3.4　表面活性劑

兩相的接觸面稱為界面，與氣相接觸的界面又稱為表面。固體和液體表面層中的分子和內部的分子受力情況不同。內部分子受力對稱，表面分子有一合力指向物質內部，結果導致表面分子總是盡力向物質內部擠壓，有自動收縮表面積的傾向，從而產生表面張力。表面張力取決于物質的本性，受溫度、壓力、添加物等的影響。

3.4.1　表面活性劑的結構

凡能顯著降低溶液表面張力的物質叫做表面活性劑。從分子結構看，表面活性劑分子中同時存在著親水基團（如羥基、羧基、磺酸基、氨基等）和親油基團（又稱疏水基團，如烷基等），故稱為雙親分子。

根據分子結構，一般分為陽離子型、陰離子型、非離子型和兩性表面活性劑等類型。

常見的表面活性劑列于表3-5中。

①R代表烴基（包括脂肪烴和芳香烴）。

在水溶液中，表面活性劑的親水基團受到極性很強的水分子的吸引而有進入水中的趨勢，疏水基團則傾向于遠離水相，從而使表面活性劑分子定向排列在表面層中。這時溶液的表面張力急劇下降。表面活性劑的濃度足夠大時，液面上擠滿一層定向排列的表面活性劑分子，形成單分子膜。在水中，表面活性劑分子排列成疏水基團向內、親水基團向外的多分子聚集體，稱為膠束。

3.4.2　表面活性劑的應用

表面活性劑廣泛用于洗滌、紡織、制藥、化妝品、食品、土建、采礦等表面處理和改性領域。

現舉例說明于下。

（1）洗滌作用　洗滌劑是一種表面活性劑。肥皂是含有17個碳原子的硬脂酸的鈉鹽；合成洗滌劑的主要成分是十二烷基苯磺酸鈉（）、十二烷基磺酸鈉（RSO3Na）等陰離子表面活性劑（R為12個碳原子的烷基）。當用洗滌劑洗滌衣物或織物上的油污時，油污進入表面活性劑形成的膠束中，經搓洗使得膠束進入水中，便可除去織物上的油污。

（2）乳化作用　兩種不相溶的液體，若將其中一種均勻地分散成極細的液滴于另一液體中，便形成乳狀液。例如，在水中加入一些油，通過攪拌使油成為細小的油珠，均勻地分散于水中，于是油和水形成了乳狀液。但這種系統很不穩定，稍置片刻便可使油水分層。要獲得穩定的乳狀液，必須加入乳化劑。乳化劑大都是表面活性劑，對水有親和力的強極性基團朝向水，而弱極性的親油基團則朝向油。這樣，油滴或水滴的相互結合和凝聚使乳狀液變得較穩定。這種由于加入表面活性劑使形成穩定的乳化液的作用叫做乳化作用。

若水為分散劑而油為分散質，即油分散在水中的乳狀液，稱為水包油型乳狀液，以符號O/W表示。例如，牛奶就是奶油分散在水中形成的O/W型乳狀液。若水分散在油中，則稱為油包水型乳狀液，以符號W/O表示。例如，新開采出來的含水原油就是細小水珠分散在石油中形成的W/O型乳狀液。以上兩種情況如圖3-9所示。

乳狀液的應用很廣，例如，農業殺蟲劑一般都配制成O/W型乳狀液，便于噴霧，可使少量農藥均勻地分散在大面積的農作物上，同時由于表面活性劑對蟲體的潤濕和滲透作用也提高了殺蟲效果。人體對油脂的消化作用就是因為膽汁（膽酸鹽）可以使油形成O/W型乳狀液而加速消化。內燃機中所使用的汽油和柴油若制成含水的質量分數約10％的W/O型乳狀液，則可以提高燃燒效率，節省燃料。

在工業生產中也會遇到一些有害的乳狀液。例如，以W/O型乳狀液形式存在的含水原油會促使石油設備腐蝕，而且不利于石油的蒸餾。因此，必須預先加入破乳劑進行破乳。破乳劑也是一種表面活性劑，能強烈地吸附于油-水界面上，以取代原來在乳狀液中形成保護膜的乳化劑，而生成一種新膜。這種新膜的強度低，較易被破壞。例如，異戊醇、辛醇、乙醚等是能強烈地吸附于油-水界面上的破乳劑。

（3）起泡作用　泡沫是不溶性氣體分散于液體或熔融固體中所形成的分散系統（圖3-10）。例如，肥皂泡沫、啤酒泡沫等是氣體分散在液體中的泡沫；泡沫塑料、泡沫玻璃等是氣體分散在固體中的泡沫。

用機械攪拌液態水，這時進入水中的空氣被水膜包圍形成了氣泡，但這些氣泡不穩定，當停止攪拌時很快就會消失。若對溶有表面活性劑的水溶液攪拌使之產生氣泡，泡沫能較長時間穩定存在。這種能穩定泡沫作用的表面活性劑叫做起泡劑（圖3-9）。肥皂、十二烷基苯磺酸鈉等都具有良好的起泡性能。

起泡劑也用于泡沫浮選法以提高礦石的品位。先將礦石粉碎成105nm以下的顆粒，加水攪拌并吹入空氣和加入起泡劑及捕集劑（使礦物成憎水性）等，使產生氣泡。有用礦物附在氣泡上，并隨之上浮到液面，長石、石英等廢石則沉于水底（圖3-11）。起泡劑也可用來分離固體物質乃至分離溶液中的溶質等。此外，啤酒、汽水、洗發和護發用品等都需用起泡劑，使產生大量的泡沫。滅火器中也有應用。

在另外一些情況下必須消除泡沫，例如洗滌、蒸餾、萃取等過程中，大量的泡沫會帶來不利。加入一些短碳鏈（例如）的醇或醚，它們能將泡沫中的起泡劑分子替代出來；又由于本身碳鏈短，不能在氣泡外圍形成牢固的保護膜，從而降低氣泡的強度而消除泡沫。