表面張力與表面活性物質

在水溶液(ye)中能夠產生正吸附的溶(rong)質(zhi)可以使水的表面(mian)張力(li)降低(di)，而產生負吸(xi)附的溶(rong)質(zhi)則會使水的表面(mian)張力(li)有所升高。

表面活性物質(surface active materials),：能夠在水溶液中產生正吸附從而(er)使水的表面(mian)張(zhang)力(li)顯著降低的一大類物質。例如(ru)：如(ru)乙醇(chun)、丙酸、十二烷基硫酸鈉(na)等(deng);

而(er)此類(lei)物質(zhi)降低水(shui)的表面張力的性質(zhi)稱(cheng)為表面活性(surfaceactivity); 相應地不能產生(sheng)正吸附即不能降低水的表面張力的物(wu)(wu)質被(bei)稱為(wei)非表面活(huo)性物(wu)(wu)質，如無機鹽、葡萄糖等。

表面(mian)活性劑(surfactants)：在表(biao)面(mian)活(huo)性(xing)物質中，有(you)一(yi)類(lei)物質在很低濃度時就能使(shi)水的表(biao)面(mian)張(zhang)力顯著(zhu)下降，但當濃度增加(jia)至(zhi)一(yi)定值(zhi)后，表(biao)面(mian)張(zhang)力就不再下降或非常緩(huan)慢地(di)減小，人們把這(zhe)一(yi)類(lei)表(biao)面(mian)活(huo)性(xing)物質稱(cheng)為(wei)表面活性劑(surfactants)，如(ru)十二烷基硫酸鈉(na)、十二烷基三甲基溴化銨和壬基酚聚氧(yang)乙烯(9)醚等物(wu)質。

表面活性劑的分子結構特征

人類最(zui)早使用的(de)表面活(huo)性劑是脂肪酸鈉(或者鉀)鹽，俗(su)稱(cheng)肥皂。

早期人(ren)們將(jiang)動植(zhi)物油脂和草木灰水溶液(ye)混(hun)合加熱制取(qu)肥皂;

后來隨(sui)著(zhu)化學(xue)工業的進步，有了苛性(xing)堿(jian)(NaOH)，人們通過用(yong)堿皂(zao)化油脂制(zhi)取肥皂(zao)。

20世(shi)紀(ji)20~30年(nian)代由于第一次(ci)世(shi)界大(da)戰導(dao)致了油脂短缺，為(wei)了開發肥皂的代用品，在德國誕生了合成(cheng)表面活性劑，如烷基苯磺酸鹽，脂肪醇(chun)硫(liu)酸鹽等。

這些表(biao)面(mian)活性(xing)(xing)劑分子(zi)具有共同(tong)的分子(zi)結(jie)構特征(zheng)，即分子(zi)中同(tong)時包含(han)親(qin)水性(xing)(xing)基(ji)團(tuan)和親(qin)油(you)性(xing)(xing)基(ji)團(tuan)，例如肥皂中的親(qin)水性(xing)(xing)基(ji)團(tuan)為(wei)-COONa，烷基(ji)苯磺酸鈉中的親(qin)水性(xing)(xing)基(ji)團(tuan)為(wei)-SO3Na,而親(qin)油(you)性(xing)(xing)基(ji)團(tuan)皆為(wei)長烷基(ji)鏈(lian)。

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1 表面活(huo)性(xing)劑的(de)球(qiu)棒模型及其在水/空氣(油)界面的定向(xiang)排列示意圖

親水基使得該類分子具有一定的水溶性，

親(qin)油基(ji)使得該類分子具有一定的油溶性。

當這類分(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)與(yu)水接觸(chu)時，分(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)中的(de)親(qin)水基(ji)(ji)與(yu)水分(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)發(fa)生強烈(lie)的(de)水合作用(yong)而(er)導致溶(rong)解，同時，分(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)中的(de)親(qin)油基(ji)(ji)由于與(yu)水分(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)之(zhi)間沒有親(qin)和力而(er)具有逃逸(yi)出(chu)水環境的(de)強烈(lie)趨勢，這兩種截然相(xiang)反的(de)作用(yong)使得(de)分(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)富集于水/空(kong)氣界(jie)面(mian)或(huo)水/油界(jie)面(mian)，以親(qin)水基(ji)(ji)處于水相(xiang)，親(qin)油基(ji)(ji)處于空(kong)氣相(xiang)或(huo)油相(xiang)，在界(jie)面(mian)定向(xiang)排(pai)列(lie)，如圖1所示。

綜合結果是表面活性劑在水溶液中產生正(zheng)吸附，使水(shui)的表面張力或油(you)/水(shui)界面張力顯著下降。

表面活性(xing)劑分子結(jie)構有一個共通點，它的分子由兩部分組(zu)成:

一部分是親溶(rong)劑的(de);另一部分是憎(疏)溶(rong)劑的(de)。

由于表面活(huo)(huo)性(xing)劑(ji)(ji)通常在水(shui)溶液中使(shi)用，因此常把表面活(huo)(huo)性(xing)劑(ji)(ji)的(de)這(zhe)兩部(bu)(bu)分(fen)(fen)分(fen)(fen)別稱為親水(shui)基(ji)(極性(xing)部(bu)(bu)分(fen)(fen))和憎(疏(shu))水(shui)基(ji)(非極性(xing)部(bu)(bu)分(fen)(fen))，疏(shu)水(shui)基(ji)也叫親油(you)基(ji)。

如(ru)圖2 (a) 所示。

圖2  表面活性劑分子結構示意圖(a) 

 CH3 (CH2)11SO4的(de)大(da)小(b)

以(yi)一種常(chang)見的表面活(huo)性劑(ji)十二烷基(ji)硫酸鈉[CH3(CH2)11SO4Na]為例(li)，

水溶液中(zhong)，CH3(CH2)11 SO4Na電離為CH3(CH2)11SO4 與(yu)Na+，起(qi)主要作用的是(shi)CH3(CH2)11SO4，稱為表(biao)面活性離子，

它是由非極性(xing)的CH3(CH2)11-與極性的一SO4  組成，前者為疏(shu)水基(ji)(親(qin)油基(ji))，后者為親水基。而Na+則稱為反離子。CH3 (CH2)11SO4的大小如圖2 (b)所(suo)示。

表面活性劑的這種特殊結構稱為兩(liang)親性結構(親(qin)水基親(qin)水，疏水基親(qin)油(you))。因此表(biao)面活性劑是(shi)一類(lei)兩(liang)親性(xing)化合物。

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，包括帶電的離子基團和不帶電的極性基團。

所有(you)表面活性(xing)物質的分(fen)子都具有(you)兩親分(fen)子結構。就水溶液而言，親水基的親水性和親(qin)油基(ji)的(de)親油性(xing)要基本匹配才能具有顯著的(de)表面活性(xing)，任(ren)一方(fang)過強或過弱均(jun)會顯著削弱兩親分子的表面活性。

碳原子數在8以下時，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;

一般(ban)意(yi)義上的(de)表面活(huo)性劑疏水鏈(lian)要足夠(gou)大(da)，一般(ban)在8個碳原子(zi)以上(沒有嚴格的(de)界限(xian))。

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(zhuan)載自：化(hua)工好料到

來源：中國洗滌用(yong)品(pin)工業協會l＆l分會