材料表面与界面复习题
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1.液体原子结构的主要特征。
(1)液体结构中近邻原子数一般为5~11个(呈统计分布),平均为6个,与固态晶体密排结构的12个最近邻原子数相比差别很大;(2)在液体原子的自由密堆结构中存在五种间隙,四面体间隙占了主要地位。
(3)液体原子结构在几个原子直径范围内是短程有序的,而长程是无序的。
2.液体表面能的产生原因。
液体表面层的分子,一方面受到液体内层的邻近分子的吸引,另一方面受到液面外部气体分子的吸引,而且前者的作用要比后者大。
因此在液体表面层中,每个分子都受到一个垂直于液面并指向液体内部的不平衡力。
这种吸引力使表面上的分子趋向于挤入液体内部,促成液体的最小表面积。
要使液体的表面积增大就必须要反抗液体内部分子的吸引力而做功,从而增加分子的位能,这种位能就是液体的表面能。
3.液体表面张力的概念和影响因素。
液体表面层的原子或分子受到内部原子或分子的吸引,趋向于挤入液体内部,使液体表面积缩小,因此在液体表面的切线方向始终存在一种使液体表面积缩小的力,其合力指向液体内部的作用力,这种力称为液体表面张力。
液体的表面张力大小受很多因素的影响。
如果不考虑液体内部其它组元向液体表面的偏聚和液体外部组元在液体表面的吸附,液体表面张力大小主要受物质本身结构、所接触的介质和温度的影响。
(1)液体的表面张力来源于液体内部原子或分子间的吸引力,因此液体内部原子或分子间的结合能的大小直接影响到液体的表面张力的大小。
一般来说,液体中原子或分子间的结合能越大,表面张力越大。
具有金属键原子结合的物质的表面张力最大;其次由大到小依次为:离子键结合的物质、极性共价键结合的物质、非极性共价键结合的物质。
(2)液体的表面张力的产生是由于处于表面层的原子或分子一方面受到液体内部原子或分子的吸引,另一方面受到液体外部原子或分子的吸引。
当液体处在不同介质环境时,液体表面的原子或分子与不同物质接触所受的作用力不同,因此导致液体表面张力的不同。
一般来说,介质物质的原子或分子与液体表面的原子或分子结合能越高,液体的表面张力越小;反之,介质物质的原子或分子与液体表面的原子或分子结合能越低,液体的表面张力越大。
第一章1、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?答: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=γLv COSθ。
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。
2、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,试气温骤降至293K,水气的过饱和度(P/Ps)达4,已知在293K时,水的表面能力为0.07288N/m,密度为997kg/m3,试计算:(1)在此时开始形成雨滴的半径。
(2)每一雨滴中所含水的分子数。
答:(1)根据Kelvin公式有开始形成的雨滴半径为:将数据代入得:(2)每一雨滴中所含水的分子数为N=N A n ,n=m/M= V/M,得3、在293k时,把半径为1.0mm的水滴分散成半径为1.0μm的小水滴,试计算(已知293K时水的表面Gibbs自由为0。
07288J 。
m—2)(1)表面积是原来的多少倍?(2)表面Gibbs自由能增加了多少?(9分)答:(1)设大水滴的表面积为A1,小水滴的总表面积为A2,则小水滴数位N,大水滴半径为r1,小水滴半径为r2.又因为将大水滴分散成N小水滴,则推出=故有即表面积是原来的1000倍。
(2)表面Gibbs自由能的增加量为=4*3。
142*0。
07288*[109*(10—6)2—(10-3)2]=第二章1、什么是CMC浓度?试讨论影响CMC的因素。
请设计一种实验测定CMC的方法。
1.液体的原子结构的主要特征。
液体的原子结构存在以下三个主要特征:(1)液体结构中近邻原子数一般为5~11个(呈统计分布),平均为6个,与固态晶体密排结构的12个最近邻原子数相比差别很大;(2)在液体原子的自由密堆结构中,四面体间隙占了主要地位。
(3)液体原子结构在几个原子直径范围内是短程有序的,而长程是无序的。
2.液体表面张力的概念和影响因素。
液体表面分子或原子受到内部分子或原子的吸引,趋向于挤入液体内部,使液体表面积缩小,因而在液体表面切向方向始终存在一种使液体表面积缩小的力,液体表面这种沿着切向方向,合力指向液体内部的作用力,就称为液体表面张力。
液体表面张力影响因素很多,如果不考虑液体内部分子或原子向液体表面的偏聚和外部原子或分子对液体表面的吸引,影响液体表面张力的因素主要有:(1)液体自身结构:液体的表面张力来源于液体内部原子或分子间的吸引力,因此液体内部原子或分子间的结合能的大小直接影响到液体的表面张力的大小。
一般来说,液体中原子或分子的结合能越大,液体表面张力越大,一般液体表面张力随结构不同变化趋势是:金属键结合物质>离子键结合物质>极性共价键结合物质>非极性共价键结合物质(2)表面所接触的介质:液体的表面张力的产生是由于处于表面层的原子或分子一方面受到液体内部原子或分子的吸引,另一方面受到液体外部原子或分子的吸引。
当液体处在不同介质环境时,液体表面的原子或分子与不同物质接触所受的作用力不同,因此导致液体表面张力的不同。
一般来说,介质物质的原子或分子与液体表面原子或分子结合能越大,液体表面能越小,反之越大(3)温度:随着温度的升高,液体密度下降,液体内部原子或分子间的作用力降低,液体内部原子或分子对表面原子或分子的吸引力减弱,液体表面张力下降。
最早给出的预测液体表面张力与温度关系的半经验表达式为:γ= γ0(1-T/T c)n式中T c为液体的气化温度,γ0为0K时液体的表面张力。
材料表界面习题答案【篇一:材料表界面期末复习】> 1、表界面的定义及其种类。
定义;表界面是由一个相过渡到另一个相的过渡区域。
若其中一相为气体,这种界面通常称为表面。
种类:表界面通常有五类:气-液界面(表面),气-固界面(表面),液-液界面,液-固界面,固-固界面。
二、液体表面1、表面张力定义及表面自由能定义答:表面张力是单位长度上的作用力,单位是n/m表界面张力的热力学定义为:由能量守恒定律,外界所消耗的功存储于表面,成为表面分子所具有的一种额外的势能,也称为表面能。
??(?g/?a)p,t,nb由于分子在体相内部与界面上所处的环境是不同的,产生了净吸力。
而净吸力会在界面2、计算:r1=1mm,r2=10-5 mm2?32a=4?r?4?3.1416?(6.2?10m)11?4.83?10?4m2se?ga1=?a11-3?2?42=(72?10j?m)(4.83?10m)?3.5?10?5j3、laplace方程表达式12 ?p??(1/r?1/r) (2-18)就是laplace方程,是表面化学的基本定律之一。
注释:(1)若:r1=r2=r,则曲面为球面,回到(2-15)式;(2)若:r1=r2=无穷大,则液面为平面,压差为0。
4、表面张力的几种测定方法。
(1)毛细管法(2)最大气泡压力法 (3)滴重法 (4)吊环法解:先求水滴半径:代入kelvin公式:6、gibbs吸附等温式(溶液的表面张力)表面张力随溶液组成的变化规律一般有三种比较典型的类型三、固体表面1、比表面积定义:-? 1g某种固体,其密度为2.2 g/cm3,把它粉碎成边长为106cm的小立方体,求其总表面积。
2、吸附等温线:吸附量可用单位质量吸附剂所吸附气体的量或体积来表示。
3、langmuir吸附等温式a、langmuir吸附公式b、用活性炭吸附chcl3,符合langmuir吸附等温式,在0 ℃时的饱和吸附量为93.8 dm-3*kg-1。
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。
第4章练习1. 什么是表面吸附与偏析?气体分子碰到固体表面时,受到固体表面的不饱和力场的作用,停留在固体表面上,使气体分子在表面上的浓度增大,称为气体分子在固体表面的吸附;偏析是指液相或固溶体中原子(分子)在固-固、固-液界面上富集,即液相或固溶体中溶质原子在界面上的浓度大于其基相。
2. 比较化学吸附与物理吸附,并画出它们的吸附能曲线;什么是快化学吸附和慢化学吸附?吸附性能物理吸附 化学吸附 作用力吸附热(能)选择性吸附速度形成吸附层 范德华力 小 无选择性 快;几乎不要活化能 单分子或多分子吸附层 剩余价键力 大 有选择性 较慢,大多需要活化能 只能形成单分子吸附层慢化学吸附:EB>0,需要激活,是一种活化化学吸附;快化学吸附:EB<=0,不需要激活,非活化化学吸附。
3. 请解释第IV 型吸附等温线。
低压下上凸表明吸附物质和吸附剂有相当强的亲和力,并且也易确定,像在II 类等温线B 点的位置(相当于盖满单分子层时的饱和吸附量)。
压力增加,多层吸附逐渐产生毛细管凝结,吸附量剧增。
最后毛细孔中均装满吸附物,吸附量不再增加,等温线又平缓起来。
4. N 型半导体表面吸附氧后,它的表面电导和表面能带如何变化?N 型半导体表面,随温度升高,先是导致电子浓度增加,电阻下降;后来晶粒表面吸附氧,使得物理吸附变为化学吸附,电阻上升(电导下降),表面由于多子堆积,变成耗尽层。
5. 水在N 型半导体表面吸附后对电导和能带会发生哪些影响?N 型半导体吸附水气之后,氢从导带中抽出电子,表面形成耗尽层,故材料的电阻率增加。
N 型半导体吸附水气后,势垒增高,电阻增大,直到成为强反型层。
由于强反型层内有自由载流子空穴的存在,所以材料的电阻率将随水气的吸附而减小。
期末复习题6. 原子间的键合方式及性能特点。
化学吸附热物理吸附热离子键与离子晶体:电子转移,结合力大,无方向性和饱和性。
其特点是硬度高,脆性大,熔点高导电性差;共价键与原子晶体:电子共用,结合力大,有方向性和饱和性。