表面活性剂有哪些神奇之处?

chem 化学科普 1117 0


作为一名化学人,了解一下表面活性剂这东西有多神奇,那是必须的。

表面活性剂是一大类物质的统称,肥皂就是一种表面活性剂,也是人类最早接触的表面活性剂。距今约4800年前,古巴比伦人就得到了早的肥皂。
传说有个厨师不小心将一罐食用油(多半是植物油)打翻在地,仓皇之间,他急忙将灶炉里的草木灰洒在上面,再将混合物打扫干净。
自然,手上沾了一些油腻是少不了的,他赶忙去洗手,却发现满手的油腻瞬间便洗刷干净。于是,厨房里的佣人们就经常用油脂拌草木灰来洗手,这便是最早的肥皂,当时的巴比伦人就用它们来洗澡、洗衣服、洗餐具等等。
现在我们还能看到最早的用楔形文字记录下的肥皂配方:将草木灰、羊油(或猪油、或植物油)混合在一起加热。
表面活性剂有哪些神奇之处?  第1张▲叙利亚城市阿勒颇的阿勒颇肥皂,被认为是最早的肥皂技术。
我们中国人也很早就发明了肥皂,一种方法是用猪胰子和草木灰混热,这和巴比伦人是类似的;另一种方法则是用天然皂角的种子。
所以,肥皂二字的由来你清楚了吗?
表面活性剂有哪些神奇之处?  第2张
▲皂荚树


说到肥皂的成分呢,其实也就是一种很简单的物质——硬质酸钠(或硬脂酸钾),我们把它的成分画一画,如下:
表面活性剂有哪些神奇之处?  第3张
我们学习了化学都知道,硬质酸钠是一种盐,在水中电离为硬脂酸根离子和钠离子。钠离子我们先放在一边,我们观察一下这个硬脂酸根离子,包含一个烃基和一个羧基。

所谓烃呢,就是矿物油,我们知道水油是不互溶的,所以烃基属于“疏水基”,或者叫“憎水基”、“亲油基”。

表面活性剂有哪些神奇之处?  第4张▲水油不互溶,大家都懂
羧基就是组成羧酸的基团,我们知道酸都是较易溶于水的,比如我们喝的醋,主要成分就是乙酸的水溶液啊。
所以羧基属于“亲水基”。
表面活性剂有哪些神奇之处?  第5张▲吃饺子要蘸醋,大家都懂。醋可以用水任意比例冲稀,这是我们都有的生活经验。
说了这么多,似乎比较枯燥。
别急!让我们看看,把这两端分别亲水憎水的表面活性剂放到水里以后,它会有些什么样的不同?
我们先少放一点,这些表面活性剂分子在水里是这样分布的,里里外外都有,和其他可溶物没什么两样。
表面活性剂有哪些神奇之处?  第6张
而当我们再多加一些,情况就有所不同了,表面活性剂分子里的憎水基一个劲的想要出去,全部朝外,也使得表面活性剂分子都分布到了表面上,这也就是“表面活性剂”称呼的由来。
表面活性剂有哪些神奇之处?  第7张
憎水基:放我出去~
如果我们再多放点表面活性剂,更奇妙的事情发生了。由于之前它们已经占满了表面,内部表面活性剂的憎水基无处可逃,只好彼此抱团,形成了一团又一团的“胶束”。
这些胶束或而球状,或而棒状。表面活性剂各方面神奇的特性,均来自这些“胶束”。
表面活性剂有哪些神奇之处?  第8张
要问这表面活性剂究竟有啥用,这用处可大了去了,就在我们身边到处都有她的身影。我们随便列举一二。

一、清洗
之前我们提到的肥皂就是一种用于清洗的表面活性剂,
那么,表面活性剂为什么具有清洗能力呢?
回到我们上面那张图,当水里有足够多的表面活性剂以后,它们就倾向于形成胶束。而当清洗液接触到油污以后,这些憎水基就“久旱逢甘霖”一般的扑向那些油污,把油污夹在中心。
如下图:
表面活性剂有哪些神奇之处?  第9张
除了肥皂,我们家里用来洗碗的洗洁精,用来洗衣服的洗衣粉、洗衣液,还有卫浴里的沐浴露、洗手液、洗发水、护发素,它们的主要成分都是表面活性剂。
表面活性剂有哪些神奇之处?  第10张▲我们家里各种各样的清洁用品

二、乳化
水是一种万能溶剂,但是很遗憾,我们的化学物质远不止一万种,不管是天然的和人造的,总有很多化学物质是不溶于水的。
而且很让人头疼的事情,这些化学物质对我们的生活、生产又是很必要的,比如美食中的添加剂,家装油漆中的活性物质,为美女加妆添彩的化妆品,豪车中让我们的皮具、饰品更加鲜亮的添加剂,在各种各样的包装上起粘结作用的胶水等等。
在人们还没有办法用水去溶解它们的时候,我们只能用其他类型的溶剂去稀释溶解它们,但是很不幸,很多的溶剂就是对人体有害的,比如甲苯,比如四氯乙烯等。
这些溶剂的挥发性都很强,如果被人们吸入体内,则会对人体产生危害。这些溶剂类的物质和其他可以挥发出来对人体有害的物质统称为VOC(挥发性有机物)。
表面活性剂有哪些神奇之处?  第11张
值得庆幸的是,我们的化学家们已经帮我们在解决这些潜在的危害问题了,他们发现大多数溶剂都是烃类,也就是亲油的,活性物质可以溶于溶剂是因为相似相溶,那么可以说很多活性物质也是亲油的。
而我们知道油类的东西是不能溶于水的,那么有没有一种东西能作为油类物质溶于水的介质呢?
这就是表面活性剂,它既含有亲油的基团,也含有亲水的集团,可以同时溶于水和油,也就可以帮助油分散在水里,这个过程叫做“乳化”。
表面活性剂有哪些神奇之处?  第12张
▲表面活性剂帮助有机相均匀的分散在水里,这就是“乳化”。
随着应用化学工作者的开发,很多应用都已经通过使用表面活性剂而水性化了。
比如以前的涂料多半为“油漆”,其中有很多可致癌的溶剂,而如今,我们的家装涂料早已改为“乳胶漆”,现在你知道为何这其中有个“乳”字了吧?
因为它就是将油漆“乳化”后的乳液。
表面活性剂有哪些神奇之处?  第13张▲乳胶漆已经水性化,请大家放心。
比如,大部分农药的活性物质都是不溶于水的,过去乳油剂型的农药在市面上占据最多,大多数含有芳烃溶剂,一些溶剂比如DMF等甚至有致癌作用。
这样的剂型对人体有害,也很难分散开,容易形成残留。也难怪我们在清洗蔬菜水果的时候,要花费大量的时间去冲洗,才能让自己放心。
目前,我国已经停止批准乳油新剂型的申请,为水剂类的农药开发指明了方向。
表面活性剂有哪些神奇之处?  第14张▲现在农药都是水剂的,我们不用再担心残留啦!

三、润湿
如果我们在炎炎夏日里早起,跑到湖边观察一下荷叶,会看到晶莹剔透的露珠,它们保持着椭球形,在阳光照射下闪闪发亮。
这些露珠为何能保持球状,而没有铺满荷叶表面呢?
这来自水滴的“表面张力”。
表面活性剂有哪些神奇之处?  第15张
对于表面张力,我们印象更深刻的则是水银,它在任何时候都能保持球状,仿佛有一种“内聚力”让它自身缩聚成团,这种“内聚力”实际上是表面张力。
如下图,我们对比一下水银(Hg)、水(H2O)和肥皂(Soap)的表面张力,自然这是从高到低排列的。我们也会很自然发现表面张力越低,润湿铺展性越好
表面活性剂有哪些神奇之处?  第16张
比如,我们在农药中添加一些表面活性剂,加强农药的润湿性能。这样就可以提高药效,减少农药的用量。
表面活性剂有哪些神奇之处?  第17张▲左边是油剂农药,右边是增加了表面活性剂的农药,明显铺展性变好了。

目前全球表面活性剂的产量已经超过1500万吨,是一个非常庞大的产业。经过我上面的介绍,你可以看到,表面活性剂参与和带动的行业,又何止几百几千?
现在,表面活性剂还存在各种各样的问题,比如低泡表面活性剂,特别难乳化的物质等等,这些课题都等待着你去解决呢。
总之,我们见识了表面活性剂在各个方面的妙用,你还有什么理由不好好学习它的知识呢?

上一篇烟花里的化学知识!

下一篇当前分类已是最新一篇

发布评论 0条评论)

您需要 登录账户 后才能发表评论

还木有评论哦,快来抢沙发吧~