表面活性剂的分子结构特征

表面张力与表面活性物质

在水溶液中能够产生正吸附的溶质可以使水的表面张力降低，而产生负吸附的溶质则会使水的表面张力有所升高。

表面活性物质(surface active materials),：能够在水溶液中产生正吸附从而使水的表面张力显著降低的一大类物质。例如：如乙醇、丙酸、十二烷基硫酸钠等;

而此类物质降低水的表面张力的性质称为表面活性(surfaceactivity); 相应地不能产生正吸附即不能降低水的表面张力的物质被称为非表面活性物质，如无机盐、葡萄糖等。

表面活性剂(surfactants)：在表面活性物质中，有一类物质在很低浓度时就能使水的表面张力显著下降，但当浓度增加至一定值后，表面张力就不再下降或非常缓慢地减小，人们把这一类表面活性物质称为表面活性剂(surfactants)，如十二烷基硫酸钠、十二烷基三甲基溴化铵和壬基酚聚氧乙烯(9)醚等物质。

表面活性剂的分子结构特征

人类最早使用的表面活性剂是脂肪酸钠(或者钾)盐，俗称肥皂。

早期人们将动植物油脂和草木灰水溶液混合加热制取肥皂;

后来随着化学工业的进步，有了苛性碱(NaOH)，人们通过用碱皂化油脂制取肥皂。

20世纪20~30年代由于第一次世界大战导致了油脂短缺，为了开发肥皂的代用品，在德国诞生了合成表面活性剂，如烷基苯磺酸盐，脂肪醇硫酸盐等。

这些表面活性剂分子具有共同的分子结构特征，即分子中同时包含亲水性基团和亲油性基团，例如肥皂中的亲水性基团为-COONa，烷基苯磺酸钠中的亲水性基团为-SO3Na,而亲油性基团皆为长烷基链。

现在人们把这种分子称为两亲分子，其中亲水基为离子的两亲分子结构上非常类似于火柴，球部为亲水基,梗棒部为烷基，为亲油基

如图1所示

图1 表面活性剂的球棒模型及其在水/空气(油)界面的定向排列示意图

亲水基使得该类分子具有一定的水溶性，

亲油基使得该类分子具有一定的油溶性。

当这类分子与水接触时，分子中的亲水基与水分子发生强烈的水合作用而导致溶解，同时，分子中的亲油基由于与水分子之间没有亲和力而具有逃逸出水环境的强烈趋势，这两种截然相反的作用使得分子富集于水/空气界面或水/油界面，以亲水基处于水相，亲油基处于空气相或油相，在界面定向排列，如图1所示。

综合结果是表面活性剂在水溶液中产生正吸附，使水的表面张力或油/水界面张力显著下降。

表面活性剂分子结构有一个共通点，它的分子由两部分组成:

一部分是亲溶剂的;另一部分是憎(疏)溶剂的。

由于表面活性剂通常在水溶液中使用，因此常把表面活性剂的这两部分分别称为亲水基(极性部分)和憎(疏)水基(非极性部分)，疏水基也叫亲油基。

如图2 (a) 所示。

图2  表面活性剂分子结构示意图(a) 

 CH3 (CH2)11SO4的大小(b)

以一种常见的表面活性剂十二烷基硫酸钠[CH3(CH2)11SO4Na]为例，

水溶液中，CH3(CH2)11 SO4Na电离为CH3(CH2)11SO4 与Na+，起主要作用的是CH3(CH2)11SO4，称为表面活性离子，

它是由非极性的CH3(CH2)11-与极性的一SO4  组成，前者为疏水基(亲油基)，后者为亲水基。而Na+则称为反离子。CH3 (CH2)11SO4的大小如图2 (b)所示。

表面活性剂的这种特殊结构称为两亲性结构(亲水基亲水，疏水基亲油)。因此表面活性剂是一类两亲性化合物。

表面活性剂的疏水基一般是由长链烃基构成，以碳氢链为主，而亲水基(极性基，头基)的基团种类繁多，包括带电的离子基团和不带电的极性基团。

所有表面活性物质的分子都具有两亲分子结构。就水溶液而言，亲水基的亲水性和亲油基的亲油性要基本匹配才能具有显著的表面活性，任一方过强或过弱均会显著削弱两亲分子的表面活性。

碳原子数在8以下时，亲水性过强，比如甲酸、乙酸、丙酸、丁酸都具有两亲结构，只是具有表面活性，不能成为表面活性剂;

一般意义上的表面活性剂疏水链要足够大，一般在8个碳原子以上(没有严格的界限)。

反之，碳原子数在20以上时，亲油性过强，在水中的溶解度极小，也不能成为典型的表面活性剂。例如对于肥皂，当脂肪酸的碳原子数在8~20范围内时才成为优良的表面活性剂。

转载自：化工好料到haoliaodao.com

来源：中国洗涤用品工业协会l＆l分会