界面现象题目20216

界面现象题目2021.6_文档视界界面现象习题集

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=4.85×10-1N/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？答：

dA=8

dr

=-wΓ=4.85×10-1N/mw=6.091xJ

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。而dAwdΓ=-'nVSnPSnTVnTPAUAHAFAGdApdVTdsdVdAVdpTdsdHdA

sdTpdVdFdA

sdTVdpdG,,,,,,,,???????=???????=???????=???????=ΓΓ+-=Γ++=Γ+--=Γ+-=

分子间力这一概念及其研究也仅是对一个复杂过程进行的简化。

从这一认识过程中，体会出：1.在面对一个复杂过程时，我们要想办法令其进行简化，这样才能对其进行研究，并找出隐藏在其中的原理；2.对于一个复杂问题的研究并不可能做到一步到位，而是逐渐深入，其中不乏遇到挫折和困难。所以在研究的过程中，不可急功近利；3.事物所具有的特征不可能完全相同，我们不可忽略其中的特例；4.不用的人对于同一事物的看法会有所不同，故在研究一个过程时，要集思广益，这样才能尽善尽美。

6、水蒸气迅速冷却至25℃时会发生过饱和现象。已知25℃时水的表面张力Γ=71.97N/m，过饱和蒸汽压为水的平衡蒸汽压4倍时，试计算：

（1）在此过饱和情况下，开始形成水滴的半径。

（2）此种水滴中含有多少个水分子？

答：(1)查相关表知：25℃下，水的平衡蒸汽压为3290.5Pa，即过饱和蒸汽压为：4*3290.5=13162Pa由上两式算的：r=2*71.97/13162=10.94(mm)

(2)知水的密度为：1g/m^3

水滴的体积：3*3.14*(10.94*10^(-3))^3/4=3.08*10^(-6)

水的mol质量：1.71*10（-7）

个数：1.71*10^（-7）*6.02*10^23=1.03*10^17(个)

7、有一浓度为50%摩尔分数的乙醇水溶液。溶液的表面积为Am2,取表面层进行分析，其中含有10mol的水和30mol的乙醇，试计算此时的乙醇表面过剩。

答：乙醇表面过剩量niσ=30mol

单位乙醇表面过剩量Γi=30/Amol/m2

8、当超过临界胶束浓度时，界面活性剂水溶液的表面张力为一定值，即dΓ/dlnc=0。因为吸附量与dΓ/dlnc成比例，此时若用Gibbs式求得溶液表面活性剂的吸附量必然为0，此时的结论正确与否？

答：不对，因为gibbs等温方程不可用于界胶束浓度之后，原因是临界胶束浓度后，吸附量不变且达到最大。

9、19℃时，丁酸水溶液的表面张力可以表示为：Γ=Γ0-aln（1+bc）式中Γ0为纯水的表面张力，a和b皆为常数。

答：（1）试求该溶液中丁酸的表面过剩量M和浓度c的关系。

（2）若已知a=13.1mN/m,b=19.62L/mol,试计算c=0.2mol/L时的M为若干？

（3）当丁酸的浓度足够大，达到bc≥1时，表面过剩量M∞为若干？设此时表面上丁酸成单分子层吸附，试计算在液面上每个丁酸分子所占面积。

(1)dΓ/dc=-ab/(1+bc),M=-c/RT?dΓ/dc=abc/RT(1+bc)

(2)M=13.1×19.62×0.2/[8.3145×(273.15+19)×(1+19.62×0.2)]=4.30×10-3mol/m2

(3)M≈a/RT=13.1/8.3145×(273.15+19)=5.39×10-3mol/m2

A=1/(5.39×10-3×6.022×1023)=3.08×10-22m2

10、已知20℃时，水表面张力为72.75mN/m，汞-水的界面张力为375mN/m，试计算水在汞表面的铺展系数S2/1,并判断其铺展情况。

gh

rPaρ=Γ

=2

答：Γ2=72.75mN/mΓ1＝476mN/mΓ12＝375mN/m

=476-(72.75+375)=28.25mN/m>0

故水能在汞面铺展。

11、不溶性的化合物X在水面上铺展，在低浓度下形成符合ΠA=nRT的单分子膜，如果把10-7g的X加到0.02m2的水面上，在25℃下表面张力下降0.20mN/m，试求X的分子量。答：πA=nRT

πA=mRT/M

mRT10-7*8.314*（25+273）

M=———=——————————≈62（g/mol）

πA0.2*10-3*0.02

12、回答与思考：

（1）液液界面自由焓是由哪些部分组成的？

分子间色散力偶极力金属键力

（2）如何理解只有S2/1﹥0液体2才能在液体1上铺展，此条件是否必要和充分？

如图，Г1使液滴铺展，Г2和Г12使液滴收缩，当S2/1﹥0时，表明使液滴铺展的力大于使液滴收缩的力，液滴才能铺展。此条件不是充分条件，是必要条件。因为对于微溶于水的液体应考虑溶解后的溶液的表面及界面张力，>0时才表明能铺展，不然会收缩，所以仅有S2/1﹥0不能得出能铺展。而能铺展就表明一定有S2/1﹥0。

13、把细长不渗水的两张白纸互相靠近平行地浮在水面上，在纸间的水面上，用玻璃棒轻轻地滴一滴肥皂液，两张纸迅速向相反方向移动，用表面压的概念解释这个现象。（第三章内容）

答：将细长不渗水的两张纸片平行靠近浮在水面上，在纸片缝隙间滴一滴肥皂液。纸片迅速被推开。显然展开的皂膜对纸片产生一推动力。

设纸片边长为l，作用于单位长度上的力为π当纸片迁移dz距离时，作的功为：肥皂液在水面铺展促使其自由焓降低为：设所降低的自由焓全部用于做功，则有：故而导出：这就是说：单位表面自由焓的降低等于膜作用于单位长度障碍物上的压力，即表面压。

14、已知在0℃时，活性炭吸附CHCL3的饱和吸附量为93.8L/kg。若CHCL3的分压力为

1.34×104Pa，其平衡吸附量为85.2L/kg，求：

（1）Langmuir公式中的K值。

（2）CHCL3的分压力为6.67×103Pa时，平衡吸附量是多少？（物理化学十五章内容）答：（1）因为有P/Γ=1/(Γ∞*K)+P/Γ∞

ldzwd?=π()ldzdG

oΓ-Γ=-wddG

=-Γ-Γ=oπ

P=1.34×104Pa,Γ∞=93.8L/kg=93.8×10-3m3/kg,Γ=85.2L/kg=85.2m3/kg

代入公式，知K=7.39×10-4Pa-1

（2）同（1）带数据到Langmuir公式

其中K=7.39×10-4Pa-1,那么Γ=77.99L/Kg

15、计算在20℃时将1ml水变成直径1×10-5cm-1的液体所需要的功。

答：α=ΔW/ΔS所以：ΔW=α*ΔS=72.75*0.001*3.14/4*(1×10-5*0.01)2=2.055915J

16、将一上端弯曲的，可为水润湿的毛细管插入水中，若它露出水面的高度小于其毛细管上升的高度，问水能否从上口流出，为什么？

答:不能，（具体原因查看物化第15章），参考公式：

17、用半径为0.10099cm的毛细管以毛细上升高度法测定一液体的表面张力，测得平衡时上升高度为1.4343cm。已知此液体的密度为气相密度差为0.9972g/ml。请计算该液体的表面张力。

答：查物性表知:

3=1.205kg/m0.001205/gmlρ=空=+=0.0012050.99720.998405/gmlρρρ?+=液空

320.9984059.81.434310220.10099

69480.74/ghghrrNm

ρρΓ??=?Γ==??=液液

18、电解质水溶液的表面张力变化有什么规律性？你如何理解这种规律性？

答:电解质水溶液的表面张力随浓度增加而变大。

理解：溶质在溶液表面层的浓度与其内部浓度是不同的。原因：表面层内存在吸附作用，若为正吸附，则表面浓度大；若为负吸附，则表面浓度小。

19、何谓表面活性？如何按照表面活性把溶质分类？

溶质使溶剂表面张力降低的性质叫做表面活性。

按照表面活性把溶质分为：表面活性物质和非表面活性物质。

表面活性物质若具有在低浓度范围内显著降低表面张力的特点，这类物质也称为表面活性剂。

——————————————————————————————————————表面活性剂是指能显著降低溶剂(一般为水)的表面张力（气-液）或界面张力（液

-液）的一类物质。可产生润湿、乳化、分散、增溶、发泡、洗涤、杀菌等一系列作用，以达到实际应用。

表面活性剂分子结构具有两亲性：一端为亲水基团，另一端为疏水基团。疏水基团的差别主要表现在碳氢链的结构变化上，差别较小，而亲水基团则总类繁多，差异很大。所以表面活性剂分类，一般应以亲水基团的结构为依据。

人们根据亲水基团的带电特性，首先分成阴离子型表面活性剂、阳离子型表面活性剂、非

离子型表面活性剂和两性表面活性剂四大类。每一大类中又以官能团的特性加以细分。这种分类方法，只要弄清楚表面活性剂的离子类型，就可以决定使用范围。

20、极性有机同系物水溶液的表面活性有什么规律？

同系物的表面活性，是跟碳链长短有关，链长越长，吸附量越大，表面活性就越好。极性对应者易被吸附,极性吸附剂易于吸附极性溶质，优先吸附极性强者。

碳链愈长，愈易形成正吸附，但过长时水溶性受到限制。故一般为C8～C16。它们符合Ⅲ型的特点。曲线弯曲的地方称为“临界胶束浓度”CMC。CMC的值是表面活性的一种量度。许多性质在此值前后发生突变。——————————————————————————————————

开始形成胶团时的表面活性剂的浓度称之为临界胶束浓度，简称cmc。当溶液达到临界胶束浓度时，溶液的表面张力降至最低值，此时再提高表面活性剂浓度，溶液表面张力不再降低而是大量形成胶团，此时溶液的表面张力就是该表面活性剂能达到的最小表面张力，用cmc表示。

极性有机物：

少量极性有机物如脂肪醇、胺、酸等，可使表面活性剂的CMC发生很大的变化，如最低点现象。

极性有机物对表面活性剂临界胶束浓度的影响可分为三类：

A、属长链的极性有机物，由于他们的水溶性很差，在表面活性剂中只能存在于胶束中而使CMC降低。如十二烷基硫酸钠中含有十二醇时，CMC降低。

B、低分子量的极性有机物如尿素、甲酰胺、乙二胺等，这类化合物有很强的水溶性，与水有很强烈的相互作用，从而能通过改变溶剂的性质使胶束不易形成，CMC增大，同时，这类添加剂还增加活性剂的溶解度，以使CMC增大。这些低分子量醇类兼容了a,b两类添加剂的作用，量少时，CMC↙，量多时，CMC↗。

C、强极性添加物如果糖、木糖等的存在使CMC下降。

21、论证溶液表面存在吸附。溶液表面吸附是不是普遍的现象？

溶液表面的吸附：溶质在溶液表面层（表面相）中的浓度与在溶液本体（体相）中浓度不同的现象。

事实：溶质在溶液表面层的浓度与其内部浓度是不同的。

原因：表面层内存在吸附作用，若为正吸附，则表面浓度大；若为负吸附，则表面浓度小。从而也可知：溶液表面吸附是普遍现象。

论证过程为Gibbs吸附公式的推导。如下所示：

①无机盐（如NaCl）水溶液的表面张力随浓度增加而变大；（Ⅰ）

②有机物（如乙醇）水溶液则相（Ⅱ）

③表面活性剂溶液表面张力在低浓度时显著下降，当超过某一浓度时则几乎不变。（Ⅲ）

n1、n2为溶剂和溶质在体相的量

n1s、n2s为溶剂和溶质在表面相的量

整个物系：在恒温恒压下，将上式用于表面相：积分上式得：G为状态函数，具有全微分性质，所以

比较两式得：将表面相与体相达到平衡时：

且对于体相而言存在关系：所以

代入上式得：令

则有：对于稀溶液而言,故有：这就是著名的Gibbs吸附等温线方程。

讨论：

则为负吸附，此溶质对溶剂称表面惰性剂。（Ⅰ型曲线者）则为正吸附，此溶质对溶剂称表面活性剂。（Ⅱ、Ⅲ型）符合Ⅲ型的物质活性特别强，所以称界面活性剂。

i

idndAsdTVdpdGμ∑+Γ+-=SSSSSdndndAdG2211μμ++Γ=SSSSSdndnAG2

211μμ+++Γ=SSSSSSSSSdndndndnAddAdG22112211μμμμ++++Γ+Γ=0

2211=+++ΓSSSSdndnAdμμSSSSdddd22112211,,μμμμμμμμ==?==212122110μμμμdnnddndn-=?=+2221211μμμμμdddnnddSS=-==21212μdnnnnAdSS??????--=Γ??????-=12121nnnnAMSS2

μMdd-=Γc

RTddln2=μdcdRTcMΓ?-=,0,0ΓMdcd,0,0>ΓMdcd,0,0>（1）>（3）>（2）>（4）

3．亲水基的位置与性能

末端：净洗作用强，润湿性差；中间：相反。

4．分子量与性能

HLB值、亲水基、疏水基相同，分子量小，润湿作用好，去污力差；

分子量大，润湿作用差，去污力好。

5．浊点

对非离子表面活性剂来说，亲水性取决于醚键的多少，醚与水分子的结合是放热反应。

当温度↑，水分子逐渐脱离醚键，而出现混浊现象，刚刚出现混浊时的温度称浊点。此时表面活性剂失去作用。浊点越高，使用的温度范围广。

28、有一C12H25(OC2H4)7OH溶液，已知此时每个吸附的C12H25(OC2H4)7OH分子在

表面占有面积0.72nm2,问表面吸附量时多少？

答：已知C12H25(OC2H4)7OH的相对分子量为494，阿伏伽德罗常数NA，所以每个分子的

质量为7.708*10-22g，所以表面吸附量为1.071*10-21g/nm2,即1.071*10-3g/m2.

29、解释肥皂等洗涤剂在使用中出现皂垢和浴缸圈的原理。如何加以改善？

答：由于肥皂等洗涤剂会与硬水中的钙、镁及其它高价金属阳离子形成溶解度很低

的羧酸盐，从而使它失去表面活性并凝结形成悬浮物，最后吸附到浴缸表面，日久便生

成肥垢和浴缸圈。解决办法（1）减少水中的高价阳离子。（2）开发新的替代物。（3）用

高温水清洗浴缸。（4）对浴缸表面进行处理，如用一次性薄膜。

30、简述用单分子膜技术防止水分蒸发的原理。

答：水分子从液相转移到气相的过程中必然会受到阻力，用Rt表示，阻力主要由液相扩散阻力Rl、界面阻力Ri（即单分子膜阻力）和气相扩散阻力Rg组成，即Rt=Rl+Ri+Rg。单分子膜就是改变Ri值从而防止水分蒸发。膜物质在水中溶解度很小，实际上对水的活

度并无影响，因此膜的存在并未影响水的平衡蒸汽压，而只是影响了水的蒸发速率，也就是说改变了蒸发动力学性质。根据分子运动论可导出：1/Ri=(RT/πM)1/2·α。膜压π、相对分子量M的增加都有助于Ri增加。

31、简述肺表面活性剂的主要组成。

答：磷脂90%磷脂酰胆碱PC双饱和PC—DPPC（40%wt）

不饱和PC

磷脂酰甘油PG双饱和PC—DPPC

不饱和PC

其他磷脂非DPPC成分

蛋白质10%疏水性蛋白质SP—B

SP—C

亲水性蛋白质SP—A

SP—D

32、请根据DPPC和DPPG的物性数据说明其在肺泡上面的主要生理功能。

答：（1）降低肺泡表面张力，减少吸气阻力

（2）调节肺泡表面张力，从而稳定肺内压，防止肺泡萎缩和肺气肿

（3）减弱表面张力对肺毛细血管中液体的吸引作用，防止液体渗入肺泡，使肺泡能保持相对“干燥”

（4）能增强肺泡巨噬细胞的趋化性，加强巨噬细胞及单核细胞对肿瘤细胞的细胞毒性，具有下调特异性免疫反应，减轻免疫性肺损伤作用

（5）改善气道粘液的流变学特性，有利于粘液纤毛转运系统的转运，促进吸入异物颗粒的排出作用

33、根据挤出假说，表面活性蛋白的SP-C的主要生理功能是什么，试用图示之。

答：SP-C：促进非DPPC组分的挤出，从而降低肺泡表面张力；促进磷脂分子的吸附，从而迅速铺展成膜。

DPPCSP-CSP-B其他磷脂

34、肺泡单分子膜在LE-LC共存态有何特性？

答：此题PPT上没有，只查到相关的一句话：LE/LC膜：过渡态，不是一级相变的π-A关系，热点问题

35、简述临界表面张力的测定方法及其应用实例。

答：①毛细管上升法：适用于一般液体，特别是常温下的纯液体或纯液体的混合液。将毛细管浸入液体液体分子间力小于液体与管壁间的附着力时，液面为凹形，液面上升h。例如水；当液体分子间力大于液体与管壁间力时，液面为凸形，液面下降h。例如汞。

②静滴法及静泡法：静滴法适用于高温融熔金属及盐类。静泡法适用于表面活性剂水溶液。特别是监测低浓度溶液的表面张力在长时间内的变化时更好。

③滴重法：适用于液滴很小的液体。

④圆环法：粘度低但操作方便，有成套仪器可用

实例：例如水；当液体分子间力大于液体与管壁间力时，液面为凸形，液面下降h。例如汞。

36、润湿功的物理意义是什么？

答：在润湿过程中，固－气表面消失，固-液界面生成，此时，自由焓将发生变化，故可将这一变化作为衡量润湿与否的判据

铺展润湿功：物理意义：把固体表面上铺展的液体收缩单位面积所需要的功。

浸渍功：物理意义：将润湿纤维缝隙间的液体收缩，露出单位面积的固体表面时所必须做的功

粘附功：物理意义：断开固体与液体接触并分别产生单位固体和液体表面时所做的功。

37、简述氧化铝胶体吸附氯化钠水溶液中微量表面活性剂十二烷基磺酸钠的过程。（第五章

内容）

答：第一区表面活性剂低浓度时的吸附情况，表面活性剂与氯离子之间的竞争吸附，属离子交换型吸附。吸附发生在氧化铝粒子周围的双电层的扩散层部分。因此这一区域内的吸附并不引起ξ电位的变化。

第二区吸附等温线的斜率急剧增大，ξ电位也急剧变化。此时吸附发生在双电层内侧的stern层中，因为吸附使得氧化铝粒子表面电荷被中和。

第三区吸附等温线的斜率又变小。这时的吸附又趋于平滑，ξ电位则发生变号，这点为2区和3区的交界处，把该点叫做ξ电位逆转点，PZR。这种现象的产生是由于stern层吸附饱和后，又发生了双分子层吸附所致。因为表面活性剂的烷基链具有疏水性，促使活性剂分子向固体表面聚集。于是促进了双分子层吸附的发生。链越长，吸附量也越大。

38、简述高分子作为溶质去固体表面的吸附特性及规律。（第五章内容）

答：高分子体积大，形状可变，因而其吸附具有独特性。

①分子形状与溶剂的种类有关良好溶剂中高分子舒展为带状，而不良溶剂中则呈卷曲状。

②高分子在固体表面吸附时，会变形，并形成多点吸附且脱附困难。

③因体积大，移动慢，向固体内孔扩散，将受到阻力，所以吸附平衡慢。

规律

1.使固体界面自由焓降低最多者易被吸附。

2.溶解度越小的物质越易被吸附,溶解度越小，其化学势越大，因而自溶液中逃离的倾向也越

大，越易被吸附。

3.极性对应者易被吸附,极性吸附剂易于吸附极性溶质，优先吸附极性强者。非极性吸附剂易

于吸附非极性溶质，优先吸附非极性强者。

4.温度的影响，温度升高，吸附能力降低。

5.吸附剂性质的影响（PH值的影响；电解质的影响）加入中性盐时，随电解质浓度增加，

将使表面双电层压缩。被吸附的表面活性离子之间斥力减弱，容易吸附更多的表面活性离子。

39、试利用润湿调节原理简述矿石浮选原理。（第四章内容）

答：润湿的调节：1.利用润湿剂提高固体表面的润湿性；2.利用润湿剂降低固体表面的润湿性，提高憎水能力，防水

原理：矿石浮选采用原理2。浮选剂如磺原酸钠（ROCSSNa）为表面活性剂。分子一端是极性基，另一端为非极性基，它与矿苗（表面亲水）接触时，其亲水基便与矿苗表面结合，被吸附在矿苗上，达到饱和时，矿苗表面被包上了一层由表面活性剂组成的表面膜。

该膜的外侧为憎水基团。于是整个矿苗就由亲水变成疏水的了。当空气进入水相时，矿苗就随着气泡进入了气相被带出。这样便可收集到富集了矿苗的矿石了。40、简述固体表面的特性（包括几何、物理及化学特性）。

40、简述固体表面的特性（包括几何、物理及化学特性）。

答：1，表面不均匀，有一定的粗糙度。

2，表面化学吸附会改变其组