亲爱的表面活性剂

亲爱的表面活性剂 表面活性剂表面活性剂 表面活性剂 surfactant 是指具有固定的亲水亲油基团 在溶液的表面能定向排列 并能使表面张力显著下降的物质 表面活性剂是由两种截然不同的粒子形成的分子 一种粒子具有极强的亲油性 另一 种则具有极强的亲水性 溶解于水中以后 表面活性剂能降低水的表面张力 并提高有机 化合物的可溶性 表面活性剂范围十分广泛 阳离子 阴离子 非离子及两性 为具体应用提供多种 功能 包括发泡效果 表面改性 清洁 乳液 流变学 环境和健康保护 表面活性剂在许多行业配方中被用作性能添加剂 如个人和家庭护理 以及无数的工 业应用中 金属处理 工业清洗 石油开采 农药等 典型的表面剂有着下图这样的结构 有一个可以亲水的极性基团脑袋 B 里面的圆球 还有一根或者多根长长的尾巴 这是喜欢溶解在油等非极性介质里面的憎水基团部分 一般是长一点的碳链 我们在中学里都学过 构成生物体细胞膜的磷脂分子也具有这 样的结构 它有两条憎水的尾巴 也可以作为表面剂 值得说明的是 这个表面剂的形象 不应该和我们常说的 小蝌蚪 们混起来 表面剂的典型分子结构 图片来自 http ufdc ufl edu jur 如果我们在水里面加入一些表面剂 那么由于憎水的尾巴不喜欢和水挨在一起 如果尾巴 和尾巴挨在一起 用亲水的脑袋把水和尾巴隔离开来 那么整个系统的能量就会更低一些 就像下图显示的一样 这可以形成各种各样的结构 可以是亲水脑袋包裹着憎水尾巴的小 球状的胶束 Micelle 或者胶囊形状 也可以是两层表面剂分子包裹成球状的 下图中的 Liposome 或者双层的分子形成的平面膜等等 这个体系据信与生命最初形成的过程有 关 即从混合有包括原始 RNA 或者 DNA 在内的多种有机分子的原生汤里面是如何形成一个 个的原始细胞的 表面剂在水里形成的几种结构 图片来自维基百科 胶束 Micelle 表面剂的一个重要特性就是可以让原本不能相混合的两种液体或者一种液体和一种固体粉 末混合起来 形成乳浊液或者胶体 比如说 水和油就可以通过加入一些表面剂形成乳浊 液 根据水和油的比例不同 形成的结构可以是油包水 可以是水包油 也可以是油水分 层的多层结构 而表面剂就在水和油的界面上 保证着系统的稳定 这个特性的一个重要 应用就是洗去衣物上的油污 表面剂和它在洗涤 制作泡沫里面的应用 图片来自 http www rsc org chemistryworld issues 2003 July amphiphiles asp 已汉化 蛋白质里面一般同时具有亲水和憎水的基团 因此很多蛋白质都可以起到表面剂的作 用 西餐里面的蛋黄酱是一种主要由植物油 蛋 柠檬汁或者醋以及其他调味料制成的调 味酱 其中蛋里面的蛋白质就起到了表面剂的作用 把植物油和水混合起来 牛奶是一种 天然的乳浊液体 其中含有的蛋白质也会把牛奶里的脂肪包裹着 悬浮在水里面 倘若通 过外力等手段将这个体系破坏 就可以收集脂肪得到黄油 收集蛋白质得到奶酪 表面剂也可以用来稳定空气和水的界面 简单点来说 就是可以用来吹泡泡 当很多 的小气泡聚在一起 而它们之间的水流走的时候 它们就会互相接触 形成多面体的结构 泡沫 这时候 憎水的尾巴暴露在空气里面 而亲水的脑袋扎在一薄层水里面 表面剂的 存在降低了空气和水的表面张力 使得这种泡沫的结构可以存在一段时间 让小孩子可以 吹泡泡 让啤酒有了泡沫 也让咖啡能拉出漂亮的花 啤酒泡沫啤酒泡沫 啤酒是一种气泡酒 瓶装或者罐装的啤酒是二氧化碳的过饱和溶液 这些二氧化碳可 以是发酵过程中产生的 也可以是在灌装的过程中加入的 在密封的情况下 二氧化碳在 水里面的溶解度跟压强有关 压强越高 溶解的二氧化碳越多 开瓶的时候 由于压强变 小了 二氧化碳就会从啤酒里面分离出来 形成很多气泡 如果啤酒有剧烈的运动 摇晃 或快速倒入杯子里 以及和啤酒接触的器皿表面如果粗糙不平 那么就会更快地产生更多 的气泡 然而 光有气泡并不足以形成持久的泡沫 一般 在把可乐或者香槟倒入杯子里面的 时候 也会产生大量的气泡 但是这些气泡很快会破碎 只会把小液滴向周围喷溅 很难 会形成漂浮的泡沫 在啤酒里面含有来自于麦芽等原料的多种有机物 其中的多肽和蛋白质等物质 可以 起到表面活性剂的作用 让气泡不容易破碎 更容易形成稳定的泡沫 当啤酒里产生的小气泡聚集在一起的时 它们之间的啤酒在重力作用下流下来 它们 就会互相接触 形成多面体的结构 泡沫 这时候 表面活性剂憎水的尾巴暴露在气泡里 面 而亲水的脑袋扎在一薄层啤酒里面 使得这种泡沫的结构可以在比较长的时间里稳定 存在 密封的啤酒是一种二氧化碳的过饱和溶液 而且其中含有大量的可以作为表面剂的有 机物分子 这就是啤酒可以形成大量泡沫的原因 日常的玻璃杯的表面可能会吸附一些油脂 这可以是因为和人手的接触 或者是因为 放在厨房里面时的油烟 当啤酒倒入这些器皿里的时候 这些油脂会对表面剂有吸附作用 可能会让啤酒的泡沫没有理想情况下多 这也是为什么啤酒泡沫总是消散不了的时候 用 筷子沾些菜汤再点两下泡沫就可以让泡沫很快消失的缘故 咖啡拉花咖啡拉花 拉花的奥妙 资深的咖啡师或许会从如何制取浓缩咖啡和热牛奶泡沫谈起 不过 从 物理上来说 咖啡拉花是怎么一回事呢 由上面所说 表面活性剂可以稳定空气和水的界面的性质使得咖啡师可以在咖啡上拉 出花 制作咖啡拉花的杯子里面要先放大概容积三分之一的浓缩咖啡 Espresso 这是一 种口感强烈的咖啡 用接近沸腾的热水以高压冲过细研后压实的咖啡粉就能得到 4 在浓 缩咖啡的表面飘着一层红棕色的泡沫状的咖啡脂 crema 这层咖啡脂是咖啡里面的脂 肪成分以及气体形成的泡沫 而起到表面剂作用的是咖啡里的蛋白质 以及细胞膜的磷脂 分子等物质 获取浓缩咖啡时得到的咖啡脂 图片来自维基百科 咖啡脂的体积一般要占到浓缩咖啡的 10 以上 而其中 气体的体积含量大概能占 到咖啡脂的一半 在光学显微镜下观察咖啡脂的结构 可以看出里面包含有气泡 脂肪颗 粒 一般小于 10 个微米 以及一些固体的颗粒 咖啡豆细胞壁的碎片之类 别小看了 这层咖啡脂 咖啡脂的存在往往被当作浓缩咖啡质量的标志 不止如此 咖啡脂本身也正 是形成咖啡拉花的一个重要因素 光学显微镜下观察到的咖啡脂 图片来自资料 在咖啡拉花的制作过程中 倒入浓缩咖啡的热牛奶经过了预先的处理 有了牛奶里的 蛋白质当表面剂 再通过搅拌等手段 热牛奶的表面形成了一层牛奶和空气混合出来的泡 沫 microfoam 如何让牛奶的泡沫起的又多又持久也是科学研究的一项内容 可参 阅 实验室手记之卡布奇诺的泡泡 在混合热牛奶和浓缩咖啡的过程中 两种泡沫被混合在一起 一种是空气和牛奶混合 的泡沫 一种是浓缩咖啡表面的脂肪 气体和浓缩咖啡混合的咖啡脂泡沫 这两种泡沫都 相对稳定 咖啡脂的泡沫一般可以维持 10 分钟左右 牛奶和空气形成的泡沫也可以维 持数分钟之久 这两种泡沫混在一起之后 由于它们的颗粒都较大 微米级别 又挤在一起 颗粒 的扩散过程是很慢的 在没有搅拌的情况下 两种泡沫之间混合的速度会很慢 因此 泡 沫之间的界限会在很长时间内保持清晰 这样 咖啡师倾倒牛奶时做出来的图案可以保持 足够长的时间 以供顾客欣赏 咖啡拉花可以做出各种漂亮的图案 为什么非得泡沫混合在一起才行 不同颜色的液体混合在一起就不行吗 当我们把牛奶倒入咖啡时 虽然这两种液体内部仍然存在着微米大小的颗粒 但是这 些颗粒并没有互相紧挨着 并且这类颗粒只占液体的很小一部分 即使它们不会立刻就互 相均匀混合 但由于内部液体的流动很不稳定 两种液体混合的界面也会因为扩散很快变 得模糊起来 无法做成拉花的图案 其实 除了啤酒泡沫和咖啡拉花之外 表面剂在我们日常生活和工业生产中都有着非 常重要的应用 在我们洗