材料表面与界面课后思考题胡福增

第一章

1.试述表面张力（表面能）产生的原因。怎样测试液体的表面张力

（1）原因

液体表面层的分子所受的力不均匀而产生的。液体表面层即气液界面中的分子受到指向液体内部的液体分子的吸引力，也受到指向气相的气体分子的吸引力，由于气相吸引力太小，这样，气液界面的分子净受到指向液体内部并垂直于表面的引力作用，即为表面张力。这里的分子间作用力为范德华力。

（2）测试

①毛细管上升法

测定原理

将一支毛细管插入液体中, 液体将沿毛细管上升, 升到一定高度后, 毛细管内外液体将达到平衡状态, 液体就不再上升了。此时, 液面对液体所施加的向上的拉力与液体总向下的力相等。则γ=1 /2(ρl-ρg)ghrcosθ (1)

(1)式中γ为表面张力, r为毛细管的半径, h为毛细管中液面上升的高度,ρl为测量液体的密度,ρg为气体的密度( 空气和蒸气) , g为当地的重力加速度, θ为液体与管壁的接触角。若毛细管管径很小, 而且θ=0 时, 则上式(1)可简化为γ=1/2ρghr (2）

②Wilhelmy 盘法

测定原理

用铂片、云母片或显微镜盖玻片挂在扭力天平或链式天平上, 测定当片的底边平行面刚好接触液面时的压力, 由此得表面张力, 公式为:

W总-W片=2γlcosφ

式中,W总为薄片与液面拉脱时的最大拉力,W片为薄片的重力, l为薄片的宽度, 薄片与液体的接触的周长近似为2l, φ为薄片与液体的接触角。

③悬滴法

测定原理

悬滴法是根据在水平面上自然形成的液滴形状计算表面张力。在一定平面上, 液滴形状与液体表面张力和密度有直接关系。由Laplace 公式, 描述在任意的一点P 曲面内外压差为

式中R1, R2 为液滴的主曲率半径; z 为以液滴顶点O为原点, 液滴表面上P 的垂直坐标; P0 为顶点O处的静压力。

定义S= ds/de式中de为悬滴的最大直径, ds为离顶点距离为de处悬滴截面的直径再定义H=β(de/b)2 则得γ= (ρl-ρg)gde2/H 式中b为液滴顶点O处的曲率半径。若相对应与悬滴的S值得到的1/H为已知, 即可求出表(界) 面张力。即可算出作为S的函数的1/H值。因为可采用定期摄影或测量ds/de 数值随时间的变化, 悬滴法可方便地用于测定表(界)面张力。

④滴体积法

测定原理

当一滴液体从毛细管滴头滴下时, 液滴的重力与液滴的表面张力以及滴头的大小有关。表示液滴重力(mg) 的简单关系式:mg=2πrγ实验结果表明, 实际体积小得多。因此就引入了校正因子f(r/V1/3), 则更精确的表面张力可以表示为:γ= mg/{2πrf(r/v1/3)}其中m为液滴的质量, V 为液滴体积, f 为校正因子。只要测出数滴液体的体积, 就可计算出该液体的表面张力。

⑤最大气泡压力法

测定原理

若在密度为ρ的液体中, 插入一个半径为r的毛细管, 深度为t, 经毛细管吹入一极小的气泡, 其半径恰好与毛细管半径相等。此刻, 气泡内压力最大。根据拉普拉斯公式, 气泡最大压力为

⑥差分最大气泡压力法

测定原理

差分最大气泡压力法原理是:两个同质异径的毛细管插入被测液体中, 气泡从毛细管中通过后到达液体中, 测量两个毛细管中气泡的最大压力p1和p2, 表面张力是压差的函数, 计算公式为

式中Δp 为两毛细管的压差, Δt 为两管插入液面的高度差。

2.弯曲面的附加压力△p与液体表面张力和曲率半径之间存在怎样的关系若弯曲面为球面、平面又怎样

3.什么是Young方程接触角的大小与液体对固体的润湿性好坏有怎样的关系根据

Young-Dupre方程，请设计测定固-液界面黏附功的方法。

Young方程：界面化学的基本方程之一。它是描述固气、固液、液气界面自由能γsv，γSL，γLv与接触角θ之间的关系式，亦称润湿方程，表达式为：γsv-γSL=γLvCOSθ。该方程适用于均匀表面和固液间无特殊作用的平衡状态。

关系：一般来讲，接触角θ的大小是判定润湿性好坏的依据，若θ=0.cosθ=1，液体完全润湿固体表面，液体在固体表面铺展；若0＜θ＜90°，液体可润湿固体，且θ越小，润湿性越好；90°＜θ＜180°，液体不润湿固体；θ=180°，完全不润湿固体，液体在固体表面凝集成小球。

方法：

4.比较Langmuir单分子层吸附理论和BET多分子层吸附理论的异同，怎样测定材料的比表面积

（1）异同

Langmuir单分子层吸附理论：P21；BET多分子层吸附理论：P23

（2）测定：气体吸附法。书P25

第二章

1.什么是表面活性剂表面活性剂的分子结构有什么特点表面活性剂的浓度对溶液的表面张力有怎样的影响为什么有这样的影响

（1）表面活性剂是指能使溶剂表面张力降低，且使表面呈现活性状态的物质。

（2）分子结构是由两种不同性质的基团所组成。一种为非极性亲油基团，另外一种为极性亲水基团，即表面活性剂既具有亲水性又有疏水性，形成一种所谓的“两亲结构”的分子。（3）随着表面活性剂浓度的增加，表面张力而下降，当达到临界浓度时，表面张力就不再发生变化。

（4）表面活性剂其亲水端向水，亲油段相空气，其浓度的上升会使分子聚集在表面，这样，空气和水的接触面减小，表面张力急剧下降，与此同时，水中的表面活性剂也聚集在一起，排列成憎水基向里，亲水基向外的胶束。表面活性剂浓度进一步增加，水溶液表面聚集了足够多的表面活性剂的分子，无间隙地布满在水溶液表面上，形成单分子膜。此时，空气和水完全处于隔绝状态，表面张力趋于平缓。

2.何谓HLB值HLB值对表面活性剂的选用有何指导意义

（1）HLB 值是指表面活性剂的亲水性与亲油性的相对大小。

（2）HLB 越大表示该表面活性剂的亲水性越强,HLB 值越低,则亲油性越强.由此,可根据表面活性剂的HLB 值的大小,初步选择我们所需要的活性剂类型.

3.什么是相转移温度用PIT表示表面活性剂的亲水、亲油性较HLB值有什么优点

（１）相转型温度是指非离子型表面活性剂在低温下可形成水包油(O/W)型乳状液,随着温度升高,溶解度降低,HLB 值下降,使得乳状液从原来的（Ｏ／Ｗ）型转变为油包水型（Ｗ／Ｏ）所对应的温度．又称为亲水-亲油平衡温度．

（２）PIT与HLB都可以反映出亲水亲油性，但是，PIT可以反映出油的种类、水溶液性质、温度和相体积等的影响。同时PIT测定简单、精度高。