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1、（第10次课） 3表面现象,界面：指任意两相的接触面，大约有几个分子的厚度。界面种类：g-l；g-s ；l-l ；l-s ；s-s ；表面：两相中有一相为气相的界面称之为表面。表面种类： g-l；g-s ；,3表面现象,表面现象：是指发生在表面上的一切物理现象（如润湿、吸附）和化学现象（如在固体催化剂表面上发生催化反应）。注：习惯上也常将界面称为表面，把界面现象称为表面现象。,3表面现象,油田生产中广泛涉及的表面现象： 钻井液中存在着多种界面； 油层一般是由多孔的砂岩、油、水、天然气等形成的系统。在这个系统中，存在着岩石气、岩石油、岩石水、油气、油水、水气等界面； 原油集输过程同样存在着各种界
2、面。破乳、缓蚀、降凝、降粘和防垢等都是通过各种处理剂在界面上起作用的，从而达到工艺上的各种目的；,3表面现象 3-1表面能和表面张力,一、分散度和比表面：分散度：指物质被分散的程度。常用比表面的大小来衡量分散度。比表面：即体积表面，指单位体积的物质具有的表面积称为比表面，用A。表示，单位m-1。,3表面现象 3-1表面能和表面张力,公式： A0比表面，m-1；A总表面积，m2；V总体积，m3。,3表面现象 3-1表面能和表面张力,例1边长为L的立方体，其比表面为：例2半径为R的球体，其比表面为：,3表面现象 3-1表面能和表面张力,练习 求边长为1cm的立方体的总表面积为多少？比表面为多少？
3、若将其粉碎边长为01cm的立方体后，总表面积为多少？比表面为多少？ 若将其粉碎为10-6cm的立方体后，总表面积为多少？比表面为多少？,3表面现象 3-1表面能和表面张力,答案： （总表面积为6cm2，比表面为6cm-1；n=1/013=1000，A=10006012=60 cm2，A0=60/1=60cm-1；n=1/10-18=1018，A=1018610-12=6106 cm2，A0=6106 cm-1；）,3表面现象 3-1表面能和表面张力,二、表面能和表面张力：1、表面能：液体表面分子与液体内部分子的受力分析：图示如下：,3表面现象 3-1表面能和表面张力,（图）液体表面分子与内部分
4、子的差别示意图,3表面现象 3-1表面能和表面张力,受力区别：液体内部的分子，受到周围分子的引力是对称且相等的，其合力为零。而表面分子不同于内部分子，因它受液体内部分子的引力比从气体分子的方向受到的引力强。因此表面分子受到一个垂直向内的净吸引力。,3表面现象 3-1表面能和表面张力,液面自动收缩原因：在净吸引力的作用下，液体表面分子倾向于到内部来，因此液体表面趋于自动收缩。表面能定义：表面分子比内部分子多具有的能量叫做表面能。以U0（或US）表示，单位为J。,3表面现象 3-1表面能和表面张力,表面能公式：或表面能增量公式： A：物质的表面积，单位为m2；：称为比表面能，其物理意义是“单位表面
5、积的物质所具有的表面能”或“物质增加单位表面积时所引起体系表面能的增加”，它的单位是 Jm-2；,3表面现象 3-1表面能和表面张力,2、表面张力：定义：作用于表面边缘单位长度上的力，称为表面张力，用表示，单位是Nm-1；图示如下：,F,（无摩擦力的金属杆在金属液膜框上处于平衡状态）,3表面现象 3-1表面能和表面张力,=F/2l：液体表面张力，Nm-1；F ：外力，N；l ：液膜宽度，m；,3表面现象 3-1表面能和表面张力,大小：表面张力的大小与净吸引力的大小有关，两侧物质分子对表面层分子引力差愈大，净吸引力愈大，表面张力也愈大，即F净（可作为依据判断表面张力的相对大小）。方向：物质表面某
6、点的切线方向。,3表面现象 3-1表面能和表面张力,表面张力与比表面能的异同：相同点：数值相等。不同点：含义不同；单位不同；表面张力既有大小又有方向，而比表面能只有大小没有方向。,3表面现象 3-1表面能和表面张力,三、影响表面张力的因素：1、表面性质：或称相界面的性质。表面张力的大小与净吸引力的大小有关，而净吸引力的大小是由表面（或界面）两侧物质的性质决定的。两侧物质子对表面层分子引力差愈大，净吸引力愈大，表面张力也愈大。如25时（H2O-空气）=720mNm-1，（H2O-苯）=326mNm-1,3表面现象 3-1表面能和表面张力,2温度：规律：表面张力随温度升高而减小。（如下表所示课本P
7、78表3-1）原因：因为温度升高液体的体积膨胀，分子间距增加，分子间的引力减小，因此表面分子所受到的净吸引力减小。 思考试判断在临界温度下物质的表面张力为多少。（零）,3表面现象 3-1表面能和表面张力,3压力：规律：对于液气表面，增加压力时，表面张力下降。原因：因为增加压力气体密度增大，从而增加气体分子对液面分子的吸引力，使液面分子受液内分子的净吸引力减小。（但压力对表面张力的影响较小，通常不予考虑。）,3表面现象 3-1表面能和表面张力,4外加化学物质：当液体中溶入其他物质时，会改变其表面张力。（以后章节中介绍）四、表面能自动趋于减小规律：在一定条件下，物质的表面能有自动减小的的趋势，此称
8、之为表面能自动趋于减小规律。,3表面现象 3-2曲界面两侧的压力差,一、曲界面两侧的压力差：1、实验证明： 曲界面两侧的压力差可用下图所示的试验证实。当用橡皮球A通过刚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液面，可以由压力计D观测到曲界面两侧的压力差。,3表面现象 3-2曲界面两侧的压力差,（图）曲界面两侧的压力差的试验证明,3表面现象 3-2曲界面两侧的压力差,2、曲界面两侧的压力差产生原因：既可以从能的方面说明，也可以从力的方面来说明。 曲界面两侧之所以有压力差是表面能自动趋于减少规律起作用的结果。表面能趋于减少，气泡表面倾向于收缩，这个倾向会对阻碍表面收缩
9、的方向施加压力，这个压力叫表面收缩压。由于曲界面总是向凸面内部（即曲率中心一侧）的方向收缩，所以表面收缩压总是指向凸面内部，使曲界面两侧产生压力差（以表示）。由于平衡时，凸面内部压力（设为p1）总大于凸面外部压力（设为p2）, 所以p=p1-p20。,3表面现象 3-2曲界面两侧的压力差,3、计算公式：称为拉普拉斯公式。,=,：曲界面两侧的压力差，或表面收缩压，单位Pa。：液体的表面张力，N.m-1。r：曲界面的曲率半径，m。,3表面现象 3-2曲界面两侧的压力差,公式讨论： r越小（即曲率越大），曲界面两侧的压力差越大。 r越大（即曲率越小），曲界面两侧的压力差越小。 在极限情况，即r=(平
10、界面)，界面两 侧的压力差为零，即平界面两侧的压力相等。,3表面现象 3-2曲界面两侧的压力差,4、方向：沿着曲界面指向曲心。5、推导p与液面曲率和表面张力的关系：设毛细管下端有一半径为r的气泡，由于橡皮球A的加压，使气泡体积增加dV。在体积增加时，抵抗p所消耗的功应为pdV。与气泡体积增加的同时，气泡的表面积也相应增加，设为dA，从而使液体的表面能增加dUs。从能量守恒，可得：,3表面现象 3-2曲界面两侧的压力差,dUs=dA=pdV由于A=4r2，V=4r 3/3，所以dA=8rdr，dV=4r2dr，将这些关系代入上式，得：p=,即 p=,=,=,3表面现象 3-2曲界面两侧的压力差,
11、思考从力的角度说明曲界面两侧压力差产生的原因。（表面张力） 6、有关p的计算： 例题课本P140 例7-1 在水面下同一深处h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（如下图所示）。试证明。已知水面上的大气压为Pa。,3表面现象 3-2曲界面两侧的压力差,（图）气泡内压力的比较,3表面现象 3-2曲界面两侧的压力差,证明： 由曲界面两侧压力差的公式可得：,式中，水的表面张力；水的密度；g重力加速度数；,3表面现象 3-2曲界面两侧的压力差,将上两式相减，可得，,由于Rr，所以,即,3表面现象 3-2曲界面两侧的压力差,例题课本P150 例题7-2 如图7-13所示，在玻璃毛细
12、管半径改变处有一段水柱，试证明下式成立：,h水柱高度；R粗毛细管中水面的曲率半径；,3表面现象 3-2曲界面两侧的压力差,r细毛细管中水面的曲率半径；水的表面张力；水的密度；g重力加速度常数；,3表面现象 3-3曲界面两侧的压力差,解：有关压力标于图上，pa大气压；P1细毛细管水面内侧的压力；P2粗毛细管水面内侧的压力。由曲界面两侧压力差公式可得：,（图）变径毛细管的水柱高度,3表面现象 3-2曲界面两侧的压力差,上两式相减得： 由于 ，所以： 即：,3表面现象 3-2曲界面两侧的压力差,思考证明空气中的肥皂泡内部所承受的收缩压是： 。,（第13次课） 3表面现象 3-3吸附,吸附定义：表述1
13、：表面层浓度与相本体浓度不同的现象称为吸附。（指s-g吸附）表述2：相表面浓度与相内部不同的现象称为吸附。（指溶液表面吸附）,3表面现象 3-3吸附,正吸附：相表面浓度大于相内部浓度的现象称为正吸附。负吸附：相表面浓度小于相内部浓度的现象称为负吸附。表面活性物质：凡能在表面上产生正吸附从而使表面张力降低的物质称为表面活性物质。如有机酸、醇、醛、酮等对水是表面活性物质。,3表面现象 3-3吸附,表面惰性物质：凡能在表面上产生负吸附从而使表面张力增大的物质称为表面惰性物质。如无机酸、碱、盐等对水是表面惰性物质。,3表面现象 3-3吸附,吸附原因：固体或液体表面层（或液-液界面层）的粒子具有剩余力场
14、。在一定条件下，其它物质的分子在这种剩余力场的作用下，会自动富集于固体或液体表面上，从而导致在固体或液体表面层中某组分浓度与该组分在相本体浓度的不同。,3表面现象 3-3吸附,吸附剂：起吸附作用的物质称为吸附剂。 吸附质：被吸附的物质称为吸附质。例如用硅胶吸附电视机内的水汽，防毒面具中的活性炭滤除毒气等都是吸附作用的应用。这里硅胶、活性炭是吸附剂，而水汽、毒气是吸附质。,3表面现象 3-3吸附,良好的吸附剂应具备条件：良好的吸附剂应当具有较大比表面。 吸附分类：根据相界面的不同，分为：s-g吸附；l-g吸附；l-l吸附；溶液中固体表面吸附；,3表面现象 3-3吸附,根据吸附剂与吸附质间作用力性
15、质的不同，把吸附分为物量吸附和化学吸附。物量吸附和化学吸附的区别：物量吸附：,3表面现象 3-3吸附,由分子间力所引起的吸附称为物理吸附。这类吸附一般无选择性。可以是单分子层的也可以是多分子层；由于分子间力较弱，吸附质的摆脱吸附（脱附）较容易。这类吸附速率较大，且受温度影响较小。吸附热较小。,3表面现象 3-3吸附,化学吸附：由化学键力作用引起的吸附称为化学吸附。这类吸附有选择性。只能是单分子层吸附；由于化学键力很强，吸附质难以脱附；这类吸附速率较小，且易受温度影响。吸附热较大。,3表面现象 3-3吸附,物量吸附和化学吸附的存在方式：物理吸附和化学吸附在很多情况下相伴发生；通常低温时以物理吸附为主，而高温时则以化学吸附为主；在一定温度范围内，可以将物理吸附转化为化学吸附。,3表面现象 3-3吸附,吸附量：为了表示吸附剂在一定条件下对吸附质的吸附能力，常用吸附量（符号）表示。通常吸附量用每千克吸附剂所吸附的吸附质的物质的量表示，单位molKg-1。对于气态吸附质也可用每千克吸附剂所吸附的气体的体积（换算为标准状况下）来表示，单位L.Kg-1。,3表面现象 3-3吸附,饱和吸附量：也称最大吸附量，即吸附达饱和状态时的吸附量，用表示。,
