3.4　表面活性剂

两相的接触面称为界面，与气相接触的界面又称为表面。固体和液体表面层中的分子和内部的分子受力情况不同。内部分子受力对称，表面分子有一合力指向物质内部，结果导致表面分子总是尽力向物质内部挤压，有自动收缩表面积的倾向，从而产生表面张力。表面张力取决于物质的本性，受温度、压力、添加物等的影响。

3.4.1　表面活性剂的结构

凡能显著降低溶液表面张力的物质叫做表面活性剂。从分子结构看，表面活性剂分子中同时存在着亲水基团（如羟基、羧基、磺酸基、氨基等）和亲油基团（又称疏水基团，如烷基等），故称为双亲分子。

根据分子结构，一般分为阳离子型、阴离子型、非离子型和两性表面活性剂等类型。

常见的表面活性剂列于表3-5中。

①R代表烃基（包括脂肪烃和芳香烃）。

在水溶液中，表面活性剂的亲水基团受到极性很强的水分子的吸引而有进入水中的趋势，疏水基团则倾向于远离水相，从而使表面活性剂分子定向排列在表面层中。这时溶液的表面张力急剧下降。表面活性剂的浓度足够大时，液面上挤满一层定向排列的表面活性剂分子，形成单分子膜。在水中，表面活性剂分子排列成疏水基团向内、亲水基团向外的多分子聚集体，称为胶束。

3.4.2　表面活性剂的应用

表面活性剂广泛用于洗涤、纺织、制药、化妆品、食品、土建、采矿等表面处理和改性领域。

现举例说明于下。

（1）洗涤作用　洗涤剂是一种表面活性剂。肥皂是含有17个碳原子的硬脂酸的钠盐；合成洗涤剂的主要成分是十二烷基苯磺酸钠（）、十二烷基磺酸钠（RSO3Na）等阴离子表面活性剂（R为12个碳原子的烷基）。当用洗涤剂洗涤衣物或织物上的油污时，油污进入表面活性剂形成的胶束中，经搓洗使得胶束进入水中，便可除去织物上的油污。

（2）乳化作用　两种不相溶的液体，若将其中一种均匀地分散成极细的液滴于另一液体中，便形成乳状液。例如，在水中加入一些油，通过搅拌使油成为细小的油珠，均匀地分散于水中，于是油和水形成了乳状液。但这种系统很不稳定，稍置片刻便可使油水分层。要获得稳定的乳状液，必须加入乳化剂。乳化剂大都是表面活性剂，对水有亲和力的强极性基团朝向水，而弱极性的亲油基团则朝向油。这样，油滴或水滴的相互结合和凝聚使乳状液变得较稳定。这种由于加入表面活性剂使形成稳定的乳化液的作用叫做乳化作用。

若水为分散剂而油为分散质，即油分散在水中的乳状液，称为水包油型乳状液，以符号O/W表示。例如，牛奶就是奶油分散在水中形成的O/W型乳状液。若水分散在油中，则称为油包水型乳状液，以符号W/O表示。例如，新开采出来的含水原油就是细小水珠分散在石油中形成的W/O型乳状液。以上两种情况如图3-9所示。

乳状液的应用很广，例如，农业杀虫剂一般都配制成O/W型乳状液，便于喷雾，可使少量农药均匀地分散在大面积的农作物上，同时由于表面活性剂对虫体的润湿和渗透作用也提高了杀虫效果。人体对油脂的消化作用就是因为胆汁（胆酸盐）可以使油形成O/W型乳状液而加速消化。内燃机中所使用的汽油和柴油若制成含水的质量分数约10％的W/O型乳状液，则可以提高燃烧效率，节省燃料。

在工业生产中也会遇到一些有害的乳状液。例如，以W/O型乳状液形式存在的含水原油会促使石油设备腐蚀，而且不利于石油的蒸馏。因此，必须预先加入破乳剂进行破乳。破乳剂也是一种表面活性剂，能强烈地吸附于油-水界面上，以取代原来在乳状液中形成保护膜的乳化剂，而生成一种新膜。这种新膜的强度低，较易被破坏。例如，异戊醇、辛醇、乙醚等是能强烈地吸附于油-水界面上的破乳剂。

（3）起泡作用　泡沫是不溶性气体分散于液体或熔融固体中所形成的分散系统（图3-10）。例如，肥皂泡沫、啤酒泡沫等是气体分散在液体中的泡沫；泡沫塑料、泡沫玻璃等是气体分散在固体中的泡沫。

用机械搅拌液态水，这时进入水中的空气被水膜包围形成了气泡，但这些气泡不稳定，当停止搅拌时很快就会消失。若对溶有表面活性剂的水溶液搅拌使之产生气泡，泡沫能较长时间稳定存在。这种能稳定泡沫作用的表面活性剂叫做起泡剂（图3-9）。肥皂、十二烷基苯磺酸钠等都具有良好的起泡性能。

起泡剂也用于泡沫浮选法以提高矿石的品位。先将矿石粉碎成105nm以下的颗粒，加水搅拌并吹入空气和加入起泡剂及捕集剂（使矿物成憎水性）等，使产生气泡。有用矿物附在气泡上，并随之上浮到液面，长石、石英等废石则沉于水底（图3-11）。起泡剂也可用来分离固体物质乃至分离溶液中的溶质等。此外，啤酒、汽水、洗发和护发用品等都需用起泡剂，使产生大量的泡沫。灭火器中也有应用。

在另外一些情况下必须消除泡沫，例如洗涤、蒸馏、萃取等过程中，大量的泡沫会带来不利。加入一些短碳链（例如）的醇或醚，它们能将泡沫中的起泡剂分子替代出来；又由于本身碳链短，不能在气泡外围形成牢固的保护膜，从而降低气泡的强度而消除泡沫。