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物理化学表面及胶体习题

界面与胶体化学习题课

(一)界面与胶体化学主要公式

1.表面张力(表面自由能)

(单位N/m,J/m2)

2.弯曲表面下的附加压力(Young-Laplace)

(R为曲率半径,为弯曲表面两边的物质密度差)

(肥皂泡

毛细管中

,(

毛细管半径,接触角)

3.弯曲表面下的蒸气压(Kelvin)

(小液滴,大液滴,土壤中的毛细管吸附水,不同粒度物质的溶解度)

4.吸附等温式Langmuir,BET等(注意使用条件):

5.吉布斯表面吸附等温式:

(讨论正、负吸附)

6.接触角:

0<<90o固体被液体润湿;

>90o固体不为液体润湿。

7.胶体中沉降平衡时粒子随高度分布公式:

8.Rayleigh散射公式:

散射光强度与入射光波长的四次方成反比例。

胶团构造:

(AgI)[(AgI)m·nI-,(n-x)K+]x-·xK+

胶核,胶粒,胶团,双电层,电泳,电渗,流动电势,沉降电势。

(二)习题

1.293K时,把半径为1.0mm的水滴分散成半径为1.0m的小液滴,试计算(已知293K时水的表面Gibbs自由能为0.07288J/m2):

(1)表面积是原来的多少倍?

(2)表面Gibbs自由能增加多少?

(3)完成该变化时环境至少需做多少功?

答:

(1)1000;

(2)

=9.145×10-4J

(3)Wf=9.145×10-4J

6.在298K和101.325kPa压力下,将直径为1.0m的毛细管插入水中,问需在管内加多大压力才能防止水上升?

若不加压力,水面上升,平衡时管内液面上升多高?

(已知298K时水的表面张力为0.072N/m,水密度为1000kg/m3,设接触角为0度,重力加速度g为9.8m/s2)

答:

,Ps=288kPa,h=29.39m

8.已知在298K,平面水的饱和蒸汽压为3168Pa,求在相同温度下,半径为3nm的小液滴的饱和蒸汽压,已知298K时水的表面张力为0.072N/m,水密度为1000kg/m3,水的摩尔质量为18g/mol)

答;

主要密度,摩尔质量单位

得到P2=4489.7pa

10.水蒸气骤冷会发生过饱和现象,在夏天的乌云中,用飞机撒干冰微粒,使气温骤降至293K,水汽的过饱和度(P/Ps)达4。

已知在293K时水的表面张力为0.07288N/m,水密度为997kg/m3,试计算:

(1)在此时开始形成雨滴的半径。

(2)每滴所含水的分子数。

答:

(1)

(P1为Ps,R1=∞)求得R2=7.79×10-10m;

(2)

胶体:

1.在碱性溶液中用HCHO还原HAuCl4制备金溶胶,反应可以表示为HAuCl4+5NaOH→NaAuO2+4NaCl+3H2O

2NaAuO2+3HCHO+NaOH→2Au+3HCOONa+2H2O;

NaAuO2稳定剂,写出胶团结构式,标出胶核、胶粒和胶团。

答:

[(Au)m·nAuO2-·(n-x)Na+]x-·xNa+

16.已知在二氧化硅溶胶的形成过程中,存在下列反应:

SiO2+H2O→H2SiO3→SiO32-+2H+

(1)写出胶团的结构式。

(2)溶胶电泳方向

(3)溶胶中分别加入NaCl,MgCl2,K3PO4时,哪种物质的聚沉值最小?

答:

(1)[(SiO2)m·nSiO32-·2(n-x)H+]2x-·2xH+

(2)溶胶电泳方向胶粒带负电,向正极方向运动。

(3)MgCl2聚沉值最小

补充:

1用As2O3与略过量的H2S制成As2S3溶胶,试写出胶团表达式。

用FeCl3在热水中水解制备Fe(OH)3溶胶,试写出胶团的结构式。

答:

[(As2S3)m·nHS-·(n-x)H+]x-·xH+

{[(Fe(OH)3)]m·nFeO+·(n-x)Cl-]x-·xCl-

2等体积的0.08mol/dm3NaBr溶液和0.10mol/dm3AgNO3溶液混合制备AgBr溶胶,分别加入相同浓度的下述电解质溶液,其聚沉能力的大小顺序?

(D>B>C>A)

(A)KCl(B)Na2SO4(C)MgSO4(D)Na3PO4

3一个烧杯中,盛有某种溶胶20×10-6m3,如使其聚沉,至少需浓度为1000mol·m-3的NaCl溶液20×10-6m3,或浓度为1mol·m-3的Na2SO4溶液100×10-6m3,由这些数据得出的结论是:

(c)

(A)溶胶带正电,NaCl的聚沉值比Na2SO4的聚沉值小

(B)溶胶带负电,NaCl的聚沉值比Na2SO4的聚沉值大

(C)溶胶带正电,NaCl的聚沉值比Na2SO4的聚沉值大

(D)溶胶带正电,NaCl的聚沉能力比Na2SO4的聚沉能力强

4液体的表面自由能可以表示为:

(c)

(A)(H/A)

(B)(F/A)

(C)(U/A)

(D)(G/A)

5.下列说法中不正确的是:

(c)

(A)生成的新鲜液面都有表面张力

(B)平面液体没有附加压力

(C)弯曲液面的表面张力的方向指向曲率中心

(D)弯曲液面的附加压力指向曲率中心

6.微小晶体与普通晶体相比较,哪一种性质不正确?

(d)

(A)微小晶体的饱和蒸气压大(B)微小晶体的溶解度大

(C)微小晶体的熔点较低(D)微小晶体的溶解度较小

7.液滴的半径越小,饱和蒸气压越大,液体中的气泡半径越小,气泡内液体的饱和蒸气压越小。

8.用大小不同的CaCO3(s)颗粒做热分解实验,在相同温度下,哪些晶粒分解压大?

答:

小颗粒

原因:

9.同温度下,同一液体,随表面曲率半径不同具有不同的饱和蒸气压,若以P平、P凹、P凸分别表示平面、凹面和凸面液体上的饱和蒸气压,三者关系P凹

10.把大小不等的液滴封在一个玻璃罩能,隔相当长时间后,会发生什么现象:

小液滴消失,大液滴增大。

11.加入表面活性剂,使液体的表面张力降低,表面层表面活性剂的浓度一定大于它在体相中的浓度。

12.润湿液体在毛细管中上升的高度与毛细管内径成反比例,与液体的表面张力成正比例。

13.在毛细管中分别装有两种不同液体,一种能润湿管壁,另外一种不能润湿。

水平放置时,当在毛细管一端加热时,液体向何方移动?

原因?

(左右)(温度升高时,纯液体的表面张力下降)

14.在三通塞两端涂上肥皂液,关闭右端,在左端吹一大泡,关闭左端,在右端吹一小泡,然后使左右相通,将会出现什么现象?

小泡变小,大泡变大

15.在相同的温度及压力,把一定体积的水分散成许多小水滴,经这一变化过程以下性质保持不变的是:

(d)

(a)总表面能(b)比表面(c)液面下的附加压力(d)表面张力

16.用同一滴管分别滴下1毫升的NaOH水溶液、水、乙醇水溶液,各自的滴数多少的次序为乙醇水溶液>水>NaOH水溶液。

17.把细长不渗水的两张纸条平行地放在纯水面上,中间留少许距离,小心地在中间滴一滴肥皂水,则两纸条间的距离将(增大)。

18.将一毛细管插入水中,毛细管中水面上升5cm,在3cm处将毛细管折断,这时毛细管上端(C)。

(a)从上端溢出(b)水面呈凸面

(c)呈凹形弯月面(d)呈水平面

19.设有内径一样大的a,b,c,d,e,f管及内径比较大的g管一起插入水中如下图,除f管内壁涂有石蜡外,其余全都是洁净的玻璃管,若a管内液面升高为h,试估计其余管内的水面高度?

若先在个管内(c,d除外)都灌到h的高度,再让其自动下降结果又如何?

20.氢氧化铁溶胶显红色,胶粒直径的大小在10-9~10-7m之间,由于氢氧化铁带正电荷,所以通过直流电时,在负极附近颜色逐渐变深。

21.外加直流电场于胶体溶液,向某一电极作定向移动的是胶粒。

22.用半透膜分离溶胶与胶体溶液的方法叫渗析。

23.丁达尔现象是光散射所引起的,其强度与入射光波长的四次方成反比例。

24.在晴朗的白昼,天空呈蔚蓝色的原因是蓝光波长短,散射作用显著。

25.明矾净水的主要原理是。

(b)

(a)电解质对溶胶的稳定作用;(b)溶胶的相互聚沉作用

(c)电解质的敏化作用;(d)电解质的对抗作用

26.将某血浆蛋白置于直流电场中,调整pH值,该血浆蛋白当pH4.72时移向正极,当pH4.68时移向负极,其等电点范围为4.68~4.72。

27.已知298K大粒径的二硝基苯的溶解度a=1.00×10-3mol/L,固液=2.57×10-2N/m,求直径为1.0×10-8m的颗粒溶解度?

(=1.589g/cm3)

根据开尔文公式

,a2=1.55×10-3mol/L

28.试说明同一个气-固相催化反应,为何在不同的压力下表现出不同的反应级数?

(表面催化,气体在不同压力与表面覆盖率的关系说明。

低压一级,高压零级)

一、选择题

1.在催化剂表面上进行的双分子气相反应,其机理为:

A+K

AK

B+K

BK

AK+BK─→C+D+2K

若催化剂表面是均匀的,表面反应为控制步骤,且A、B的吸附皆弱,则反应表现为几级?

(C)

(A)零级(B)一级

(C)二级(D)无数级

2.298K时,蒸气苯在石墨上的吸附,符合Langmuir吸附等温式,在40Pa时,覆盖度=0.05,当=1/2时,苯气体的平衡压力为:

(B)ap=/(1-),p=40Pa,=0.05

a=0.001315Pa-1

=1/2时,p=760Pa

(A)400Pa(B)760Pa

(C)1000Pa(D)200Pa

3.在等温等压条件下,将1mol水的表面积增加10倍,作功为W,水的Gibbs自由能变化为G,此时W与G的关系为:

(U=Q-W)(D)

(A)G=-W(B)G=W

(C)G<-W(D)不能确定

4.同一固体,大块颗粒和粉状颗粒,其溶解度哪个大?

(B)

(A)大块颗粒大(B)粉状颗粒大

(C)一样大(D)无法比较

5.有一露于空气中的球形液膜,直径为2×10-3m,表面张力为0.072N·m-1,液膜的附加压力为(D)

(A)36Pa(B)72Pa

(C)144Pa(D)288Pa

6.单组分气-液平衡体系,在孤立条件下,界面A发生了dA>0的微小变化,体系相应的熵变dS变化为:

(C)

(A)dS>0(B)dS=0

(C)dS<0(D)不能确定

7.在下图的毛细管内装入普通不润湿性液体,当将毛细管右端用冰块冷却时,管内液体将:

(A)

(A)向左移动(B)向右移动

(C)不移动(D)左右来回移动

表面张力随温度之增高而下降,由p=2/R知,右端冷却时其附加压力增加而左端不变,故向左移动。

8.在农药中通常都要加入一定量的表面活性物质,如烷基苯磺酸盐,其主要目的是:

(B)

(A)增加农药的杀虫药性

(B)提高农药对植物表面的润湿能力

(C)防止农药挥发

(D)消除药液的泡沫

9.对于亲水性固体表面,其表面张力间的关系是:

(B)

(A)固-水>固-空气(B)固-水<固-空气

(C)固-水=固-空气(D)不能确定

其液固间的接触角值为:

(D)

(A)>90°(B)=90°

(C)=180°(D)<90°

10.已知A2

(1),B2

(2)两种气体在催化剂上发生混合吸附,其中

(1)气体发生解离,若催化剂表面是均匀的,则

(1)、

(2)在催化剂上的表面覆盖度1,2与气相平衡压力p1,p2关系为:

(C)

(A)1=

2=

(B)1=

2=

(C)1=

2=

(D)1=

2=

11.某气体A2在表面均匀的催化剂上发生解离反应,其机理为:

A2(g)+2K

2AK

C+D+2K

若A2的压力较低,反应表现为几级?

(D)

(A)零级(B)一级

(C)二级(D)三级

12.纯液体温度升高时,表面张力(B)

(A)随温度升高指数增大

(B)随温度升高线性降低

(C)随温度呈对数变化

(D)不变

13.液体在毛细管中上升的高度与下列那一个因素无关:

(D)

(A)温度(B)液体密度

(C)重力加速度(D)大气压力

二、填空题

14.在293K时丙酮的表面张力为=0.0233N·m-1,密度=790kg·m-3,将半径为0.01cm的毛细管插入其中,液面上升了___

_________m。

15.植物的叶子一般是憎水性的,所以在配制农药时常常要加____表面活性剂或称为润湿剂,以增加药液对植物表面的润湿程度,使药液能在植物叶子上铺展。

16.液滴越小,饱和蒸气压越____大______;而液体中的气泡越小,气泡内液体的饱和蒸气压越_____小_____。

17.液体在固体表面的润湿程度以____接触角______衡量,当__>90°_______时称为不润湿。

18.面吉布斯自由能和界面张力的相同点是量纲和数值相同;。

不同点是物理意义和单位不同。

19.从吸附的角度考虑催化剂的活性取决于____化学吸附的强度;。

__,一个良好的催化剂应是____中等强度的化学吸附____。

20.T=298K时,水-空气表面张力=7.17×10-2N·m-1,

(/T)p,A=-1.57×10-4N·m-1·K-1。

在T,p时,可逆地增加2cm2表面,对体系所作的功W=_____W=-dA=-14.34×10-6J____,熵变S=_____S=3.14×10-3J·K-1________。

三、计算题

21.N2O在Au表面的催化分解反应,当N2O仅为弱吸附时,推导其积分速率方程,并根据T=1173K时之实验数据求速率常数。

t/s018004800

p(N2O)/kPa26.718.19.3

答:

=Kp(N2O)/(1+Kp(N2O))≈Kp(N2O)

-dp(N2O)/dt=k=kKp(N2O)=k’p(N2O)

ln[p0(N2O)/p(N2O)]=kKt=k’t

求得k’=2.16×10-4s-1(1800s时),2.20×10-4s-1(4800s时)

’=2.18×10-4s-1

26.298K时,将含1mg蛋白质的溶液铺在5%的(NH4)2SO4溶液上。

当溶液表面为0.1m2时,测其表面压为6.0×10-4N·m-1。

计算该蛋白质的摩尔质量。

A=nRT=W/M·RT

M=WRT/(A)=41.29kg·mol-1

27.某表面活性剂的稀溶液,当浓度增加1×10-4mol·dm-3时,表面张力减小3×103N·m-1。

试求298K时,浓度为1×10-4mol·dm-3的表面活性剂溶液的表面超额的值。

=-(a/RT)·(d/da)

a=c/c

(d/da)T=/a

=1.20×10-6mol·m-2

四、问答题

28.由曲率半径的正、负号,比较在一定温度下,凸的弯月面,凹的弯月面的蒸气压p与平面液体的饱和蒸气压p*的相对大小。

ln(p/p*)=2M/RT×1/R'

凸面,R'>0p>p*

凹面,R'<0p

一、选择题。

在题后括号内,填上正确答案代号。

1、接触角是指:

(1)

(1)g/l界面经过液体至l/s界面间的夹角;

(2)l/g界面经过气相至g/s界面间的夹角;

(3)g/s界面经过固相至s/l界面间的夹角;

(4)l/g界面经过气相和固相至s/l界面间的夹角;

2、朗缪尔公式克描述为:

( 4)。

(1)五类吸附等温线;

(2)三类吸附等温线;

(3)两类吸附等温线;

(4)化学吸附等温线。

3、化学吸附的吸附力是:

( 1)。

(1)化学键力;(2)范德华力; (3)库仑力。

4、温度与表面张力的关系是:

(1)。

(1)温度升高表面张力降低;

(2)温度升高表面张力增加;

(3)温度对表面张力没有影响;

(4)不能确定。

5、液体表面分子所受合力的方向总是:

(1),液体表面张力的方向总是:

(3)。

(1)沿液体表面的法线方向,指向液体内部;

(2)沿液体表面的法线方向,指向气相;

(3)沿液体的切线方向;

(4)无确定的方向。

6、下列各式中,不属于纯液体表面张力的定义式的是:

(2);

(1)

(2)

;(3)

7、气体在固体表面上吸附的吸附等温线可分为:

(4)。

(1)两类;

(2)三类;

(3)四类;

(4)五类。

8、今有一球形肥皂泡,半径为r,肥皂水溶液的表面张力为,则肥皂泡内附加压力是:

(3)。

(1)

(2)

;(3)

9、若某液体能在某固体表面铺展,则铺展系数一定:

( 2 )。

(1) 0; (2) 0;(3)= 0。

10、等温等压条件下的润湿过程是:

( 1 )。

(1)表面吉布斯自由能降低的过程;

(2)表面吉布斯自由能增加的过程;

(3)表面吉布斯自由能不变的过程;

(4)表面积缩小的过程。

二、填空题。

在题中“____”处填上答案。

1、玻璃毛细管水面上的饱和蒸气压同温度下水平的水面上的饱和蒸气压。

(选填>,=,<)

2、朗缪尔公式的适用条件仅限于单分子层化学吸附吸附。

3、推导朗缪尔吸附等温式时,其中假设之一吸附是单分子层的;推导BET吸附等温式时,其中假设之一吸附是多分子层的。

4、表面张力随温度升高而减小。

(选填增大、不变、减小),当液体到临界温度时,表面张力等于零。

5、物理吸附的吸附力是范德华力,吸附分子层是单或多分子。

6、朗缪尔吸附等温式的形式为

或=

该式的适用条件是单分子层吸附或化学吸附

7、溶入水中能显著降低水的表面张力的物质通常称为表面活性物质。

8、过饱和蒸气的存在可用开尔文公式解释,毛细管凝结现象可用开尔文公式解释。

(选填拉普拉斯、开尔文、朗缪尔)

9、表面活性剂按亲水基团的种类不同,可分为:

阴离子活性剂、阳离子活性剂、两性活性剂、非离子活性剂。

10、物理吸附永远为放热过程。

三、是非题。

在题后括号内,正确的打“√”,错误的打“×”。

1、物理吸附无选择性。

是不是?

( 是 )

2、弯曲液面所产生的附加压力与表面张力成正比。

是不是?

(不是)

3、溶液表面张力总是随溶液浓度的增大而减小。

是不是?

(是)

4、朗缪尔吸附的理论假设之一是吸附剂固体的表面是均匀的。

是不是?

(是 )

5、朗缪尔等温吸附理论只适用于单分子层吸附。

是不是?

(是 )

6、弯曲液面处的表面张力的方向总是与液面相切。

是不是?

(是)

7、在相同温度与外压力下,水在干净的玻璃毛细管中呈凹液面,故管中饱和蒸气压应小于水平液面的蒸气压力。

是不是?

(是)

8、分子间力越大的液体,其表面张力越大。

是不是?

(是)

9、纯水、盐水、皂液相比,其表面张力的排列顺序是:

(盐水)(纯水)(皂液)。

是不是?

(不是)

10、表面张力在数值上等于等温等压条件下系统增加单位表面积时环境对系统所做的可逆非体积功。

是不是?

(是)

11、弯曲液面的饱和蒸气压总大于同温度下平液面的蒸气压。

是不是?

(不是)

12、由拉普拉斯公式

可知,当p=0时,则=0。

是不是?

(不是)

四、计算题。

200℃时测定O2在某催化剂上的吸附作用,当平衡压力为0.1MPa及1MPa时,1g催化剂吸附O2的量分别为2.5cm3及4.2cm3(STP)设吸附作用服从朗缪尔公式,计算当O2的吸附量为饱和吸附量的一半时,平衡压力为多少。

解:

所以b=12.2×10-6Pa-1

所以

五、计算题。

已知某硅胶的表面为单分子层覆盖时,1g硅胶所需N2气体积为129cm3(STP)。

若N2分子所占面积为0.162nm2,试计算此硅胶的总表面积。

解:

=562m2

六、计算题。

20℃时汞的表面张力=4.85×10-1N·m-1,求在此温度下101.325kPa时,将半径r1=10.0mm的汞滴分散成半径为r2=110-4mm的微小汞滴至少需要消耗多少非体积功(假定分散前后汞的体积不变)。

解:

设A为总表面积

=60.9J

七、证明题。

在18℃时,各种饱和脂肪酸水溶液的表面张力与浓度c的关系可表示为:

式中*是同温度下纯水的表面张力,常数a因不同的酸而异,b=0.411试写出服从上述方程的脂肪酸的吸附等温式。

解:

所以吸附等温式为:

八、计算题

18℃时,酪酸水溶液的表面张力与溶液浓度c的关系为:

式中*是纯水的表面张力,试求c=0.01mol·dm-3时单位表面吸附物质的量。

解:

=8.78×10-7mol·m-2

九、计算题。

已知在33.6℃时,CO(g)在活性炭上的吸附符合朗缪尔直线方程。

经测定知,该(p/V)~p直线的斜率为23.78kg·m-3,截距为131kPa·kg·m-3,试求朗缪尔方程中的常数Vm及b。

解:

斜率m=23.78kg·m-3=1/Vm

所以Vm=1/m=0.0420m3(STP)·kg-1

截距q=131kPa·kg·m-3=1/(Vm·b)

所以b=1/(Vm·q)

=1/(0.0420m3·kg-1×131kPa·kg·m-3)

=1.82×10-4Pa-1

 

十、计算题

25℃时乙醇水溶液的表面张力随乙醇浓度c的变化关系为:

/10-3N·m-1=72-0.5(

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