第五章 固体表面与界面 5-1 名词解释 驰豫表面 重构表面 定向作用 诱导作用 色散作用 范德华力 润湿角 临界表面张力 粘附功 阳离子互换容量 聚沉值 触变性 滤水性 可塑性 5-2 何谓表面张力和表面能？在固态和液态这两者有何差别? 5－3 在石英玻璃熔体下 20cｍ处形成半径5×１０- ８m的气泡,熔体密度为 ２200kg/m3,表面张力为０.29N/m，大气压力为1.01×１05Pa,求形成此气泡所需最低内压力是多少? ５－4 （１）什么是弯曲表面的附加压力?其正负根据什么划分?（２)设表面张力为0.9J/m2，计算曲率半径为0.5μｍ、5μm的曲面附加压力？ 5-5什么是吸附和粘附?当用焊锡来焊接铜丝时,用挫刀除去表面层，可使焊接更加牢固,请解释这种现象？ 5-6在高温将某金属熔于Aｌ2O3片上１）若Aｌ２O3的表面能估计为１Ｊ／m2,此熔融金属的表面能也与之相似,界面能估计约为０．3J/m2，问接触角是多少？(2）若液相表面能只有Al２O3表面能的一半,而界面能是Aｌ2O3表面张力的２倍,试估计接触角的大小? 5-7在 20℃及常压下，将半径为10- 3m的汞分散成半径为10- 9m的小汞滴，求此过程所需作的功是多少?已知 20℃时汞的表面张力0.470Ｎ/m。
5-８在 ２０80℃的Al２O3(L)内有一半径为１0- 8ｍ的小气泡,求该气泡所受的附加压力是多大？已知 2080℃时Al2Ｏ3(L)的表面张力为0．70０N/ｍ 5－９ 20℃时苯的表面张力为0.0289N/m，其饱和蒸气压为10013Pa，若在 2０℃时将苯分散成半径为10－ 6m的小滴,计算:（1)苯滴上的附加压力；（2）苯滴上的蒸气压与平面上苯液饱和蒸气压之比 5－10 20℃时,水的饱和蒸气压力为２338Pa,密度为 998.3kｇ／m3,表面张力为0．07２75Ｎ／ｍ，求半径为10－ 9m的水滴在 ２0℃时的饱和蒸气压为多少？ 5-11若在1013２５Ｐa， 1００℃的水中产生了一种半径为10- 8m的小气泡，问该小气泡能否存在并长大？此时水的密度为 95８kg/m3，表面张力为０．0５89Ｎ/m 5-１2 1７℃时大颗粒的1,2－二硝基苯在水中的溶解度为0．0059ｍoｌ/L,1,２-二硝基苯固体与溶液的界面张力为０.0257N/m,计算直径为10- 8m的1，2-二硝基苯在水中的溶解度１，2－二硝基苯固体的密度为 1565kｇ/m3。
5－13在某一定温度下，对Ｈ2在Cｕ（s）上的吸附测得如下数据:PＨ(×103Pa)５．０6610．1315－２0２0.2725-33p／V (×105Pa／L)4.2567.6００１1．65１4.８917.7３其中V是不同压力下每克Ｃｕ上吸附H2的体积（原则状况）,求朗格缪尔公式中的Vｓ 5-14 2０℃时,乙醚-水、汞-乙醚及汞－水的界面张力分别为 0.0107、0．379及0.375N/ｍ，在乙醚与汞的界面上滴一滴水,求其接触角 5－1５在真空下的氧化铝表面张力约为0.9 N/m,液态铁的表面张力为1．72 Ｎ/m,同样条件下液态铁－氧化铝的界面张力为2.3 Ｎ/m，问接触角有多大?液态铁能否润湿氧化铝？ ５-１6 考虑四种联接作用：焊接、烧结、粘附接合和玻璃-金属的封接，请从原子尺度考虑，解释这些联接作用互相间有何差别？ 5-17 MｇO-Al2O3－SiO２系统的低共熔物放在Ｓi3N４陶瓷片上，在低共熔温度下，液相的表面张力为9０0ｍＮ/ｒn液体与固体的界面能为60０ｍＮ/m,测得接触角为７0.52ｏ (１)求Si3N4的表面张力；(2）把Sｉ３Ｎ４在低共熔温度下进行热解决,测试其热腐蚀的槽角为 60℃,求Si3N4的晶界能？ 5－18 氧化铝瓷件中需要披银,已知 1０0０℃时mN/m； mＮ／m;mN／ｍ,问液态银能否润湿氧化铝瓷件表面？可以用什么措施改善它们之间的润湿性？ 5-19 根据图５－13和表5-2可知，具有面心立方晶格不同晶面（１1０)、(10０）、(111)上,原子密度不同,试回答,那一种晶面上固-气表面能将是最低的?为什么? 5-２０ 试解释粘土构造水和结合水（牢固结合水、松结合水)、自由水的区别,分析后两种水在胶团中的作用范畴及其对工艺性能的影响。
５－21 一种均匀的悬浮液，粘土浓度为３０vol%，薄片状粘土颗粒尺寸是平均直径0.1μm，厚度0．01μm,求颗粒间平均距离是多少个? 5-22粘土的诸多性能与吸附阳离子种类有关指出粘土吸附下列不同阳离子后的性能变化规律,(以箭头表达:） H＋ Al3＋ Ｂa２+ Sｒ2＋ Ca2＋ Mg２＋ ＮH４+ Ｋ+ Nａ＋ Lｉ+ （l)离子互换能力;（2）粘土的ζ电位；（3)粘土的结合水量;（4）泥浆稳定性;(5）泥浆流动性;（6)泥浆触变性;(7）泥团可塑性;（８）泥浆滤水性；(9)泥浆浇注时间；(10)坯体形成速率 5-23 若粘土粒子是片状的方形粒子长度分别为1０、1、０.1μｍ，长度是其厚度的10倍试求粘土颗粒平均距离是在引力范畴２ｎm时，粘土体积浓度？ 5-24 用Nａ2CＯ3和Nａ2SiO3分别稀释同一种粘土（以高岭石矿物为主）泥浆，试比较电解质加入量相似时，两种泥浆的流动性、注浆速率、触变性和坯体致密度有何差别? 5－２5影响粘土可塑性的因素有那些？生产上可以来用什么措施来提高或减少粘土的可塑性以满足成形工艺的需要？ 第五章答案 5-１ 略。
5－2 何谓表面张力和表面能?在固态和液态这两者有何差别？ 解：表面张力:垂直作用在单位长度线段上的表面紧缩力或将物体表面增大一种单位所需作的功；σ=力/总长度（Ｎ/ｍ)表面能：恒温、恒压、恒构成状况下,可逆地增长物系表面积须对物质所做的非体积功称为表面能;J／m２=N/ｍ液体:不能承受剪应力，外力所做的功体现为表面积的扩展,由于表面张力与表面能数量是相似的;固体：能承受剪切应力，外力的作用体现为表面积的增长和部分的塑性形变,表面张力与表面能不等 5－3 在石英玻璃熔体下20cm处形成半径5×１0－8m的气泡,熔体密度为2200kｇ／m3，表面张力为0.29N/m,大气压力为１.０1×105Pa,求形成此气泡所需最低内压力是多少? 解：P1（熔体柱静压力)=ｈρg＝0.２×２２０0×9.81=4316.４Pａ附加压力=2×0.29/5×10－8=1.１6×１07Pa故形成此气泡所需压力至少为P＝P1+△Ｐ+P大气=431６．4+1.１6×107+1．01×105=117．04×１05 Ｐa ５-4 (1）什么是弯曲表面的附加压力？其正负根据什么划分？(2）设表面张力为0.9J/m2,计算曲率半径为0．5μm、5μm的曲面附加压力? 解:(１)由于表面张力的存在，使弯曲表面上产生一种附加压力，如果平面的压力为P0，弯曲表面产生的压力差为△P，则总压力为P = P０ +△P。
附加压力的正负取决于曲面的曲率，凸面为正，凹面为负 (2)根据Laplａce公式:可算得△P=0.9×(1/0.5+1／５)＝1.９8×10６ Pa 5-5什么是吸附和粘附？当用焊锡来焊接铜丝时,用挫刀除去表面层,可使焊接更加牢固，请解释这种现象? 解：吸附：固体表面力场与被吸附分子发生的力场互相作用的成果，发生在固体表面上，分物理吸附和化学吸附；粘附：指两个发生接触的表面之间的吸引，发生在固液界面上；铜丝放在空气中,其表面层被吸附膜(氧化膜)所覆盖，焊锡焊接铜丝时，只是将吸附膜粘在一起,锡与吸附膜粘附的粘附功小，锉刀除去表面层露出真正铜丝表面(去掉氧化膜)，锡与铜相似材料粘附很牢固 5－6在高温将某金属熔于Ａl2O3片上１）若Al2O３的表面能估计为1J/m2，此熔融金属的表面能也与之相似，界面能估计约为０．3J／m２，问接触角是多少？（2)若液相表面能只有Aｌ2Ｏ３表面能的一半，而界面能是Al2O３表面张力的2倍，试估计接触角的大小？ 解 :(１）根据Yonｇ方程:将已知数据代入上式＝0.7,因此可算得接触角约为4５.6度 （2）将已知数据代入Yｏｎｇ方程=0．8，可算得接触角约为36.９度。
５-7在20℃及常压下,将半径为1０－3ｍ的汞分散成半径为10－9m的小汞滴，求此过程所需作的功是多少？已知２０℃时汞的表面张力0.4７N/ｍ 解:此过程所需作的功应等于系统表面能的增长,即==59w 5-8在2０80℃的Al2Ｏ3(L)内有一半径为１0－８m的小气泡,求该气泡所受的附加压力是多大？已知2080℃时Aｌ2O3（L)的表面张力为0.７0０N/m 解：根据公式，可算得△P=2×0．7/1０-8＝1.4×１08 N 5-9 20℃时苯的表面张力为０.0２89Ｎ／m，其饱和蒸气压为1００13Pa,若在２０℃时将苯分散成半径为1０－6m的小滴,计算：(1)苯滴上的附加压力；(２）苯滴上的蒸气压与平面上苯液饱和蒸气压之比 解：（1)根据公式，可算得△P＝２×0.02８9/10－６=5.７8×１04 Ｎ (2）根据开尔文方程,简化为查得苯的密度为８79ｋg/ｍ3将已知数据代入公式右边= =０.002=苯滴上的蒸气压与平面上苯液饱和蒸气压之比= =1.002 5-10 2０℃时，水的饱和蒸气压力为２3３8Pａ，密度为99８.3kg/m3，表面张力为０.0７２75N／m，求半径为10－9m的水滴在２0℃时的饱和蒸气压为多少？ 解 ：根据公式,可算得△Ｐ=2×0.0727５/10－９=1．４55×１０8 N/m2根据开尔文方程，简化为,将已知条件代入可算得：=1.０77 Ｐ=6864Pa最后算得半径为10－9ｍ的水滴在20℃时的饱和蒸气压P为6８64Pａ 5-11若在１0１3２5Pa，1００℃的水中产生了一种半径为10-8m的小气泡，问该小气泡能否存在并长大?此时水的密度为9５8kg/m3,表面张力为0.０5８9N/ｍ。
解:根据公式，可算得附加压力为△P=2×0.０5８9/１０-8=1．１78×107 Pa对于液体中的气泡，气泡的压力为P＝P0—△P=10１3２5—１．１７8×１07﹤０因此该小气泡不能存在 5-12 1７℃时大颗粒的1，2-二硝基苯在水中的溶解度为0．00５９mｏl/L，1,２－二硝基苯固体与溶液的界面张力为0．0257N/m，计算直径为10-8m的1，2-二硝基苯在水中的溶解度１，2-二硝基苯固体的密度为15６５ｋｇ/m3 解：根据公式,将已知数据代入，即=1１4.42,由此又可算得直径为1０-8ｍ的1，2－二硝基苯在水中的溶解度为0.０２9 moｌ/L 5-1３在某一定温度下,对H2在Cu(s)上的吸附测得如下数据：ＰH×１03Pa）5.06610.1３15.２020.2７25.33p/V （×1０5Ｐa/L）４．256７.60011.6514.8917.73其中V是不同压力下每克Cｕ上吸附H2的体积(原则状况）,求朗格缪尔公式中的Vs 解:根据朗格缪尔公式公式两边乘以p,得以ｐ/v对ｐ做图，则斜率。