=10-5mm 的微小汞滴至少需要消耗多少的功 答： dA=8dr= -w Γ=×10-1N/m w=5、分子间力的认识过程说明了什么你有哪些体会答： 我们对于分子间力的认识是一个不断深化的过程。
由于看到了各物质之间的异同而提出了分子间力这样一个概念来解释。
随着解释的不断深入，认识也在不断地提高，从而对其进行更多的修正。
这样才深化出静电力、诱导力和色散力的观点，并研究出其计算过程。
第十章界面化学思考题答案(1)
第十章界面化学思考题答案1.已知水在两块玻璃间形成凹液面，而在两块石蜡板间形成凸液面。
试解释为什么两块玻璃间放一点水后很难拉开，而两块石蜡板间放一点水后很容易拉开？答：水在两玻璃和两石蜡板间的状态如下图。
水能润湿玻璃，在两块玻璃之间的水层两端液面呈凹形，故其附加压力方向指向空气，使水层内的压强小于外部大气压强，两者相差2γ/r，即相当于两块玻璃板外受到2γ/r的压力作用，所以要把它们分开很费力。
且两板越靠近，此压力差越大，使两板难以拉开。
石蜡板的情况相反，液体压力p大于外压力，易于拉开。
2.如下图所示，在一玻璃管两端各有一大小不等的肥皂泡。
当开启活塞使两泡相通时，试问两泡体积将如何变化？为什么？2图3图答：开启活塞后，大泡将变大，小泡将变小。
活塞关闭时，由于肥皂泡膜产生附加压力，Δp=p内－p外＝４γ/r.泡的半径r越小，附加压力越大，而大、小泡的p外是相同的，故小泡内空气压力大于大泡内空气压力。
因此打开活塞后，小泡内空气就流向大泡，导致小泡变成更小。
当小泡收缩至其半径等于玻璃管口半径时的r最小，若再收缩，其曲率半径反而增大。
所以当小泡收缩至其曲率半径与大泡半径相等时，停止收缩。
3.如上图所示，玻璃毛细管A插入水中后，水面上升高度应能超过h，因此推断水会从弯口B处不断流出，于是便可构成第一类永动机，如此推想是否合理？为什么？答：不合理，由于毛细管上方弯曲，当液面上升到顶端后，又沿弯曲管下降到弯口B处，液面下降时，由于弯曲部分液体受到重力作用，使凹液面的曲率半径由r增大到r',故附加压力也相应减小到Δp'＝2γ/r ' 。
到B处，Δp'与B处高度的静压力达到平衡，曲率不再变化（仍是凹液面）。
故水滴不会落下。
4.一定量的小麦，用火柴点燃并不易着火。
若将它磨成极细的面粉，并使之分散在一定容积的空气中，却很容易着火，甚至会引起爆炸。
这是为什么？答：这有两方面原因。
磨成极细的面粉后，比表面积大大增加，磨得越细，其表面能越高，所处的状态就越不稳定，其化学活性也越大，因而容易着火。
第10章_界面现象-wfz-1
弯曲液面附加压力Δp 与液面曲率半径之间关系的推导： 水平分力相互平衡， 垂直分力指向液体内部 其单位周长的垂直分力为cos 球缺底面圆周长为2r1 ，得垂直分力在圆周上的合力为： F=2r1 cos 因cos = r1/ r ，球缺底面面积为 r12 ， 故弯曲液面对于单位水平面上的附加压力 p 整理后得：
表10.1.1 某些液态物质的表面张力
物 质 t / °C
/ mN m-1
18.4 21.8 22.3 26.43 72.75 113.8 137.8 250 582 700 878.5 1300 1800
正己烷 正辛醇 乙醇 乙醚 H2O NaCl LiCl Na2SiO3(水玻璃) FeO Al2O3 Ag Cu Pt
\ dn = - 4p r 2 (dr ) r / M
/mNm-1
1670 1140 685 527 12010 1000 905 4500 1030
Cu Ag Sn 苯 冰 氧化镁 氧化铝 云母 石英(1010晶面)
17
（2） 与接触相的性质有关。
两种互不混溶的液体形成液-液界面时，界面层分子所处力场取 决于两种液体。所以不同液-液对界面张力不同。
18
（3） 温度的影响
T↑ 气相中分子密度↑ 液相中分子距离↑
↓ （有例外）
（表10.1.4) 不同温度下液体的表面张力 0 液体 水 乙醇 甲醇 CCl4 丙酮 甲苯 苯 75.64 24.05 24.5 26.2 30.74 31.6 72.75 22.27 22.6 26.8 23.7 28.43 28.9 69.58 20.60 20.9 24.3 21.2 26.13 26.3 66.18 19.01 21.9 18.6 23.81 23.7 62.61 16.2 21.53 21.3 58.85 15.7 19.39 20 40 60 80 100
第十章__界面现象2005.11.20
有等于系统增加单位面积时所增加的吉布斯函数，
所以也称为表面吉布斯函数
9
例：
20 ℃时汞的表面张力 =4.85×10
-1
N· m
-1
，若在此温度
及101.325 kPa 时，将半径r1 = 1 mm的汞滴分散成半径为 r2 =10-5 mm 的微小液滴时，请计算环境所做的最小功。 解：因为T，p 恒定，所以为常数，环境所做的最小功为可逆过程 表面功W’，
6
此实验证明，液体表面层存在着一个平行于液面，垂直 于分界线的力，此力使表面收缩 —— 表面张力。
对于弯曲液面，表面张力则与液面 相切。
表面张力
7
2. 表面功与表面张力表面吉布斯函数：
dx
当T、p、n不变的条件下，若把 MN移动dx，
F外
l
则增加面积dA=2l· dx，
此时外界必反抗表面张力做功。 WR' F外 dl 在可逆条件下：F外=F表+dF≌F表
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5. 影响表面张力的因素
（1）表面张力和物质性质有关和它接触的另一相的性质有关。 （i）和空气接触时，液体和固体中的分子间作用力越大表面 张力越大。一般：
(金属键)＞ (离子键)＞ (极性共价键)＞ (非极性共价键)
（ii）同一种物质和不同性质的其它物质接触时，界面层中分 子所处的力场不同，界面张力出现明显差异。（看下表数据）
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某些液体、固体的表面张力和液/液界面张力
物质 水(溶液) 乙醇(液)
/（10-3
N· -1） m 72.75 22.75
T/K 293 293
物质 W(固) Fe(固)
10-界面现象 习题
化学吸附
范德华力
化学键力
单层或多层
单层
小（近于液化热） 大（近于反应热）
无或很差
较强
可逆
不可逆
易达到
不易达到
10
（7） 接触角（润湿角）
s
M
P
l
O
O
N
sl
接触角：气液固三相点处，气液界面的切线与固液界面的夹角
经过液体内部
润湿：固体表面上的气体被液体取代的过程。 接触过程的 △G＜0。Gibbs函数降低越多，越易润湿。
解： 液体B在另一不互溶液体A上能否发生铺展，则
SB A－ B AB 0自动铺展 A
（1）SH2O Hg－ H2O H2O-Hg Hg =（486.5-72.75-375）mN m1 38.75mN m1＞0
水在汞的表面上能发生铺展
（2） SHg H2O－ Hg H2O-Hg
一般情况下，表面活性物质的 - c 曲线
kc m 1 kc
1. 表面现象在自然界普遍存在，但有些自然现象与表面现象 并不密切相关，例如
(A) 气体在固体上的吸附 (B) 微小固体在溶剂中溶解 (C) 微小液滴自动呈球形 (D) 不同浓度的蔗糖水溶液混合
答案：D
2. 液体的附加压力和表面张力的联系与区别在于 (A) 产生的原因和方向相同而大小不同 (B) 作用点相同而方向和大小不同 (C) 作用点相同而产生的原因不同 (D) 产生的原因相同而方向不同 答案：D
——液体密度
g——重力加速度
cos r
rl
rl
r
cos
当接触角θ<90o时，液体在毛细管中上升，凹液面； 当接触角θ>90o时，液体在毛细管中下降，凸液面。
第十章 界面现象
第十章界面现象1．液体在毛细管中上升的高度与基本无关。
A．温度 B．液体密度 C．大气压力 D．重力加速度2．微小晶体与同一种的大块晶体相比较，下列说法中不正确的是。
A．微小晶体的饱和蒸气压大 B.微小晶体的表面张力未变C. 微小晶体的溶解度小D.微小晶体的熔点较低3．水在某毛细管内上升高度为h，若将此管垂直地向水深处插下，露在水面以上的高度为h/2，则。
A．水会不断冒出B. 水不流出，管内液面凸起C. 水不流出，管内凹液面的曲率半径增大为原先的2倍D．水不流出，管内凹液面的曲率半径减小为原先的一半4. 在用最大气泡法测定液体表面张力的实验中，是错误的。
A.毛细管壁必须清洁干净B.毛细管口必须平整C.毛细管必须垂直放置D.毛细管须插入液体内部一定深度5. 在干净的粗细均匀的U形玻璃毛细管中注入纯水，两侧液柱的高度相同，然后用微量注射器从右侧注入少许正丁酸水溶液，两侧液柱的高度将是。
A．相同 B．左侧高于右侧C．右侧高于左侧 D．不能确定6. 在三通活塞两端涂上肥皂液，关闭右端，在左端吹一大泡，关闭左端，在右端吹一小泡，然后使左右两端相通，将会出现什么现象。
A．大泡变小，小泡变大 B．小泡变小，大泡变大C．两泡大小保持不变 D．不能确定7. 在一支干净的、水平放置的、内径均匀的玻璃毛细管中部注入一滴纯水，形成一自由移动的液柱。
然后用微量注射器向液柱右侧注入少量NaCl水溶液，假设接触角不变，则液柱将。
A. 不移动 B．向右移动C．向左移动 D无法判断8. 在潮湿的空气中，放有3只粗细不等的毛细管，其半径大小顺序为:r1>r2>r3，则毛细管内水蒸气易于凝结的顺序是。
A．1，2，3 B．2，3，1C．3，2，1 D无法判断9．人工降雨是将AgI微细晶粒喷洒在积雨云层中，目的是为降雨提供。
A. 冷量 B．湿度 C．晶核 D．温度10. 下面对于物理吸附的描述，不正确。
A．吸附力基于van der Waals力，吸附一般没有选择性B．吸附层可以是单分子层或多分子层C．吸附速度较快，吸附热较小D．吸附较稳定，不易解吸11．下列叙述不正确的是 .A 农药中加入润湿剂可使和减小，药液在植物表面易于铺展；B 防水布上涂表面活性剂使减小，水珠在其上不易铺展；C 泡沫浮选法中捕集剂极性基吸附在矿石表面，非极性基向外易被吸附在泡沫上；D 起泡剂的主要作用是增大液体表面张力。
物化第十章习题
板上，滴上一小滴水，再在水上覆盖上油，这时
水对毛细管的润湿角为，如习题 10.7 图图(b)所
示。油和水的密度分别用O 和W 表示，AA/为油水界面，油层的深度为 h/。请导出水在毛细管中 上升的高度 h 与油-水界面张力WO 之间的定量关
系。
解：因为在油中水可以润湿玻璃管，在玻璃毛细管中油-水界面为凹面，毛细管半径
பைடு நூலகம்
题 10.8 图示
10.9 已知在 273.15K 时，用活性炭吸附 CHCl3，其饱和吸附量为 93.8dm3kg-1， 若 CHCl3 的分压力为 13.375kPa，其平衡吸附量为 82.5dm3kg-1，试求：
（1） 朗谬尔吸附等温式中的 b 值；
（2） CHCl3 的分压力为 6.6672kPa 时，平衡吸附量为若干？
解：（1）因为
Va
Vma
bp 1 bp
依题意 V a=93.8dm3kg-1， Vma=82.5dm3kg-1 p=13.375kPa 代入上式得 b=[82.5/13.375×(93.8-82.5)] kPa-1= 0.5459 kPa-1
（2）当 p=6.6672kPa 时
V
a
Vma
bp 1 bp
答：亚稳态是热力学不完全稳定的状态，常见的亚稳态有过饱和蒸气、过热液体、 过冷液体、过饱和溶液。产生的原因是在新的相生成时，颗粒极其微小,其比表面积和表 面吉布斯函数都很大，因此在系统中产生新相极为困难而造成亚稳态的产生。防止亚稳 态产生的方法一般是引入“种子”，使之形成结晶或凝聚或气化核心。
（2）在一个封闭的钟罩内，有大小不等的两个球形液滴，问长时间恒温放置后，会 出现什么现象？
解：对方程 V a=kpn 取对数可得：
第十章 界面现象习题课
一.填空题
4.等温等压下可逆增加表面所做的非体积功就等于表面 __________的增量
解； 吉布斯函数
5.微小液滴的饱和蒸气压 气压。(选填>, =, <)
解： >
同温度下平面液体的饱和蒸
6.玻璃毛细管水面上的饱和蒸气压____________同温度下 水平的水面上的饱和蒸气压。(选填 > , = , < )
（选填 >，＝，<） 解： > 7. 接触角是指： （１）ｇ／ｌ界面经过液体至ｌ／ｓ界面间的夹角； （２）ｌ／ｇ界面经过气相至ｇ／ｓ界面间的夹角； （３）ｇ／ｓ界面经过固相至ｓ／ｌ界面间的夹角； （４）ｌ／ｇ界面经过气相和固相至ｓ／ｌ界面间的夹角；
解：（１)
二.选择题
8. 高分散度固体表面吸附气体后，可使固体表面的吉布斯
函数：（
）。
（１）降低； （２）增加； （３）不改变
解：（１）
9. 化学吸附的吸附力是：（ ）。 （１）化学键力；（２）范德华力； （３）库仑力
解：（１）
10. 常温下非极性有机液体的表面张力s (有)与水的表面张 力s (水)的关系存在：（ ）。
（1）s (有) = s (水)；（2）s (有) > s (水)； （3）s (有) <s (水) ；（4）不能确定。 解：（3）
解： <
>
二.选择题
1. 等温等压条件下的润湿过程是：（ （１）表面吉布斯自由能降低的过程； （２）表面吉布斯自由能增加的过程； （３）表面吉布斯自由能不变的过程； （４）表面积缩小的过程。
）。
解：（１）
2. 液体表面分子所受合力的方向总是：（ ），液体表 面张力的方向总是：（ ）。
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第十章界面化学 课后作业题解
10.3 计算373.15K 时，下列情况下弯曲液面承受的附加压力。
已知373.15K 时水的表面张力为58.91×10-3N.m -1。
（1）水中存在的半径为0.1μm 的小气泡；
（2）空气中存在的半径为0.1μm 的小液滴；
（3）空气中存在的半径为0.1μm 的小气泡。
解：
10.4 在298.15K 时，将直径为0.1mm 的玻璃毛细管插入乙醇中。
问需要在管内加多大的压力才能防止液面上升？若不加任何压力，平衡后毛细管内液面的高度为多少？已知该温度下乙醇的表面张力为22.3×10-3N.m -1，密度为789.4 kg.m -3 ，重力加速度为9.8m.s -2。
设乙醇能很好地润湿玻璃。
解：乙醇能很好地润湿玻璃，可看作cos θ=0，
所以r=r 1(曲率半径与毛细管半径相等)
需要在管内加892 Pa 的压力才能防止液面上升。
若不加任何压力，平衡后毛细管内液面的高度为0.115m 。
kPa 2356Pa 2356400101091584r 4p 3kPa 1178Pa 117820010
1091582r 2p 217
3
73==⨯⨯=γ=∆==⨯⨯=γ=∆----..）（））（（Pa 892100.051022.32r 2p 33
=⨯⨯⨯=γ=∆--m 1150100.0589789.41022.32gr 2h 33
..=⨯⨯⨯⨯⨯=ργ=--
10.9 已知在273.15K 时，用活性炭吸附CHCl 3，其饱和吸附量为93.8dm 3.kg -1，若CHCl 3的分压力为13.375 kPa ，其平衡吸附量为82.5 dm 3.kg -1。
试求：
（1）朗缪尔吸附等温式中的b 值；
（2）CHCl 3的分压为6.6672 kPa 时，平衡吸附量为若干？
解：（1）朗缪尔吸附等温式
（2）根据朗缪尔吸附等温式
10.14 293.15K 时，水的表面张力为72.75mN.m -1，汞的表面张力为486.5mN.m -1，而汞和水之间的界面张力为375mN.m -1，试判断：
（1）水能否在汞的表面上铺展开？
（2）汞能否在水的表面上铺展开？
解：（1）
水能在汞的表面上铺展
（2）
汞不能在水的表面上铺展
bp 1bp V V m +=b 375131b 37513893582....+=0
m 38.75mN 72.75-375-486.5--S -1->⋅==γγγ=水水汞汞0
m -788.75mN 486.5-375-72.75--S -1-<⋅==γγγ=汞水汞水1
-3m kg 73.58dm 6.66720.54591 6.66720.545993.8bp 1bp V V ⋅=⨯+⨯⨯=+=1
kPa 545901-82.593.8375131b -=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=..
10.17 292.15K 时，丁酸水溶液的表面张力可以表示为)bc 1(a -0+γ=γln ，式中0γ为纯水的表面张力，a 和b 皆为常数。
（1）试求该溶液中丁酸的表面吸附量Γ和浓度c 的关系。
（2）若已知a=13.1 mN.m -1，b=19.62 dm 3.mol -1试计算当c=0.200 mol. dm -3时的Γ。
（3）当丁酸的浓度足够大，达到bc>>1时，饱和吸附量m Γ为多少？设此时表面上丁酸呈单分子层吸附，计算在液面上每个丁酸分子所占的截面积。
解：（1）
（2）
（3）
()
bc 1RT abc bc 1ab RT c -dc d RT c -+=⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=γ=Γ()()26--3m mol 104.2980.20019.621292.15
8.3140.20019.621013.1bc 1RT abc -⋅⨯=⨯+⨯⨯⨯⨯=+=Γ26--3m m mol 103935292.158.3141013.1RT a -⋅⨯=⨯⨯==Γ.2219-23
6-m m nm 30790m 1007931002361039351L 1a ....=⨯=⨯⨯⨯=Γ=。