2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——界面分子工程及表面化學(xué)考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填在括號內(nèi)）1.下列關(guān)于表面張力的描述，正確的是（）。A.液體內(nèi)部質(zhì)點間的作用力B.使液體表面積縮小的力C.僅存在于液體與氣體接觸的界面D.與液體分子種類無關(guān)2.在液-氣界面，表面活性劑分子通常垂直于界面排列的原因是（）。A.液體內(nèi)部分子作用力大于氣體內(nèi)部分子作用力B.表面活性劑分子在界面處能量最低C.表面活性劑分子更喜歡與氣體分子相互作用D.界面張力的作用3.Langmuir吸附等溫式假設(shè)吸附層是（）。A.多分子層吸附B.弱化學(xué)吸附C.單分子層吸附D.動態(tài)平衡未建立4.下列物質(zhì)中，最適合作表面活性劑的是（）。A.C6H14(正己烷)B.C12H25OH(十二醇)C.CH3COOH(乙酸)D.NaCl5.Gibbs吸附等溫式主要應(yīng)用于研究（）。A.氣體在固體表面的吸附B.液體在液體表面的吸附C.固體在液體表面的吸附D.液體內(nèi)部組分分布6.下列現(xiàn)象中，由毛細現(xiàn)象引起的是（）。A.液體在細管中沸騰溫度升高B.液體在細管中潤濕角減小C.液體在細管中自動上升或下降D.液體表面張力隨溫度升高而增大7.表面張力γ與表面吉布斯自由能Gσ的關(guān)系是（）。A.γ=GσB.γ<GσC.γ=-GσD.γ>Gσ8.當溶液中加入少量表面活性劑后，溶液的表面張力（）。A.總是顯著增大B.總是顯著減小C.可能增大也可能減小D.保持不變9.在界面分子工程中，通過改變物質(zhì)表面性質(zhì)以獲得特定功能的技術(shù)稱為（）。A.吸附技術(shù)B.涂覆技術(shù)C.表面改性D.膠體分散10.納米材料的比表面積較大，這使其表面張力相比塊體材料（）。A.必然更高B.必然更低C.可能更高也可能更低D.基本不變二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.液體表面具有______趨勢，這是表面張力作用的結(jié)果。2.表面活性劑在溶液表面形成定向排列，其親水基團朝向______，疏水基團朝向______。3.描述吸附質(zhì)在吸附劑表面單分子層吸附量與吸附劑表面張力（或溶液濃度）關(guān)系的方程是______。4.當液-氣界面上的液體浸潤固體表面時，其接觸角θ小于______。5.表面自由能是單位______的增加量。6.增加溶液表面吸附層的物質(zhì)的量，會使溶液的表面吉布斯自由能______（填增大、減小或不變）。7.表面活性劑在水中的臨界膠束濃度（CMC）處，其某些物理量（如表面張力、滲透壓）會出現(xiàn)______。8.界面膜根據(jù)其厚度可分為______膜和______膜。9.利用表面張力測定方法可以計算______和______。10.界面分子工程的目標是利用界面現(xiàn)象和原理，通過______或______等手段，構(gòu)筑具有特定功能的界面。三、簡答題（每小題5分，共20分）1.簡述影響液體表面張力的因素。2.與物理吸附相比，化學(xué)吸附有哪些主要特點？3.簡述Langmuir吸附等溫式的適用條件。4.解釋什么是潤濕現(xiàn)象，并說明影響潤濕性的因素。四、計算題（每小題10分，共20分）1.一定溫度下，將1摩爾的丁醇（表面活性劑）加入到1升水中，使溶液表面張力從72mN/m降低到28mN/m。假設(shè)溶液體積變化可忽略不計，且丁醇在水面形成單分子層。試計算：（1）該條件下，水的表面吉布斯自由能變化量（ΔGσ）。（2）如果此時溶液中丁醇的濃度（c）=0.5mol/L，請估算溶液表面的覆蓋度（θ）。（假設(shè)Langmuir吸附模型適用，γ?=72mN/m，γ=28mN/m）2.將內(nèi)徑為0.5mm的玻璃毛細管插入密度為0.8g/cm3的某油中，測得毛細管內(nèi)油面比外界液面高2mm。已知油的表面張力為32mN/m，重力加速度g=9.8m/s2，油的密度ρ=0.8g/cm3。請計算該油對玻璃的潤濕角θ。（注意單位轉(zhuǎn)換：1mN/m=0.001N/m，1cm3=10??m3）五、論述題（10分）試結(jié)合實例，論述表面改性技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用及其重要性。試卷答案一、選擇題1.B2.B3.C4.B5.B6.C7.A8.B9.C10.C二、填空題1.減小2.水相；油相（或非極性相）3.Gibbs吸附等溫式4.π/2（或90度）5.表面積6.減小7.極大值（或突變）8.Gibbs；Schulze9.表面張力；吸附量10.改變表面組成；改變表面結(jié)構(gòu)三、簡答題1.簡述影響液體表面張力的因素：解析思路：從分子間作用力角度分析。表面張力源于液體表面層分子受力不平衡。內(nèi)部分子受力均勻，而表面分子受向內(nèi)拉力。影響分子間作用力（如范德華力、氫鍵）的因素都會影響表面張力。主要因素包括：（1）液體種類：分子間作用力越強，表面張力越大（如水>乙醇>己烷）。（2）溫度：通常溫度升高，分子熱運動加劇，作用力減弱，表面張力降低。（3）雜質(zhì)：加入表面活性劑會顯著降低表面張力；加入非表面活性劑（如溶質(zhì)不吸附在表面）則可能升高表面張力。（4）相鄰介質(zhì)：與不同介質(zhì)（如氣體）接觸，界面張力不同，會影響液體的表面張力。2.與物理吸附相比，化學(xué)吸附有哪些主要特點？解析思路：區(qū)分物理吸附和化學(xué)吸附的本質(zhì)區(qū)別在于吸附作用力類型和吸附熱。化學(xué)吸附更深入。（1）作用力：化學(xué)吸附是分子間發(fā)生了化學(xué)鍵（共價鍵或離子鍵）的形成，作用力強；物理吸附是分子間作用力（范德華力或氫鍵），作用力弱。（2）吸附熱：化學(xué)吸附熱接近于反應(yīng)熱（>40kJ/mol）；物理吸附熱較?。?lt;40kJ/mol），接近氣體液化熱。（3）選擇性：化學(xué)吸附通常具有高度選擇性；物理吸附選擇性較低。（4）吸附層：化學(xué)吸附通常為單分子層；物理吸附可以是多分子層。（5）可逆性：化學(xué)吸附通常是可逆的化學(xué)過程；物理吸附通常是可逆的物理過程。3.簡述Langmuir吸附等溫式的適用條件。解析思路：回顧Langmuir模型的假設(shè)。該模型描述的是單分子層吸附。（1）吸附劑表面是均勻的，各處的吸附能力相同。（2）吸附質(zhì)分子間在表面不發(fā)生相互作用。（3）吸附過程是可逆的。（4）吸附熱不隨覆蓋度變化。（5）通常適用于低壓或氣體吸附，或低濃度溶液吸附。4.解釋什么是潤濕現(xiàn)象，并說明影響潤濕性的因素。解析思路：潤濕是液體取代固體表面上的氣體（或其他液體）的過程。核心是界面張力。定義接觸角，分析其決定潤濕程度。影響因素從力平衡角度出發(fā)。（1）定義：潤濕是指液體與固體接觸時，液體能在固體表面擴展的能力。用接觸角θ衡量。θ越小，潤濕性越好（θ=0為完全潤濕）。（2）影響因素：潤濕與否取決于液-固界面張力（γLG）、氣-液界面張力（γVL）和液-氣界面張力（γGL）之間的平衡。根據(jù)Young方程：γGL=γLG+γVLcosθ。影響潤濕性的根本因素是這三個界面張力的大小。通常認為，如果液體能完全潤濕固體（θ=0），則γGL≈γLG-γVL。即液體對固體的附著力大于或等于氣體對液體的附著力時發(fā)生潤濕。四、計算題1.一定溫度下，將1摩爾的丁醇（表面活性劑）加入到1升水中，使溶液表面張力從72mN/m降低到28mN/m。假設(shè)溶液體積變化可忽略不計，且丁醇在水面形成單分子層。試計算：（1）該條件下，水的表面吉布斯自由能變化量（ΔGσ）。（2）如果此時溶液中丁醇的濃度（c）=0.5mol/L，請估算溶液表面的覆蓋度（θ）。（假設(shè)Langmuir吸附模型適用，γ?=72mN/m，γ=28mN/m）解析思路：（1）ΔGσ=-AΔγ=-πR2Δγ。但更直接地，ΔGσ=γ-γ?。注意單位統(tǒng)一，1mN/m=0.001N/m。ΔGσ=28mN/m-72mN/m=-44mN/m=-44×0.001N/m。ΔGσ=-0.044J/m2。因為1m2=10?cm2，所以ΔGσ=-0.044J/m2×(1m2/10?cm2)=-0.044J/m2×10?cm?/m?=-44J/cm2。答：水的表面吉布斯自由能變化量ΔGσ為-44J/cm2。（2）根據(jù)Langmuir吸附等溫式：θ=b*c/(1+b*c)，其中θ=(γ?-γ)/γ?，b為吸附系數(shù)。先計算θ=(72-28)/72=44/72≈0.6111。將θ和c=0.5mol/L代入公式求解b：0.6111=b*0.5/(1+b*0.5)。0.6111*(1+0.5b)=0.5b。0.6111+0.3055b=0.5b。0.6111=0.5b-0.3055b=0.1945b。b=0.6111/0.1945≈3.136mol/L。現(xiàn)在用求出的b值和c=0.5mol/L計算θ：θ=3.136*0.5/(1+3.136*0.5)=1.568/(1+1.568)=1.568/2.568≈0.610。答：溶液表面的覆蓋度θ約為0.61。2.將內(nèi)徑為0.5mm的玻璃毛細管插入密度為0.8g/cm3的某油中，測得毛細管內(nèi)油面比外界液面高2mm。已知油的表面張力為32mN/m，重力加速度g=9.8m/s2，油的密度ρ=0.8g/cm3。請計算該油對玻璃的潤濕角θ。（注意單位轉(zhuǎn)換：1mN/m=0.001N/m，1cm3=10??m3）解析思路：使用毛細現(xiàn)象公式γ=ρghcosθ。需要轉(zhuǎn)換單位。內(nèi)徑r=0.5mm/2=0.25mm=0.025cm。毛細管高h=2mm=0.2cm。表面張力γ=32mN/m=32×0.001N/m=0.032N/m=0.032N/m×(1m/100cm)×(100cm/1dm)2=0.032N/m×10?cm2/m2=0.32N/cm2=320dyne/cm。密度ρ=0.8g/cm3。g=980cm/s2。將數(shù)值代入公式：320=0.8×980×0.2×cosθ。320=156.8×cosθ。cosθ=320/156.8≈2.04。注意到計算結(jié)果cosθ>1，這不符合物理實際。檢查單位轉(zhuǎn)換或計算過程。重新審視單位：γ=32mN/m=32×10?3N/m=32×10?3N/(102cm/m)=3.2×10?3N/cm。h=0.2cm。ρ=0.8g/cm3。g=980cm/s2。3.2×10?3=0.8×980×0.2×cosθ。3.2×10?3=156.8×cosθ。cosθ=3.2×10?3/156.8≈2.04×10??。這依然不合理。重新檢查原始題設(shè)或公式應(yīng)用。假設(shè)題設(shè)數(shù)值或條件可能存在不合理之處，或題目意在考察基本公式應(yīng)用，可假設(shè)cosθ≈1（完全潤濕，θ=0）或cosθ<<1。若按cosθ≈1計算：θ≈0°。若按cosθ<<1，則γ≈ρghθ，θ≈γ/(ρgh)。θ≈3.2×10?3N/cm/(0.8g/cm3×980cm/s2×0.2cm)=3.2×10?3/(156.8)≈2.04×10??rad。θ≈0°。更合理的解釋是題目數(shù)據(jù)設(shè)置存在問題。若必須給出一個數(shù)值解，可能需要調(diào)整題目參數(shù)使其合理。此處按計算結(jié)果反推，cosθ≈2.04×10??，θ≈arccos(2.04×10??)≈89.99°。但這仍非常接近θ=90°，表明油不潤濕玻璃（接觸角很大）。假設(shè)題目意圖是計算接觸角，則結(jié)果為θ≈90°。五、論述題試結(jié)合實例，論述表面改性技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用及其重要性。解析思路：首先闡述表面改性概念及其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重要性（解決生物相容性、提高藥物遞送效率、增強診斷能力等）。然后列舉具體應(yīng)用實例，并說明其原理和效果。表面改性技術(shù)通過改變材料表面的化學(xué)組成、物理結(jié)構(gòu)或能量狀態(tài)，以獲得期望的表面性能，是解決材料與生物體相互作用問題的關(guān)鍵手段。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，其重要性體現(xiàn)在多個方面：1.改善生物相容性：許多植入式或介入式醫(yī)療器械（如人工關(guān)節(jié)、心臟支架、血管導(dǎo)管、組織工程支架）直接與人體組織接觸，其表面性質(zhì)直接影響宿主的反應(yīng)。通過表面改性，如涂