界面物理化学习题.docx
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界面物理化学习题
一、选择题
1.在相同的温度及压力下,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
2.直径为1×10-2m的球形肥皂泡所受的附加压力为(已知表面张力为0.025N?
m-1)(d)
(a)5Pa(b)10Pa(c)15Pa(d)20Pa
思路:
因为肥皂泡有内、外两个表面,内面的附加压力是负值,外面的附加压力是正值,故
,答案选d。
3.已知水溶解某物质以后,其表面张力γ与溶质的活度a呈如下关系:
式中γ0为纯水的表面张力,A,B为常数,则溶液表面过剩Γ2为(c)
(a)
(b)
(c)
(d)
思路:
,答案选c。
4.298K时,苯蒸汽在石墨上的吸附符合Langmuir吸附等温式,在苯蒸汽压力为40Pa时,覆盖率θ=0.05,当θ=0.5时,苯蒸汽的平衡压力为(b)
(a)400Pa(b)760Pa(c)1000Pa(d)200Pa
思路:
Langmuir公式
将已知条件的压强和覆盖率代入公式,计算得到a的值,然后根据新的覆盖度和a,计算出平衡压力。
答案为b。
(要求能够自己推导Langmuir公式)
5.在298K时,已知A液的表面张力是B液的一半,其密度是B液的两倍。
如果A,B液分别用相同的毛细管产生大小相同的气泡时,A液的最大气泡压力差等于B液的(a)
(a)0.5倍(b)1倍(c)2倍(d)4倍
思路:
,代入该公式计算比值,答案选a。
6.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)水从上端溢出(b)水面呈凸面(c)水面呈凹形弯月面(d)水面呈水平面
思路:
液体具有流动性,Yang-Laplace公式中的半径是可以变化的,不可能出现“井喷”的情况。
7.用同一滴管分别滴下1cm3的NaOH水溶液、水、乙醇水溶液,各自的滴数多少的次序为(c)
(a)三者一样多
(b)水>乙醇水溶液>NaOH水溶液
(c)乙醇水溶液>水>NaOH水溶液
(d)NaOH水溶液>水>乙醇水溶液
思路:
乙醇对水而言是表面活性剂,NaOH对水而言是非表面活性剂。
8.当水中加入表面活性剂后,将发生(a)
(a)
正吸附(b)
负吸附
(c)
正吸附(d)
负吸附
思路:
,表面活性剂在水面富集,可以减小表面张力,为正吸附。
答案选a。
9.把细长不渗水的两张纸条平行地放在纯水面上,中间留少许举例,小心地在中间滴一滴肥皂水,则两纸条间距离将(a)
(a)增大(b)缩小(c)不变(d)以上三种都有可能
思路:
肥皂是表面活性剂,中间的界面张力减小,因此在两侧的水的界面张力作用下,距离增大。
答案选a。
10.水不能润湿荷叶表面,接触角大于90o,当水中加入皂素后,接触角将(b)
(a)变大(b)变小(c)不变(d)无法判断
思路:
接触角为锐角,表明是可以润湿。
答案选b。
11.多孔硅胶有强烈的吸水性能,硅胶吸水后其表面Gibbs自由能将(b)
(a)升高(b)降低(c)不变(d)无法比较
思路:
自发过程,故吉布斯自由能减小。
答案选b。
12.某气体A2在表面均匀的催化剂(K)表面发生解离反应,生成产物B+C,其反应机理为
已知第二步为决速步,当A2(g)压力较高时,反应表现的级数为(d)
(a)一级(b)二级(c)0.5级(d)零级
思路:
因为第二步是决速步,所以速率方程写为:
是中间吸附态,根据稳态近似法,
求解AK的平衡浓度,
代入上面的速率方程表达式,得
当初始压强很大的时候,上式简化为
,反应速率为一恒定值,所以为0级反应。
13.恒温恒压下,将一液体分散成小颗粒液滴,该过程液体的熵值将(a)
(a)增大(b)减小(c)不变(d)无法判定
思路:
表面积增大,是混乱度增加的过程,所以熵增。
答案选a。
14.微小晶体与普通晶体相比较,性质不正确的是(d)
(a)微小晶体的饱和蒸汽压大(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
思路:
考察Kelvin公式。
15.气相中的大小相邻液泡相碰,两泡将发生的变化是(a)
(a)大泡变大,小泡变小(b)大泡变小,小泡变大
(c)大泡、小泡均不变(d)两泡将分离开
思路:
根据Yang-Laplace公式,气泡越小,所受的附加压力越大。
小的变小,大的变大。
答案选a。
16.表面活性剂具有增溶作用,对增溶作用说法不正确的是(c)
(a)增溶作用可以是被溶物的化学势大大降低;
(b)增溶作用是一个可逆的平衡过程;
(c)增溶作用也就是溶解作用;
(d)增溶作用与乳化作用不同
思路:
增溶的原理是,被溶物被包裹在胶束内,该过程不是溶解过程,而是自发的包裹聚集。
17.Langmuir吸附等温式满足的条件下,下列不恰当的是(c)
(a)固体表面是均匀的(b)吸附质分子之间相互作用可以忽略不计
(c)吸附是多分子层的(d)吸附热不随吸附量改变
思路:
Langmuir吸附是单分子层吸附。
18.对于物理吸附的描述中,不正确的是(d)
(a)吸附力来源于VanDerWaals力,其吸附一般不具有选择性
(b)吸附层可以是单分子层或多分子层
(c)吸附热较小
(d)吸附速率较小
思路:
物理吸附,吸附的快,脱附也容易。
19.已知H2的解离能为436kJ?
mol-1,用气态H原子在清洁的W表面上进行化学吸附时放热293kJ?
mol-1。
若用1molH2在W表面上全部进行解离吸附,估计其吸附热约为(c)
(a)-150kJ?
mol-1(b)586kJ?
mol-1(c)150kJ?
mol-1(d)-143kJ?
mol-1
思路:
吸热取正号,放热取负号。
20.称为催化剂毒物的主要行为是(d)
(a)和反应物之一发生化学反应(b)增加逆反应的速率
(c)使产物变得不活泼(d)占据催化剂的活性中心
思路:
毒化的机理是催化剂表面的活性中心被毒物占领。
二、填空题
1.20oC,101.325kPa下,把一半径R1=5mm的水珠分散成R2=10-3mm的小水滴,则小水滴的数目为1.25×1011个,此过程系统ΔG=0.1143J。
已知20oC时,水的表面张力γ=7.275×10-2N?
m-1。
思路:
,计算得,n=1.25×1011。
,在恒温、恒压条件下,
,计算得0.1143J。
2.20oC,101.325kPa的标准大气压力下,在液体水中距液面0.01m处形成半径为1mm的小气泡时,气泡内气体的压力为p=1.0157×105Pa。
思路:
因为凹液面的附加压力是负值,所以当形成这个气泡时,为了抵消这个负的附加压力,其内部压强应该是
3.同种液体,在一定温度下形成液滴、气泡和平面液体,对应的饱和蒸汽压分别是p滴,p泡和p平,若将三者按大小顺序排列应为p滴>p平>p泡。
思路:
考察Yang-Laplace公式。
4.液态汞的表面张力γ=[0.4636+8.32×10-3T/K-3.13×10-7(T/K)2]N?
m-1,在400K时,汞的
0.5137J?
m-2。
思路:
,
将上述两个等式联立,有,
(参看教材316页)
5.T=298K时,水-空气表面张力γ=7.17×10-2N?
m-1,
。
在T,p?
时,可逆地增加2×10-4m2表面,对系统所做的功W=1.434×10-5J,熵变ΔS=3.14×10-8J。
思路:
因为
所以
6.300K时,水的表面张力γ=0.0728N?
m-1,密度ρ=0.9965×103kg?
m-3。
在该温度下,一个球形水滴的饱和蒸汽压是相同温度平面水饱和蒸汽压的2倍,这个小水滴的半径是1.52×10-9m。
思路:
Kelvin公式:
解得
7.从吸附的角度考虑,催化剂的活性取决于吸附强度,一个良好的催化剂应是中等吸附强度。
8.一般来说,物理吸附的吸附量随温度增高而降低,化学吸附的吸附量随温度增高而先增加,后降低。
三、计算题
1.在一封闭容器底部钻一个小孔,将容器浸入水中至深度0.40m处,恰可使水不浸入孔中。
已知298K时水的表面张力为7.2×10-2N?
m-1,密度为1.0×103kg?
m-3,求孔的半径。
解:
容器浸入水中,小孔的地方必然形成凸面液滴。
平衡时,其表面的附加压力应等于外面液体的压强,即
计算得,R’=3.6×10-5m。
2.室温时,将半径为1×10-4m的毛细管插入水与苯的两层液体之间,水在毛细管内上升的高度为0.04m,玻璃-水-苯的接触角为40o,已知水和苯的密度分别为1×103kg?
m-3和8×102kg?
m-3,求水与苯间的界面张力。
解:
根据公式:
计算得,
3.已知水在293K时的表面张力为0.072N?
m-1,摩尔质量为0.018kg?
mol-1,密度为1×103kg?
m-3,273K时水的饱和蒸汽压为610.5Pa,在273~293K温度区间内的水的摩尔汽化热为40.67kJ?
mol-1,求在293K时,半径为10-9m水滴的饱和蒸汽压。
解:
用Kelvin公式计算液滴的饱和蒸汽压,但是题目中没有告诉298K时,液体平面对应的饱和蒸汽压。
题目中给出了摩尔汽化热,所以可以用克-克方程来计算293K对应的液体平面上的饱和蒸汽压。
解得,
再代入Kelvin公式:
解得,293K下,半径为1nm的液滴表面的饱和蒸汽压为
4.291K时,各种饱和脂肪酸水溶液的表面张力γ与其活度a的关系式可表示为
是纯水的表面张力,该温度下为0.07286N?
m-1,常数A因酸不同而异,b=0.411,试求:
(1)该脂肪酸的Gibbs吸附等温式;
(2)当a>>A时,在表面的紧密层中,每个脂肪酸分子的截面积。
解:
(1)Gibbs吸附等温式公式:
先把表面张力的公式进行变换,得
因此,表面超量为
(2)当a>>A时,
因此,单个脂肪酸分子的截面积为
,即3.09×10-19m2。
5.用活性炭吸附CHCl3,符合Langmuir吸附等温式,在273K时饱和吸附量为0.0938m3?
kg-1。
已知CHCl3的分压为13.4kPa时的平衡吸附量为0.0825m3?
kg-1。
试求:
(1)Langmuir吸附等温式中的常数a。
(2)当CHCl3的分压为6.67kPa时的平衡吸附量。
解:
(1)Langmuir吸附等温式
将已知条件代入公式,计算得
(2)根据上述a的值,计算得出分压为6.67kPa时的覆盖度为0.7842。
因为饱和吸附量已知,所以用饱和吸附量乘以覆盖度即得在该分压下的平衡吸附量,为0.0736m3?
kg-1。
6.在正常沸点时,如果水中仅含有直径为10-6m的空气泡,问这样的水开始沸腾,需过热多少度?
已知水在373K时的表面张力γ=0.05890N?
m-1,摩尔蒸发焓ΔvapHm=40656J?
mol-1。
解:
因为凹面气泡的附加压力是负值,所以尽管达到了沸点,但是气泡内部的实际压强仍小于这个值。
为了沸腾,需要继续吸收热量,直至抵这部分取负号的附加压力。
又已知水的摩尔蒸发焓,可以用克-克方程求解需要升高的温度。
代入数据,解得T=411K,因此,需要继续升高38K。