上海交通大学物理化学 部分试题 表面现象
上海交通大学物理化学PPT 界面现象详解
7.1表面张力和表面吉布斯函数
表7.1.1 一些常用体系的表面张力及界面张力 /mN t/0C 表 面 ·m－1 20 72.7 空气 - 水 30 71.4 空气 – 水 22.3 空气 - 乙醚 20 20.1 空气 - 乙醚 25 20 28.9 空气 – 苯 20 486 空气 –汞 空气–铜（l） 1200 1160 空气–铁（l） 1500 950 界 面 水 苯 水 水 水 水 水 水 - 汞 - 汞 - CCl4 - 乙醚 - 苯 - 丁苯 –正庚烷 –正丁醇 t/0C 20 20 20 55 25 25 20 20
从表上可以看出，当将边长为10-2m的立方体分割成10-9m 的小立方体时，比表面增长了一千万倍。 可见达到nm级的超细微粒具有巨大的比表面积，因而 具有许多独特的表面效应，纳米颗粒已成为新材料和多相 催化方面的研究热点。
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7.1表面张力和表面吉布斯函数
7.1 表面张力和表面吉布斯函数 7.1.1 表面吉布斯函数
¶ As 桫
（7.1.2）
T , p , nB
式（7.1.2）中的物理意义是：等温、等压条件下 增加单位表面积时所引起的体系吉布斯函数的变 化，即对一定的液体，等温、等压条件下单位表 面积的表层分子比相同数量的内部分子多余的吉 布斯函数，故称为表面吉布斯函数（或称比表面 能），单位为J· m－2。 2018/9/4 17
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7.2 弯曲液面的性质
7.2.1弯曲液面的附加压力 1．弯曲液面的附加压力
p p内 p外
液珠（凸液面） 气泡（凹液面）
物理化学表面现象练习题含答案及详细讲解
物理化学表面现象练习题一、判断题:１、只有在比表面很大时才能明显地瞧到表面现象,所以系统表面增大就是表面张力产生的原因。
2、对大多数系统来讲,当温度升高时,表面张力下降。
３、比表面吉布斯函数就是指恒温、恒压下,当组成不变时可逆地增大单位表面积时,系统所增加的吉布斯函数,表面张力则就是指表面单位长度上存在的使表面张紧的力。
所以比表面吉布斯函数与表面张力就是两个毫无联系的概念。
４、恒温、恒压下,凡能使系统表面吉布斯函数降低的过程都就是自发过程。
5.过饱与蒸气之所以可能存在,就是因新生成的微小液滴具有很低的表面吉布斯自由能。
６.液体在毛细管内上升或下降决定于该液体的表面张力的大小。
7、单分子层吸附只能就是化学吸附,多分子层吸附只能就是物理吸附。
８.产生物理吸附的力就是范德华力,作用较弱,因而吸附速度慢,不易达到平衡。
9.在吉布斯吸附等温式中,Γ为溶质的吸附量,它随溶质(表面活性物质)的加入量的增加而增加,并且当溶质达饱与时,Γ达到极大值。
10.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。
１1.表面活性物质就是指那些加入到溶液中,可以降低溶液表面张力的物质。
二、单选题:１、下列叙述不正确的就是:(A) 比表面自由能的物理意义就是,在定温定压下,可逆地增加单位表面积引起系统吉布斯自由能的增量;(B)ﻩ表面张力的物理意义就是,在相表面的切面上,垂直作用于表面上任意单位长度切线的表面紧缩力 ;(Ｃ)ﻩ比表面自由能与表面张力量纲相同,单位不同 ;(D) 比表面自由能单位为J·m-2,表面张力单位为Ｎ·m-1时,两者数值不同。
2.在液面上,某一小面积Ｓ周围表面对S有表面张力,下列叙述不正确的就是:(Ａ) 表面张力与液面垂直;ﻩﻩ(B) 表面张力与S的周边垂直 ;(C) 表面张力沿周边与表面相切;(D)ﻩ表面张力的合力在凸液面指向液体内部(曲面球心),在凹液面指向液体外部。
物理化学中的表面现象与界面反应
物理化学中的表面现象与界面反应表面现象是指在物质的表面上出现的各种物理和化学现象。
物质表面与外部环境之间存在一个界面，即物质界面，它是物质内部与外部之间的接触面。
在界面上，物质的性质和结构发生改变，出现了许多特殊的现象，如：界面张力、表面活性、润湿和粘附等。
这些现象的研究是物理化学的重要内容。
一、表面张力表面张力是指作用于单位长度的表面力。
它是由于表面层的分子流动相互作用力而产生的，是表面层中分子间的相互吸引力所造成的。
在液体表面上，分子间相互吸引，使分子排列紧密并减少对表面外侧的吸引，形成了表面张力。
表面张力的大小与表面层的分子结构及温度、压强等因素有关。
二、表面活性表面活性是指某种物质在其水溶液或油溶液中，能够降低界面张力、提高界面活性和增强润湿性的一种特殊的物理化学现象。
表面活性物质分子结构多样，但一般具有亲水性头部和疏水性尾部。
它们在水溶液中通常以胶束的形式存在，胶束内部的疏水尾部朝向内部，亲水头部朝外面与水相接触，从而降低了水的表面张力。
三、润湿现象润湿是指液滴在固体平面上的表现。
液滴的表面张力使它尽量减少表面积，因此，液滴在平面上呈现出高度凸起的形状。
但当液态物质的表面张力小于或等于固体表面的吸引力时，会出现润湿现象。
液态物质能够在固体表面自由流动且无限制地扩散，这是因为在液态物质和固体表面之间形成了一层“滑动层”，如果在固体表面上形成了一个无透性层，则不能发生润湿现象。
润湿现象在实际应用中很常见，如涂装、工业表面处理等。
四、粘附现象粘附是一种介于吸附和润湿之间的现象。
即在两种物质的接触面上，发生一种相互吸引的力，使物质结合紧密，难以分离。
粘附现象常出现在固体表面和模具、工具等接触的磨损、过热等现象中。
粘附强度与粘附面积、表面结构、粘接物质量等因素有关。
五、界面反应界面反应是指在两种物质的界面处发生的各种化学反应。
它与表面化学、电化学等密切相关，并在制药、冶金、电子、材料等领域具有广泛的应用。
大学物理液体表面现象习题答案
第五章 液体表面现象习题答案8、 如图所示。
用金属框测定肥皂液的表面张力系数时，测得重物A 和滑动横杆B 的重量共0.64克，横杆长8厘米，试计算肥皂液的表面张力系数。
厘米，试计算肥皂液的表面张力系数。
【解】：α=F/2ι= 0.64×10-3×10/(210/(2××8×10-2)=0.040N/m (注:肥皂液膜为二层液面肥皂液膜为二层液面) )9、已知水的表面张力系数α＝7.37.3××10-2牛顿牛顿//米，大气压强Po Po＝＝1.01.0××105帕。
帕。
(1) 计算空气中直径为2.02.0××10-5米的水滴内的压强。
米的水滴内的压强。
(2) 计算湖面下10米深处直径为2.02.0××10-5米的气泡的压强。
米的气泡的压强。
(取g=l0米／秒2)【解】：（1）P =P O +2α/R = 1.0×105+2+2××7.37.3××10-2/(1.0/(1.0××10-5) =1.15×105 Pa（2）P =P O +ρgh + 2α/R = 1×105 + 103×1010××10 + 2×7.37.3××10-2/(1.0/(1.0××10-5)=2.146×105 Pal0、试计算将一肥皂泡从半径为R 吹到2R 所需的功。
所需的功。
((肥皂液的表面张力系数为α)。
【解】： ΔW = ΔE =αΔS = α×2×4π[(2R)2 -R 2] = 24παR 211、 在内半径r ＝0.3毫米的毛细管中注水毫米的毛细管中注水((如图所示如图所示))，水在管下端形成向外凸的球面。
物理化学电子教案16表面现象习题解答-疑难点.docx
存在pl=pg-Ap,因此P1＜pg，液体内部的压力小于外压。由于液体压强貝有传
递性(帕斯卡原理)，因此拉开玻璃板需要克服的压力为F=Ap Ao使在垂直玻璃 板平面的方向把两块玻璃分离变得困难。
若玻璃板涂一层蜡，由于水不能润湿蜡，形成的的是凸液面，Ap>0,即附加压 方向指向液层内，存在pl=pg+Ap,即pi >pg,液体内部的压力大于外压。这据拉普拉斯公式，球形曲面：竺=旦,弯曲液面受到的附加压力",r
其大小与表而张力"成正比，与曲率半径厂成反比。
(1)a.凹液面，[左Vi•右，Ap左＞Ap右，因此液体向左移动；
b凸液面，液体向右移动
(2)液体的表面张力o随温度的升高而下降，毛细管半径随温度升高而变大，Ap降低。a管液柱向右移动。b管液柱向左移动。
若从状态I改变至状态II,体系吉布斯能的变化
AG= （2（7s,a+久卩）一 （"S,a+%,卩）=%,卩+丙,a-空卩〉0该过程不会口发进 行；
若从状态I改变至状态III,体系吉布斯能的变化
△G=（2as,p+久，卩）—（（7S,a+冬卩）=^S,0+%卩一呱!>0该过程 也不会自发进行。因此，药粉s只能分布在液体a、卩之间的界而上。
2.有一杀虫剂粉末，欲分散在一适当的液体中以制成混悬喷洒剂，今有三种液 体(1, 2, 3),测得它们与药粉及虫体表皮之间的界面张力关系如下：
。粉＞°i-粉"衣皮v°表皮.]+0]
"粉＜° 2■粉°农皮〉°後皮・2 + ° 2
°粉＞° 3-粉°衣皮〉°表皮-3+ ° 3
物理化学-表面现象
定量计算：在一定T和外压下，半径为r的液滴 满足下述公式。
ln pr* 2M P * RTr
Kelvin公式(掌握)
Kelvin 公式导出了在指定温度下液体的蒸气压和曲 率半径之间的关系。
ln pr* 2M P * RTr
ln pr* 2M ( 1 1 ) P * RT r2 r1
Pr*：半径为r小液滴的蒸气压 P*：正常的蒸气压值（查手册） r：小液滴的曲率半径 σ：液体的表面张力 M：液体的摩尔质量 ρ：液体的密度
影响表面张力的因素(了解)
1）纯物质的表面表面张力与分子的性质有关：
(金属键)> (离子键)> (极性共价键)> (非极性共价键)
2）和形成相界面的另一相有关 两相之间密度和两相分子间的相互作用力不同
3）和温度有关：T 分子运动 ～分子间作用力 两相密度差 表面能 (压力则影响较小)
4）和组分有关 第四节讨论
例：
液体内部分子所受的力 可以彼此抵销；表面分子受 到体相分子的拉力大，受到 气相分子的拉力小，合计受 到被拉入体相的作用力。
界面现象的本质：表面分子受不对称力的作用 结果：表面分子具有高能量
表面Gibbs能(surface Gibbs energy)
以l-g 表面为例，液体表面分子与内部分子受力情况不同 (密度/相互作用)
表面的热力学关系式
根据多组分热力学的基本公式
dU TdS pdV m BdnB B
U U S,V ,nB
对需要考虑表面层的系统，由于多了一个表面相， 在体积功之外，还要增加表面功，则基本公式为
dU TdS pdV dA mBdnB
B
U U (S,V , A, nB )
考虑了表面功的热力学基本关系式为：
物理化学表面现象选择题及解析练习题
表面现象1．对于大多数体系来说，当温度升高时，表面张力下降。
A．正确 B 错误[解]A，一般来说，温度升高，分子之间的力减弱，两相的密度差减小，所以表面张力下降。
（考察内容为影响表面张力的因素）2．表面张力在数值上等于定温定压，组成恒定下，系统可逆的增加单位表面积时环境对系统所作的非体积功。
A．正确 B 错误[解]A，,这个公式成立的条件就是等温等压可逆过程，所以表面张力就是在等温等压下，可逆的增加单位表面积时环境对系统做的非体积功（课本268页最上面）3.弯曲液面产生的附加压力的方向总是指向曲面的曲率中心。
A．正确 B 错误[解] A4.分子间力越大的液体，其表面张力越大。
A．正确 B 错误[解]A，表面张力的就是由于表面分子受到的不平衡的力而产生的表面张力，所以分子间作用力越大，表面张力越大。
5.垂直插入水槽中一支干净的玻璃毛细管，当在管中上升平衡液面处加热时，水柱会上升。
A．正确 B 错误[解]B ，水在毛细管中呈凹液面，根据毛细管上升公式 ，θ<90。
当在液面处加热的时候σ减小，h 会减小。
（课本P279页图8-12即为毛细管插入水中的示意图，可见是凹液面）6.体系表面积增大过程中得到的表面功等于吉布斯自由能的增加量。
A ．正确B 错误[解]B ，少了前提条件等温等压组成不变，可逆的增加表面积。
（解析同2）7.已知20℃时水的表面张力为121028.7--⋅⨯m N ，在此温度和压力θp 下降水的表面积可逆增大10cm 2时，体系的G ∆等于（）A.J 51028.7-⨯B.J 51028.7-⨯-C.J 11028.7-⨯D.J 11028.7-⨯-[解]A ，A G ∆⋅=∆σ＝7.28×10－2×10×10－4＝J 51028.7-⨯8．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[解]C ，gRh ρθσcos 2=，从公式中看出与大气压力无关。
物理化学核心教程(第二版)思考题习题答案—第9章 表面现象
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答：各管情况如下：b 管与 a 管的液面一样高；c 管的液面到管口，弯月面形状与 a 管相似，水不可能在 c 管中溢出；d 管的液面也到管口，弯月面形状与 a 管相似，水不可能 在 d 管中滴下；e 管的液面到管径变粗处，弯月面形状与 a 管相似；f 管内壁涂有石蜡，水 与管壁的接触角变大，水不能润湿涂有石蜡的内壁，管内液面呈凸面，附加压力向下，液面 会下降至水平面以下；g 管内径大，管内液面接近平面，附加压力很小，液面基本无变化。 将水灌满后让其自动下降时，其余的都与上面相同，只有 e 管有变化。e 管的液面与 a 管的液面一样高。 14．有一个油水混合物，水的质量分数为 75%，柴油为 25%，明显地分为两层。如果 将混合物强力搅拌，得到了一个均匀液体，但是静置后又会分层，这是为什么？如果在混合 溶液中加入适量的表面活性剂（乳化剂） ，再强力搅拌后，得到的均匀液体就不再分层，这 又是什么原因？ 答：水与柴油的混合物在被强力搅拌后，水和柴油都被分散成微小的液滴，表面积增加 很大，表面能变得很高，是热力学不稳定系统。所以在静置的时候，各自的小液滴自动聚合 以缩小表面积，所以又恢复到原来的分层状态。但是，加入适量的乳化剂后，这种乳化剂的 功能就是减小两种液体之间的界面张力， 优质的乳化剂可以使界面张力接近于零， 这样两种 液体被乳化后，以微小液滴的形式相互混合，系统总的表面能比混合之前还要低，所以是稳 定系统，一般不会再分层。 15．常用的洗涤剂中为什么含有磷？有什么害处？ 答：洗涤剂中要加多种成份，其中三聚磷酸钠作为助剂加入，含量可达 20%以上。主要作 用是提高润湿效果、增加洗涤剂碱度、促进油污乳化、减少不溶性物质在织物表面再沉积等 作用。 但是， 洗涤废水排入江河以后， 含磷成份促进藻类疯长， 影响鱼虾繁殖。 江苏的太湖， 受磷化合物的污染特别严重，以至被蓝藻污染的湖水无法饮用。沿湖几大城市已决定，自 2000 年 1 月 1 号起，禁止使用含磷洗涤剂，使用新型的无磷洗涤剂，以保护人们生存的环 境。 16．锄地保墒是什么意思？ 答：大雨过后，泥土润湿，团粒结构受到毛细管压力的作用彼此靠紧，形成无数毛细管 并彼此联接，直通地面。地下水由于毛细作用顺着毛细管上升，到地面蒸发，减少了土壤的 水分，使庄稼长势不良，严重时会导致庄稼枯萎。所以，雨过天晴后，一定要将处于地表的 泥土锄松，切断与深层联结的毛细管，保持地下水不被蒸发，长期供庄稼使用。处于表层中
物理化学第九章--表面现象
p0
A
ps
p0 − ps
ps
p0
附加压力总是指向曲面的球心
A
溶液
9.2.2 Laplace 公式 在毛细管内充满液体，管端有的球状液滴半径为 ′与之平衡。 在毛细管内充满液体，管端有的球状液滴半径为R′与之平衡。 液滴所受总压为: 液滴所受总压为 对活塞稍加压力: 对活塞稍加压力 液滴体积增加dV 液滴体积增加 相应表面积增加dA 相应表面积增加 s 克服附加压力p 克服附加压力 s所做的功等于可 逆增加表面积的Gibbs自由能 自由能 逆增加表面积的
边长10 → 边长 -2m→10-9m，比表面增长了一千万倍。 ，比表面增长了一千万倍。 高度分散的物质系统具有巨大的表面积， 高度分散的物质系统具有巨大的表面积，往往产生明显 的界面效应，因此必须充分考虑界面性质对系统的影响。 的界面效应，因此必须充分考虑界面性质对系统的影响。
9.1.2 表面自由能 表面功 δWf,R= γdAS ( )T,P,nB δWf,R= (dG)T,P,R
溶液的过饱和现象— 溶液的过饱和现象
亚 稳 状 态
液体的过冷现象— 液体的过冷现象
毛细凝聚
9.4 溶液的表面吸附
9.4.1 表面活性物质与非表面活性物质 (1) 非表面活性物质 无机盐和不挥发的酸、 无机盐和不挥发的酸、碱 (2) 表面活性物质 碳链较短的脂肪酸、 碳链较短的脂肪酸、醇、 胺等有机化合物。 酮、醛、胺等有机化合物。 (3) 表面活性剂 碳氢链中含有8个碳以上的 碳氢链中含有 个碳以上的 有机酸的各种盐 转折处的极小值 转折处的极小值 : 杂质的影响
p↑，气体分子易被液面吸附 ↑ 气体分子易被液面吸附; 一般p↑ 液体的 一般 ↑,液体的γ↓，因为 p↑，气体在液体中的溶解度增加。 ↑ 气体在液体中的溶解度增加。
物理化学第十章表面现象
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第十章表面现象日常自然界中许多现象与界面的特殊性质有关，例如： 1.汞在光滑的玻璃上呈球形，在玻璃管中呈凸形。
2.水在光滑的玻璃上完全铺展，在玻璃管中上升，呈凹形。
3. 固体表面会自动吸附其它物质。
4. 微小液滴更易于蒸发。
表面现象：发生在相界面上的物理化学现象产生表面现象的主要原因：就是处于表面层中物质的分子与系统内部物质的分子在力场上存在差异；或从能量的角度来看，也可以解释成为处于表面层的分子比内部分子具有较高的能量。
比表面：就是指每单位体积的物质所具有的表面积，用比表面Αs来表示 A 即：As=V§10.1表面张力一、液体的表面张力，表面功及表面吉布斯函数物质表面层的分子与体相中分子所处的力场是不同的。
以气-液表面分子与内部分子受力情况为例，液体内部的任一分子，皆处于同类分子的包围之中，平均来看，该分子与周围分子间的吸引力是球形对称的，各个方向上的力彼此抵消，其合力为零。
然而表面层的分子处于不对称的环境中。
液体内部分子对它的吸引力，远远大于液面上蒸气分子对于它的吸引力。
使表面层分子受到指向液体内部的合力。
因而液体表面的分子总是趋向移往液体内部，力图缩小表面积。
§10.1表面张力在宏观上表面张力表现:（a）(b)图10－2表面张力的作用图10－3表面功示意图§10.1表面张力为了准确地讨论表面张力的物理意义，人们又理想化设计了一个模型，比表面功δWr' = γ dA γ可理解为：使液体增加单位表面时环境所需作的可逆功，称比表面功。
单位：J m-2 δWr' γ=仅仅是用来增加系统的表面积: δW ' = f dx rdA δWr' = dG的物理意义：等温等压下增加单位表面积所引起的系统吉布斯函数的变化。
γ有两种意义 :既是表面张力又是比表面吉布斯函数γG γ = A T , P , N§10.1表面张力二、界面的热力学方程dU = TdS pdV + δWr' + Σ B dnBdH = TdS + Vdp + δWr' + Σ B dnBdA = SdT pdV + δWr' + Σ B dnBdG = SdT + Vdp + δWr' + Σ B dnBδ W r' = γ dAU γ = A S ,V , NH A G γ = = = A S , p , N A T ,V , N A T , p , N§10.1 表面张力三、影响表面张力的因素：（1）表面张力与物质的本性有关表面张力是分子之间相互作用的结果，不同的物质其分子间的作用力不同，表面张力也不相同。
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表面现象
1、 已知20℃时水-空气的界面张力为7.275×10-2N/m ，当在20℃和p θ下可逆的增大水的表面积4cm 2时，物系的G Δ将是 2.91×10-5J 。
4、 憎液固体，其表面不能为液体所润湿，其相应的接触角θ是 θ>90° 。
5、 在相同温度下，同一液体被分散成具有不同曲率半径的分散物系时，将具有不同的饱和蒸气压。
以p p p 凹凸平、、分别表示平面，凹面和凸面液体上的饱
和蒸气压，则三者的关系是 p p p >>凸凹平 。
7、 弗劳因德利希（Fleundlich ）的吸附等温式
n x kp m
=适用于 中压 。
8、 通常称为表面活性物质的就是指当其加入于液体中后 能显著降低液体的表面张力 。
9、 讨论固体对气体的等温吸附的兰缪尔（Langmuir ）理论其最重要的基本假设为 吸附是单分子层的 。
10、两亲分子作为表面活性剂是因为 在界面上定向排列降低了表面能 。
11、液体在能被它完全润是的毛细管中上升的高度反比于 毛细管半径 。
16、描述固体对气体吸附的BET 公式，是在兰缪尔理论的基础上发展而得的，它与兰缪尔理论最主要区别是认为 吸附是多分子层的 。
19、对大多数液体其表面张力随温度的变化率 d 0d T
σ< 。
20、若在固体表面上发生某气体的单分子层吸附，则随着气体压力的不断增大，吸附量是 逐渐趋向饱和 。
21、如图1在毛细管里装入润湿性液体，
当毛细管左端加热时，则管内的润湿
性液体将 向右移动 。