表面活性剂分子结构特点

5.1.3　表面活性剂分子结构特点

表面活性剂的种类繁多，结构复杂，但从分子内部的角度来看，所有的表面活性剂又非常“相似”，其结构都具有亲水和亲油两部分。

多数情况下，我们可以用传统的火柴模型来表达表面活性剂的结构，如图5-2所示（以十二烷基苯磺酸钠为例）。

图5-2　表面活性剂结构的火柴模型

图5-2中，火柴梗部位表示亲油基团（或称憎水基团），即该部位可溶于油（水溶性差）；火柴头部位表示亲水基团（或称憎油基团），即该部位可溶于水（油溶性差）。

由于表面活性剂的结构中同时存在着亲水和亲油结构，因此两部位遇到对应的相似性质的溶剂时，将趋向于溶解，但是相反性质的部位会相互排斥。故当我们在水—油混合分层的液体中加入表面活性剂，表面活性剂首先排列在水—油的接触界面上，如图5-3（a）所示。而在水中加入表面活性剂，表面活性剂同样首先排列在水—气的接触界面上，但由于两相的界面面积是有限的，如果不断地加入表面活性剂，那么当界面上表面活性剂排满后，多出来的表面活性剂必然进入水中或油中。表面活性剂刚刚好能填满整个界面的浓度，被称为临界胶束浓度（CMC）。临界胶束浓度也指表面活性剂在溶液中形成胶束的最低浓度。低于此浓度，表面活性剂以单分子形式存在于溶液中。高于此浓度，这些过多的表面活性剂分子在溶液中是杂乱无章的，或者是以某种规律存在于溶液中，它们在溶液中大多缔合为胶束，这种胶束的存在状态也是一种动态平衡过程。

表面活性剂的量超过临界胶束浓度后，如果表面活性剂均要溶入水中，必然面临着其亲油基团不溶于水的困难。然而我们发现，当表面活性剂分子的亲油基团聚集在一起，亲水基团一致朝外时，即生成如图5-3（b）所示的模型，则该聚集体是水溶性聚集体。此时，由于其亲油基团本身性质相似，故可以相似聚集，而聚集体外表面是纯水溶性的，水无法对其内部的非水溶性结构产生排斥作用，所以该聚集体完全可以溶解于水中，且在水中稳定存在。而这也是表面活性剂会增加发泡的原因，因为表面活性剂不会乖乖地溶解在液体中，反而是喜欢群聚在气泡表面，让疏水端对准气体，而亲水端则一头栽入液体中。一旦浮力不断增强，便会导致气袋与气泡产生。而表面活性剂若反向聚集就可以生成可溶于油的油溶性聚集体，如图5-3（c）所示。

图5-3　表面活性剂在两相间的排列与聚集

水溶性胶束在水中有较好的溶解度，胶束内部是油溶体，如果少量的油被包裹在油溶性的火柴头内部，则由于该胶束具有水溶性，胶束将带着油一起溶于水中，大量的胶束就可以将油通过该方式分散到水中，这样一种混合体，就是我们常说的水包油（O/W）。反之，油溶性胶束生成的就是油包水（W/O）。

实验测试表明，临界胶束浓度的范围相当狭窄。不同的表面活性剂的临界胶束浓度不一样。构成胶束的表面活性剂，其疏水基团之间的作用力是范德华力。当表面活性剂的浓度达到临界胶束浓度后，其单体分子浓度不再增加，而只增加胶束的数量。