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1、7.4 表面活性剂及其作用表面活性剂及其作用日常生活中日常生活中,表面活性剂表面活性剂随处可见随处可见.传统的肥皂传统的肥皂,现代的各种洗衣粉现代的各种洗衣粉,香波香波 能使水的表面张力明显降低的溶质称为能使水的表面张力明显降低的溶质称为表面活性物质。表面活性物质。这种物质通常含有这种物质通常含有亲水的极性基团亲水的极性基团和和憎水憎水的非极性碳链或碳环的非极性碳链或碳环有机化合物。亲水基团进有机化合物。亲水基团进入水中，憎水基团企图离开水而指向空气，在入水中，憎水基团企图离开水而指向空气，在界面定向排列。界面定向排列。表面活性物质表面活性物质的的表面浓度大于本体浓度，表面浓度大于本体浓度，增
2、加单位面积所需的功较纯水小。非极性成分增加单位面积所需的功较纯水小。非极性成分愈大，表面活性也愈大。愈大，表面活性也愈大。7.4.1 表面活性剂的分类表面活性剂的分类 表面活性剂通常采用按化学结构来分类，分表面活性剂通常采用按化学结构来分类，分为离子型和非离子型两大类，离子型中又可分为为离子型和非离子型两大类，离子型中又可分为阳离子型、阴离子型和两性型表面活性剂。显然阳离子型、阴离子型和两性型表面活性剂。显然阳离子型和阴离子型的表面活性剂不能混用，否阳离子型和阴离子型的表面活性剂不能混用，否则可能会发生沉淀而失去活性作用。则可能会发生沉淀而失去活性作用。1.1.离子型离子型2.2.非离子型非离
3、子型阳离子型阳离子型阴离子型阴离子型两性型两性型表面活性剂表面活性剂阴离子表面活性剂RCOONa羧酸盐阴离子表面活性剂RCOONa羧酸盐R-OSO3Na 硫酸酯盐R-SO3Na磺酸盐R-OPO3Na2磷酸酯盐阳离子表面活性剂R-NH2HCl伯胺盐伯胺盐 CH3|R-N-HCl仲胺盐仲胺盐|H CH3|R-N-HCl叔胺盐|CH3 CH3|R-N+-CH3Cl-季胺盐季胺盐|CH3两性表面活性剂两性表面活性剂R-NHCH2-CH2COOH 氨基酸型 CH3|R-N+-CH2COO-甜菜碱型甜菜碱型|CH3R-(C6H4)-O(C2H4O)nH烷基酚聚氧乙烯醚烷基酚聚氧乙烯醚非离子表面活性剂R2N
4、-(C2H4O)nH聚氧乙烯烷基胺聚氧乙烯烷基胺R-CONH(C2H4O)nH聚氧乙烯烷基酰胺聚氧乙烯烷基酰胺R-COOCH2(CHOH)3H多元醇型多元醇型R-O-(CH2CH2O)nH脂肪醇脂肪醇聚氧乙烯醚聚氧乙烯醚7.4.2 液体对固体的润湿作用液体对固体的润湿作用 在等温等压条件下，在等温等压条件下，单位面积的液面与固体单位面积的液面与固体表面粘附时对外所作的最大功称为粘附功表面粘附时对外所作的最大功称为粘附功(WORK OF ADHESION)，它是液体能否润它是液体能否润湿固体的一种量度。粘附功越大，液体越能润湿湿固体的一种量度。粘附功越大，液体越能润湿固体，液固体，液-固结合得越
5、牢。固结合得越牢。在粘附过程中，消失了单位液体表面和固体表面，产生了单位液-固界面。粘附功就等于这个过程表面吉布斯自由能变化值的负值。al sg lg-s()WG 接触角的示意图：接触角的示意图：在气、液、固三相交界点，气在气、液、固三相交界点，气-液与液液与液-固界固界面张力之间的夹角称为接触角，通常用面张力之间的夹角称为接触角，通常用q q表示。表示。在气、液、固三相交界点，气在气、液、固三相交界点，气-液与气液与气-固界固界面张力之间的夹角称为接触角，通常用面张力之间的夹角称为接触角，通常用q q表示。表示。g-ls-lg-scosq 若接触角大于若接触角大于90，说明液体不能润湿固体，
6、说明液体不能润湿固体，如汞在玻璃表面；如汞在玻璃表面；若接触角小于若接触角小于90，液体能润湿固体，如水，液体能润湿固体，如水在洁净的玻璃表面。在洁净的玻璃表面。接触角的大小可以用实验接触角的大小可以用实验测量，也可以用公式计算：测量，也可以用公式计算：接触角接触角CONTACT ANGLE 等温、等压条件下，单位面积的液固界等温、等压条件下，单位面积的液固界面取代了单位面积的气固界面并产生了单面取代了单位面积的气固界面并产生了单位面积的气液界面，这过程表面自由能变位面积的气液界面，这过程表面自由能变化值的负值称为铺展系数，用化值的负值称为铺展系数，用S表示。若表示。若S0 0，说明液体可以在
7、固体表面自动铺展。，说明液体可以在固体表面自动铺展。l-sl-gs-g()SG 铺展系数铺展系数SPREDING COEFFICIENT 临界胶束浓度简称临界胶束浓度简称CMCCMC 表面活性剂在水中随着浓度增大，表面上聚表面活性剂在水中随着浓度增大，表面上聚集的活性剂分子形成定向排列的紧密单分子层，集的活性剂分子形成定向排列的紧密单分子层，多余的分子在体相内部也三三两两的以憎水基互多余的分子在体相内部也三三两两的以憎水基互相靠拢，聚集在一起形成胶束，相靠拢，聚集在一起形成胶束，这开始形成胶束这开始形成胶束的最低浓度称为临界胶束浓度。的最低浓度称为临界胶束浓度。这时溶液性质与理想性质发生偏离，
8、在表面这时溶液性质与理想性质发生偏离，在表面张力对浓度绘制的曲线上会出现转折。继续增加张力对浓度绘制的曲线上会出现转折。继续增加活性剂浓度，表面张力不再降低，而体相中的胶活性剂浓度，表面张力不再降低，而体相中的胶束不断增多、增大。束不断增多、增大。7.4.3 胶束与增溶作用胶束与增溶作用MICELLE可以将可以将“油油”“藏藏”在水中在水中.表面活性剂作用表面活性剂作用 表面活性剂的用途极广，主要有五个方面：表面活性剂的用途极广，主要有五个方面：1.1.润湿作用润湿作用 表面活性剂可以降低液体表面张力，改表面活性剂可以降低液体表面张力，改变接触角的大小，从而达到所需的目的。变接触角的大小，从而
9、达到所需的目的。例如，要农药润湿带蜡的植物表面，要例如，要农药润湿带蜡的植物表面，要在农药中加表面活性剂；在农药中加表面活性剂；如果要制造防水材料，就要在表面涂憎如果要制造防水材料，就要在表面涂憎水的表面活性剂，使接触角大于水的表面活性剂，使接触角大于9090。g-ls-lg-scosq2.2.起泡作用起泡作用 “泡泡”就是由液体薄膜包围着气体。有的就是由液体薄膜包围着气体。有的表面活性剂和水可以形成一定强度的薄膜，表面活性剂和水可以形成一定强度的薄膜，包围着空气而形成泡沫，用于浮游选矿、泡包围着空气而形成泡沫，用于浮游选矿、泡沫灭火和洗涤去污等，这种活性剂称为沫灭火和洗涤去污等，这种活性剂称
10、为起泡起泡剂剂。也有时要使用也有时要使用消泡剂消泡剂，在制糖、制中药，在制糖、制中药过程中泡沫太多，要加入适当的表面活性剂过程中泡沫太多，要加入适当的表面活性剂降低薄膜强度，消除气泡，防止事故。降低薄膜强度，消除气泡，防止事故。无节制使用或不处理将污染河无节制使用或不处理将污染河流流3.3.增溶作用增溶作用 非极性有机物如苯在水中溶解度很小，非极性有机物如苯在水中溶解度很小，加入油酸钠等表面活性剂后，苯在水中的溶加入油酸钠等表面活性剂后，苯在水中的溶解度大大增加，这称为增溶作用。解度大大增加，这称为增溶作用。增溶作用与普通的溶解概念是不同的，增溶作用与普通的溶解概念是不同的，增溶的苯不是均匀分
11、散在水中，而是分散在增溶的苯不是均匀分散在水中，而是分散在油酸根分子形成的胶束中。油酸根分子形成的胶束中。经经X X射线衍射证实，增溶后各种胶束都射线衍射证实，增溶后各种胶束都有不同程度的增大，而整个溶液的的依数性有不同程度的增大，而整个溶液的的依数性变化不大。变化不大。4.4.乳化作用乳化作用 一种或几种液体以大于一种或几种液体以大于1010-7-7m m直径的液珠分散直径的液珠分散在另一不相混溶的液体之中形成的在另一不相混溶的液体之中形成的粗分散粗分散体系称体系称为乳状液。为乳状液。要使它稳定存在必须加乳化剂。根据乳化要使它稳定存在必须加乳化剂。根据乳化剂结构的不同可以形成以水为连续相的剂
12、结构的不同可以形成以水为连续相的水包油水包油乳状液乳状液(O/W)(O/W)，或以油为连续相的，或以油为连续相的油包水油包水乳状乳状液液(W/O)(W/O)。有时为了破坏乳状液需加入另一种表面有时为了破坏乳状液需加入另一种表面活性剂，称为活性剂，称为破乳剂破乳剂，将乳状液中的分散相，将乳状液中的分散相和分散介质分开。例如原油中需要加入破乳和分散介质分开。例如原油中需要加入破乳剂将油与水分开。剂将油与水分开。5.5.洗涤作用洗涤作用 洗涤剂中通常要加入多种辅助成分，增加洗涤剂中通常要加入多种辅助成分，增加对被清洗物体的润湿作用，又要有起泡、增白、对被清洗物体的润湿作用，又要有起泡、增白、占领清洁
13、表面不被再次污染等功能。占领清洁表面不被再次污染等功能。其中占主要成分的表面其中占主要成分的表面活性剂的去污过程可用示意活性剂的去污过程可用示意图说明：图说明：A.A.水的表面张力大，对油污水的表面张力大，对油污润湿性能差，不容易把油污润湿性能差，不容易把油污洗掉。洗掉。B.B.加入表面活性剂后，加入表面活性剂后，憎水基团朝向织物表憎水基团朝向织物表面和吸附在污垢上，面和吸附在污垢上，使污垢逐步脱离表面。使污垢逐步脱离表面。C.C.污垢悬在水中或随污垢悬在水中或随泡沫浮到水面后被去泡沫浮到水面后被去除，洁净表面被活性除，洁净表面被活性剂分子占领。剂分子占领。A.A.水的表面张力大，对油污润湿水
14、的表面张力大，对油污润湿性能差，不容易把油污洗掉。性能差，不容易把油污洗掉。不用洗衣粉的洗衣不用洗衣粉的洗衣机机 首先将粗矿磨碎，倾入浮选池中。在池水首先将粗矿磨碎，倾入浮选池中。在池水中加入中加入捕集剂和起泡剂捕集剂和起泡剂等表面活性剂。等表面活性剂。搅拌并从池底鼓气，带有有效矿粉的气泡搅拌并从池底鼓气，带有有效矿粉的气泡聚集表面，收集并灭泡浓缩，从而达到了富集聚集表面，收集并灭泡浓缩，从而达到了富集的目的。的目的。不含矿石的泥砂、岩石留在池底，定时清不含矿石的泥砂、岩石留在池底，定时清除。除。表面活性剂用于表面活性剂用于矿石的浮选矿石的浮选浮游选矿的原理图浮游选矿的原理图 选择合适的捕集剂
15、，使选择合适的捕集剂，使它的亲水基团只吸在矿砂的它的亲水基团只吸在矿砂的表面，憎水基朝向水。表面，憎水基朝向水。当矿砂表面有当矿砂表面有5%5%被捕被捕集剂覆盖时，就使表面产集剂覆盖时，就使表面产生憎水性，它会附在气泡生憎水性，它会附在气泡上一起升到液面，便于收上一起升到液面，便于收集。集。7.4.4 乳状液乳状液一种或一种以上的液体以液珠的状态分散在另一种或一种以上的液体以液珠的状态分散在另一种与其不相混溶的液体中构成的系统一种与其不相混溶的液体中构成的系统称为称为乳状液。乳状液。简单的乳状液通常分为两大类。习惯上简单的乳状液通常分为两大类。习惯上将不溶于水的有机物称油，将不连续以液珠将不溶
16、于水的有机物称油，将不连续以液珠形式存在的相称为分散相或者内相，将连续形式存在的相称为分散相或者内相，将连续存在的液相称为连续相存在的液相称为连续相(分散介质分散介质)或者外相。或者外相。可使乳液稳定的物质称为乳化剂。可使乳液稳定的物质称为乳化剂。天然天然乳状液乳状液：牛奶；石油；：牛奶；石油；当当表面活性剂表面活性剂胶束溶液与不溶于水的油相接触时，胶束溶液与不溶于水的油相接触时，会发生一系列的过程。会发生一系列的过程。开始是油自动进入胶束内核，发生增溶作用。开始是油自动进入胶束内核，发生增溶作用。随着油的不断进入，胶束胀大，最后在胶束内随着油的不断进入，胶束胀大，最后在胶束内形成微滴。形成微滴。这种体系称为微乳状液，简称微乳液。这种体系称为微乳状液，简称微乳液。什么是微乳状液什么是微乳状液(简称微乳液简称微乳液)微乳状液微乳状液(简称微乳液简称微乳液)也属于也属于乳状液乳状液.1.1.水包油乳状液水包油乳状液，用，用O/WO/W表示。内相为油，外表示。内相为油，外相为水，这种乳状液能用水稀释，如牛奶等。相为水，这种乳状液能用水稀释，如牛奶等。2.2.油包水乳状液油包水乳状液，用，用W
