表面張力與表面活性物質

在水溶液(ye)中能(neng)夠產生(sheng)正吸附的(de)(de)溶質(zhi)可以使水(shui)的(de)(de)表面張(zhang)力降低(di)，而產生負(fu)吸附的(de)(de)溶質(zhi)則會(hui)使水(shui)的(de)(de)表面張(zhang)力有所升高(gao)。

表面活性物質(surface active materials),：能夠(gou)在水(shui)溶液中產(chan)生正吸附從而使水(shui)的(de)表面張力顯著降低的(de)一大(da)類(lei)物質(zhi)。例如：如乙醇、丙酸、十(shi)二烷(wan)基硫酸鈉等;

而此類物(wu)質降低水的(de)表面張(zhang)力的(de)性質稱為表面活性(surfaceactivity); 相應地不(bu)能(neng)產生(sheng)正吸附即(ji)不(bu)能(neng)降低水的(de)表面(mian)張力的(de)物質(zhi)被稱為非表面(mian)活性物質(zhi)，如無機鹽、葡萄(tao)糖等。

表(biao)面(mian)活性劑(ji)(surfactants)：在表面(mian)(mian)活性(xing)物(wu)(wu)質中，有(you)一類(lei)物(wu)(wu)質在很(hen)低濃(nong)度(du)時就能使水的表面(mian)(mian)張力(li)顯著下降(jiang)，但當濃(nong)度(du)增(zeng)加至一定值后，表面(mian)(mian)張力(li)就不(bu)再(zai)下降(jiang)或非常緩(huan)慢地減小(xiao)，人們把這一類(lei)表面(mian)(mian)活性(xing)物(wu)(wu)質稱為(wei)表面活性劑(surfactants)，如十二(er)烷基硫酸鈉、十二烷基三甲基溴化銨和壬基酚(fen)聚(ju)氧乙(yi)烯(9)醚等物質(zhi)。

表面活性劑的分子結構特征

人類最早使用的表面活性劑是脂肪酸鈉(或者鉀)鹽，俗(su)稱肥皂。

早(zao)期人們將動植物(wu)油脂和草木(mu)灰水溶液混合(he)加熱(re)制取肥皂;

后來隨著化學工業的進(jin)步(bu)，有了苛性堿(NaOH)，人們通過用堿皂化油脂制取肥皂。

20世(shi)紀(ji)20~30年(nian)代由于第一次世(shi)界大戰導(dao)致了(le)(le)油脂(zhi)短缺，為了(le)(le)開(kai)發肥皂(zao)的(de)代用品，在德國誕生了(le)(le)合成表面活性劑，如烷(wan)基苯磺酸(suan)鹽，脂(zhi)肪醇(chun)硫酸(suan)鹽等。

這些表面活(huo)性(xing)(xing)劑分(fen)(fen)子具有共同的分(fen)(fen)子結構特征，即分(fen)(fen)子中同時包含親(qin)水性(xing)(xing)基(ji)團(tuan)(tuan)和親(qin)油性(xing)(xing)基(ji)團(tuan)(tuan)，例如肥皂中的親(qin)水性(xing)(xing)基(ji)團(tuan)(tuan)為-COONa，烷基(ji)苯磺酸鈉中的親(qin)水性(xing)(xing)基(ji)團(tuan)(tuan)為-SO3Na,而親(qin)油性(xing)(xing)基(ji)團(tuan)(tuan)皆為長烷基(ji)鏈。

現在人們把這種分子稱為兩親分子，其中親水基為離子的兩親分子結構上非常類似于火柴，球部為親水基,梗棒部為烷基，為親油基

如圖1所示

圖(tu)1 表面活性(xing)劑(ji)的球棒模型及(ji)其在水/空氣(油)界面的定(ding)向排列示意(yi)圖

親水基使得該類分子具有一定的水溶性，

親油基使得該類分子具有一定的油溶性。

當這(zhe)類分(fen)(fen)子與水(shui)(shui)(shui)接(jie)觸(chu)時，分(fen)(fen)子中的親(qin)水(shui)(shui)(shui)基(ji)與水(shui)(shui)(shui)分(fen)(fen)子發生強烈(lie)的水(shui)(shui)(shui)合(he)作用而導(dao)致溶(rong)解(jie)，同時，分(fen)(fen)子中的親(qin)油基(ji)由于(yu)(yu)與水(shui)(shui)(shui)分(fen)(fen)子之間沒有親(qin)和力而具有逃逸出水(shui)(shui)(shui)環境的強烈(lie)趨勢，這(zhe)兩(liang)種截然相(xiang)反的作用使(shi)得(de)分(fen)(fen)子富集于(yu)(yu)水(shui)(shui)(shui)/空(kong)氣界面(mian)或水(shui)(shui)(shui)/油界面(mian)，以親(qin)水(shui)(shui)(shui)基(ji)處于(yu)(yu)水(shui)(shui)(shui)相(xiang)，親(qin)油基(ji)處于(yu)(yu)空(kong)氣相(xiang)或油相(xiang)，在(zai)界面(mian)定向(xiang)排列，如(ru)圖1所示(shi)。

綜合(he)結果是表面活性劑在水(shui)溶液中產生正(zheng)吸附，使水(shui)的表面張(zhang)力(li)或油/水(shui)界面張(zhang)力(li)顯著(zhu)下降。

表面活性劑分子結構有一個共通點(dian)，它(ta)的分子由兩部(bu)分組成:

一部分(fen)是(shi)親溶劑的(de);另一部分(fen)是(shi)憎(疏(shu))溶劑的(de)。

由于表(biao)(biao)面活(huo)性(xing)劑通常(chang)在(zai)水溶液中(zhong)使用，因此(ci)常(chang)把表(biao)(biao)面活(huo)性(xing)劑的這兩(liang)部分(fen)分(fen)別稱為親水基(ji)(ji)(極性(xing)部分(fen))和憎(zeng)(疏)水基(ji)(ji)(非(fei)極性(xing)部分(fen))，疏水基(ji)(ji)也叫親油基(ji)(ji)。

如(ru)圖(tu)2 (a) 所示。

圖2  表面活性劑分子結構示意圖(a) 

 CH3 (CH2)11SO4的大(da)小(b)

以(yi)一(yi)種常見的表面(mian)活性劑十二烷基硫(liu)酸鈉[CH3(CH2)11SO4Na]為例，

水溶液中，CH3(CH2)11 SO4Na電離為(wei)CH3(CH2)11SO4 與Na+，起主要(yao)作(zuo)用的是(shi)CH3(CH2)11SO4，稱為表面活性離子(zi)，

它是由(you)非極性(xing)的CH3(CH2)11-與極(ji)性(xing)的一SO4  組成，前者為疏水基(親油基)，后者為親水基。而Na+則稱為反離子(zi)。CH3 (CH2)11SO4的(de)大小如圖2 (b)所示。

表(biao)面活性(xing)劑(ji)的這種特殊結構稱為兩親(qin)性(xing)結(jie)構(親(qin)(qin)(qin)水(shui)基親(qin)(qin)(qin)水(shui)，疏(shu)水(shui)基親(qin)(qin)(qin)油)。因此表(biao)面活性劑是(shi)一類兩親性化合物(wu)。

表面活性劑的疏水基一般是由長鏈烴基構成，以碳氫鏈為主，而親水基(極性基，頭基)的基團種類繁多，包括帶電的離子(zi)基團和不(bu)帶(dai)電的極(ji)性基團。

所有表面活性物質的(de)分子都(dou)具有兩(liang)親(qin)分(fen)子結構。就水溶液而言，親水基的(de)親水性和親(qin)油基的親油性(xing)要(yao)基本匹(pi)配才能具有(you)顯著的(de)表面(mian)活性，任(ren)一方(fang)過(guo)強或過(guo)弱(ruo)均(jun)會(hui)顯著(zhu)削弱(ruo)兩(liang)親分子(zi)的(de)表面(mian)活(huo)性。

碳原子數在8以下(xia)時(shi)，親水性過強，比如甲酸、乙酸、丙酸、丁酸都具有兩親結構，只是具有表面活性，不能成為表面活性劑;

一(yi)般意(yi)義(yi)上(shang)的(de)表面活性劑疏水鏈要足夠大(da)，一(yi)般在8個(ge)碳原子以上(shang)(沒有嚴格的(de)界限)。

反之，碳原子數在20以上時，親油性過強，在水中的溶解度極小，也不能成為典型的表面活性劑。例如對于肥皂，當脂肪酸的碳原子數在8~20范圍內時才成為優良的表面活性劑。

轉載自：化工好料到

來(lai)源：中國洗(xi)滌用品工(gong)業協會l＆l分(fen)會