表面活性劑及其在界面上的吸附與團(tuán)聚

王巧　張文

摘 要：本文介紹了表面活性劑分子結(jié)構(gòu)和分類，敘述了表面活性劑在界面的吸附方式、吸附影響因素和吸附對(duì)固體表面的影響，同時(shí)概述了表面活性劑的催化促進(jìn)和增溶作用。

關(guān)鍵詞：表面活性劑 界面吸附 團(tuán)聚

中圖分類號(hào)：O647 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）01（c）-0118-02

表面活性劑是在低濃度條件下使體系的存在狀態(tài)和界面性質(zhì)發(fā)生顯著變化的一類物質(zhì)[1]。表面活性劑同時(shí)具有親水和親油的特性，其分子中包含極性基（親水疏油）和非極性基（疏水親油），分別分布于表面活性劑分子的兩端，從而構(gòu)成不對(duì)稱結(jié)構(gòu)。因此，表面活性劑能在各種不同的界面上發(fā)生吸附作用，而使界面的存在狀態(tài)發(fā)生變化。

1 表面活性劑分子結(jié)構(gòu)和分類

表面活性劑分子結(jié)構(gòu)各不相同，品種眾多?？傮w來(lái)看，表面活性劑是在烴化合物分子基礎(chǔ)上加上極性取代基而形成的。

按其能否解離以及解離后所帶電荷類型的不同，可將表面活性劑分為陰離子型、陽(yáng)離子型、非離子型和兩性表面活性劑[2]。

2 表面活性劑在界面的吸附

表面活性劑能在不同類型界面上產(chǎn)生吸附作用，而使原來(lái)的界面狀態(tài)發(fā)生變化。此外，當(dāng)表面活性劑在溶液中的濃度大于某一特定值時(shí)，表面活性劑可通過(guò)疏水作用（非極性基團(tuán)）而締合成膠束。

2.1 吸附方式

受其化學(xué)結(jié)構(gòu)形式、溶劑特性和吸附劑的表面性質(zhì)的影響，表面活性劑在固液界面上的吸附方式一般包括以下幾種：（1）離子交換吸附：電離形成的表面活性離子取代吸附反離子而產(chǎn)生的吸附作用；（2）氫鍵吸附：表面活性劑離子或分子與極性基團(tuán)所形成氫鍵而在固體表面上吸附；（3）離子對(duì)吸附：離子吸附于未被反離子“占有”的反電荷固體表面上；（4）π電子吸附：表面活性劑表面的強(qiáng)電性位置與具有π電子鍵的分子產(chǎn)生的吸附；（5）憎水作用吸附：吸附于固體表面的表面活性劑以團(tuán)聚的狀態(tài)存在；（6）化學(xué)作用吸附：固體表面與表面活性劑的活性基團(tuán)通過(guò)化學(xué)鍵而形成的吸附；（7）色散力吸附：其存在于所有的吸附中，且隨分子的增大而增大。

2.2 表面活性劑吸附的影響因素

在固體表面上表面活性劑吸附的影響因素主要包括以下幾種：（1）溫度：離子型和非離子型表面活性劑的吸附受溫度的影響不同。隨著溫度的增加，離子型表面活性劑的吸附量降低，而非離子型表面活性劑的吸附量增加；（2）表面活性劑的結(jié)構(gòu)和類型：表面活性劑的結(jié)構(gòu)和類型不同，其在固體表面上的吸附不相同；（3）pH值：pH值不同，離子型表面活性劑的吸附不同，非離子型表面活性劑受其影響較小；（4）固體表面性質(zhì)：對(duì)于不同類型的表面活性劑而言，固體表面的性質(zhì)不同，其具有不同的吸附作用；（5）電解質(zhì)：溶液中加入的電解質(zhì)，可提高離子型表面活性劑的吸附量，降低離子型表面活性劑之間存在的斥力，同時(shí)壓縮固體雙電層。

2.3 表面活性劑吸附對(duì)固體表面的影響

吸附于固體表面的表面活性劑若進(jìn)行定向排列，可導(dǎo)致表面性質(zhì)發(fā)生相應(yīng)變化，改變?cè)谌芤褐泄腆w狀態(tài)和性質(zhì)。

（1）穩(wěn)定性和分散性：當(dāng)表面活性劑所帶電荷與固體表面電荷相同時(shí)，若極性固體與表面活性劑的范德華力可以克服所產(chǎn)生的靜電斥力時(shí)，表面Zeta電位提高，其穩(wěn)定性相應(yīng)增大。若固體表面所帶電荷與表面活性劑電荷相反時(shí)，當(dāng)溶液中表面活性劑的濃度較小時(shí)，表面的電荷中和而消除靜電斥力，固體顆?？赡墚a(chǎn)生絮凝作用；而當(dāng)溶液中的表面活性劑濃度提高時(shí)，表面活性離子的電荷與固體表面的電荷同號(hào)，則活性離子極性向著水溶液中，固體表面接觸角將減小，親水性提高，水中的固體質(zhì)點(diǎn)的趨勢(shì)變大，相對(duì)應(yīng)其穩(wěn)定性也將變大。此外，表面活性劑的吸附以親油基而緊鄰非極性固體的表面時(shí)，其極性基向著水中，原先的非極性表面會(huì)隨吸附的進(jìn)行而變成極性表面，使得其分散性提高。

（2）潤(rùn)濕性：對(duì)于極性固體而言，以離子對(duì)或離子交換形式吸附于固體表面的表面活性劑，固體表面憎水性增強(qiáng)，其親油基向著水中，此時(shí)水在表面上不能再展開(kāi)，固體表面潤(rùn)濕性降低，形成具有接觸角的水滴。而對(duì)于非極性的吸附劑而言，其吸附向著水溶液以親水基的形式存在，提高了表面的電荷和親水性，其更容易被水相濕潤(rùn)。

3 表面活性劑的團(tuán)聚

當(dāng)濃度較小時(shí)，表面活性劑不發(fā)生團(tuán)聚，溶液和固體表面的表面活性劑以單一的離子或分子形式存在。增大表面活性劑濃度，其在水中逐漸團(tuán)聚在一起，水表面張力迅速降低，在固體表面活性區(qū)域的表面活性劑聚集。一部分形成了單分子層，為半膠束，其吸附于固體表面并以極性基存在，而非極性基則伸入溶液中；另一部分形成了雙分子層，為準(zhǔn)膠束，其上層的表面活性劑極性基與溶液相接觸，下層的表面活性劑極性基吸附于表面。當(dāng)再增加表面活性劑濃度時(shí)，表面活性劑則形成膠團(tuán)，溶液表面張力減小至最低值，表面活性劑的吸附量基本不隨其濃度的增大而發(fā)生相應(yīng)變化。此時(shí)，溶液中表面活性劑形成膠束時(shí)的最小濃度稱為臨界膠束濃度（CMC），而在不同情況下表面活性劑所構(gòu)成的締合結(jié)構(gòu)稱為吸附膠束。吸附膠束的形成是表面活性劑在水中的重要特征，其具有催化促進(jìn)和增溶等作用。

3.1 催化促進(jìn)作用

在水溶液中表面活性劑構(gòu)成膠束內(nèi)核的非極性條件，其不同于原來(lái)溶劑的極性條件，因而構(gòu)成的膠束會(huì)影響原來(lái)所產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)。溶液中表面活性劑的濃度小于臨界膠束濃度時(shí)，界面上形成了吸附膠團(tuán)，體相中則不能形成膠團(tuán)。吸附膠團(tuán)大大增加其反應(yīng)的速率，可以結(jié)合有些反應(yīng)離子和底物，在比表面積較大的固體上增加反應(yīng)產(chǎn)率，形成吸附膠團(tuán)，其遠(yuǎn)高于水溶液中膠團(tuán)相體積。當(dāng)溶液中表面活性劑的濃度高于臨界膠束濃度時(shí)，表面活性劑在膠束內(nèi)濃度高于溶劑中濃度，非極性的溶質(zhì)分子則進(jìn)入膠束中。此時(shí)，在非極性的溶劑條件下，膠束核內(nèi)可導(dǎo)致產(chǎn)生反應(yīng)途徑相應(yīng)變化，該局部的高濃度大大增加了其反應(yīng)的速率。

3.2 增溶作用

表面活性劑在溶液中使得微溶或者不溶于水的有機(jī)物溶解度明顯增加的現(xiàn)象稱為表面活性劑的增溶作用。當(dāng)水中表面活性劑的濃度小于其臨界膠束濃度時(shí)，增溶作用較小，不能形成膠束；當(dāng)水中表面活性劑的濃度大于或等于其臨界膠束濃度時(shí)，由于膠束內(nèi)核具有的非極性的溶劑條件為微溶或不溶于水的溶質(zhì)分子提供了相應(yīng)的空間，使得其溶解度增加，膠束形成。因此，表面活性劑增溶作用與其膠束的數(shù)量成正比關(guān)系。在增溶作用的過(guò)程中，溶劑性質(zhì)則無(wú)顯著的變化，表面活性劑用量非常少，形成的體系為均相體系，同時(shí)溶液依數(shù)性的變化較小。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐燕莉.表面活性劑的功能[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000：38-79.

[2] 趙國(guó)璽.表面活性劑物理化學(xué)[M].北京：北京大學(xué)出版社，1984：41-58.