武科大 物理化学 第十章界面现象习题解答
物理化学 第十章 界面现象
4. 热力学基本公式
考虑了表面功，热力学基本公式中应相应增加一项，即：
dU TdS pdV
dn
B
B
dAS
B
dH TdS VdP
dn
B
B
dAS
B
dA SdT pdV
dn
B
B
dAS
B
dG SdT VdP
dn
B
B
dAS
B
由此可得:
( U AS
Ga 0 1800 任何液体与固体间都能粘湿
在等温等压条件下，单位面积的液固界面分开产生液体表面与固体表 面所需的功称为粘附功。粘附功越 大，液体越能润湿固体，液-固结合 得越牢。
Wa Ga gl (cos 1 )
Wa o
（2）浸湿(work of immersion)
浸湿:固体浸入液体,固体表面消失，液-固界面产生的润湿过程。
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，成为新材料和多相 催化方面的研究热点。
对具有巨大表面积的分散体系，界面分子的 特殊性对体系性质的巨大影响不能忽略
界面与表面：是指两相接触的约几个分子厚度的过渡区 （界面相），若其中一相为气体，这种界面通常称为表 面。
Langmuir吸附等温式的缺点：
1.假设吸附是单分子层的，与事实不符。 2.假设表面是均匀的，其实大部分表面是不均匀的。
3.在覆盖度 较大时，Langmuir吸附等温式不适用。
§ 10.4 液—固界面
接触角 粘附功 浸湿功 铺展系数
1 接触角(contact angle)和Young equation
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)
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（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10章 界面性质
• 纯物体： γ = γ0(1－T/ Tc)n • （3）压力的影响：
• 表面张力一般随压增加而降低。
§10.2 弯曲液面的附加压力及其后果
• （1） 弯曲液面的附加压力：拉普拉斯方程
• 液面 有凸液面和凹液面两种。
• 弯曲液面的附加压力: 由于表面张力的作用,弯 曲液面的两侧存在一个压力差ΔP 。
凹面
0.0000
-9 2.9335 0.3409
-10
ห้องสมุดไป่ตู้
-8
-6
-4
-2
0
log r
• 例: 10-2 水的表面张力与温度的关系为: • γ /10－3 N.m－1 = 75.64 － 0.14 (t /℃ )
• 今将10kg纯水在 303K及 101325Pa条件下定温、 定压可逆分散成半径 r=10－ 8 m的球形雾滴， 计算：
2物理吸附和化学吸附物理吸附化学吸附吸附力分子间力化学键力吸附分子层多层或单层单分子层吸附热小液化热大化学反应热吸附稳定性不稳易解稳不易解吸在一定tp下气体在固体表面达到吸附平衡吸附的速率等于脱附速率时单位质量的固体所吸附的气体的体积
第十章 界面性质
物理化学（下册）
表面和界面(surface and interface)
• 高度分散系统的表面能:
( U AS
) S ,V ,n( B )
( H AS
)S ,P,n(B)
( A AS
)T ,V ,n( B )
( G AS
)T ,P,n( B)
• 单位表面自由能γ : 表面亥姆霍茨自由能或表面 吉布斯自由能。
• 在定温、定压、定组成下： dG T,P,n (B) = γ dAs • 产生表面现象的热力学原因:
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
15
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)
物理化学界面现象
物理化学界面现象一、选择题1. 同一系统，比表面自由能和表面张力都用γ 表示，它们( )A 物理意义相同，数值相同；B 量纲和单位完全相同；C 物理意义相同；D 前者是标量，后者是矢量相同，单位不同。
2.在液面上，某一小面积 S 周围表面对 S 有表面张力，下列叙述不正确的是( )A 表面张力与液面垂直；B 表面张力与 S 的周边垂直垂直；C 表面张力沿周边与表面相切；D 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。
3. 下列叙述正确的是( )A 比表面自由能的意义是，在定温定压下，可逆地增加单位体积引起系统吉布斯自由能的增量；B 表面张力的意义是，在相表面的功面上，平行作用于表面上任意单位长度功线的表面紧缩力；C比表面自由能单位为J.m2,表面张力单位为N.m-1时，两者数值相同；D 比表面自由能与表面张力量纲一致，但单位不同。
4.一个玻璃毛细管分别插入 25ºC 和 75ºC 的水中，则毛细管中的水在两不同温度水中上升的高度( )A 相同；B 无法确定；C 25ºC 水中高于 75ºC 水中；D 75ºC 水中高于 25ºC 水中。
5.纯水的表面张力是指恒温恒压组成时水与哪类相接触的界面张力( )A 饱和水蒸汽;B 饱和了水蒸气的空气;C 空气;D 含有水蒸气的空气。
6.已知 20ºC时水～空气的界面张力为7.27×10-2N·m-1，当在 20ºC下可逆地增加水的表面2,则系统的ΔG为 ( )积4cmA2.91×10-5J B2.91×10-1J C－2.91×10-5J D－2.91×10-1J7.对处于平衡状态的液体，下列叙述不正确的是( )A 凸液面内部分子所受压力大于外部压力；B 凹液面内部分子所受压力小于外部压力；C 水平液面内部分子所受压力大于外部压力；D 水平液面内部分子所受压力等于外部压力。
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。
武科大 物理化学 第十章界面现象习题解答
一、填空题
1、③④
2、降低=0
3、冰的表面张力大
4、矿泉水表面张力大
5、水的表面张力大
6、A
7、w’=γAs= 7.17×10-2×2×10-4=14.34×10-6J
二、计算题
10.2弯曲液面的附加压力及其后果
一、填空题
1、④
2、②
3、②
4、③
5、20℃高
6、二、计算题
解：（1）
0.483=0.0728cosθ+0.375
解之得：θ不存在，因此水可在汞的表面上铺展。
（2）
0.0728=0.483cosθ+0.375
解之得：θ=128.73º所以不能铺展。
10.5溶液表面
一、填空题
1、相同吸附其他物质
2、增大；降低；降低
3、①
4、②
5、0.0103mol/m2
6、6.054×10-8mol/m2
7、表面活性剂
8、3.08×10-19m2
9、亲水性极性基团和憎水性非极性基团
去污润湿助磨乳化去乳分散增溶
二、计算题
9、过饱和度超大
10、1.521×10-6m
11、①饱和蒸汽
12、②毛细现象
13、过饱和蒸汽过冷液体过热液体过饱和溶液
14、②向右移动
二、计算题
10.3固体表面
1、②
2、降低
3、高大
4、放热
5、物理吸附
6、单分子层吸附
二、计算题
10.4固体表面
一、填空题
1、△G△G>0
2、γ尘-液较大
3、>
4、④146.8º
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10、1.521×10-6m
11、①饱和蒸汽
12、②毛细现象
13、过饱和蒸汽过冷液体过热液体过饱和溶液
14、②向右移动
二、计算题
10.3固体表面
1、②
2、降低
3、高大
4、放热
5、物理吸附
6、单分子层吸附
二、计算题
10.4固体表面
一、填空题
1、△G△G>0
2、γ尘-液较大
3、>
4、④146.8º
10.1界面张力
一、填空题
1、③④
2、降低=0
3、冰的表面张力大
4、矿泉水表面张力大
5、水的表面张力大
6、A
7、w’=γAs= 7.17×10-2×2×10-4=14.34×10-6J
二、计算题
10.2弯曲液面的附加压力及其后果
一、填空题
1、④
2、②
3、②
4、③
5、20℃高
6、大小
7、①微小晶粒大
8、③超微毛细管
二、计算题
解：（1）
0.483=0.0728cosθ+0.375
解之得：θ不存在，因此水可在汞的表面上铺展。
（2）
0.0728=0.483cosθ+0.375
解之得：θ=128.73º所以不能铺展。
10.5溶液ห้องสมุดไป่ตู้面
一、填空题
1、相同吸附其他物质
2、增大；降低；降低
3、①
4、②
5、0.0103mol/m2
6、6.054×10-8mol/m2
7、表面活性剂
8、3.08×10-19m2
9、亲水性极性基团和憎水性非极性基团
去污润湿助磨乳化去乳分散增溶
二、计算题