表面張力與表面活性物質(zhì)

在水溶液中能夠產(chǎn)生正吸附的溶質(zhì)可以使水的表面張力降低，而產(chǎn)生負(fù)吸附的溶質(zhì)則會(huì)使水的表面張力有所升高。

表面活性物質(zhì)(surface active materials),：能夠在水溶液中產(chǎn)生正吸附從而使水的表面張力顯著降低的一大類物質(zhì)。例如：如乙醇、丙酸、十二烷基硫酸鈉等;

而此類物質(zhì)降低水的表面張力的性質(zhì)稱為表面活性(surfaceactivity); 相應(yīng)地不能產(chǎn)生正吸附即不能降低水的表面張力的物質(zhì)被稱為非表面活性物質(zhì)，如無機(jī)鹽、葡萄糖等。

表面活性劑(surfactants)：在表面活性物質(zhì)中，有一類物質(zhì)在很低濃度時(shí)就能使水的表面張力顯著下降，但當(dāng)濃度增加至一定值后，表面張力就不再下降或非常緩慢地減小，人們把這一類表面活性物質(zhì)稱為表面活性劑(surfactants)，如十二烷基硫酸鈉、十二烷基三甲基溴化銨和壬基酚聚氧乙烯(9)醚等物質(zhì)。

表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)特征

人類最早使用的表面活性劑是脂肪酸鈉(或者鉀)鹽，俗稱肥皂。

早期人們將動(dòng)植物油脂和草木灰水溶液混合加熱制取肥皂;

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

20世紀(jì)20~30年代由于第一次世界大戰(zhàn)導(dǎo)致了油脂短缺，為了開發(fā)肥皂的代用品，在德國誕生了合成表面活性劑，如烷基苯磺酸鹽，脂肪醇硫酸鹽等。

這些表面活性劑分子具有共同的分子結(jié)構(gòu)特征，即分子中同時(shí)包含親水性基團(tuán)和親油性基團(tuán)，例如肥皂中的親水性基團(tuán)為-COONa，烷基苯磺酸鈉中的親水性基團(tuán)為-SO3Na,而親油性基團(tuán)皆為長烷基鏈。

現(xiàn)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(jié)構(gòu)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 表面活性劑的球棒模型及其在水/空氣(油)界面的定向排列示意圖

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(dāng)這類分子與水接觸時(shí)，分子中的親水基與水分子發(fā)生強(qiáng)烈的水合作用而導(dǎo)致溶解，同時(shí)，分子中的親油基由于與水分子之間沒有親和力而具有逃逸出水環(huán)境的強(qiáng)烈趨勢，這兩種截然相反的作用使得分子富集于水/空氣界面或水/油界面，以親水基處于水相，親油基處于空氣相或油相，在界面定向排列，如圖1所示。

綜合結(jié)果是表面活性劑在水溶液中產(chǎn)生正吸附，使水的表面張力或油/水界面張力顯著下降。

表面活性劑分子結(jié)構(gòu)有一個(gè)共通點(diǎn)，它的分子由兩部分組成:

一部分是親溶劑的;另一部分是憎(疏)溶劑的。

由于表面活性劑通常在水溶液中使用，因此常把表面活性劑的這兩部分分別稱為親水基(極性部分)和憎(疏)水基(非極性部分)，疏水基也叫親油基。

如圖2 (a) 所示。

圖2  表面活性劑分子結(jié)構(gòu)示意圖(a) 

 CH3 (CH2)11SO4的大小(b)

以一種常見的表面活性劑十二烷基硫酸鈉[CH3(CH2)11SO4Na]為例，

水溶液中，CH3(CH2)11 SO4Na電離為CH3(CH2)11SO4 與Na+，起主要作用的是CH3(CH2)11SO4，稱為表面活性離子，

它是由非極性的CH3(CH2)11-與極性的一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。CH3 (CH2)11SO4的大小如圖2 (b)所示。

表面活性劑的這種特殊結(jié)構(gòu)稱為兩親性結(jié)構(gòu)(親水基親水，疏水基親油)。因此表面活性劑是一類兩親性化合物。

表面活性劑的疏水基一般是由長鏈烴基構(gòu)成，以碳?xì)滏湠橹?，而親水基(極性基，頭基)的基團(tuán)種類繁多，包括帶電的離子基團(tuán)和不帶電的極性基團(tuán)。

所有表面活性物質(zhì)的分子都具有兩親分子結(jié)構(gòu)。就水溶液而言，親水基的親水性和親油基的親油性要基本匹配才能具有顯著的表面活性，任一方過強(qiáng)或過弱均會(huì)顯著削弱兩親分子的表面活性。

碳原子數(shù)在8以下時(shí)，親水性過強(qiáng)，比如甲酸、乙酸、丙酸、丁酸都具有兩親結(jié)構(gòu)，只是具有表面活性，不能成為表面活性劑;

一般意義上的表面活性劑疏水鏈要足夠大，一般在8個(gè)碳原子以上(沒有嚴(yán)格的界限)。

反之，碳原子數(shù)在20以上時(shí)，親油性過強(qiáng)，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(duì)于肥皂，當(dāng)脂肪酸的碳原子數(shù)在8~20范圍內(nèi)時(shí)才成為優(yōu)良的表面活性劑。

轉(zhuǎn)載自：化工好料到haoliaodao.com

來源：中國洗滌用品工業(yè)協(xié)會(huì)l＆l分會(huì)