第十章 界面现象概念题及解答
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。
第十章界面现象解析
1 mol 饱和蒸气 (pr)
G2
pr p
Vm
(
g
)dp
RT
ln
pr p
p p
G p
Vm (l)dp
Vm (l)p
M 2 r
RT ln
pr p
Vm
2
r
M
2
r
开尔文公式
1. Kelvin公式可以表示为两种不同曲率半径的液滴或蒸 气泡的蒸气压之比
RT ln pr 2M 2Vm p r r
as As / m或as As /V
3. 多孔硅胶、分子筛、活性炭、纳米材料具有很 高的比表面积
分散度与比表面积
把物质分散成细小微粒的程度称为分散度。把一定大小 的物质分割得越小，则分散度越高，比表面也越大。
把边长为1cm的立方体1cm3逐渐分割成小立方体：
立方体边长(m)
10-2 10-4 10-6 10-8 10-9
p大气
h
p
产生过热液体示意图
p 2 11780kPa
r
在实验中,为防止液体的过热现 象,常在液体中投入一些素烧瓷 片或毛细管等物,因为这些多孔 性物质的孔中储存有气体,它们 成为新相的种子,使液体的过热 程度大大降低
过冷液体
过冷液体:应当凝固而未凝固的液体 主要原因:因为微小晶体的饱和蒸气压恒大于普通晶体 的饱和蒸气压。
p
C
O’ O
.A‘ A
0
Tf’ Tf
t
产生过冷液体现象示意图
在过冷液体中,加入小晶体作为 新晶种,则能使液体迅速凝固
过饱和溶液
过饱和溶液:在应当温度下,溶液的浓度已超过了饱和浓度, 而仍未析出晶体的溶液
主要原因:小晶体的溶解度大于普通晶体的溶解度.
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)
第十章 界面现象
或者是作用在液体表面上任一条线的两侧，垂直
于该线，沿着液面拉向两侧。对于平面界面，如
下图所示。
7
要使膜维持不变，须在金属丝上加一个相反的力 F，它与长度成正比，比例系数为γ。因有两个面， 所以： F = 2 γ l，
，
F γ 2l
8
γ称为表面张力，单位为：N· m-1。
若液膜面积增大dAs，则需抵抗力F使金属丝
的过饱和度。 （2）过热液体
根据相平衡条件，应当沸腾而不沸腾的液
体，称为过热液体。
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液体沸腾时，不仅在液体表面上进行汽化， 而且在液体内部也要汽化，但在液体内部汽化 的过程表现为自动生成极微小的气泡，且由小 变大，由液体内部转移到液面而破灭，部分液
体变成了气体进入气相。
新生成的小气泡半径很小，所以附加压力很
α
μ
B
B(α )
dnB(α ) γdAs
G U H A γ A A A A s T , p ,nB ( α ) s S ,V ,nB ( α ) s S , p ,nB ( α ) s T ,V ,nB ( α )
表面也有表面张力及表面吉布斯函数。但固体
表面上的分子几乎是不可移动的，不能靠收缩
表面来降低表面吉布斯函数。但可以从外部吸
附气体分子到表面，减小表面分子受力不对称
的程度，降低表面张力和表面吉布斯函数，而 且是自发过程。 吸附剂：具有吸附能力的固体物质。 吸附质：被吸附的物质。
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1．物理吸附和化学吸附
35
（4）过饱和溶液 在一定温度下，溶液的浓度已超过了饱和浓度， 而仍未析出晶体的溶液称为过饱和溶液。
原因：在相同温度下，小颗粒晶体的饱和蒸 汽压大于普通晶体的饱和蒸汽压，使小颗粒晶体 溶解度大于普通晶体的溶解度，见表10.2.2 。
物理化学论 界面现象习题
第十章界面现象10.1在293.15 K及101.325kPa下，把半径为1×10-3m的汞滴分散成半径为1×10-9m小汞滴，试求此过程系统的表面吉布斯函数变为多少？已知汞的表面张力为0.4865N·m-1。
10.2计算373.15K时，下列情况下弯曲液面承受的附加压。
已知373.15K时水的表面张力为58.91×10-3 N·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。
10.3 293.15K时，将直径为0.1mm的玻璃毛细管插入乙醇中。
问需要在管内加入多大的压力才能防止液面上升？如不加任何压力，平衡后毛细管内液面高度为多少？已知该温度下乙醇的表面张力为22.3×10-3 N·m-1，密度为789.4kg·m-3，重力加速度为9.8m·s-2。
设乙醇能很好地润湿玻璃。
10.4水蒸气迅速冷却至298.15K时可达过饱和状态。
已知该温度下的表面张力为71.97×10-3 N·m-1，密度为997kg·m-3。
当过饱和水蒸气压力为平液面水的饱和蒸汽压的4倍时，计算。
（1）开始形成水滴的半径；（2）每个水滴中所含水分子的个数。
10.5已知CaCO3（s）在773.15K时的密度3900kg·m-3，表面张力为1210×10-3 N·m-1，分解压力为101.325Pa。
若将CaCO3（s）研磨成半径为30nm（1nm=10-9m）的粉末，求其在773.15K时的分解压力。
10.6已知273.15K时，用活性炭吸附CHCl3，其饱和吸附量为93.8dm3·kg-1，若CHCl3的分压为13.375kPa，其平衡吸附量为82.5 dm3·kg-1。
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： d w' dAr 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：dG Vdp sdT dAdF pdV sdT dAdH Tds Vdp dAdV Tds pdVdAGFHUAP,T,nAV,T,n AS,P,nA S,V,n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、20C 时汞的表面张力r =4.85X 10-1N/m ，求在此温度及 101.325kPa 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？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。
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。
界面现象主要内容1界面与表面定义两相的接触面称为
第十章 界面现象主要内容 1.界面与表面(1)定义：两相的接触面称为界面；与气体接触的界面称为表面。
(2)界面（表面）的种类：2.液体的表面张力、表面功、表面吉布斯函数(1)表面张力是引起液体表面收缩的单位长度上的力，单位：N.m -1。
表面张力作用方向对于平液面是沿着液面并与液面平行，对于弯曲液面则与液面相切。
2F l γ＝/(2)表面张力是使液体增加单位表面时环境所需做的可逆功，单位：J.m -2。
r s δ/d W A γ=(3)表面张力是系统增加单位面积时所增加的吉布斯函数变，单位：J.m -2。
,s ()T p G A γ∂=∂3.界面热力学公式只有一个相界面时：d U = T d S - p d V + γ d A s + ∑μB d n B d H = T d S + V d p + γ d A s + ∑μB d n B d A =-S d T - p d V + γ d A s + ∑μB d n B d G =-S d T + V d p + γ d A s + ∑μB d n B在定温、定压、定组成下：s d d G A γ= 则当系统内有多个界面时：s s i iiG A γ=∑4.界面张力的影响因素：界面张力取决于界面的性质，凡能影响物质性质的因素，对界面张力皆有影响。
(1)物质的本性：不同的物质，分子之间的作用力不同，对界面上分子的影响不同。
一般化学键越强，表面张力越大。
γ金属键>γ离子键>γ极性共价键>γ非极性共价键两种液态物质之间的表面张力一般介于两液体表面张力之间。
(2)温度：同一种物质的界面张力一般随温度的升高而减小。
(3)压力：一般压力升高表面张力下降。
5.弯曲液面的性质(1) 附加压力及毛细管现象：弯曲液面存在附加压力。
将弯曲液面内外压力差△P 称为附加压力。
附加压力∆ p 总是指向球面的球心（或曲面的曲心)。
2/p r γ∆=式中r 为弯曲液面的半径。
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§10.2 概念题
10.2.1填空题
1. 液体表面层中的分子总受到一个指向（）力，而表面张力则是（）方向上的力。
2. 在恒T,P下，纯液体是通过（）来降低其表面吉布斯函数的，例如荷叶上的水滴呈球状是因为（）。
3. 在25℃下，于100KPa的大气中，当某溶液形成半径为r之液滴时，液滴内液体的压力为150KPa.若在同温、同压下的空气中，将该溶液吹成一半径为r的气泡时，则该气泡内气体的压力为（）（填入具体数值）。
不考虑重力的影响。
4. 分散在大气中的小液滴和小气泡，或者毛细血管中的凸液面和凹液面，所产生的附加压力的方向均指向于( ）。
图10－1
5. 如图10-1所示，设管中液体对毛细血管完全润湿，当加热管中水柱的右端时，则水柱将向（）移动。
6. 将同样量的两小水滴中之一灌在玻璃毛细血管中该水滴能很好地润湿管壁，而另一小水滴则放在荷叶上，若两者均放在温度的大气中，则最先蒸发掉的是（）。
7. 产生过冷、过热和过饱和等亚稳态现象之原因是（）。
8. 固体对气体的吸附有物理吸附和化学吸附之分，原因是（）
9. 朗缪尔的吸附理论只适用于（）吸附，根据朗缪尔理论导出的吸附等温式所描绘的吸附等温线的形状为（）（画出图形）。
10. 如图10-2所示，在固体表面上附着一气泡，气泡被液体所包围，请在图中画出接触角 的位置。
图10一2 图10一3
11. 如图10-3所示，将一半径为r 的固体球体并恰有一般浸没在液体中，设固体和液体的表面张力分别为,s l γγ与固液界面张力为sl γ，则在恒T,P 下，球在浸没前后的表面吉布斯函数变化s G ∆=（ ）（写出式子）。
10.2.2 单项选择题
1. 如图所示，该U 型管的粗、细两管的半径分别为0.05cm 和0.01cm 。
若将密度30.80.g cm U ρ-=∆的液体注入型管中，测得细管液面比粗管的液面高h=
2.2cm ，
(γ=l 利用上述数据便可求得该液体的表面张力 ）。
设该液体与管壁能很好润湿，即0θ=︒。
选择填入:(a)5.20×31313110.;()10.7910.;()12.8210.;N m b N m c N m ------⨯⨯(d)因数据不足，无法计算。
2. 在100℃，大气压力为101.325kPa 下的纯水中，如有一个半径为r 的蒸汽泡，则该蒸汽泡内的水的饱和蒸汽压r p ( )大气压力0p 0p ;若不考重力的作用，则蒸汽泡受到的压力为（ ）。
选择填入：（a ）大于；0p （大气压力）-p ∆（附加压力）；(b)大于；0p ＋p ∆；(c)小于； o p p -∆；(d)小于；o p p +∆。
3. 在T ，p 一定的条件下，将一体积为V 的大水滴分散为若干小水滴后，在下列性质中，认为基本不发生变化的性质为（ ）。
选择填入：(a)表面能； (b)表面张力；（c ）弯曲液面下的附加压力；（d ）饱和蒸汽压。
4. 在室温、大气压力下，用同一支滴管分别滴下同体积的纯水和稀的表面活性剂水溶液（其密度可视为与纯水相同）则水的滴数1n 与稀表面活性剂溶液的滴数2n 之比，即12
/n n
（ ）。
选择填入：（a ）大于1；（b ）小于1；（c ）等于1；（d ）无法比较。
5．已知在25C 下，水与汞、乙醚与汞和乙醚与水的界面张力2(/)H O Hg γ，2522522{()/}{()/}C H O Hg C H O H O γγ和分别为375，379和10.71mN m -⋅，则当水滴在乙醚与汞的界面上时的铺展系数S=( )1
mN m -⋅。
选择填入：（a ）743.3×310-;（b ）6.7×310- ;(c)14.7×310-；(d)-6.0×310-。
6. 在一定T,P 下，无论何种气体在固体表面上的吸附过程的熵变一定是（ ），而焓变H ∆也一定是（ ）。
选择填入：（a ）大于零；（b ）等于零；（c ）小于零；（d ）无法判定。
7. 朗缪尔所提出的吸附理论及所推导出吸附等温式（ ）。
选择填入：（a ）只能是用于化学吸附；（b ）只能用于物理吸附；(c)适用于单分子层吸附；（d ）适用于物理吸附和化学吸附。
8．在恒T,P 下，于纯水中加入少量表面活性剂时，则表面活性剂在表面层中的浓度（ ）其在本体中的浓度，此时溶液的表面张力（ ）纯水的表面张力。
选择填入：（a ）大于；(b)等于；（c ）小于；（d ）可能大于也可能小于。