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1、第三章 表 面 现 象,界面与表面：密切接触的两相的过渡区，称为界面，如果其中一相为气相，称为表面。气液、气固、液液、液固、固固界面界面现象：指发生在界面上的一切物理现象（如吸附、润湿）和化学现象（如在固体催化剂表面上发生催化反应）。,本章内容,1 表面张力2 曲界面两侧的压力差3 吸附4 润湿5 毛细管现象,第一节,表面能与表面张力,一、表面张力,1 净吸引力。,2 净吸引力指向液体内部。,3 克服净吸引力做功。,4 表面能。,单位表面所具有的表面能（能量）增加单位表面所需要做的功（功）作用在单位长度表面的力（力）,从力角度理解表面（界面）张力,（1）作用在表面的边界线上；（2）垂直于边界线
2、；（3）指向表面的中心并与表面相切,二、影响表面张力大小的因素,表面张力,净吸引力,二、影响表面张力大小的因素,1、温度越高，表面张力越低,2 压力变高，表面张力变低;压力对液液界面张力影响小,二、影响表面张力大小的因素,二、影响表面张力大小的因素,3 相界面性质(1)取决于物质本性,二、影响表面张力大小的因素,3 相界面性质(2)取决于相界面性质(水-空气)=72.0mN/m(水-苯)=32.6mN/m,气体内部,水内部,苯内部,水内部,二、影响表面张力大小的因素,3 相界面性质(1)液气与液液(2)界面上吸附的物质 表面活性物质 表面活性剂,三、表面能自动趋于减少的规律,在净吸引力的作用下
3、，表面有自动收缩的倾向（液体表面就如同一层绷紧了的富于弹性的橡皮膜，不是很贴切的类比）。在等温条件下，表面能自动趋于减少。曲界面压力差、吸附、润湿和毛细管现象都是该规律起作用的表现。,第二节,曲界面两侧的压力差,曲界面压差的实验证明,p1,p2,p1,p2,p2,P1 P2,从能量的角度阐述曲界面两侧压差产生原因：,气泡能否自发形成？,不会,气泡形成的过程，是表面能增大的过程。,要形成气泡，必须对体系做功。,保持p=p1 p2,使气泡膨胀膨胀功,最终膨胀功 等于表面能的变化,表面能自动趋于减少的规律起作用的结果,内侧压力,外侧压力,对于液体下的一个气泡，半径为r，我们试图使其半径增加dr，则体
4、积增加，表面积增加，此过程作功：,从能量角度推导曲界面两侧压差公式：,膨胀功,dV=4r2dr,dA=8rdr,W=pdV=p 4r2dr,曲界面两侧压差公式推导,按照表面能的概念，表面能增加dA=8rdr因此p 4r2dr=8rdr,曲界面压差公式推导,说 明,r为曲率半径；p1/r；只适用于球形界面；,说 明,曲界面两侧压差，方向会判断,凹液面：,凸液面,P外,P内,P外,P内,曲界面曲心一侧的压力大,例题1,h,P1,P2,R,r,pa,例2,练 习,104页7题,3,1,2,练 习：推导肥皂泡内外压差计算公式,B,练 习：推导肥皂泡内外压差计算公式,第三节,吸 附,基本概念,吸附：相表
5、面浓度与相内部浓度不同的现象。正吸附：相表面浓度大于相内部浓度的现象。负吸附：相表面浓度小于相内部浓度的现象。,基本概念,表面活性物质：产生正吸附从而使表面张力 降低的现象。有机酸、醇、醛、酮等。表面惰性物质：产生负吸附从而使表面张力 升高的现象。无机酸、碱、盐等。,主要内容,一、气液界面上的吸附二、液液界面上的吸附三、固体从溶液中吸附,一、气液界面上的吸附,吸附量：单位面积上吸附的物质的量。脂肪酸的吸附规律甲酸乙酸丙酸丁酸,一、气液界面上的吸附,亲油非极性基团,亲水极性基团,亲油基增大,一、气液界面上的吸附,脂肪酸取代界面分子后，净吸引力降低,脂肪酸在界面的存在状态决定了降低界面张力的能力,
6、饱和吸附,十二烷基硫酸钠,Gibss吸附等温式,作用：描述吸附量与溶液浓度、表面张力随浓度变化率的关系。内容：,Gibss吸附等温式,-吸附量，mol/m2C-吸附质在溶液内部的浓度，mol/LR-通用气体常数，N.m/(K.mol)T-热力学温度，K-表面张力，N/m,说 明,1、注意单位的使用2、d/dc的含义及求法3、d/dc与吸附量的符号4、由热力学导出，适应于气液界面和液液界面（稀溶液）,练 习,在25C时，乙醇的水溶液的表面张力与其浓度的关系为（Cb为乙醇的浓度）：=72 0.5Cb+0.2 Cb2式中，的单位为mNm-1，Cb的单位为molL-1。计算乙醇的浓度在0.5 molL
7、-1的吸附量。,二、液液界面上的吸附,液液界面与气液界面的相同点：表面活性物质发生正吸附表面活性物质在界面上定向排列Gibbs吸附等温式可用液液界面与气液界面的不同点：液液界面张力小于气液界面张力表面活性物质与两相的亲力对吸附量有很大影响,烃链长度合适，则极性合适，对两相的亲力相近，吸附量最大,三、固体从溶液中吸附,溶质、溶剂都有可能在固体界面上吸附，因此溶质和溶剂相互影响，存在竞争吸附，所以固体从溶液中的吸附比较复杂，至今未建立起成熟的理论来解释固体从溶液中叙吸附的全部规律。本节主要介绍一些经验规律和经验公式。,1、经验公式,(1)Freundlish吸附等温式-每千克固体所吸附溶质的物质的
8、量，mol/kgC-溶液中溶质的浓度，mol/l，n-与温度、溶质、溶剂和固体性质有关的常数,1、经验公式,(1)Freundlish吸附等温式,1、经验公式,(2)Langmuir吸附等温式-每千克固体所吸附溶质的物质的量，mol/kgC-溶液中溶质的浓度，mol/lb-吸附系数，mol/l,与温度、溶质、溶剂和固体性质有关的常数,饱和吸附量,1、经验公式,(2)Langmuir吸附等温式,2、经验规律,（1）溶质为非电解质或弱电解质，固液界面的吸附规律（2）溶质为电解质时的吸附规律（法扬斯法则，Fajans rule）,（1）极性固体易于吸附极性溶质，非 极性固体易于吸附非极性溶质（极性相
9、近规则）,（2）极性固体从非极性溶剂中吸附带烃链的表面活性物质时，烃链越长，吸附量越小；非极性固体从极性溶剂中吸附带烃链的表面活性物质时，烃链越长，吸附量越大,代表脂肪酸,（3）若溶质在不同的溶剂中有不同的溶解度，则溶解度越小的溶质在固体表面的吸附量越大。苯甲酸在四氯化碳和苯中的溶解度之比为4.18:12.43，若用硅胶吸附苯甲酸，则在四氯化碳的吸附量大。,温度升高，固体对溶质的吸引力减少;温度升高，溶质在溶剂中的溶解度会发生变化（增加或减少）.,（4）温度对吸附量的影响,溶质为电解质时的吸附规律（法扬斯法则，Fajans rule）,当离子键固体从溶液中吸附离子时，若溶液中的离子能和固体中的
10、异号离子形成难溶盐，则该离子优先被吸附。,第四节 润湿,一、润湿概念二、润湿程度的衡量标准三、润湿程度的决定因素与润湿反转现象,一、润湿概念,润湿定义 固体表面上一种流体被另一种流体取代引起表面能下降的过程。可理解为：固体表面的A流体能自发取代B流体，认为A在固体表面是润湿的。,二、润湿程度的衡量标准,1、接触角2、粘附功,定义 沿气液固三相交点对液滴表面所作切线与液固界面所夹的角。,1、接触角,1、接触角,定义：接触角（润湿角）沿气液固三相交点对液滴表面所作切线与液固界面所夹的角。90,润湿不好=0,完全润湿=180,完全不润湿,1、接触角,找接触角步骤（1）找出三相点（2）围绕研究对象，从
11、三相点作两条切线（3）两条切线夹着研究对象的角度即为接触角。,练习,找出油滴在砂粒表面的润湿角,练习,找出油滴在砂粒表面的润湿角,砂粒,油滴,水,投影法测接触角,润湿角测定仪,理论推导（杨氏方程）,固体,液体,固液,固气,液气,液,固,做功,固,液,2 粘附功,将单位面积（如1m2）固液界面在第三相中拉开所作之功。,Us=气液 1m2+气固 1m2-液固 1m2=（气液+气固-液固）1m2 W粘=Us,W粘=Us=气液（1+cos）,液,固,做功,固,液,说 明,1、粘附功意义2、改变粘附功的方式3、第三相也可以指液相,W粘=气液（1+cos）,从粘附功分析驱油效率(洗油效率),W粘=油水（1
12、+cos）,砂粒,油滴,水,三、润湿程度的决定因素与润湿反转现象,1、液体和固体的性质是润湿程度的决定因素2、第三种物质的物质加入（表面活性物质）,1、液体和固体的性质是润湿程度的决定因素,液体的分类极性液体非极性液体固体的分类极性固体，硅酸盐、碳酸盐、硫酸盐非极性固体，有机固体、硫化物液体与固体的润湿性关系,水,亲水表面反转为亲油表面,2、表面活性物质对润湿性的影响与润湿反转,油,亲水表面反转为亲油表面,2、表面活性物质对润湿性的影响与润湿反转,第五节,毛细管现象,一、毛细管上升或下降现象,1,h,r,2,3,4,5,6,球型曲界面,1,h,2,3,4,5,6,表面物理化学，谈慕华,对公式的
13、理解,毛细管下降现象,练习,在油水半径为0.001cm的毛细管，已知50时油水界面张力为30.0mN/m，水对毛细管表面的接触角为45，油水密度分别为0.92、0.98g/cm3，计算毛细管与油水界面成90、60、45、30和0时水在毛细管中移动距离（由液面算起）。解：,对一个亲水的毛细管来说，毛细管越倾斜，水在毛细管中移动的距离越长。,毛细管现象对采油的影响,亲水地层，毛细管现象是水驱油的动力亲油地层，毛细管现象是水驱油的阻力力的大小与润湿性有关，与毛管半径有关,拓 展,毛管力,方向：指向非润湿相,练习：分析并联毛细管残余油分布（驱动速度较低）,亲水,亲油,练习：亲油模型中孤岛状残余油形成机理分析,二、贾敏（Jamin）效应,气泡或液珠对通过孔喉的流体所产生的阻力效应,泡沫的堵塞作用,(e)(f),p1,p2,练 习,问：半径R2=0.05cm的气泡通过r=0.005cm的毛细孔，需要克服多大压差才能通过。已知水的表面张力为67.94mN/m,水对砂岩表面的接触角为30解：,练习,计算水驱油通过最小半径r=0.001cm的毛细孔时需克服的最大压差。已知水的表面张力为40mN/m,水对砂岩表面的接触角为20解：,不管地层的润湿性，贾敏效应始终是阻力效应,不管地层的润湿性，贾敏效应始终是阻力效应,贾敏效应的叠加性,P111-14,
