《表面物理与化学》期末考试题及答案

《表面物理与化学》期末考试
1、水能完全润湿毛细玻璃管，现有两端半径不同的毛细管，里面有少量水，当在毛细管左端（半径大）加热时，毛细管内水向哪一端运动？理由？若是毛细管半径相同呢？（10分）
答：（1）毛细管内水向半径小的一端移动。

（2）因为在完全润湿的情况下，液面呈凹形，附加压力指向液体外部，即左边向左，右边向右，加热前处于平衡状态。

根据杨—拉普拉斯公式，当表面张力相同时，液体的附加压力与曲率半径成反比。

半径大的毛细管曲率半径大，因此附加压力小，所以会向半径小的一端移动。

（3）半径相同时，也会向右移动。

因为加热也会使表面张力变小，也就是说左边的附加压力小了，所以向右移动。

2、在纯水面上放置一个小纸船，此时纸船静止，如果在纸船的船尾上涂抹肥皂，则会如何？解释现象。

（10分）
答：纸船会轻微前行。

因为纸船放到静止的水面，以船底为边界，作用在边界周围的表面张力大小相等，方向相反，纸船当然静止不动。

但当船尾涂了肥皂后，由于表面活性剂的作用，尾部表面张力变小，头部表面张力未变，所以小船在这不等的表面张力作用下，会自动向前方移动。

3、用三通活塞，在玻璃管的两端吹两个大小不等的肥皂泡，当将两个肥皂泡相通时，两个泡的大小有何变化？（10分）
答：小泡变小，大泡变大，直到两边曲率半径相等时，达到平衡。

因为肥皂泡是曲面，表面上指向曲面圆心的附加压力，根据杨—拉普拉斯公式，曲率半径越小，附加压力越大。

小泡受的附加压力比大泡大，则小泡内部的平衡压力也比大泡大。

当活塞打开后，压力稍高的小泡中有部分空气向大泡转移，所以小泡变小，大泡变大。

直到小泡消失，变成一个曲率半径与大泡的曲率半径相等的一条弧线，才达到平衡。

4、如果在一杯含有极微小蔗糖晶粒的蔗糖饱和溶液中，投入一块较大的蔗糖晶体，在恒温密闭的条件下，放置一段时间，这时该溶液有何变化？（10分）答：任何物质的饱和溶液，当其中存在着大小不同的被溶解物质晶态物质时，实际上这些大小不同的同种晶态物质的溶解度是不同的，晶粒越小越微，其溶解度越大。

对于小的尚未达到饱和，对于大的晶体已经过饱和。

因此，将这饱和溶液长期放置后，微晶、小晶体便逐渐消失，而大块晶体却逐渐增大。

5、举例说明表面活性剂在有机合成和纳米材料制备中的应用。

（10分）
答：（1）表面活性剂在有机合成中的应用：
表面活性剂是一种具有亲水亲油结构并具有降低表面张力，减小表面能，能对溶液进行乳化，润湿，成膜等功能的有机物，能对乳液进行乳化，润湿，成膜等功能的有机化合物。

例如：水溶液中胶束催化的作用，在表面活性剂水溶液中对化学反应起重要作用的因素有反应物质与胶束之间的静电相互作用力、疏水相互作用力、氢键作用力以及水介质的构型变化等。

这些因素的影响导致基质在胶束表面、胶束核和胶束附近浓集,从而使分子有效碰撞频率增高,反应速度增大。

反胶束的形成是依靠极性基间的氢键相互作用和偶极子的相互作用而产生的。

以极性基结合在一起形成内核，该内核有溶解水的能力。

反胶束的极性核溶入水中形成“水池”，水池中的水在黏度酸度和极性等物理性质上与常态水不同，它可以溶解亲水性物质，包括生物大分子，也可以作为酶催化反应的微反应器，还可以合成纳米粒子提供反应空间，因此反胶束有着广泛的应用前景。

阳离子，阴离子，非离子型表面活性剂都可以形成反胶束，通常表面活性剂还需要加入少
量的助表面活性剂，才能形成稳定的反胶束溶液。

这些助表面活性剂可以用来调节溶剂的极性，改变反胶束的大小分布。

②三苯乙烯基苯酚(TSP)聚氧乙烯醚/硫酸盐（磷酸盐）取代OP系列，可配制浓缩悬浮液和微乳农药。

以C8~C10 脂肪酸甲酯代替芳烃等有机溶剂制备浓缩的微乳农药。

微乳介质有机反应，提高速度（芥子气碱式水解）和选择性（苯酚硝化）。

（2）表明活性剂为纳米材料的合成和结构设计提供了多样性和自主性的方法，可得到表面活性剂在纳米材料制备中起到如下几方面作用：
①纳米微粒大小与形貌的调控作用。

②纳米材料表面的改性作用。

如亲水基团与表面基团结合生成新结构，赋予纳米微粒表面新的结构；降低纳米微粒表面能，使纳米微粒处于稳定状态。

③纳米材料结构控制作用。

例如：表面活性剂用于辅助水热法合成纳米材料。

利用阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵辅助水热法，通过控制前驱物的浓度，CTAB的浓度等实验条件，制备二氧化钛纳米溶胶。

6、实验发现，高分子乳液涂料的最低成膜温度随乳液粒子的尺寸的减小而有所降低，试解释之。

（10分）
答：一般分子的分子量越大，玻璃化温度越高，反之分子量越小，玻璃化温度越低，最低成膜温度也是一样的。

1951年Dillon等人提出乳液膜成形机制，假设聚合物粒子的表面张力驱使粒子凝聚成膜，并应用Frenkel的模型，描述通过粘性流动球形粒子凝聚的情况，θ=3γt/2πηr。

推论出公式：2
其中θ为凝聚半角，γ为表面张力，t为时间，η为聚合物乳液粒子的粘度，r为乳胶粒子的半径。

有公式可知，对固定的体系，表面张力，时间，黏度都是不变的量，唯一可变化的量是乳液粒子的半径，即乳液粒子的尺寸是关键的变量。

即乳液粒子半径减小，凝聚半角增大，也即是小粒子乳液更易凝聚。

这表明了乳液的粒度对成膜性能有影响。

最低成膜温度（MFT）是粒度的函数，所以高分子乳液涂料的最低成膜温度随乳液粒子的尺寸的减小而有所降低。

7、水蒸气骤冷会发生过饱和现象，在夏天的乌云中，用飞机撒干冰微粒，使气温骤冷到293K ，此时水气的过饱和度（p r /p 0）达4。

已知此温度水的表面张力为0.07288N/m ；密度为997Kg/m 3，试计算（1）在此时形成的液滴半径。

（2）每滴水中所含的分子数。

（20分）
答：（1）根据开尔文公式可得： 3
100220.072881810ln ln 4;7.7910;8.314293997r p M r m p RTr r σρ-⨯⨯⨯====⨯⨯⨯⨯
计算后得：r=7.79×10-10 m
（2）设雨滴为球形，则雨滴中的水分子数为：
3332323344(7.7910)997336.02310 6.0231066()1810
r N M πρπ--⨯⨯=⨯⨯=⨯⨯=⨯个
8、结合《表面物理与化学》课程，论述其基本原理在拟从事研究课题中的实际应用。

（20分）
答：我们实验室主要研究方向为免处理热敏CTP 版材，其中乳液聚合方法在橡胶的合成、塑料的合成以及树脂涂料等高分子材料的生产领域中得到了广泛的应用，而乳化剂是乳液聚合反应中重要的组成部分，因此，选择合适的乳化剂对乳液聚合反应非常重要。

乳化剂的作用是通过减小油相与水相之间的界面张力，从而将油相在水相中进行分散。

同时，乳化剂还对聚合物分子质量、分子质量分布以及乳液的粘度和粒径都有影响，从而影响乳液的稳定性。

乳化剂分子的构成包括极性基团和非极性基团，如果乳化剂分子亲水性较强，就会使单体易在水相中发生聚合。

相反，如果乳化剂分子的疏水性较强，则会使聚合发生在油相。

因此，乳化剂自身亲水和亲油性基团的适当协调对乳液聚合具有重要作用。

乳化剂的选择方法：（1）HLB 法，其意为亲水亲油平衡，是Griffin 在1949年为筛选乳化剂而提出的定量参数，该值反映了乳化剂分子亲水或亲油性的强弱。

每个乳化剂都有一个HLB值，HLB值越高，表示该乳化剂的亲水性越强。

（2）PIT法，非离子型表面活性剂溶液随温度升高，其亲水基的水化程度减少，从而出现浑浊。

非离子型乳化剂随温度升高，亲水性减弱，亲油性增强，其制备的乳液会从O/W型乳液转变为W/O型乳液，这个引起乳液类型转变的温度称为相转变温度，由Shinoda在1968年提出。

PIT对乳业稳定性和HLB的变化都很敏感，比HLB对乳化剂的选择更有利。

按活性基团的不同可以将乳化剂分为阴离子型、阳离子型、非离子型和两性离子型四类。

阴离子型表面活性剂顾名思义在水相中电离时产生负电荷的离子。

按照其亲水基可分为：羧酸盐型、磺酸盐型以及硫酸盐型等。

在表面活性剂的生产工业中，阴离子型表面活性剂在行业中应用广泛、种类繁多。

其中产量大、应用范围广的阴离子型表面活性剂分别是硫酸盐型和磺酸盐型。

非离子型表面活性剂在水相中不会电离，其在水相中以中性的分子形式存在。

与非离子型表面活性剂不同，两性离子型表面活性剂分子中通常含有一个或多个正、负电荷中心。

与阴离子型和非离子型表面活性剂相比，阳离子型表面活性剂在水相中电离时产生带正电荷的活性离子，亲水基主要为氮离子，也有磷、硫、碘等原子。

阳离子表面活性剂不仅易在带负电的物质上吸附成膜，而且比阴离子和非离子表面活性剂具有更强的灭菌、防静电等功能。

在乳液聚合体系中，引发剂的用量对单体的转化率、乳胶粒的粒径大小及分布也会产生影响。

引发剂的用量过少时，单体反应不完全，用量过大时，易造成乳液聚合过程的不稳定。

因此，引发剂的用量只有在合适的范围内时才有利于提高单体的转化率以及乳液聚合的稳定性。

另外，反应温度对乳液聚合的影响也不容忽视。

一般情况下，引发剂的分解速率随反应温度升高而变快，分解半衰期也会变短。

选择引发剂时，引发剂必须能够溶解在油相或者分散介质中。

在乳液聚合反应中，过硫酸盐类引发剂在水中溶解性较好。