表面活性物质

第9章　表面活性物质

第二次世界大战后，随着石油化学工业的迅速发展，产生了一种新型化学品——表面活性物质，它作为家用肥皂、合成洗涤剂、洗涤剂添加剂、洗净剂、纤维柔软剂、精制剂、乳化剂、浸透湿润剂、发泡剂、泡沫稳定剂、分散剂、增溶剂、润滑剂、防水剂、防腐剂、防锈剂、防静电剂、纸张上浆剂等，曾大量用于纤维方面，后相继开拓了纸浆、印刷、化妆品、食品、医药、农药、金属加工、土木建筑、冶炼、采矿、石油、煤炭等方面的新市场，应用极为广泛，其中石油的二次、三次、四次以及煤油混合燃料的添加剂方面，具有极大的前景。那么何为表面活性物质呢?

实验证明：物质溶于水，对水的表张力的影响大致有三种情况，如图9-1所示。第一类是溶液的表面张力随着溶液浓度的增加而略有上升(曲线1)，如无机盐、碱、酸以及蔗糖、甘露糖等多羟基有机物等。第二类是随着溶液浓度的增加表面张力逐渐下降(曲线2)，如羧酸、低级醇等有机化合物。第三类是随着溶液浓度的增加，溶液的表面张力先是急剧下降，到一定浓度后，表面张力就不再变化(曲线3)，肥皂中的硬脂酸钠，洗衣粉中的烷基苯磺酸钠等都属于第三类。曲线3中有时发现虚线部分，这可能是由于某种杂质的存在而引起的。这些在很低浓度时，就能显著降低水的表面张力的物质，如表9-1中的烷基硫酸盐等，称为表面活性物质或表面活性剂。

图9-1　水溶液浓度与表面张力的关系

当然，不能只从降低表面张力的角度来定义表面活性物质，因为实际使用有时并不要求一定降低表面张力，例如对乳状液的乳化和破乳，对起泡和消泡等，对这类物质我们也称为表面活性剂。所以广义来讲，凡是能够使体系的表面状态发生明显变化的物质都称为表面活性剂。

表9-1　在水中加入物质后的σ

同时，表面活性物质的这种性质具有一定的相对性，不同的目的、不同的体系所用的表面活性剂是不同的。如钠皂是水的表面活性剂，而不是液态铁的表面活性剂，S、C是液态Fe的表面活性剂。一般说来，非特别指明，表面活性剂都是对水而言的。

表面活性剂一般都是线型分子，它是由两种不同性质的原子基团组成的，一种是亲水基团，与水分子的作用力较强；另一种是亲油基团，它与水分子不易接近，却容易与“油”性(如烷烃)分子接近。以硬脂酸钠为例：在C₁₇H₃₅COONa中，C₁₇H₃₅—为“亲油基”，—COONa为“亲水基”。所以，表面活性剂的分子的结构一般表示为“—O”，前部分表示亲油部分，后部分表示亲水部分。从分子结构上看，它是两亲分子，但是具有两亲结构的物质，并不一定都是表面活性剂，例如脂肪酸钠盐，当含碳原子数较少时(如甲、乙、丙、丁酸钠盐)，虽然也具有亲油和亲水两部分结构，但溶解度太大，所以不是有效的活性剂，只有当碳原子的数目达到一定数目后，脂肪酸钠才表现出明显的活性。可是，当碳原子数目超过一定数目以后，由于变成不溶于水的化合物，又失去了表面活性的作用，所以对于脂肪酸钠盐来说，含碳原子数在3～20之间，才有明显的活性剂特征。

至于哪些基团适合于作表面活性剂的亲水基、亲油基，则需要随所用的溶剂、应用条件及应用效果而定。例如：对极性强的溶剂如水，高极性基团的离子为亲水(溶剂)基团，但对非极性溶剂如辛烷，此离子则为疏油(溶剂)基团。

需要说明的是，尽管表面活性剂普遍使用，但由于环境的压力，部分活性较佳的表面活性剂已被禁止使用或限制使用，如排放的烷基苯乙氧基化合物经废水处理系统处理后，产生的生物降解无例外地转化为更毒的化合物，特别是在细菌分解过的废水污泥中，其产物比母体持久性更大，亲脂性更高，生物富集性更高。因此我们应使用那些环保型的表面活性剂。