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1、胶体与表面化学 本讲稿第一页，共三十四页章章 节节 结结 构构第五章第五章 表面活性剂表面活性剂第四章第四章 界面现象和吸附界面现象和吸附第三章第三章 凝胶凝胶第二章第二章 胶体的制备和性质胶体的制备和性质第一章第一章 绪论绪论第六章第六章 乳状液乳状液本讲稿第二页，共三十四页要要 求求主要是通过本课程的学习，使学生掌握胶体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，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。
2、遇到的一些问题。教学目的教学目的本课程为石油工程专业的必修课，其本课程为石油工程专业的必修课，其 目的目的是使学生掌握胶体与表面化学的基本原理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和基本理论，为其它专业课的学习奠定坚实的理论基础。实的理论基础。本讲稿第三页，共三十四页难点难点胶体的电学性质、胶体的电学性质、DLVODLVO理论，表面活性剂的理论，表面活性剂的GibbsGibbs吸附方程及应用，吸附方程及应用，LangmuirLangmuir等温吸附式及应用；等温吸附式及应用；HLBHLB值的计算与应用值的计算与应用 教学重点教学重点 胶体的制备方法及原理；胶体
3、的性质；胶体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；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表面活性剂的性质和分类；表面活性剂在油田中的应用。的应用。本讲稿第四页，共三十四页第一章第一章第一章第一章 绪论绪论绪论绪论东北石油大学石油工程学院东北石油大学石油工程学院本讲稿第五页，共三十四页一、基本概念无机化学有机化学物理化学化学分析化学本讲稿第六页，共三十四页一、基本概念v相：相：体系中物理化学性质完全相同的均匀部分v界面：界面：相与相的交接面v表面：表面：一相为气相的界面v比表面：比表面：单位体积或重量物体
4、的表面积。S S0 0=S/V=S/V 对于立方体：对于立方体：S S0 0=6L=6L2 2/L/L3 3=6/L=6/L 对于球体对于球体 ：S S0 0=3/R=3/R本讲稿第七页，共三十四页一、基本概念v胶体化学：胶体化学：是研究胶体体系的科学。它是物理化学的一个重要分支。随着胶体化学的发展，它已经成为一门独立的学科。v表面化学：表面化学：研究发生在表面或界面上的物理和化学现象的一门科学。是胶体化学的分支。本讲稿第八页，共三十四页二、胶体体系v1、定义：、定义：分散相粒子半径在1 100 nm 的分散体系。名称粒子大小特性粗分散体系大于0.1微米热力学不稳定，动力学也不稳定，不扩散，不
5、渗析，在显微镜下可见胶体10-9m10-7m热力学不稳定，但动力学稳定，扩散慢，不渗析，能通过滤纸，在超显微镜下可见分子分散体系10-9m热力学稳定的均相体系，能透过半透膜，在超显微镜下不可见本讲稿第九页，共三十四页2、特 点（1）特有的分散程度 粒子的大小在10-910-7 m之间，因而扩散较慢，不能透过半透膜，渗透压低但有较强的动力稳定性 和乳光现象。（2）多相不均匀性 具有纳米级的粒子是由许多离子或分子聚结而成，结构复杂，有的保持了该难溶盐的原有晶体结构，而且粒子大小不一，与介质之间有明显的相界面，比表面很大。（3）热力学不稳定性 因为粒子小，比表面大，表面自由能高，是热力学不稳定体系，
6、有自发降低表面自由能的趋势，即小粒子会自动聚结成大粒子。本讲稿第十页，共三十四页3、胶体体系v 气、固、液三相除气气外，形成气、固、液三相除气气外，形成8种胶体体系种胶体体系分散介质分散相状态气液云雾气固烟，高空灰尘液气泡沫液液乳状液液固墨汁、金溶胶固气泡沫塑料、固液水凝胶（超强吸水剂）固固合金、宝石本讲稿第十一页，共三十四页4、分 类分散介质分散介质本讲稿第十二页，共三十四页气气 溶溶 胶胶v将气体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为固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，形成气体或液体时，形成气-固或气固或气-液溶胶，但没有气液溶胶，但没有气-气溶气溶胶，因为不同的气体混
7、合后是单相均一体系，不属胶，因为不同的气体混合后是单相均一体系，不属于胶体范围于胶体范围.v A.A.气气-固溶胶固溶胶 如如 :烟，含尘的空气烟，含尘的空气v B.B.气气-液溶胶液溶胶 如如 :雾，云雾，云本讲稿第十三页，共三十四页液液 溶溶 胶胶v将液体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为不同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：状态时，则形成不同的液溶胶：vA.A.液液-固溶胶固溶胶 如油漆，如油漆，AgIAgI溶胶溶胶vB.B.液液-液溶胶液溶胶 如牛奶，石油原油等乳状液如牛奶，石油原油等乳状液vC.C.液液-气溶胶气溶胶 如泡沫如泡沫本讲稿第十四
8、页，共三十四页固固 溶溶 胶胶v将固体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为不同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：状态时，则形成不同的固溶胶：vA.固固-固溶胶固溶胶 如如:有色玻璃，不完全互溶的合金有色玻璃，不完全互溶的合金vB.固固-液溶胶液溶胶 如如:珍珠，某些宝石珍珠，某些宝石vC.固固-气溶胶气溶胶 如如:泡沫塑料，沸石分子筛泡沫塑料，沸石分子筛本讲稿第十五页，共三十四页5、说 明v（1）胶体是物质存在的一种状态，不是一种特殊的物质。）胶体是物质存在的一种状态，不是一种特殊的物质。v（2）胶体体系是两相或多相的不均匀分散体系。）胶体体系是两相或多
9、相的不均匀分散体系。v（3）高分子溶液在某些方面有类似与胶体的性质，但）高分子溶液在某些方面有类似与胶体的性质，但已成为新学科已成为新学科高分子物理化学。高分子物理化学。本讲稿第十六页，共三十四页三、胶体与石油工程的关系v1、油田的发现、油田的发现v2、钻井、钻井 钻井液钻井液 完井、固井完井、固井v3、采油：油气水、多孔介质与液相的相互作用。、采油：油气水、多孔介质与液相的相互作用。一次采油一次采油 二次采油二次采油 三次采油三次采油 压裂压裂v4、增产增注措施、增产增注措施 酸化酸化本讲稿第十七页，共三十四页 防腊防腊 防砂防砂v5、油水井的正常维护、油水井的正常维护 化学堵水化学堵水 稠
10、油降粘稠油降粘 破乳破乳v6、油气集输、油气集输 乳化乳化三、胶体与石油工程的关系本讲稿第十八页，共三十四页四、胶体化学的发展史古古老老而而年年轻轻的的科科学学史史 前：陶器前：陶器汉汉 朝：纤维造纸朝：纤维造纸后后 汉：墨的发明、豆腐制作汉：墨的发明、豆腐制作古古 埃埃 及：木材浸水膨胀来破裂山岩及：木材浸水膨胀来破裂山岩瑞瑞 典：化学家典：化学家Scheele于于1777年木炭年木炭 吸附气体实验吸附气体实验俄罗斯：俄罗斯：1809年化学家年化学家土粒的电泳现象土粒的电泳现象英国：英国：1829年年Brown发现了发现了Brown运动运动一八六一年以前本讲稿第十九页，共三十四页四、胶体化学
11、的发展史v1861年，英国科学家年，英国科学家Graham系统研究，区分晶体和胶体的概念，提出名词，系统研究，区分晶体和胶体的概念，提出名词，如：胶体如：胶体、溶胶、凝胶、胶溶、渗析等。、溶胶、凝胶、胶溶、渗析等。溶溶液液水水半透膜半透膜Thomas Graham 实验实验ResultsI:一些物质，如氯化钠等无机盐，一些物质，如氯化钠等无机盐，可以透过半透膜，溶液蒸干后，可以透过半透膜，溶液蒸干后，溶质以晶体形式析出。溶质以晶体形式析出。晶体晶体II：如氢氧化铁、蛋白质等，：如氢氧化铁、蛋白质等，其溶液不能透过半透膜，蒸其溶液不能透过半透膜，蒸干后，以粘稠形式出现。干后，以粘稠形式出现。胶体
12、胶体1861年年本讲稿第二十页，共三十四页Thomas Graham 实验实验实验现象实验现象1）糖、无机盐、尿素等溶液，扩散快，易从羊皮纸渗析）糖、无机盐、尿素等溶液，扩散快，易从羊皮纸渗析出来；出来；2）明胶、氢氧化铝、硅酸等，扩散慢，不能或难以渗析出）明胶、氢氧化铝、硅酸等，扩散慢，不能或难以渗析出来。来。本讲稿第二十一页，共三十四页若将待测溶液蒸去水分后：若将待测溶液蒸去水分后：前者前者(扩散快者扩散快者)：易于成晶体析出；：易于成晶体析出；后者后者(扩散慢者扩散慢者)：大多成无定型的胶状物；：大多成无定型的胶状物；Graham首先提出这首先提出这种胶状物为种胶状物为“胶体胶体”，其溶
13、液叫作，其溶液叫作“溶胶溶胶”。Thomas Graham 实验实验本讲稿第二十二页，共三十四页四、胶体化学的发展史 1907年 近现代 1903年 超显微镜的超显微镜的发明，为胶体化发明，为胶体化学的发展，提供学的发展，提供了新的研究手段。了新的研究手段。德国化学家德国化学家Ostwald创办了创办了胶体化学和工业胶体化学和工业杂志杂志。纳米材料的应用，纳米材料的应用，为胶体化学的发展提为胶体化学的发展提供了新的方向。供了新的方向。本讲稿第二十三页，共三十四页五.胶体化学研究的对象v研究对象：研究对象：溶胶、高分子溶液、表面活性剂溶液溶胶、高分子溶液、表面活性剂溶液 在胶体化学中，人们不仅要
14、研究这些体系的基本性质，而且要在胶体化学中，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：研究与其基本性质相联系的许多实际问题。例如：v(1)(1)明矾为什么能净水？明矾为什么能净水？v(2)(2)肥皂为什么能去污？肥皂为什么能去污？v(3)(3)向高空抛撒的粉剂为什么能人工降雨？向高空抛撒的粉剂为什么能人工降雨？v(4)(4)鱼汤为什么能鱼汤为什么能“冻冻”起来？起来？v(5)(5)含水原油如何脱水？含水原油如何脱水？v(6)(6)农业中除草保熵？农业中除草保熵？所有这些问题，所有这些问题，都需要用胶体与表面化学理论来解释。都需要用胶体与表面化学理论来解
15、释。本讲稿第二十四页，共三十四页胶体化学的应用胶胶体体化化学学应应用用领领域域(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、水泥塑料等材料科学中的陶瓷、水泥塑料等(7)石油科学石油科学本讲稿第二十五页，共三十四页现代研究内容本讲
16、稿第二十六页，共三十四页六、胶体与表面化学的发展六、胶体与表面化学的发展v胶体与表面化学是一门应用性极强的学科。近百年来，它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，有的地方甚至是超前的，的发展同步于工农业生产的发展，有的地方甚至是超前的，究其原因有以下两方面：究其原因有以下两方面：整体自然科学水平的提高，带动了胶体化学素质的整体自然科学水平的提高，带动了胶体化学素质的增幅：增幅：现代物理和现代化学理论，解决了胶体化学中现代物理和现代化学理论，解决了胶体化学中的基本理论问题；的基本理论问题；用量子化学研究吸附与催化，用分形理论研究胶粒形状，用统计力学研究高
17、分子等。本讲稿第二十七页，共三十四页六、胶体与表面化学的发展六、胶体与表面化学的发展v应用现代精密仪器和方法解决胶体化学中许多悬而未应用现代精密仪器和方法解决胶体化学中许多悬而未决的问题；决的问题；v胶体化学理论的应用，既丰富了科学的内容，也促进了胶体化学理论的应用，既丰富了科学的内容，也促进了对胶体与表面化学更深层次知识的探索。对胶体与表面化学更深层次知识的探索。用不同力学显微镜研究胶粒间作用力及表面分子的形态、用能谱仪研究胶团等。本讲稿第二十八页，共三十四页v1861年年Thomas Graham提出提出“胶体胶体”(Colloid)一词，标志一词，标志胶体化学的产生。胶体化学的产生。Co
18、lloid源自希腊文的源自希腊文的(胶胶)，意为粘稠，意为粘稠状的物质。状的物质。Thomas Graham 英国化学家英国化学家(1805-1869)七、著名学者七、著名学者本讲稿第二十九页，共三十四页v傅鹰（傅鹰（）傅鹰，物理化学家和化学教育家。傅鹰，物理化学家和化学教育家。中国胶体科学的主要奠基人。他献身科学和教育事业长达半个多世纪，中国胶体科学的主要奠基人。他献身科学和教育事业长达半个多世纪，对发展表面化学基础理论和培养化学人才做出了贡献。他倡导在高等对发展表面化学基础理论和培养化学人才做出了贡献。他倡导在高等院校开展科学研究，创建了我国胶体化学第一个教研室，并培养了第院校开展科学研究
19、，创建了我国胶体化学第一个教研室，并培养了第一批研究生。他襟怀坦荡，为人刚正不阿，是一位忠贞不渝的爱国者，一批研究生。他襟怀坦荡，为人刚正不阿，是一位忠贞不渝的爱国者，党和人民的诤友。党和人民的诤友。傅鹰字肖鸿，祖籍福建省闽侯县，年月日出生于傅鹰字肖鸿，祖籍福建省闽侯县，年月日出生于北京。童年时代受到在外务部供职的父亲傅仰贤的薰陶，深感国家频北京。童年时代受到在外务部供职的父亲傅仰贤的薰陶，深感国家频遭外国列强欺侮，是国家贫弱和清廷腐败所致，遂萌发了强国富民的遭外国列强欺侮，是国家贫弱和清廷腐败所致，遂萌发了强国富民的愿望。年他入燕京大学化学系学习，轰轰烈烈的愿望。年他入燕京大学化学系学习，轰
20、轰烈烈的“五四五四”运运动和动和新青年新青年杂志对他有很大的影响，从此发奋苦读，立杂志对他有很大的影响，从此发奋苦读，立志走科学救国的道路。年公费赴美国留学，年以志走科学救国的道路。年公费赴美国留学，年以后，在密执安（）大学研究院获得科学博后，在密执安（）大学研究院获得科学博士学位，时年岁。士学位，时年岁。七、著名学者七、著名学者本讲稿第三十页，共三十四页v傅鹰是我国少数有突出贡献的物理化学家之一，尤其在胶体和表面化学傅鹰是我国少数有突出贡献的物理化学家之一，尤其在胶体和表面化学的研究上有着很深的造诣。他从青年时代起，就对我们祖先制造陶器，的研究上有着很深的造诣。他从青年时代起，就对我们祖先制
21、造陶器，发明纸、墨，加工面食等许多最早应用胶体的实例发生浓厚的兴趣。胶发明纸、墨，加工面食等许多最早应用胶体的实例发生浓厚的兴趣。胶体科学是研究物质在一定介质中经高度分散而成的分散体系和表（界）体科学是研究物质在一定介质中经高度分散而成的分散体系和表（界）面现象的科学。虽说胶体的应用几乎和人类文明史一样长久，但对它进面现象的科学。虽说胶体的应用几乎和人类文明史一样长久，但对它进行系统的理论研究却是进入世纪以后才开始的。傅鹰正是从年行系统的理论研究却是进入世纪以后才开始的。傅鹰正是从年代初到美国留学时，加入到胶体和表面化学开拓性研究的行列之中。在代初到美国留学时，加入到胶体和表面化学开拓性研究的
22、行列之中。在密执安大学研究院，他师从巴特尔教授，主攻表面现象和吸附作用，旁密执安大学研究院，他师从巴特尔教授，主攻表面现象和吸附作用，旁及多种胶体体系。他潜心研究，勇于探索，取得了系统而有开创性的丰及多种胶体体系。他潜心研究，勇于探索，取得了系统而有开创性的丰硕成果，受到国际学术界的重视和好评。硕成果，受到国际学术界的重视和好评。在年代，他对吸附作用以及影响固体从溶液中吸附的多种因素在年代，他对吸附作用以及影响固体从溶液中吸附的多种因素进行的综合实验研究和具有指导意义的理论分析，已成为吸附理论的重进行的综合实验研究和具有指导意义的理论分析，已成为吸附理论的重要组成部分。要组成部分。七、著名学者
23、七、著名学者本讲稿第三十一页，共三十四页戴安邦，男，戴安邦，男，19011901年年4 4月生。江苏丹月生。江苏丹徒人。徒人。19241924年毕年毕 业于金陵大学化学业于金陵大学化学系。后赴美留学，系。后赴美留学，19311931年获哥伦比年获哥伦比亚大学博士学位。著名无机化学家、亚大学博士学位。著名无机化学家、教授、博士生导师，中科院院士。教授、博士生导师，中科院院士。主要研究方向主要研究方向 胶体化学胶体化学 配位化学配位化学.他在南京大学筹建胶体化学专业，他在南京大学筹建胶体化学专业，19551955年首批大学生毕业。年首批大学生毕业。七、著名学者七、著名学者本讲稿第三十二页，共三十四
24、页陈宗淇陈宗淇 1932年生，浙江人。教授。年生，浙江人。教授。1953年毕业于复旦大学化学系，年毕业于复旦大学化学系，1957年考入北大化学系研究生，年考入北大化学系研究生，1961年毕业后在山东大学化学系工年毕业后在山东大学化学系工作。作。1979年升为副教授，年升为副教授，1986年为正教授，到青岛化工学院工年为正教授，到青岛化工学院工作。是第一批国务院批准的硕士生导师。自作。是第一批国务院批准的硕士生导师。自1983年开始，承担国年开始，承担国家自然科学基金任务共六项，其中三项为主持。在国内外著名杂志家自然科学基金任务共六项，其中三项为主持。在国内外著名杂志上发表论文百余篇。出版著作有
25、：上发表论文百余篇。出版著作有：胶体化学胶体化学（高教）（高教）（1985）、）、物理化学与胶体化学实验物理化学与胶体化学实验（1983）（高教）、）（高教）、胶体化胶体化学实验学实验（山大出版社）（山大出版社）（1987），获），获1978年年“工农泥浆工农泥浆”科科学大会奖，学大会奖，1984年年“低固相不分散泥浆低固相不分散泥浆”石油部科技进步奖。石油部科技进步奖。1990年获山东省教委科技进步奖。年获山东省教委科技进步奖。1992年年“分散体系的异常流变性分散体系的异常流变性”获山东省科委科技进步奖。获山东省科委科技进步奖。1994年再次获省科技进步奖，年再次获省科技进步奖，1995年获国家科技进步奖。享受国务院特殊津贴。年获国家科技进步奖。享受国务院特殊津贴。七、著名学者七、著名学者本讲稿第三十三页，共三十四页本讲稿第三十四页，共三十四页