物理化学核心教程,沈文霞,第二版,第九章,表面现象,课后题答案

第九章 表面现象

三．思考题参考答案

1．表面Gibbs自由能与表面张力有哪些共同点和不同点？

答：它们的共同点是：①都反映了表面分子（或原子）受力不均匀的情况；②两者的数值

相同，通常用同一个符号表示。

它们的不同点是：①两者的物理意义不同，表面自由能是指在等温、等压、保持组成不变的

条件下，可逆地增加单位表面积时，系统Gibbs自由能的增值。表面张力是指垂直作用于单位长

度的边界上，且与表面相切的一种使表面收缩的力。②两者的单位不同，表面自由能的单位是

J·m-2，而表面张力的单位是N·m-1。

2．在一个飘荡在空气中的肥皂泡壁上，所受的附加压力为多少？

答：肥皂泡有内、外两个球形表面，曲面上附加压力的方向都指向曲率半径的圆心。若忽

略肥皂膜的厚度，外表凸球面和内表凹球面的曲率半径近似看作相等，则肥皂泡上所受的总的附

加压力是普通球面附加压力的两倍。

3．在自然界中，为什么气泡、小液滴都呈球形？这种现象在实际生活中有什么应用？

答：液膜和液体的表面都存在表面自由能，在等温、等压的条件下，表面自由能越低，系

统越稳定。所以，为了降低表面自由能，液体表面都有自动收缩到最小的趋势。而球形是相同体

积的物体具有表面积最小的一种形状，所以气泡和小液滴都呈球形。

如果要制备小的玻璃珠，可以首先将玻璃加热成熔融状态，然后用一定孔径的喷头，将熔

融状态的玻璃喷入冷却液（一般是用重油）中，小的玻璃液滴在降落的过程中会自动收缩成球状。

要制备球形硅胶，可以用相似的方法，将熔融状态的硅酸凝胶喷入水中即可。

4．纯液体、溶液和固体是分别以什么方式来降低自身的表面自由能，以达到最稳定的状态？

答：纯液体只有收缩一种方式，尽量缩小表面积，在体积小时收缩成球形。而溶液有两种

方式，一种是收缩，另一种是调节表面层的浓度。如果溶质是表面活性剂，则尽可能使溶质分子

排在表面，使溶质的表面浓度大于本体浓度。如果溶质是非表面活性物质，尽可能将溶质分子藏

在体相，使溶质的表面浓度小于本体浓度。洁净的固体表面只能靠吸附液体或气体分子来降低自

身的表面自由能。

5．煮开水时为何不见暴沸现象，而在有机蒸馏时却会发生暴沸？如何防止暴沸的发生？

答：沸点是指液体的饱和蒸气压等于外压时的温度。水中通常溶解了不少空气，在加热过

程中溶解的空气成气泡逸出，水蒸气可以蒸发到空气泡中。由于空气泡比较大，曲面上的附加压

力不明显，所以在空气泡中的水蒸气压力与平面上的差不多。空气泡在上升的过程中，起了搅动