化学原理：第三章 表面现象
物理化学中的表面现象和界面反应
物理化学中的表面现象和界面反应表面现象和界面反应是物理化学领域中的重要课题，涉及到物质与界面的相互作用、表面结构、表面能量等方面。
本文将以此为主题，介绍表面现象和界面反应的基本概念、研究方法以及在生物、化工等领域的应用。
一、表面现象的基本概念表面现象是指物质与界面之间的相互作用过程，包括液体-气体界面和固体-气体界面。
液体-气体界面的表面现象包括液体表面张力和液滴形成，固体-气体界面的表面现象包括液体在固体表面的吸附、界面活性剂的作用等。
表面现象有其固有的特点，例如，液体分子在液体-气体界面上受到复杂的吸附相互作用，导致液滴形成；而在固体-气体界面上，固体表面原子和分子的排列方式与体相有所不同，表现出特定的性质。
二、研究表面现象的方法研究表面现象的方法主要包括表面张力测定、界面活性剂的表面吸附等实验手段。
例如，通过在液体-气体界面加压，测定液滴的半径变化来确定液体表面的张力。
界面活性剂的表面吸附可以通过测定界面剂溶液的表面张力和浓度来推断。
此外，表面和界面的结构也可以通过许多表征手段进行研究，包括拉曼光谱、X光衍射、透射电子显微镜等技术。
这些方法可以直接或间接地揭示表面分子和原子的排列方式、键长、键角等信息。
三、界面反应的原理与应用界面反应是指液体-液体界面或者固体-液体界面上发生的化学反应。
在界面反应过程中，各相之间的相互作用和传递起着重要的作用。
界面反应在生物、化工等领域有广泛的应用。
例如，生物体内的很多生化反应发生在细胞膜界面上；某些化工过程中，通过控制液体-液体界面上的界面反应，可以实现组分之间的选择性分离和传递，提高反应效率。
四、表面化学在材料制备中的应用表面化学是指通过改变固体表面的结构和性质，来实现功能化、修饰和改进材料性能的一种方法。
例如，通过在金属表面形成一层氧化物薄膜，可以提高金属的耐腐蚀性和强度；通过在纳米颗粒表面修饰有机分子，可以实现药物的缓慢释放，用于肿瘤治疗。
除此之外，表面化学在光电子学、传感器等领域也有广泛的应用。
表面实验课程设计
表面实验课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握表面张力的概念，理解其产生原因及作用；2. 帮助学生了解不同物质表面张力的差异，以及这些差异在实际生活中的应用；3. 使学生掌握表面活性剂的作用原理，并能解释其在洗涤、乳化等方面的应用。
技能目标：1. 培养学生通过实验观察、记录和分析表面现象的能力；2. 提高学生运用所学知识解决实际问题的能力；3. 培养学生合作、沟通、表达的能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对化学实验的兴趣，激发他们的探究欲望；2. 培养学生严谨、实事求是的学习态度，提高他们对科学研究的尊重；3. 引导学生关注生活中的化学现象，认识到化学知识在生活中的重要性。
课程性质：本课程为实验课程，侧重于实践操作和观察分析。
学生特点：本课程针对初中年级学生，他们对化学实验充满好奇，具有一定的观察能力和动手能力，但需要进一步引导和培养。
教学要求：结合学生特点，注重启发式教学，引导学生主动探究，注重实践操作与理论知识的结合，提高学生的综合素养。
在教学过程中，将课程目标分解为具体的学习成果，以便进行有效的教学设计和评估。
二、教学内容1. 表面张力概念：讲解表面张力的定义，引导学生理解液体与气体接触时产生的现象。
教材章节：第三章第五节“液体的表面张力”2. 表面张力产生原因及作用：分析表面张力产生的原因，探讨表面张力在自然界和生活中的作用。
教材章节：第三章第五节“液体的表面张力”3. 表面活性剂原理：介绍表面活性剂的定义、分类和作用原理，解释其在洗涤、乳化等方面的应用。
教材章节：第四章第一节“表面活性剂”4. 表面实验操作：组织学生进行实验，观察不同液体表面的现象，测量表面张力，分析数据。
教材章节：实验教程第四章“表面张力实验”5. 实际应用案例分析：分析生活中表面张力及表面活性剂的应用实例，如洗涤剂、乳化剂等。
教材章节：第四章第三节“表面活性剂的应用”教学内容安排与进度：第一课时：讲解表面张力概念、产生原因及作用；第二课时：介绍表面活性剂原理，组织学生进行表面实验操作；第三课时：分析实验结果，讲解实际应用案例，总结课程要点。
表面物理化学简答和论述
表面物理化学简答和论述1.什么是表面自憎现象？某种低能液体在高能表面铺展形成单分子铺展层后，多余低能液体在固体表面不能铺展而形成液滴的现象叫做表面自憎现象。
2．什么是毛细凝结？在亲液毛细体系中，液体在毛细管中能够形成凹液面，毛细体系中液体的饱和蒸汽压远小于正常饱和蒸汽压，使饱和蒸汽压在该体系中易于凝结的现象。
3．表面现象有着广泛的应用吸附:如用活性炭脱除有机物；用硅胶或活性氧化铝脱除水蒸汽；用分子筛分离氮气和氧气；泡沫浮选等。
催化作用:在多相催化中使用固体催化剂以加速反应。
如石油工业的催化裂化和催化加氢、胶束催化等。
表面膜:如微电子集成电路块中有重要应用的LB膜；在生物学和医学研究中有重要意义的BL膜和人工膜；能延缓湖泊水库水分蒸发的天然糖蛋白膜等。
新相生成：晶核生成或晶体生长是典型的新相生成，过冷、过热、过饱和等亚稳现象产生的主要原因也是由于新相生成。
泡沫乳状液：如油品乳化、破乳；泡沫灭火等。
润润现象：喷洒农药、感光乳液配制、电镀工件的润湿及利用润湿作用进行浮选等。
洗涤工业。
4.影响表面张力的因素分子间相互作用力的影响：对纯液体或纯固体，表面张力决定于分子间形成化学键能的大小，一般化学键越强，表面张力越大。
两种液体间的界面张力，界于两种液体表面张力之间。
(金属键)>(离子键)>(极性共价键)>(非极性共价键)温度的影响：温度升高，表面张力下降。
压力的影响：表面张力一般随压力的增加而下降。
因为压力增加，气相密度增加，表面分子受力不均匀性略有好转。
另外，若是气相中有别的物质，则压力增加，促使表面吸附增加，气体溶解度增加，也使表面张力下降5.接触角的测定角度测量法:一类应用最广、较方便简单、最直接的方法；长度测量法——垂片法；透过测量法：主要用于固体粉末接触角测量影响接触角测定的因素除平衡时间和温度外，影响接触角稳定的因素还有接触角滞后和吸附作用。
扩散双电层模型的假设：1）固体表面是一个无限大的、带有均匀电荷密度的平面；2）反离子作为点电荷处理，在溶液中的分布服从波尔兹曼能量分布规律；3）溶剂对双电层的影响仅通过介电常数起作用，而溶液中各部分的介电常数又处处相等，不随反离子的分布而异。
采油化学表面活性剂
n
m
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三、表面活性剂的HLB值
1、HLB值的含义
表面活性剂是由亲水基团和亲油基团组 成，每一种活性剂亲水基团的亲水能力和亲 油基团的亲油能力具有一定的平衡关系。这 种平衡关系称为亲憎平衡值，HLB值。
C16H33OH 不具乳化性能。 C16H33OSO3Na 表现出良好的乳化性能。
第三章 表面活性剂
一、表面现象 1、界面、表面和相
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• 界面是指物质的相与 相之间的交界面。
通常将有气相组成的 气—固、气—液等界面 称为表面。
相（phase）是指体系 中物理和化学性质均匀 的部分。
2、 表面张力（surface tension）
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（4） 酰胺型：二聚氧乙烯脂肪酰胺
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（5）吐温型
吐温型非离子活性剂属于混合型的，聚氧乙 烯失水山梨糖醇醚脂肪酸酯：
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超级链接
非离子活性剂性质稳定， 不受PH值和盐的影响，应 用范围广，是具有发展前 途的活性剂。
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（四）两性活性剂 1、非离子--阴离子型
常用的水包油型乳化剂有： 烷基磺酸钠（AS）；烷基苯磺酸钠(ABS); 聚氧乙烯烷基醇醚（平平加型）等。
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表面张力的产生，从简单分子引力观点来看 ，是由于液体内部分子与液体表面层分子(厚度约 10－7cm)的处境不同。液体内部分子所受到的周 围相邻分子的作用力是对称的，互相抵消，而液 体表面层分子所受到的周围相邻分子的作用力是 不对称的，其受到垂直于表面向内的吸引力更大 ，这个力即为表面张力。
基础化学第三章
高度分散的多相性和热力学不稳定性既是胶体系统的主要特征，又 是产生其它现象的依据。
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第三章 溶液与胶体
基础化学
二、表面现象 表面现象：在任何两相界面上产生的物理化学现象总称为表面现象。
界面：在多相系统中，任意两相间的接触面。 表面：若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。
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第三章 溶液与胶体
基础化学
沸点升高值与溶液中溶质的质量摩尔浓度的关系为
式中Kb为沸点升高常数，它只与溶剂的本性有关。bB为溶质的质量摩 尔浓度。 从式(3-8)可以看出，溶液的沸点升高只与溶质的质量摩尔浓度有关， 而与溶质的本性无关。 常见溶剂的沸点Tb及Kb和凝固点Tf及Kf
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第三章 溶液与胶体
基础化学
式中，k为比例常数，说明蒸气压下降只与一定量溶剂中所含溶质 的微粒数有关，而与溶质的本性无关。 应当指出：若溶质不挥发，pA即为溶液的蒸气压；若溶质挥发，pA 则为溶剂A在气相中的分压。 溶液的蒸气压下降原理具有实际意义。如CaCl2、P2O5以及浓H2SO4 等可用作干燥剂的原因就是由于这些物质表面吸收水蒸气后形成了溶 液，其蒸气压比空气中水蒸气压要低。因此，将陆续吸收水蒸气，直 至由于溶液变稀，蒸气压回升与空气的水蒸气相等，从而建立起液-气 平衡为止。
溶液浓度的表示方法
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第三章 溶液与胶体
基础化学
三、摩尔分数 摩尔分数：物质B的物质的量nB除以混合物的物质的量 Σni，用符 i 号xB表示，即
人教版初三化学第三章知识点总结
第三单元 自然界的水课题1 水的组成一、水的组成1、水的组成：（1）电解水的实验A.装置―――水电解器B.电源种类---直流电C.加入硫酸或氢氧化钠的目的----增强水的导电性D.化学反应：文字表达式：：水（H 2O ）氢气（H 2） + 氧气（O 2） 化学方程式：2H 2O 通电 2H 2↑+ O 2↑ 产生位置 负极 正极 体积比 2 ： 1质量比 1 ： 8E.检验：O 2---出气口置一根带火星的木条----木条复燃H 2---出气口置一根燃着的木条------气体燃烧，发出淡蓝色的火焰（2）结论： ①水是由氢、氧元素组成的。
②化学变化中，分子可分而原子不可分。
2、水的性质物理性质：无色无味的液体、40C 时密度最大，为1g/cm3 化学性质：通电分解 文字表达式：水（H 2O ）氢气（H 2） + 氧气（O 2） 化学方程式： 2H 2O 通电 2H 2↑+O 2↑ 3、氢气1、物理性质：密度最小的气体（向下排空气法）（氢气与其它气体的显著区别之处）；难溶于水（排水法）、无色无臭的气体证明氢气密度比空气小的方法：用氢气吹肥皂泡，若肥皂泡上升，则密度比空气小2、化学性质：可燃性（用途：高能燃料；氢氧焰焊接，切割金属）文字表达式：氢气（H 2） + 氧气（O 2）水（H 2O ） 化学方程式：2H 2 + O 2 点燃2H 2O 点燃前，要验纯 现象：发出淡蓝色火焰，放出热量，有水珠产生注意：混有一定量的空气或氧气的氢气遇明火会发生爆炸，因此点燃前必须验纯。
二、物质的分类1、概念单质：由同种元素组成的纯净物 例：氢气、氧气、红磷等化合物：由不同种元素组成的纯净物 例：水、高锰酸钾等氧化物：由两种元素组成，且含有氧元素的纯净物 例：二氧化硫、氧化铁等注意:单质、化合物前提必须是纯净物，即划分单质、化合物的标准是根据纯净物的元素种类来划分的。
若只含一种元素的纯净物就属于单质；若含有几种元素的纯净物就属于化合物2、物质分类的步骤①根据物质种类分为纯净物与混合物②写出纯净物的化学符号③根据元素种类将纯净物分为单质与化合物④在化合物中根据氧化物的概念找出氧化物课题2 分子和原子 点燃 通电通电 电解水口诀：正氧负氢，氢二氧一一、构成物质的微粒：分子、原子等微粒1、由分子构成的物质：例如水、二氧化碳、氢气、氧气等物质2、由原子构成的物质：金属、稀有气体、金刚石、石墨等物质3、物质构成的描述：物质由××分子（或原子）构成。
电化学原理-第3章：电极溶液界面的结构性质-4
为了研究界面的结构 和性质，就希望界面 上不发生电极反应， 使外电源输入的全部 电流都用于建立或改 变界面结构和电极电 位，即可等效为图3.1 （b）中的电路。
( ) ' ln a
根据（3.21）或（3.22） 求得该浓度下的离子表 面剩余量 v
(v v ) RT ln a ( ) '
v ( ) ' (v v ) RT ln a
当电极表面带负电时，（曲 线右半部分），正离子表面
1.界面电场对电极反应速度的影响
界面电场是由电极/溶液相间存在的双电层所引起的。
而双电层中符号相反的两个电荷层之间的距离非常小， 因而能给出巨大的场强。 例如 双电层电位差（即电极电位）为1V，而界面两 个电荷层的间距为 108 cm 时，其场强可
达 10 V cm 。
8
已知电极反应是得失电子的反应，也就是有电荷在相 间转移的反应。 巨大的界面电场下，电极反应速度必将发生极大的变 化，甚至某些在其他场合难以发生的化学反应也得以 进行。
特别有意义的是，电极电位可以被人为的，连续的加
以改变，因而可以通过控制电极电位来有效地，连续 地改变电极反应速度。这正是电极反应区别于其他化
学反应的一大优点。
2.电解液性质和电极材料及其表面状态的影响
电解质溶液的组成和浓度，电极材料的物理，化学性质及其 表面状态均能影响电极/溶液界面的结构和性质，从而对电 极反应性质和速度有明显的作用。 例如在同一电极电位下，同一种溶液中，析氢反应
这样，可以把电极电位 改变到所需要的数值， 并可定量分析建立这种 双电层结构所需要的电 量。 这种不发生任何电极反 应的电极体系称为理想 极化电极。
第三章 电化学腐蚀的基本原理
H 2 2 H 2e
O2 2 H 2O 4e 4OH
பைடு நூலகம்
（3）氧化还原电极/惰性金属电极
金属/溶液界面上只有电子可以交换，只有电子可迁越相界面 的一种金属电极。
例如:将Pt臵于FeCl3溶液中,将存在下列反应平衡,并有一定 的电位,被称为氧化还原电位。
Fe3 e Fe2
非平衡电位特点： 电荷平衡，物质不平衡 不满足Nernst关系 只能通过实验获得
Fe Fe 2+ + 2 e ( ia)
2H+ + 2e H2 ( ic)
Fe
Fe 2+
Fe 2+
Fe
H2 2H+
H2
2H+
(*)非平衡电极电位可以是稳定的也可以是不稳定的
3.4 腐蚀过程热力学判据 问题？？？
宏观腐蚀电池异种金属相接触如电偶腐蚀浓差电池1金属离子浓度不同浓度低电位低容易腐蚀2氧浓度不同氧浓度低电位低更容易腐蚀温差电池如金属所处环境温度不同高温电位低更容易腐蚀4活态钝态腐蚀电池铜铆钉铝板微观腐蚀电池化学成分不均匀组织结构不均匀微观腐蚀电池金属表面的物理状态不均匀金属表面膜的不完整33电极与电极电位电极的概念电子导体金属等与离子导体电解质相互接触并有电子在两相之间迁移而发生氧化还原反应的体系
Mg=Mg2++2e Al=Al3++3e
Ti=Ti2++2e Mn=Mn2++2e
Cr=Cr2++2e Zn=Zn2++2e
Sn=Sn2++2e Pb=Pb2++2e
Fe=Fe3++3e H =2H++2e
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从单位上来看，实质是表面张力的单位。
——
第一节 表面张力和表面能
由于净吸引力的存在，
表 面
把内部分子移到表面所作的
张 表面功转化为表面分子的位
力 的 理
能，单位表面的表面分子所 具有的位能（即表面能）就
解 是表面张力。
能 的 角
U s A
J m2
N m m2
N m
度
从单位上来看，实质是表面张力的单位。
第一节 表面张力和表面能
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
表 面 张 力 的 理 解
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。
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。
第一节 表面张力和表面能
——
表
面
张
力
的
理
解
2L
力
W1
的 角
W2
第一节 表面张力和表面能
——
表 面 张 力 的 理 解
丝线圈内肥皂膜未刺破时
丝线圈内肥皂膜刺破时
力
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
的 角 度
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，
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。
力 的 角 度
——
第一节 表面张力和表面能
由于净吸引力的存在，
表 把内部分子移到表面，增加
面 张 力
单位表面所作的表面功就是 表面张力。
的
理
解
W A
J m2
N m m2
N m
功
的
角
度
欢迎大家光临
大 家 好
第三章 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
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。
——
第一节 表面张力和表面能
（1）温度：T↑ ↓，通常每升高10℃，表面张力降低1mN/m
表
解释： T↑→ 分子间距↑→分子间引力↓→净吸引力↓
面
张 力 的
（2）压力：p↑ 显著）
↓，通常每升高10atm，表面张力降低1mN/m（气液界面
影 响
解释： p↑→ 分子间距↓→对表面分子的引力↑→净吸引力↓
析 及 概
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
念 的 引
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。
出
Us A
U s A
U s U s
A A
——比表面能，即单位表面所具有的能量。
度
L
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2L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。
第一节 表面张力和表面能
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
表
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
面 张 力
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？
的 理 解
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
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。
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。
因
素 （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。
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。
第一节 表面张力和表面能
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
表 宏观表现，物质的表面层分子与本
面 分 子
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
受 互抵消而处于受力平衡状态，而表
力 分
面层分子则受到一个指向液体内部
第一节 表面张力和表面能
表
面 分
[Us]——J，[A]——mቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ，
子
受 力
[]——J• m-2=N • m • m-2=N • m-1
分
析
及 概
所以又可看作是作用在单位长度表面
念 的
上 的 力 ， 即 表 面 张 力 （ surface
引 出
tension或interfacial tention）。
（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。