09 第八章 表面现象.pptx

第1页：第八章 表面现象

第八章表面现象前言第一节表面张力和表面能第二节曲界面两侧的压力差第三节吸附第四节润湿第五节毛细管现象小结

第2页：前言：表面现象

前言表面现象：指发生在表面上的一切物理化学现象。界面分类：按照物质的三态可分为气液、气固、液液和液固四种。通常把两相中有一相为气相的界面称为表面。注意：界面并不是简单的二维几何平面，而是从一个相到另一个相的过渡层。该过渡层具有一定厚度（约几个分子层厚），其性质与相邻两相的性质不同，但又是由相邻两相所含物质的性质所决定的。因此，研究界面现象，必须研究整个体系的性质。石油工程中的界面现象（1）钻井过程：钻井液与井壁、钻井液滤液与地层岩石、固相颗粒与油或水界面都属于固液界面；水包油或油包水乳化钻井液中的油水界面属于液液界面；充气钻井液与泡沫钻井液中存在气液界面。

第3页：与钻井采油的关系

对钻井过程中界面现象的正确认识和应用可使钻井液保持良好的性能，避免井下复杂事故的发生，为安全、优质、快速钻井创造条件。（2）采油过程：油层被打开之前就存在着气液界面、液液界面、固液或固气界面，其界面现象相对简单；打开之后的采油过程中，由于流体的流动，界面现象变得复杂、多样。（3）集输过程：原油破乳、管道防腐、原油降凝降粘、除垢防垢都是界面行为。界面现象普遍存在于钻井、采油、集输过程，应该学习并掌握基本界面现象和应遵循的基本规律。研究界面现象，必须首先搞清界面现象产生的原因及其实质。

第4页：表面分子的受力分析

第一节表面张力和表面能表面分子受力分析及概念的引出表面张力和表面能是物质表面层分子与物质本体分子相互作用的宏观表现，物质的表面层分子与本体分子的受力状况不同。溶液内部分子所受周围分子的吸引力可以相互抵消而处于受力平衡状态，而表面层分子则受到一个指向液体内部的净吸引力，因此，要把内部分子移到表面上来，就需要克服净吸引力而做功，所做的功转变为表面分子的位能，表面分子比内部分子多具有的能量就叫表面能（Us）。显然，表面积（A）越大，表面分子越多，表面能（Us）越大。——比表面能，即单位表面所具有的能量。

第5页：表面能的单位

第一节表面张力和表面能[Us]——J，[A]——m2，[]——J•m-2=N•m•m-2=N•m-1所以又可看作是作用在单位长度表面上的力，即表面张力（surfacetension或interfacialtention）。表面分子受力分析及概念的引出

第6页：认识角度的多样性

第一节表面张力和表面能表面张力的理解人类对一个事物的认识和理解是不断发展变化的，分析问题和解决问题的角度也是多方面的。例如：圆锥和光圆锥侧面——三角形底面——圆光电效应（E=mC2）角度：光子、粒子性；波的角度：光是一种电磁波。因此，光具有波粒二象性。同样，对于表面张力的理解也可以分为以下几个方面。

第7页：肥皂膜与丝线圈实验

第一节表面张力和表面能表面张力的理解——力的角度丝线圈内肥皂膜未刺破时丝线圈内肥皂膜刺破时金属环上系一丝线圈，把金属环连同丝线圈一起浸入肥皂液中，然后取出，环中就形成一层液膜，而丝线圈可在液膜上自由游动。如果把丝线圈内的液膜刺破，丝线圈即被弹开形成圆形，就好象液面对丝线圈沿着环的半径方向施加向外的拉力一样。由此可知，当液膜未被刺破时，丝线也受到同样的拉力，只是由于丝线两侧都有液膜，液膜对丝线各部分施加的净拉力为零。表面张力是一种收缩力，作用在表面的边界线上，垂直于边界线向着表面的中心并与表面相切，或者是作用在液体表面上任一条线的两侧，垂直于该线，沿着液面拉向两侧。

第8页：U 形框架实验

第一节表面张力和表面能表面张力的理解——力的角度L2LW2W1把金属丝弯成U形框架，另一根金属丝可在框架上自由滑动。把框架放在肥皂液中，取出后，框架上就有了一层肥皂膜。由于表面张力的作用，肥皂膜会把可滑动的金属丝拉上去，一直到框架顶部。如果在金属丝下面悬挂一重物，W2，当W2与可滑动金属丝的质量W1之和与向上的表面张力2L平衡时，金属丝就保持不再滑动。由于肥皂膜有正反两个表面，因此，表面张力在总长度为2L的边界上作用，所以肥皂膜将金属丝向上的拉力为F=·2L=W1+W2。

第9页：薄纸板实验

第一节表面张力和表面能表面张力的理解——力的角度将一个薄纸板剪成三角形，并在其底边上剪出一个凹槽，在凹槽上涂一点肥皂（即表面活性剂）后，将其放入清水中，薄纸板就会自动按箭头所示方向运动。如果不在凹槽上涂抹肥皂，结果怎样呢？为什么涂抹肥皂与否会产生截然不同的现象呢？总结：这是因为与肥皂接触的水的表面张力小，而没有肥皂的各边水的表面张力大；表面张力是一种收缩力，作用在表面的边界线上，垂直于边界线并与表面相切；因此，薄纸板各方向受到的力不能相互抵消，合力F的方向向右，导致薄纸板向右运动。

第10页：功的角度

第一节表面张力和表面能表面张力的理解——功的角度由于净吸引力的存在，把内部分子移到表面，增加单位表面所作的表面功就是表面张力。从单位上来看，实质是表面张力的单位。

第11页：能的角度

第一节表面张力和表面能表面张力的理解——能的角度由于净吸引力的存在，把内部分子移到表面所作的表面功转化为表面分子的位能，单位表面的表面分子所具有的位能（即表面能）就是表面张力。从单位上来看，实质是表面张力的单位。

第12页：表面张力的影响因素

表面张力的影响因素（1）温度：T↑↓，通常每升高10℃，表面张力降低1mN/m解释：T↑→分子间距↑→分子间引力↓→净吸引力↓（2）压力：p↑↓，通常每升高10atm，表面张力降低1mN/m（气液界面显著）解释：p↑→分子间距↓→对表面分子的引力↑→净吸引力↓（3）相界面性质：物质不同，分子吸引力不同，表面层分子受到的净吸引力不同。

由此可以推知，两相物质分子大小、质量、分子间距等性质越接近，↓。

如：水-正辛烷=50.8mN/m，水-正辛醇=8.5mN/m，水-汞=375.8mN/m。

（4）表面活性物质的存在，可以大大降低。

如：25℃水=72.0mN/m，加入0.01%聚氧乙烯壬基苯酚醚水=28.6mN/m。

第一节表面张力和表面能

第13页：表面能趋于减少

表面能自动趋于减少的规律根据能量最低原理，任何物体处于最低能量状态时最稳定。如高处的物体下落（万有引力定律），拉开的弹簧收缩（虎克定律），激发态分子跃迁回基态（分子轨道理论），油水乳状液最终分层（表面能总是趋于降低）等。等温下表面能总是趋于减少，这是一切表面现象所遵循的规律。原因：净吸引力的存在，表面的分子倾向于到液体内部，表面积倾向于减少。第一节表面张力和表面能

第14页：气泡实验

第二节曲界面两侧的压力差当用橡皮球A通过刚好与液面接触的毛细管B向液体C鼓一个气泡，这时，毛细管顶端的液面就变成曲界面，可以由压力计D观察到曲界面两侧（气泡内外）的压力差。h

第15页：压力差原因分析

第二节曲界面两侧的压力差压力差存在原因分析——表面张力的角度p0p0设在液面上，对某一小面积AB来看，沿AB的四周，AB以外的表面对AB面有表面张力的作用，力（F=L）的方向与圆周界垂直，而且沿周界处与表面相切（即与圆周垂直、与表面相切）。FFFFFFFF如果液面是水平的，则表面张力F的方向也是水平的，沿圆周的表面张力互相抵消，液体表面内外的压力相等，等于表面上的外压p0。

第16页：弯曲液面的合力

压力差存在原因分析——表面张力的角度如果液面是弯曲的，则沿AB周界上的表面张力F不是水平的。平衡时，表面张力F将有一合力，当液面为凸形时，合力指向液体内部；当液面为凹形时，合力指向液体外部，这个合力就是附加压力。因此，对于凸面，AB曲面好象是绷紧在液体上一样，表面分子所受到的压力必然大于外部压力；同样凹面AB好象要被拉出液面，液体内部的压力将小于外部压力。由于表面张力的作用，在弯曲表面下的液体受到附加压力（ps），即曲界面两侧存在压力差。p0p0pspsp0-psp0+ps第二节曲界面两侧的压力差

第17页：表面能角度的解释

压力差存在原因分析——表面能的角度等温下表面能总是趋于减少，这是一切表面现象所遵循的规律。曲界面两侧存在压力差，正是该规律起作用的结果。由于表面能总是趋于减少的，而Us=A，在等温等压下不变，因此，表面有自动收缩的倾向（表面曲半径增大，表面积缩小，即曲面有向平面变化的趋势），这个倾向给表面层带来附加压力，即表面收缩压。第二节曲界面两侧的压力差

第18页：附加压力

曲界面两侧的压力差与表面收缩压和附加压力的关系凹面内部和凸面内部的规定：若在曲面上一点作一切面，则切面所在的一侧为凹面内部，切面不在的一侧为凸面内部。附加压力是由表面收缩引起的，附加压力的大小与表面收缩压相等，当液面为凸面时二者方向相同，p附=ps>0；当液面为凸面时二者方向相反，p附=-ps<0（收缩压永远为正）。曲界面两侧的压力，凸面内部压力（p凹）总大于凹面内部压力（p凸），p凹>p凸，△p=p凹-p凸>0。理解：向哪面凹，哪面压力大，附加压力的方向总是指向凹面。认识关键：表面层两侧是两个压力系统，表面层象一个弯曲的活塞。第二节曲界面两侧的压力差

第19页：压力差与曲率半径的关系

曲界面两侧的压力差与液面曲率半径和表面张力的关系水r气dr气泡半径r→r+dr气泡面积A→A+d A气泡体积V→V+d V抵抗外压所作的功△pd V，全部转化为表面能Us=d A。所以△pd V=d A第二节曲界面两侧的压力差

第20页：例1：大小气泡的压力比较

例1在水面下同一深处h处有大小两个气泡，它们的半径分别为R和r，压力分别为P、p。试证明p>P。已知水面上的大气压为pa。证明：由曲界面两侧压力差公式可得两式相减，可得由于R>r，所以p-P>0，即p>P，小泡中气体的压力大于大泡中气体的压力。第二节曲界面两侧的压力差

第21页：例2：毛细管中的水柱

例2在玻璃毛细管半径改变处有一段水柱，试证明下式成立证明：由曲界面两侧压力差公式可得两式相减，可得由于所以整理上式可得第二节曲界面两侧的压力差

第22页：思考题6：大小肥皂泡

P104思考题6：在带活塞的玻璃弯管两端有大小不同的两个肥皂泡，问将中间活塞打开，这两个肥皂泡将发生怎样的变化？解：两式相减可得因此，小泡变小、大泡变大。最终R=r。第二节曲界面两侧的压力差

第23页：思考题7：玻璃片间的水

P104思考题7：（1）两玻璃片间有水，为什么不易将它们拉开？解：papapapaP水pa>p水，上下不易垂直分开。papapapaP水平推，曲率半径变大，pa-p水变小，因此平推易拉开。如果玻璃片间的水换为水银，结果将怎样？第二节曲界面两侧的压力差

第24页：思考题7：砂粒遇水坍塌

P104思考题7：（2）松散砂粒遇水，为什么引起坍塌？解：pa>p水，易引起坍塌。第二节曲界面两侧的压力差

第25页：吸附的基本概念

第三节吸附吸附的基本概念向纯水中加入不同的物质，发现水的表面张力与外加物质的浓度的关系呈现三种情况。C1线：在稀溶液范围内，随C增加急剧下降，如洗涤剂、洗衣粉、油酸钠等。2线：随C增加下降较缓慢，如有机醇、醛、酮等。3线：随C增加稍有上升，如无机酸、碱、盐等。

第26页：表面张力降低的微观解释

吸附的基本概念C微观解释溶质-溶剂吸引力<溶剂-溶剂吸引力，所以溶质的加入，使表面相分子所受到的净吸引力变小，即↓。因为Us=A，所以Us↓；表面能总趋于降低，溶质越易到表面上，从而导致表面浓度>内部浓度——正吸附，如1，2线。溶质-溶剂吸引力>溶剂-溶剂吸引力，所以溶质的加入，使表面相分子所受到的净吸引力变大，即↑。因为Us=A，所以Us↑；表面能总趋于降低，溶质倾向于留在液体内部，从而导致表面浓度<内部浓度——负吸附，如3线。

第27页：吸附、吸附剂与吸附质

吸附的基本概念吸附：相表面浓度和相内部浓度不等的现象。狭义上讲，就是物质在表面的浓集现象。吸附剂：用来产生吸附的物质，如活性炭。吸附质：被吸附的物质，如色素。吸附量：单位表面或单位质量吸附剂（固体）所吸附的吸附质的物质的量。表面活性物质：能产生正吸附的物质。表面惰性物质：能产生负吸附的物质。

第28页：气液界面吸附规律

气液界面吸附吸附规律（1）同一浓度、不同吸附质以脂肪酸同系物如甲酸、乙酸、丙酸、丁酸为例，其水溶液的表面张力、吸附量与浓度的关系如图所示。M甲<M乙<M丙<M丁，甲>乙>丙>丁，г甲<г乙<г丙<г丁表面张力与浓度的关系吸附量与浓度的关系

第29页：特劳贝规则

吸附规律特劳贝（Traube）规则：在同浓度时，减少表面张力的能力和它在表面上的吸附量随分子量的增加而增加，并且每增加一个-CH2-，降低表面张力的能力约增加3.2倍。微观解释表面活性物质的分子结构特点：分子由两部分组成——亲水部分和亲油部分。简化为

第30页：特劳贝规则的微观解释

吸附规律微观解释甲酸丁酸丙酸乙酸M↑→净吸引力↓→↓→г↑解释：因为水对亲水基的吸引力相同，而分子量M越大，气体对分子的吸引力越大（色散力越大），所以，净吸引力随分子量增大而降低，↓，Us ↓，分子更易于存在于界面上，故г↑。

第31页：浓度对吸附的影响

吸附规律（2）同一吸附质、不同浓度浓度较小时，、г随浓度的变化大；浓度较大时，、г随浓度的变化小；浓度很大时，、г不随浓度而变化。微观解释稀：平铺于液面，影响大；较浓：倾斜于液面，影响小；浓：表面达到饱和吸附，无影响。由表面活性物质吸附层的结构引起的。

第32页：吉布斯吸附等温式

吉布斯吸附等温式Г——吸附量，mol/m2；C——吸附达平衡时吸附质在溶液中的浓度，mol/L；R——通用气体常数，8.315N.m/(K.mol)；T——热力学温度，K；——表面张力随浓度的变化率，N.m-1/(mol/L)讨论：Г吸附类型<0>0=0>0<0=0正吸附负吸附无吸附计算气液界面的吸附量

第33页：液液界面吸附

液液界面吸附1.与气液界面吸附的相同点（1）界面活性物质在液液界面吸附都可降低液液界面的界面张力，减少界面能，从而使体系更加稳定。（2）吸附在液液界面上的活性物质定向排列。（3）吉布斯吸附等温式可用于液液界面吸附量的计算。2.与气液界面吸附的不同点（1）由于液液界面张力小于气液界面张力，因此液液界面的吸附倾向于小于气液界面。（2）若界面活性物质对两种液体的亲力都很靠近，则吸附量多，否则吸附量少。

第34页：弗兰特黎胥吸附等温式

固液界面吸附1.经验公式：弗兰特黎胥（Freundlish）吸附等温式Г——单位质量固体吸附的吸附质的摩尔数，mol/kg；C——吸附达平衡时吸附质在溶液中的浓度，mol/L；, n——经验常数，与温度、溶质、溶剂和固体的性质有关。2.经验规律：（1）吸附质是弱电解质或非电解质，如C3H7COOH，C4H9OH①极性相近原则：极性吸附剂易吸附极性吸附质，非极性吸附剂易吸附非极性吸附质。如活性炭易吸附苯，硅胶易吸附乙醇。

第35页：溶解度与吸附量

②溶质在溶剂中溶解度越小，在固体表面上的吸附量越大。例如：因为所以硅胶从四氯化碳和苯中吸附苯甲酸的吸附等温线

第36页：温度对吸附量的影响

③吸附量随温度升高而降低（一般情况），但要具体情况具体分析。两个因素：温度升高对固体表面吸引力的影响，通常是吸引力减小；温度升高对溶质溶解度的影响，有的使溶解度增大，有的使溶解度减小。若温度升高，溶解度增大，则两种因素作用方向一致，吸附量减少，如活性炭从水溶液中吸附乙酸。若温度升高，溶解度减小，则两种因素作用方向相反，看哪一个因素起主导作用。若前一因素起主导作用，则温度升高吸附量减小，如活性炭从稀丁醇溶液中吸附丁醇。若后一因素起主导作用，则温度升高吸附量增加，如活性炭从浓丁醇溶液中吸附丁醇。

第37页：法扬斯法则

第三节吸附——固液界面吸附（2）吸附质是强电解质法扬斯法则：当离子键晶体(固体)从溶液中吸附离子时，溶液中离子与晶体中异号离子形成难溶盐时则该离子优先被吸附。

第38页：润湿现象

第四节润湿水、油分别滴在玻璃和石蜡表面上，将会出现什么现象？这是液体对固体表面的润湿程度不同造成的。与石油工程有何关系呢？（1）固相物质在钻井液中的润湿程度直接关系到钻井液性能的好坏；（2）钻井液滤液及其它入井流体对油气层岩石润湿性改变，有可能引起油气有效渗透率下降，造成油气层损害；（3）油气层中地层原油和地层水与油藏岩石的润湿性直接影响原油采收率，因此，润湿是一种很重要的表面现象。

第39页：润湿与表面能

润湿是液体和固体表面相接触时的一种表面现象，而一切表面现象必然遵循“表面能总趋于降低”的规律，因此润湿现象必然受该规律的支配。由此可以推知，固体表面与液体接触前后的表面能变化△Us一定小于0，否则，润湿不可能发生（△U<0为热力学自发过程）。即润湿：固体表面一种流体被另一种流体所取代引起固体表面能下降的过程。

第40页：接触角

润湿程度的衡量标准1.接触角（润湿角）定义：过气液固三相交点对液体作的切线与固液界面包着液体的夹角。方法要点：一个点（三相交点）、两条线（两相界线）、指谁包谁。与润湿性的关系：=0°，完全润湿；<90°，润湿好；>90°，润湿不好；=180°，完全不润湿。

第41页：思考题8：玻璃板下的气泡

P104思考题8：玻璃板下有气泡，其形状可能有两种情况，哪种情况液体对固体润湿好？水银、玻璃和空气属哪一种？P105思考题9：画出下面两种情况的接触角，哪种液体对固体润湿好？

第42页：思考题9与10

P105思考题10：有五种固体它在液面的平衡位置如图所示，画出接触角并说明润湿好坏的顺序。P105思考题11：

第43页：思考题11与12

P106思考题12：（1）（2）（3）

第44页：思考题13

P107思考题13：

第45页：接触角的测量方法

接触角的测量方法投影法另外还有插板法、吊片法、Bartell-Osterhof法等。计算法在气液固三相交点O处的三种表面张力达平衡时，满足下列关系式：气固-液固=气液，cos=1，=0°完全润湿0<气固-液固<气液，cos<1，<90°润湿好液固>气固，cos<0，>90°润湿不好

第46页：粘附功

润湿程度的衡量标准2.粘附功将单位面积的固液界面在第三相中拉开所作的功。表面能的变化为：W粘越高，cos越接近于1，越接近于0°，液体对固体润湿越好。

第47页：润湿热

润湿程度的衡量标准3.润湿热液体在润湿固体时，单位质量的固体放出的热。润湿是一种热力学自发过程，即表面能降低（以热的形式放出）。润湿热越大，润湿程度越好。例如：硅胶被下列液体润湿时放出的润湿热甲醇乙醇戊烷己烷64J/g 61.5J/g 12.97J/g 12.97J/g

第48页：润湿反转

润湿反转润湿程度主要决定于固体和液体的性质，但当第三种物质，特别是表面活性物质的存在时往往会改变固体表面的亲水亲油性，甚至使其相互转化。固体表面亲水性和亲油性的相互转化就叫润湿反转。

第49页：毛细管现象

第五节毛细管现象玻璃/水=8~9°，玻璃/汞=139°只要是毛细管，总能使液体上升或下降。这就是毛细管现象。

第50页：毛细管升降高度公式

毛细管上升与下降现象毛细管上升或下降高度计算公式推导r‘——毛细管半径，r——曲界面曲率半径r‘=rcos①②③②代入③：与①联立，得整理，得

第51页：公式讨论

毛细管上升与下降现象讨论

（1）h与r´成反比，r´=∞，h=0

（2）

0°→90°→180°

cos

1→0→-1

第52页：贾敏效应

贾敏效应定义：液珠或气泡对通过孔喉的液流产生的阻力效应。液流必须克服液珠或气泡带来的△p才能通过孔喉，这个附加的阻力效应就是贾敏效应。①-②：推导：①②液流△p

第53页：贾敏效应的特点

贾敏效应贾敏效应的特点：（1）始终是阻力效应：亲水地层，发生在液珠或气泡通过孔喉之前；亲油地层发生液珠或气泡在通过孔喉之后。亲水地层亲油地层

第54页：贾敏效应的叠加

贾敏效应（2）可以叠加：总的贾敏效应是流动通道上各个孔喉贾敏效应的加和。

第55页：结束页

谢谢大家，再见！