材料表面与界面复习题

材料表面与界面复习题第一章

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。则丫=1 /2( p l- p g)ghrcos6 (1)

(1)式中Y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，p l为测量液体的密度，P g为气体的密度(空气和蒸气)，g为当地的重

力加速度，e为液体与管壁的接触角。若毛细管管径很小，而且B =0时，则上式(1)可简化为Y =1/2 p ghr (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=2 丫lcos?

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，4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0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= 3 (de/b)2 则得

丫= ( p l- p g)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=2 n r 丫实验结果表明，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：丫= mg/{2 n rf(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p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

2 V

Pm=辱+亍

即尸1力①曲ffit）

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pl和p2,表面张力是压差的函数，计算公式为

1/2竿K &血（（片说-1/2附贰哄啾0讽24 V r 1 Ay l/r2

式中△p为两毛细管的压差，△t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？

1 1

（1）关系为：Laplace 力秤Ap =

2b

（2）球面仪二巧Ap=—

⑶ 平面昨=些=耳与=0即跨越平面没有压差。

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、液气界面自由能丫sv, 丫SL, 丫Lv与接触

角e之间的关系式，亦称润湿方程，表达式为：丫sv-

丫SL= 丫LvCOS e。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e的大小是判定润湿性好坏的依据，若e =0.cos e =1，液体完全润湿固体表面，液体在固体表面铺展；若o vev 90 °，液体可润湿固

体，且e越小，润湿性越好；90°< ev 180°，液体不润湿固体；e =180°，完全不润湿固体，液体在固体表面凝集成小球。

方法：