胶体与表面化学
胶体与表面化学的应用研究
胶体与表面化学的应用研究胶体和表面化学是相互关联的两个领域，它们在材料科学、生物学、化学工程、环境科学等领域具有广泛的应用。
本文将简要介绍胶体和表面化学的基本概念，以及它们的应用研究。
一、胶体学胶体是指颗粒大小在1-1000纳米的分散体系，其中颗粒的表面性质对胶体的物理、化学和生物性质起着重要作用。
胶体的稳定性是由电荷、分子相互作用力、表面活性剂等因素决定的。
胶体学研究的主要内容包括胶体的结构、稳定性、能量行为和相互作用等方面。
胶体稳定性研究是胶体学的重要内容之一，它直接关系到胶体的物理、化学、生物性质以及工业应用。
胶体学的应用研究包括材料制备、涂料、油墨、化妆品、医学用品等领域。
例如，在医学上，胶体作为一种新型药物提供了一种新的途径用于药物传递和释放。
二、表面化学表面化学是研究物质表面和界面的化学性质及其影响的学科，其研究对象通常包括气-固、液-固、液-液以及固-固等不同表面和界面类型。
表面化学的主要研究内容包括表面的内部结构、表面分子的排布、表面物质的吸附等。
表面化学在材料领域有广泛的应用，例如，表面处理技术在材料加工中是不可或缺的一部分。
表面化学在催化、油泥清洗、电子材料制备、纤维素制备以及设备清洗等方面具有重要作用。
新型表面活性剂的开发和应用也是表面化学的研究重点之一。
三、在化妆品制造中，胶体和表面化学被广泛应用。
胶体在染发剂、护肤品和化妆品中被用作乳液稳定剂。
表面化学理论则可用来解释化妆品与皮肤表面相互作用的基础。
此外，研究表面分子的吸附和排布规律，对理解某些彩妆产品的性质和特性也很重要。
然而，胶体和表面化学的应用远不仅止于此，更广阔的前景在于其在生物医学、能源开发、环境保护等方面的应用。
例如，在生物医学上，胶体学为癌症、肾脏疾病等提供了一种有效的药物释放途径。
在能源开发方面，如何设计和改进太阳能电池的阳极，使其更高效转换太阳能到电能，是表面化学最热门的研究方向之一。
在环境保护中，胶体科学和表面化学已成为处理废水和空气污染的有力手段，例如胶体沥青用于道路的铺装，可有效减少空气中有害颗粒的含量等。
表面化学和胶体化学
汇报人： 202X-01-02
contents
目录
• 表面化学基础 • 胶体化学基础 • 表面化学与胶体化学的应用 • 表面化学和胶体化学的未来发展
01
表面化学基础
表面化学的定义和重要性
定义
表面化学是研究物质表面现象的 科学，主要研究气体、液体和固 体表面上的分子或原子之间的相 互作用。
表面活性剂
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02
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定义
表面活性剂是一种能够显 著降低液体表面张力的物 质，通常由亲水基团和疏 水基团组成。
分类
表面活性剂可以分为离子 型和非离子型两类，离子 型又可以分为阳离子型和 阴离子型。
应用
表面活性剂在清洁、化妆 品、农药、纺织等领域都 有广泛应用。
02
胶体化学基础
胶体的定义和分类
胶体的定义
03
石油工业
表面活性剂在石油工业中用于提高采油效率和原油的流动性，同时还可
以用于油水分离和油品净化。
在环境保护中的应用
污水处理
表面活性剂和胶体物质可用于污 水处理，通过吸附、絮凝等方法 去除水中的污染物，提高水质。
空气净化
利用表面活性剂和胶体物质可以吸 附和去除空气中的颗粒物、有害气 体等污染物，起到空气净化的作用 。
新技术
随着科技的不断进步，表面化学和胶体化学将与新技术相结合，如纳米技术、 生物技术等，推动相关领域的技术创新和产业升级。
表面化学和胶体化学与其他学科的交叉研究
生物学
表面化学和胶体化学与生物学交叉研究，探讨生物膜、细 胞、蛋白质等生物分子间的相互作用机制，为生物医学领 域提供新的研究思路和方法。
环境科学
土壤修复
表面化学和胶体化学在土壤修复中 也有应用，如利用表面活性剂和胶 体物质去除土壤中的重金属和有机 污染物。
胶体与表面化学
胶体与表面化学胶体是一种由分子间短距离相互作用形成的悬浮系统，涉及分子、原子、基团、团聚体和结晶体的共存交互作用，它的基本特征是粒子的形状和构型的多样性。
胶体与表面化学学科紧密相关，涉及胶体系统中的复合和表面性质，以及其中物理和化学因素对表面性质和复合性质的影响。
表面化学是一门重要的学科，既涉及结构、性质和反应，也涉及物质表面的形成和变化。
物质的表面是其与外部环境的接触界面，表面化学的演化及其变化会飞溅到它与外部环境的互动中，从而带来外部环境的改变。
物质的表面化学可以根据其不同的表面性质来划分，主要包括润湿性、疏水性、亲水性、多层性等性质，可以将这些表面性质用于液体-固体界面物理及化学反应，特别是表面吸附、表面活性剂以及表面改性。
胶体系统中的表面是由胶体分子组成的，它们分为溶液表面和固体表面两种，它们之间具有许多不同的性质。
研究胶体表面的最佳方法是观察固态表面，它以典型的凹凸形式呈现，可以表示胶体分子的空间构型，以及胶体分子的动态行为。
此外，研究表面也可以利用物理表面分析技术，例如扫描电镜，光学显微镜，透射电子显微镜，等离子质谱，X射线表征，原子力显微镜，等工具，来进行表面分析，从而更好地理解表面介质。
表面特性是决定胶体系统性能的重要因素，研究胶体表面特性，可以更深入地理解胶体的物理和化学性质，促进胶体的发展。
比如研究胶体的性质，表明表面张力与胶体系统的智能性能有着紧密的关系，也可以更好地控制胶体系统的可靠性。
具备表面阴离子亲水性及不同层次结构，以及结合胶体分子自组装及激发态动力学等特性，能够极大地增强胶体系统的稳定性。
胶体和表面化学共同发展，研究表面与胶体之间的关系，有助于开发高性能的胶体材料，提高有机胶体的稳定性，发展新型表面活性剂，消除环境污染、维护整个生态系统的平衡。
胶体与表面化学把这些性质有机地结合在一起，使物质具有独特的物理和化学性质，从而创造出新的应用领域。
总的来说，胶体与表面化学是相互补充的，这两个领域紧密联系，胶体系统中的复合性质和表面性质，以及它们之间的化学和物理因素，都可以使胶体科学得以进一步发展，它们是促进物质改变和发展的关键因素，为各种胶体产品的应用创造性地提供有益的信息。
胶体与表面化学复习资料(东北石油大学)
第一章绪论1.相：体系中物理化学性质完全相同的均匀部分；2.界面：相与相之间的交界面；3.表面：一相为气相的界面；4.比表面：单位体积或重量的物质所具有的总表面积；5.胶体化学：研究胶体体系的科学；6.表面化学：研究发生在物质表面或界面上的物理化学现象的一门学科；7.胶体：粒子大小1~100nm，热力学不稳定，动力学稳定，扩散速度慢，不发生渗析，能通过滤纸，在超显微镜下可见；8.胶体分类：按分散介质可分为“气、液、固溶胶”。
第二章胶体的制备1.胶体制备的一般条件：①分散相在介质中的溶解度必须极小，反应物浓度很稀，生成难溶物晶体颗粒很小，不具备长大条件；②必须有稳定剂存在；2.胶体制备方法：（一）分散法①机械分散法：适用于脆而易碎的物质，对于柔韧性物质必须先硬化再粉碎。
②电分散法：将金属做成两个电极，浸在水中，盛水的盘子放在冷浴中。
在水中加入少量氢氧化钠做稳定剂。
制备时在两电极上施加100V左右的直流电，调节电极间距离，使之发出电火花，这时表面金属蒸发，是分散过程，接着金属蒸汽立即被水冷却而凝聚成凝胶。
③超声波分散法：将分散相和分散介质两种不混溶的液体放在样品管中，样品管固定在变压器油浴中。
在两电极上通入高频电流，使电极中间的石英片发生机械震荡，使样品管中的两个液相均匀地混合成乳状液。
④溶胶分散法：新生成的沉淀中加入电解质或改变体系温度而形成溶胶体系。
（二）凝聚法：用物理方法或化学反应使分子、离子狙击成胶体粒子的方法。
（1）物理凝聚：将蒸汽状态或溶解状态的物质凝聚成胶体状态的方法。
①蒸汽骤冷法；②更换溶剂法；（2）化学凝聚：通过各种化学反应使生成物呈过饱和状态。
使初生成的难溶物微粒结合成胶粒，在少量稳定剂存在的条件下形成溶胶。
3.溶胶的净化方法（一）粗粒子：过滤、沉降、离心；（二）电解质：渗析、电渗析、超过滤、渗透与反渗透4.单分散溶胶定义：溶胶粒子的尺寸、形状、结构都相同的溶胶体系；5.单分散溶胶制备理论（LaMer）控制溶质的过饱和浓度，使之略高于成核浓度，爆发式成核。
胶体表面与化学PPT课件
动态润湿法
通过测量液体在固体表面的动态接触线移动 速度，评估表面的润湿性。
05
CATALOGUE
胶体表面化学未来展望
新材料开发
高性能材料
利用胶体表面化学技术，开发具有优异性能的新材料，如高强度 、高韧性、耐高温、耐腐蚀等。
功能材料
探索具有特殊功能的材料，如光电转换、传感、催化等，以满足不 同领域的需求。
通过红外光谱、核磁共振等技术手段鉴别 表面活性剂的类型。
表面活性剂浓度测定
表面活性剂界面行为研究
利用滴定法、分光光度法等方法测定表面 活性剂浓度。
利用显微镜、光谱等技术手段研究表面活 性剂在界面上的行为。
表面吸附研究方法
等温吸附法
在恒温条件下，研究物质在表面的吸附量与浓度之间的关系。
吸附动力学法
研究物质在表面的吸附速率和吸附机理。
03
CATALOGUE
胶体表面化学应用
石油工业
石油开采
利用胶体表面化学原理， 通过改变钻井液的流变性 、稳定性等性质，提高石 油开采效率。
油气分离
利用胶体表面化学原理， 通过改变油水乳液的稳定 性、界面张力等性质，实 现油气高效分离。
石油运输
利用胶体表面化学原理， 通过改变油品的流变性、 粘度等性质，提高石油运 输效率。
X射线光电子能谱法
利用X射线光电子能谱技术测定表面吸附物的组成和结构。
原子力显微镜法
利用原子力显微镜技术观察表面吸附物的形貌和分布。
表面润湿性研究方法
接触角法
通过测量液体在固体表面的接触角大小，评 估表面的润湿性。
滑移长度法
测量液体在固体表面滑动时的滑移长度，评 估表面的润湿性。
滴液法
胶体与表面化学第一章绪论
有序组合体
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第四节
胶体与表面化学的发展
胶体与表面化学是一门应用性极强的学 科。近百年来，它的发展同步于工农业生产 的发展，有些方面甚至是超前的，究其原因 有二：一是整体自然科学水平的提高，带动 胶体与表面化学素质增幅： (1)前期物理与化学理论解决胶体与表画化 学中的基本理论问题。如用量子化学研究吸 附与催化、用分形理论研究胶粒形貌、用统 计力学研究高分子等；
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5
胶体体系是多种多样的。胶体是物质 存在的一种特殊状态，而不是一种特殊的 物质，不是物质的本性。
由于胶体体系首先是以分散相颗粒有一定 的大小为其特征的，故胶粒本身与分散介质 之间必有一明显的物理分界面。这意味着胶 体体系必然是两相或多相的不均匀分散体系。
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另外有一大类物质(如纤维素、蛋白质、橡胶 以及许多合成高聚物)在适当的溶剂中溶解虽可形 成真溶液，但它们的分子量很大(常在一万或几十 万以上，故称为高分子物质)，因此表现在许多性 质(如溶液的依数性、粘度、电导等)上与低分子真 溶液有所不同，而在某些方面(例如分子大小)却有 类似于胶体的性质，所以在历史上高分子溶液一直 被纳入胶体化学进行讨论。近30多年来，由于科 学迅速地发展。 它实际上已成为一个新的科学分支 高分子物理化学 一般不再过多地讨论这方 面的内容。 7
形成、破坏以及它们的物理化学性质等问题， 所以都是胶体化学研究的对象。
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胶体化学和许多科学领域、国民经济的各 个部门以及日常生活都密切相关。如下列举了 一些涉及胶体和表面化学的实例：
(1)分析化学中的吸附指示剂、离子交换、 沉淀物的可滤性、色谱等；(2)物理化学中 的成核作用、过饱和及液晶等；
(3)生物化学和分子生物学中的电泳、膜现象、 蛋白质和核酸等；(4)化学制造中的催化剂、洗 涤剂、润滑剂、粘合剂等；
表面化学-胶体化学
表面化学-胶体化学表面化学-胶体化学表面化学是研究物质表面的性质和现象的一门学科，而胶体化学则是表面化学的一个重要分支，研究胶体溶液中物质的性质和行为。
胶体化学的研究内容涉及到胶体的形成、稳定性、表面性质、胶体颗粒的相互作用以及胶体溶液的性质等。
本文将介绍表面化学和胶体化学的基本概念、研究方法以及应用领域。
表面化学最早起源于对溶液表面现象的研究，如水的表面张力、液滴的形成和液体的湿润性等。
表面化学研究的对象是固体和液体的界面以及液体和气体的界面，主要涉及到界面上的吸附现象、界面能和界面活性物质等。
固体-液体界面上的吸附现象包括离子吸附、分子吸附和表面电荷等，而液体-气体界面上的吸附现象则涉及到液滴形成和表面张力等。
胶体化学研究的是胶体溶液中胶体颗粒的性质和行为。
胶体是一种介于溶液和悬浮液之间的物质，其特点是颗粒很小，约为1纳米到1微米大小，并且能够在溶液中均匀分散。
胶体的稳定性是胶体化学研究的重要内容，稳定性的源于胶体颗粒表面的电荷，正负电荷的平衡使得颗粒之间相互排斥，从而保持胶体溶液的稳定性。
此外，胶体溶液中还包含着胶体的吸附、吸附剂的选择、界面张力、胶体性质的测定以及胶体与其他物质的相互作用等方面的研究内容。
表面化学和胶体化学的研究方法主要包括物理化学方法和化学方法两种。
物理化学方法包括表面张力测定、界面能测定、电化学方法、X射线衍射、电子显微镜等。
而化学方法包括有机合成、溶胶-凝胶法、聚合法、共沉淀法等多种方法。
表面化学和胶体化学在许多领域中都有重要的应用。
在光学领域中，胶体颗粒可以通过改变其尺寸和组成来调控其光学性质，从而应用于光学传感器、太阳能电池、红外吸收材料等。
在材料科学领域中，胶体颗粒可以通过自组装形成多孔材料和有序结构，具有较大的比表面积和孔径，被广泛用于催化剂、分离膜和储能材料等。
此外，表面化学和胶体化学还在生物医学、环境污染治理、油水分离、食品加工等领域发挥着重要的作用。
综上所述，表面化学和胶体化学是研究物质表面性质和胶体溶液行为的学科，涉及到物质界面的吸附现象、界面能、表面张力等。
胶体与表面化学在生物医学领域中的应用
胶体与表面化学在生物医学领域中的应用胶体与表面化学在生物医学领域中的广泛应用，伴随着人们对生物体内微小环境的深入理解和技术手段的不断发展而日益成熟。
胶体化学是在稳定的分散体系中，以微小颗粒、稳定性和相互作用为特征的物理和化学科学。
而表面化学是研究界面现象和其对大分子、离子、晶体等纳米结构的物理和化学影响的科学。
这两个学科的交叉应用在生物医学领域中，为医学科技和药物开发提供了重要支持。
一、药物输送系统的研究药物输送系统是将药物携带到特定部位以产生需要的生物效应的技术。
这类技术可以大大提高药物的疗效和减少不良反应。
现代生物医学中常用的药物输送系统包括胶体、纳米粒子、脂质体等。
其中，胶体作为贮载介质，可以提供大量的表面积，利于药物吸附；同时，胶体本身的物理化学性质也可影响药物的释放行为。
常见的胶体载体包括微囊、乳液、胶束等。
而表面化学也可以通过调控胶体载体的性质和构造，从而控制药物的释放速率、方向性和传输途径。
二、基因传递和基因治疗基因治疗是通过改变细胞或组织的基因表达来治愈或缓解疾病的疗法。
而基因传递则是使外源基因或干扰RNA进入细胞，影响其基因表达。
这两个疗法都需要适当的载体来完成基因的传递和表达。
纳米粒子、脂质体和聚合物都可以作为基因载体。
在这些载体中，表面化学的方法可以精确地调控载体和外源基因之间的相互作用，从而实现有效的基因传递和基因治疗效果。
三、生物成像生物成像是一种用来了解生物体内结构和功能的技术。
利用这种技术，医生可以非侵入性地看清细节和区别或者运动的物质和生命体的过程。
同时，这一技术也可以用来评价特定治疗的效果。
在生物成像中，纳米材料和胶体成为了普遍应用的工具。
聚合物、金属纳米颗粒、量子点等纳米材料都可以优良成像体积和空间分辨率、毫米精度和磁感包报、和生物相容性。
四、细胞信号转导和细胞诊断在生物体内，细胞通常是通过信号分子传递信息，完成规定的生理和生化过程的。
而在细胞信号转导和细胞诊断研究中，胶体和表面化学方法可以被用来模拟通讯变异，精确定义细胞透明度和周围环境以及准确定位及所有情景的键病毒调查同时的操作。
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英国：1829年Brown发现了Brown运动
四、胶体化学的发展史
❖ 1861年，英国科学家Graham系统研究。
1861年 溶 液
半透 膜
水 Thomas Graham 实验
I:一些物质，如氯化钠等无 机盐，可以透过半透膜，溶 液蒸干后，溶质以晶体形式 析出。 晶体
II：如氢氧化铁、蛋白质等， 其溶液不能透过半透膜，蒸 干后，以粘稠形式出现。
胶体
Thomas Graham 实验
实验现象
1）糖、无机盐、尿素等溶液，扩散快，易从羊皮纸渗 析出来； 2）明胶、氢氧化铝、硅酸等，扩散慢，不能或难以渗 析出来。
Thomas Graham 实验
若将待测溶液蒸去水分后：
• 前者 (扩散快者)：易于成晶体析出； • 后者 (扩散慢者)：大多成无定型的胶状物；Graham首先 提出这种胶状物为 “胶体”，其溶液叫作 “溶胶” 。
光学性能 流变学性能 纳米材料 润湿、摩擦、粘附 吸附现象 界面电动现象 界面层结构
溶液中的有序分子组合 体、生物膜与仿生膜、 有机无机混合膜、有序 组合体中的理论化学反 应
体系
理论
气溶胶、憎液溶胶、亲液溶胶、 成核理论，DLVO 与 HVO
粗分散体系(悬浮液)、智能流 稳定理论、高分子溶液
体，电磁流变学、单分散溶胶、 理论、胶束理论、光散
六、胶体与表面化学的发展
❖ 1、自然科学带动胶体与表面化学的提高：
☆现代物理化学理论，解决胶体化学中的基本理论问题； ☆现代精密仪器和方法解决胶体化学许多悬而未决的问题； ☆胶体知识应用广泛，丰富了科学内容，促进了对知识的探索。
❖ 2、工农业飞跃发展对胶体表面化学提出新要求：
❖ 5、油水井的正常维护
防蜡 防砂 化学堵水 稠油降粘
❖ 6、油气集输
破乳 乳化
四、胶体化学的发展史
史 前：陶器
汉 朝：纤维造纸
古
一
老
后 汉：墨的发明、豆腐制作
Байду номын сангаас
八
而
六
年 轻
古 埃 及：木材浸水膨胀来破裂山岩
的 科
瑞 典：化学家Scheele于1777年木炭
学
吸附气体实验
一 年 以 前
俄罗斯：1809年化学家Рейсс土粒的电泳
胶体化学的发展中的飞跃
1903年 超显微镜的 发明，为胶体化 学的发展，提供 了新的研究手段
1907年 德国化学家 Ostwald创办了 《胶体化学和工 业杂志》。
近现代 纳米材料的 应用，为胶体化 学的发展提供了 新的方向。
五、胶体化学研究的对象
❖ 研究对象： 溶胶、凝胶、乳状液、表面活性剂、界面 现象等等。
〖教学重点〗 胶体的制备方法及原理；胶体的性质；胶
体稳定性；表面现象及应用；吸附作用原理及 应用；表面活性剂的性质和分类；表面活性剂 在油田中的应用。
〖难点〗 胶体的电学性质、DLVO理论，表面活性剂的
Gibbs吸附方程及应用，Langmuir等温吸附式及 应用；HLB值的计算与应用
第一章 绪论
2、特 点
（1）特有的分散程度 （2）多相不均匀性
（3）热力学不稳定性
3、常见胶体体系
❖ 气、固、液三相除气－气外，形成8种胶体体系
4、分 类
分散介质
气溶胶
❖ 将气体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为固体
或液体时，形成气-固或气-液溶胶，但没有气-气溶胶， 因为不同的气体混合后是单相均一体系，不属于胶体。
❖ 人们不仅要研究这些体系的基本性质，而且要研究与 其基本性质相联系的许多实际问题。例如： (1)明矾为什么能净水？
(2)肥皂为什么能去污？
(3)向高空抛撒的粉剂为什么能人工降雨？
(4)鱼汤为什么能“冻”起来？
(5)含水原油如何脱水？
现代应用
研究对象 分散体系
界面现象
有序组合 体
研究内容 分散体系的形成与稳定
❖ A. 气-固溶胶
如 :烟，含尘的空气
❖ B. 气-液溶胶 如 :雾，云
液溶胶
❖ 将液体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为不同状态
时，则形成不同的液溶胶： ❖ A.液-固溶胶
如：油漆，AgI溶胶 ❖ B.液-液溶胶
如：牛奶，原油乳状液 ❖ C.液-气溶胶
如：泡沫
固溶胶
❖ 将固体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为不同状态 时，则形成不同的固溶胶：
❖ A. 固-固溶胶 如:有色玻璃，合金
❖ B. 固-液溶胶 如:珍珠
❖ C. 固-气溶胶 如:泡沫塑料，沸石分子筛
三、胶体与石油工程的关系
❖ 1、油田的发现
❖2、钻井 钻井液 完井、固井
❖ 3、采油：油气水、多孔介质与液相的相互作用。
一次采油 二次采油
三次采油
压裂
❖ 4、增产增注措施
酸化
三、胶体与石油工程的关系
纳米颗粒的有序排列
射理论、流变学理论
气-固界面
表面张力理论，表面层
气-液界面
结构、分子定向理论、
液-液界面
各种吸附理论、双电层
液-固界面
理论、界面光谱学与显
微术能谱，扫描探针显
微镜
胶 束、微乳液、泡囊等 BLM 分子间相互作用力、液
膜、LB 膜、液晶、分形体、 晶理论，类脂体与蛋白
夹心结构、溶胶-凝胶膜等 质的相互作用，分形理
东北石油大学石油工程学院
一、基本概念
化学
无机化学 有机化学 物理化学 分析化学
一、基本概念
❖ 相、界面、表面、比表面 S0=S/V
对于立方体：S0=6L2/L3=6/L 对于球体 ：S0=3/R
❖ 胶体化学、表面化学
二、胶体体系
粘土---水分层小实验
二、胶体体系
❖ 1、胶体体系定义及体系的分类
论、增溶现象、胶束催
化、定向合成
胶体化学的应用领域
(1)分析化学中的吸附指示剂，离子交换、沉淀物的可 滤性等 (2)物理化学中的成核作用，过饱和液 (3)生物科学中的电泳、膜现象 (4)化学制造中的催化剂、洗涤剂、润滑剂、粘结剂等 (5)环境科学中的气溶胶、泡沫和污水处理 (6)材料科学中的陶瓷、水泥塑料等 (7)石油科学（重中之重）
章节结构
第一章 绪论 第二章 胶体的制备和性质 第三章 凝胶 第四章 界面现象和吸附
第五章 表面活性剂 第六章 乳状液
〖教学目的〗本课程为石油工程专业的必修课，其目 的是使学生掌握胶体与表面化学的基本 原理和基本理论，为其它专业课的学习 奠定坚实的理论基础。
〖要
求〗主要是通过本课程的学习，使学生掌握 胶体与表面化学原理在石油工程中的应 用，用胶体化学理论解释油田开发中的 一些现象，用胶体与表面化学原理解决 油田开发中所遇到的一些问题。