第十三章 表面物理化学

第十三章表面物理化学

一、思考题

1.因吉布斯自由能越低，体系越稳定，所以物体总有降低本身表面吉布斯自由

能的趋势。纯液体、溶液和固体，它们各采用什么方法来降低表面能以达到稳定状态。

2.为什么泉水、井水都有比较大的表面张力？将为什么当把泉水小心注入干燥

杯子时，水面会高出杯面？这时加一滴肥皂液将会发生什么现象。

3.纯水在某毛细管中上升的高度为h，当把毛细管折断一半，水能否从官顶冒

出？若把1

2

h长的毛细管头部弯曲向下，水能否从管口滴下？为什么？

4.为什么气体吸附在固体表面一般总是放热的？而确有一些气—固吸附是吸热

的（如H2在玻璃上的吸附），如何解释这种现象？

5.为什么气泡、液滴、肥皂泡等等都呈圆形？玻璃管口加热后会变得光滑并缩

小（俗称圆口），这些现象的本质是什么？

6.为什么小晶粒的熔点比大块的固体的熔点略低而溶解度却比大晶粒大？

7.为什么吸附法测固体比比表面的实验一般在比压0.05～0.35之间进行？

8.把大小不等的液滴封在一玻璃罩内，隔相当长时间后，估计会出现什么现象？

9. 判断下列说法是否正确

1). 比表面Gibbs函数是指恒温、恒压下，当组成不变时可逆地增大单位表面积

时，系统所增加的函数，表面张力则是指表面单位长度上存在的使表面张紧的里力。所以表面Gibbs函数与表面张力是两个根本不同的概念。

2).只有在比表面很大时才能明显地看到表面现象，所以系统表面增大是表面张力产生的原因。

3).对大多数系统来讲，当温度升高时，表面张力下降。

4).过饱和蒸汽压之所以可能存在，是因为新生成的微小液滴具有很大的比表面Gibbs函数。

5).液体在毛细管内上升或下降取决于该液体的表面张力的大小。

6).单分子吸附只能是化学吸附，多分子层只能是物理吸附。

7).由于溶质在溶液的表面产生吸附，所以溶质在溶液表面的浓度大于它在溶液内

部的浓度。

8).表面活性物质是指那些加入到溶液中，可以降低溶液表面表面张力的物质。

9).Langmuir 等温吸附理论指适用于单分子层吸附。

10).两亲类物质均可以作为表面活性剂。

11). 表面活性剂的作用在于其降低了溶液的表面张力，表面活性剂溶液的表面张力的降低出现在浓度为CMC 时。

二、 计算题

1. 在293K 时，把半径为1mm 的水滴分散成半径为1um 的小水滴，问比表面增加了多少倍？表面吉布斯自由能增加了多少？完成该变化时，环境至少需做功若干？已知293K 时水的表面张力为0.072881N m -⋅。[答案：0.914]

2. 常温下，水的表面能σ（单位为J ⋅m -2）与温度t （单位为℃）的关系可表示为σ=（7.564×10-2-1.4×10-4t/℃）J ⋅m -2。若在10℃时。保持水的总体积不变而改变其表面积，试求：

(1)使水的比表面积可逆地增加1.00cm 2，必须做多少功？

(2)上述过程中的U ∆、H ∆、A ∆、G ∆以及所吸收的热各为若干？

(3)上述过程中，除去外力。水将自发收缩到原来的表面积，此过程对外部做功。试计算此过程中的Q 、U ∆、H ∆、A ∆及G ∆值。

[答案：(1)-7.42×10-6J ；(2) 1.14×10 -5，1.14×10 -5，7.422×10 -6，7.42×10 -6，

3.962×10 -6J ；(3) -1.14×10 -5，-1.14×10 -5，-1.14×10 -5，-7.42×10-6，-7.42×10-6J]

3.19℃时，丁酸水溶液的表面张力与浓度的关系可以准确地用下式表示

*Aln(1)Bc σσ=-+

其中*σ是纯水的表面张力，c 为丁酸的浓度，A 和B 是常数。

(1) 导出此溶液表面吸附量Γ与浓度c 的关系。

(2) 已知A=0.0131N·m -1，B=19.62dm 3·mol -1，求丁酸浓度为0.20mol·dm -3时的吸

附量Γ。

(3) 求丁酸在溶液表面的饱和吸附量∞Γ。

(4) 假定饱和吸附时表面全被丁酸分子占据，计算每个丁酸分子的横截面积为多少？

[答案：(2)4.30×10 -6mol ·m 2 (3)5.40×10 -6mol ·m 2 (4)0.3070nm 2]

4.在-192.4℃时，用硅胶吸附N2气，不同平衡压力下每克硅胶吸附N2的标准状态体积如下：

已知在-192.4℃时N2的饱和蒸汽压为1.47×105Pa，N2分子截面积为0.1620nm2。求所用硅胶的比表面。[答案：153m2·g]