《表面物理與化學(xué)》期末考試題及答案

1、表面物理與化學(xué)期末考試1、水能完全潤濕毛細(xì)玻璃管，現(xiàn)有兩端半徑不同的毛細(xì)管，里面有少量水，當(dāng)在毛細(xì)管左端（半徑大）加熱時(shí)，毛細(xì)管內(nèi)水向哪一端運(yùn)動(dòng)？理由？若是毛細(xì)管半徑相同呢？（10分）答：（1）毛細(xì)管內(nèi)水向半徑小的一端移動(dòng)。（2）因?yàn)樵谕耆珴櫇竦那闆r下，液面呈凹形，附加壓力指向液體外部，即左邊向左，右邊向右，加熱前處于平衡狀態(tài)。根據(jù)楊拉普拉斯公式，當(dāng)表面張力相同時(shí)，液體的附加壓力與曲率半徑成反比。半徑大的毛細(xì)管曲率半徑大，因此附加壓力小，所以會(huì)向半徑小的一端移動(dòng)。（3）半徑相同時(shí)，也會(huì)向右移動(dòng)。因?yàn)榧訜嵋矔?huì)使表面張力變小，也就是說左邊的附加壓力小了，所以向右移動(dòng)。2、在純水面上放置一個(gè)小紙船，

2、此時(shí)紙船靜止，如果在紙船的船尾上涂抹肥皂，則會(huì)如何？解釋現(xiàn)象。（10分）答：紙船會(huì)輕微前行。因?yàn)榧埓诺届o止的水面，以船底為邊界，作用在邊界周圍的表面張力大小相等，方向相反，紙船當(dāng)然靜止不動(dòng)。但當(dāng)船尾涂了肥皂后，由于表面活性劑的作用，尾部表面張力變小，頭部表面張力未變，所以小船在這不等的表面張力作用下，會(huì)自動(dòng)向前方移動(dòng)。3、用三通活塞，在玻璃管的兩端吹兩個(gè)大小不等的肥皂泡，當(dāng)將兩個(gè)肥皂泡相通時(shí)，兩個(gè)泡的大小有何變化？（10分）答：小泡變小，大泡變大，直到兩邊曲率半徑相等時(shí)，達(dá)到平衡。因?yàn)榉试砼菔乔妫砻嫔现赶蚯鎴A心的附加壓力，根據(jù)楊拉普拉斯公式，曲率半徑越小，附加壓力越大。小泡受的附加壓力

3、比大泡大，則小泡內(nèi)部的平衡壓力也比大泡大。當(dāng)活塞打開后，壓力稍高的小泡中有部分空氣向大泡轉(zhuǎn)移，所以小泡變小，大泡變大。直到小泡消失，變成一個(gè)曲率半徑與大泡的曲率半徑相等的一條弧線，才達(dá)到平衡。4、如果在一杯含有極微小蔗糖晶粒的蔗糖飽和溶液中，投入一塊較大的蔗糖晶體，在恒溫密閉的條件下，放置一段時(shí)間，這時(shí)該溶液有何變化？（10分）答：任何物質(zhì)的飽和溶液，當(dāng)其中存在著大小不同的被溶解物質(zhì)晶態(tài)物質(zhì)時(shí)，實(shí)際上這些大小不同的同種晶態(tài)物質(zhì)的溶解度是不同的，晶粒越小越微，其溶解度越大。對于小的尚未達(dá)到飽和，對于大的晶體已經(jīng)過飽和。因此，將這飽和溶液長期放置后，微晶、小晶體便逐漸消失，而大塊晶體卻逐漸增大。5

4、、舉例說明表面活性劑在有機(jī)合成和納米材料制備中的應(yīng)用。（10分）答：（1）表面活性劑在有機(jī)合成中的應(yīng)用：表面活性劑是一種具有親水親油結(jié)構(gòu)并具有降低表面張力，減小表面能，能對溶液進(jìn)行乳化，潤濕，成膜等功能的有機(jī)物，能對乳液進(jìn)行乳化，潤濕，成膜等功能的有機(jī)化合物。例如：水溶液中膠束催化的作用，在表面活性劑水溶液中對化學(xué)反應(yīng)起重要作用的因素有反應(yīng)物質(zhì)與膠束之間的靜電相互作用力、疏水相互作用力、氫鍵作用力以及水介質(zhì)的構(gòu)型變化等。這些因素的影響導(dǎo)致基質(zhì)在膠束表面、膠束核和膠束附近濃集,從而使分子有效碰撞頻率增高,反應(yīng)速度增大。反膠束的形成是依靠極性基間的氫鍵相互作用和偶極子的相互作用而產(chǎn)生的。以極性基結(jié)

5、合在一起形成內(nèi)核，該內(nèi)核有溶解水的能力。反膠束的極性核溶入水中形成“水池”，水池中的水在黏度酸度和極性等物理性質(zhì)上與常態(tài)水不同，它可以溶解親水性物質(zhì)，包括生物大分子，也可以作為酶催化反應(yīng)的微反應(yīng)器，還可以合成納米粒子提供反應(yīng)空間，因此反膠束有著廣泛的應(yīng)用前景。陽離子，陰離子，非離子型表面活性劑都可以形成反膠束，通常表面活性劑還需要加入少量的助表面活性劑，才能形成穩(wěn)定的反膠束溶液。這些助表面活性劑可以用來調(diào)節(jié)溶劑的極性，改變反膠束的大小分布。三苯乙烯基苯酚（TSP）聚氧乙烯醚/硫酸鹽（磷酸鹽）取代0P系列，可配制濃縮懸浮液和微乳農(nóng)藥。以C8C10脂肪酸甲酯代替芳烴等有機(jī)溶劑制備濃縮的微乳農(nóng)藥。微

6、乳介質(zhì)有機(jī)反應(yīng)，提高速度（芥子氣堿式水解）和選擇性（苯酚硝化）。（2）表明活性劑為納米材料的合成和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了多樣性和自主性的方法，可得到表面活性劑在納米材料制備中起到如下幾方面作用：納米微粒大小與形貌的調(diào)控作用。納米材料表面的改性作用。如親水基團(tuán)與表面基團(tuán)結(jié)合生成新結(jié)構(gòu)，賦予納米微粒表面新的結(jié)構(gòu)；降低納米微粒表面能，使納米微粒處于穩(wěn)定狀態(tài)。納米材料結(jié)構(gòu)控制作用。例如：表面活性劑用于輔助水熱法合成納米材料。利用陽離子表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨輔助水熱法，通過控制前驅(qū)物的濃度，CTAB的濃度等實(shí)驗(yàn)條件，制備二氧化鈦納米溶膠。6、實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高分子乳液涂料的最低成膜溫度隨乳液粒子的尺寸的減小而

7、有所降低，試解釋之。（10分）答：一般分子的分子量越大，玻璃化溫度越高，反之分子量越小，玻璃化溫度越低，最低成膜溫度也是一樣的。1951年Dillon等人提出乳液膜成形機(jī)制，假設(shè)聚合物粒子的表面張力驅(qū)使粒子凝聚成膜，并應(yīng)用Frenkel的模型，描述通過粘性流動(dòng)球形粒子凝聚的情況，推論出公式：92=3丫t/2兀耳r。其中9為凝聚半角，Y為表面張力，t為時(shí)間，n為聚合物乳液粒子的粘度，r為乳膠粒子的半徑。有公式可知，對固定的體系，表面張力，時(shí)間，黏度都是不變的量，唯一可變化的量是乳液粒子的半徑，即乳液粒子的尺寸是關(guān)鍵的變量。即乳液粒子半徑減小，凝聚半角增大，也即是小粒子乳液更易凝聚。這表明了乳液的

8、粒度對成膜性能有影響。最低成膜溫度（MFT）是粒度的函數(shù)，所以高分子乳液涂料的最低成膜溫度隨乳液粒子的尺寸的減小而有所降低。7、水蒸氣驟冷會(huì)發(fā)生過飽和現(xiàn)象，在夏天的烏云中，用飛機(jī)撒干冰微粒，使氣溫驟冷到293K，此時(shí)水氣的過飽和度（pR/Po）達(dá)4。已知此溫度水的表面張力為0.07288N/m；密度為997Kg/m3，試計(jì)算（1）在此時(shí)形成的液滴半徑。（2）每滴水中所含的分子數(shù)。（20分）答：（1）根據(jù)開爾文公式可得：Inp二In4二p02gMRTrp2x0.07288x18x10-38.314x293x997xr;r二7.79xlOiom;計(jì)算后得：r=7.79x1O-iom2）設(shè)雨滴為球形

9、，則雨滴中的水分子數(shù)為：4兀r3pN=x6.023x1023M4兀(7.79x10-3)3x99718x10-3x6.023x1023=66(個(gè))8、結(jié)合表面物理與化學(xué)課程，論述其基本原理在擬從事研究課題中的實(shí)際應(yīng)用。（20分）答：我們實(shí)驗(yàn)室主要研究方向?yàn)槊馓幚頍崦鬋TP版材，其中乳液聚合方法在橡膠的合成、塑料的合成以及樹脂涂料等高分子材料的生產(chǎn)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，而乳化劑是乳液聚合反應(yīng)中重要的組成部分，因此，選擇合適的乳化劑對乳液聚合反應(yīng)非常重要。乳化劑的作用是通過減小油相與水相之間的界面張力，從而將油相在水相中進(jìn)行分散。同時(shí)，乳化劑還對聚合物分子質(zhì)量、分子質(zhì)量分布以及乳液的粘度和粒徑都

10、有影響，從而影響乳液的穩(wěn)定性。乳化劑分子的構(gòu)成包括極性基團(tuán)和非極性基團(tuán)，如果乳化劑分子親水性較強(qiáng)，就會(huì)使單體易在水相中發(fā)生聚合。相反，如果乳化劑分子的疏水性較強(qiáng)，則會(huì)使聚合發(fā)生在油相。因此，乳化劑自身親水和親油性基團(tuán)的適當(dāng)協(xié)調(diào)對乳液聚合具有重要作用。乳化劑的選擇方法：（1）HLB法，其意為親水親油平衡，是Griffin在1949年為篩選乳化劑而提出的定量參數(shù)，該值反映了乳化劑分子親水或親油性的強(qiáng)弱每個(gè)乳化劑都有一個(gè)HLB值，HLB值越高，表示該乳化劑的親水性越強(qiáng)。（2）PIT法，非離子型表面活性劑溶液隨溫度升高，其親水基的水化程度減少，從而出現(xiàn)渾濁。非離子型乳化劑隨溫度升高，親水性減弱，親油性

11、增強(qiáng)，其制備的乳液會(huì)從0/W型乳液轉(zhuǎn)變?yōu)閃/0型乳液，這個(gè)引起乳液類型轉(zhuǎn)變的溫度稱為相轉(zhuǎn)變溫度，由Shinoda在1968年提出。PIT對乳業(yè)穩(wěn)定性和HLB的變化都很敏感，比HLB對乳化劑的選擇更有利。按活性基團(tuán)的不同可以將乳化劑分為陰離子型、陽離子型、非離子型和兩性離子型四類。陰離子型表面活性劑顧名思義在水相中電離時(shí)產(chǎn)生負(fù)電荷的離子。按照其親水基可分為：羧酸鹽型、磺酸鹽型以及硫酸鹽型等。在表面活性劑的生產(chǎn)工業(yè)中，陰離子型表面活性劑在行業(yè)中應(yīng)用廣泛、種類繁多。其中產(chǎn)量大、應(yīng)用范圍廣的陰離子型表面活性劑分別是硫酸鹽型和磺酸鹽型。非離子型表面活性劑在水相中不會(huì)電離，其在水相中以中性的分子形式存在。與非離子型表面活性劑不同，兩性離子型表面活性劑分子中通常含有一個(gè)或多個(gè)正、負(fù)電荷中心。與陰離子型和非離子型表面活性劑相比，陽離子型表面活性劑在水相中電離時(shí)產(chǎn)生帶正電荷的活性離子，親水基主要為氮離子，也有磷、硫、碘等原子。陽離子表面活性劑不僅易在帶負(fù)電的物質(zhì)上吸附成膜，而且比陰離子和非離子表面活性劑具有更強(qiáng)的滅菌、防靜電等功能。在乳液聚合體系中，引發(fā)劑的用量對單體的轉(zhuǎn)化率、乳膠粒的粒徑大小及分布也會(huì)產(chǎn)生影響。引發(fā)劑的用