中南大学表面物理化学化学试题-答案

中南大学研究生考试试卷

2009— 2010学年 二 学期期末考试试题 时间110分钟 表面物理化学化学 课程 32 学时 2.0 学分 考试形式： 开卷 专业班级： 姓名 学号

卷面总分100分，占总评成绩 70 %， 卷面得分 一、 选择题(每小题2分，共20分)

1.液体表面最基本的特性是（ A ）

A.倾向于收缩 B.倾向于铺展 C.形成单分子吸附层 2.若将液体与毛细管壁间的接触角近似看作0°，则液体在毛细管中的液面可以看作（ C ） A.凹型 B.凸型 C.球面

3.下列方程均为计算液a/液b界面张力γab 的经验公式，其中Fowkes公式为（ C ） A.γab =γa -γb B.γab =γa + γb -2（γaγb）1/2 C. γab =γa + γb -2（γa dγb d）1/2

4.吊片法测定液体表面张力时，要求尽可能采用表面粗糙的吊片材料，其目的是（ A ） A.改善液体对吊片的润湿使θ接近于0° B. 改善液体对吊片的润湿使θ接近于90° C.改善液体对吊片的润湿使θ接近于180°

5.溶液中溶剂记为1、溶质记为2，则吸附量Γ2(1)的含义为（ C ） A.单位面积表面相与含有相等总分子数的溶液相比较，溶质的过剩量 B.单位面积表面相与含有等量溶质的溶液相比较，溶剂的过剩量 C.单位面积表面相与含有等量溶剂的溶液相比较，溶质的过剩量 6.C12H25SO4Na（1）、C14H29SO4Na（2）、C16H33SO4Na（3）三种物质在水表面吸附达到饱和状态时，三种物质分子在表面所占面积am存在下列关系（ B ）

A. am,1> am,2> am,3 B. am,1≈am,2≈am,3 C. am,1< am,2< am,3

7.苯在水面上先迅速展开后又自动收缩成为小液滴漂浮在水面上，用于描述苯液滴形状的表化专业术语是（ C ）

A.二维液膜 B.多分子层 C.透镜 8.下列说法中不正确的是（ C ）

A.任何液面都存在表面张力 B.平面液体没有附加压力

C.弯曲液面的表面张力方向合力指向曲率中心 D.弯曲液面的附加压力指向曲率中心 9.运用过滤手段进行溶胶净化的目的是（ B ）

A.除掉反应过程中过量的副产物 B.除掉过量的电解质 C.除掉溶胶体系中的粗离子 10.对于胶体体系下列说法正确的是（ B ）

A.电解质引发胶体体系聚沉的主要原因是使扩散层变厚

B.低浓度的聚合物可以使胶体体系发生聚沉，而高浓度的聚合物却可以使胶体体系稳定C.胶体体系属于热力学多相体系，由于界面自由能显著，所以无论采取何种措施都不可能获得相对稳定的胶体溶液

二、 填空题(每小题2分，共20分)

1. 液-固润湿过程有_沾湿_ ,_ 浸湿_ , _铺展_ .

2. 固体自溶液中吸附时，极性吸附剂易于从非极性溶液中吸附__极性_____物质，而非极

性吸附剂易于从极性溶液中吸附__非极性____物质。

3. 平衡状态时，对于溶液表面张力γ与溶液浓度c的γ-c等温线，若是存在?(那么溶质属于_表面活性（正吸附）_物质；若是存在?(??)>0,?cc?0??)<0，那么溶质属于_表?cc?0面活性（正吸附）_物质。根据Traube规则对于有机同系物，同系物分子中每增加一个-CH2-基团，?(??)的数值增大约_2-4_倍。 ?cc?04. 胶体制备的一般条件是：1）___分散相在分散介质中的溶解度足够小__

2)_ 有适量的稳定剂存在_

溶胶净化的目的是__去除大尺寸颗粒__和__去除过量电解质._

5. 胶体粒子表面电荷主要由__电离__、__吸附__、_晶格同位取代__三个途径获得，胶体

体系典型的电动现象有__电泳__、_电渗_；典型的动电现象有_沉降电位_、_流动电位_ 6. 起始铺展系数S =___γa –γb -γab____、终止铺展系数S’=_γa’ –γb’ –γab _. 7. 从胶体制备的思路上考虑，胶体的制备方法主要有：___分散法_____、___、凝聚法_____。

溶胶动力学性质的微观基础是____由热运动引起的Broun运动__。

8. 导致胶体有一定颜色的主要原因是_胶体对光的吸收_、_胶体粒子对光的散射_。

9. 在超显微镜下观察胶体分散体系，若是视野中发现光点不闪烁，则胶体粒子的几何形状

呈__球形____、____正四面体形____、__正八面体形____；若是胶体样品在搅拌状态下光点不闪烁静止状态下闪烁，则胶体粒子的几何形状呈_棒形__；若是胶体样品在搅拌状态和静止状态下都闪烁，则胶体粒子的几何形状呈___片形___。

10. 液-液界面形成的主要途径有__粘附______、___铺展______、___分散______。

三、简答题(每小题4分，共24分,)

1. 什么是毛细凝结？

答：在亲液毛细体系中，液体在毛细管中能够形成凹液面，毛细体系中液体的饱和蒸汽压远小于正常饱和蒸汽压，使饱和蒸汽压在该体系中易于凝结的现象。

2. 什么是表面自憎现象？

答：某种低能液体在高能表面铺展形成单分子铺展层后，多余低能液体在固体表面不能铺展而形成液滴的现象叫做表面自憎现象。

3. 任意列举三种测定液体表面张力方法名称。

答：吊片法、吊环法、滴体积法、毛细上升（下降）法、气泡最大压力法······ 4. 在研究低能固体表面的润湿性能过程中，Zisman首先发现，有机液体同系物在同一固

体表面上的θ随液体的

?gl降低而变小，规律方程为cos??1??(?gl??c)试解释?c的物理意义，并简要论述

?c与低能固体表面润湿性能的关系。

答：c为固体被润湿的临界表面张力，实际中可以用来表征某一固体表面的可润湿性能的经验参数。当当

??gl>?c时，液体不能在固体表面铺展，而是形成非零接触角状态；

?gl≦?c时,液体能够在固体表面铺展。可见，?c越小，能在固体表面铺展的液体

种类越少，固体表面的可润湿性相对较差；反之，c越大，能在固体表面铺展的液体种类越多，固体表面的可润湿性相对越好。

5. 苯滴在干净平整的水面上，先迅速展开，然后又自动收缩成小液滴漂浮在水面上，根据

下列数据计算解释这种实验现象。?苯/水 35.0mN/m

??苯 28.9mN/m ?苯' 28.8mN/m ?水 72.8mN/m ?水' 62.2mN/m

答：S = S’=

?水—?苯—?苯/水 =72.8—28.9—35.0=8.9 mN/m>0,自发铺展

?水'—?苯'—?苯/水 =62.2—28.8—35.0=－1.6mN/m<0,非自发铺展，形成透镜

6. 试从力学和能量角度解释溶液表面张力?的含义，并给出实验室测定?的方法。

答：力学角度：处于表面的粒子受力不均匀，在某一方向上有合力产生，这是导致表面张力产生的力学观点；能量角度：处于表面的粒子能量较高，因此在表面的粒子具有过剩自由能，从而导致比表面过剩自由能的产生，这是能量方面的观点。 实验室测定方法：滴体积法、滴重法、吊环法、最大气泡压力法。

四、证明和计算题(36分)

1. 将一直径为1cm的油珠分散到水中，使成为直径为1×10cm的小油珠，问油水界面

增加了多少？若油水界面张力为37mN/m，问分散过程中共作功多少？(5分)

?641?(D2)311解：?A?A2?A1?324?(D2)2?4?(D1)2=3.14×106cm2

4122?(D1)332W= ?·?A=11.68J

2. 已知，水-萘体系中，25℃时，接触角为90°，水的表面张力为72mN/m，求：

1) 单位面积的萘在水中的浸湿功Wi； 2) 单位面积的水在萘上的黏附功Wa；

3) 单位面积的水在萘上的铺展系数S. (6分) 解：根据T.Young方程有

Wi??gs??ls??glcos?

Wa??gs??gl??ls??（） glcos??1S??gs??gl??ls??（） glcos??1单位界面按1m计算：

21) Wi??gs??ls??glcos?=72×cos90=0 2) 3)

3. 请根据Kelvin 公式lnPr?lnP0?Wa??gs??gl??ls??（）=72×（cos90glcos??1=—72 mN/m S??gs??gl??ls??（）glcos??1+1）=72 mN/m

2M?说明等温蒸馏的基本原理。(5分) RT?解：由Kelvin公式知，亲液毛细体系中的饱和蒸汽压Pr?P0,使饱和蒸汽在该毛细体系中易于凝结，利用此原理，宏观上可使某液体在等温条件下在毛细体系中纯化或富集的过程叫做等温蒸馏。

4. 实验测得乙二醇在石蜡上的接触角?乙二醇=83°，?乙二醇=48.3mN/m，?水=72.8 mN/m，

?d乙二醇=28.6 mN/m，?水d=22.1 mN/m，求水在石蜡上的接触角。(5分)

解：对石蜡-水、石蜡-乙二醇体系运用T.Young方程有

?水cos?水=?石蜡—?石蜡-水 ?乙二醇cos?乙二醇=?石蜡—?石蜡?乙二醇

联立得?水cos?水=?乙二醇再运用Fowkes理论

cos?乙二醇+?石蜡?乙二醇—?石蜡-水

d1d2石蜡乙二醇?石蜡?乙二醇=?石蜡+?乙二醇—2（??）

?石蜡-水=?石蜡+?水—（2?由于?石蜡d石蜡?水）

d12??d石蜡，得到?石蜡=25.5 mN/m ?水 =110°

5. 有两块长a=20cm、宽b=10cm的长方形清洁薄板，中间灌入能够完全润湿薄板的液体，

如右图所示，设圆柱形弯液面的曲率直径近似等于板间距离（d=1mm），液体的表面张力为100 mN/m，试计算分开两薄板需要的力。(5分) 解：由Laplace方程有?P?整理得：

2?F? da?b2?ab2?100mN/m?20?10?2m?10?10?2mF???4N

d1?10?3m

6. 如图所示毛细体中，将液面近似看作为球面，而且R1＞R2,请判断液体的流动方向，并

给出分析判断过程。(5分) 解：左 右

以液相为内相予以考虑，

P外?内1?P2?2??P?, P 外内2?R2?R1 因为R1>R2, 所以P，液体内部宏观流动方向为高压处指向低压处，即图中的内1?P内2从左到右。

7. 实验测得2g骨碳与初始浓度为10mol/L的100mL次甲基蓝水溶液吸附达平衡后，溶

液中次甲基蓝浓度为0.4×10mol/L；采用4g骨碳重复上述实验，平衡时次甲基蓝浓

-4-4c1c??度为0.2×10mol/L，假定吸附过程遵循Langmuir方程sssnnmbnm-4，次甲基蓝

分子截面积为0.65nm，求骨碳的比表面积。（m2/g）(5分)

解：c0?10?4mol/L c1?0.4?10?4mol/L c2?0.2?10?4mol/L ??0.65?10?182m2

（1?0.4）?10?4mol/L?0.1Ln??0.03?10?4mol/g

2gs1（1?0.2）?10?4mol/L?0.1Ln??0.02?10?4mol/g

4gs2c1c??因为吸附过程遵循Langmuir方程sssnnmbnm又由

?5代入数据得nsm?0.6?10mol/g

111?62 ??得，?m???2.556?10mol/m23?18NA?6.02?10?0.65?10?mNAs?5nsn0.6?102由?m?m得，A?m??2.35m/g ?6A?m2.556?10