表面活性剂化学

表面活性剂化学第1页，共61页，2023年，2月20日，星期四有关表面活性剂领域简介化学科学部“十一五”优先发展领域（1）新的合成策略、概念与方法（2）化学反应过程、调控及实验与理论（3）分子聚集体的构筑、有序结构和功能（4）复杂化学体系理论与计算方法（5）分析测试原理和检测新技术、新方法（6）生命体系的化学过程与功能调控（7）绿色化学与环境化学中的关键科学问题（8）材料科学中的关键化学问题（9）能源和资源中的基本化学问题（10)化学工程中的关键科学问题第2页，共61页，2023年，2月20日，星期四参考书目：（1）肖进新等，表面活性剂应用原理化工出版社，2003（2）赵国玺等，表面活性剂作用原理

中国轻工业出版社，2003考试形式：开卷要求：有目的的学带开拓思维的学第3页，共61页，2023年，2月20日，星期四第一章表面活性剂概论（1）表面活性剂是一种两亲（亲水和亲油）分子－独特的结构；（2）称之为“工业味精”；“浓缩的是精华”<“变废为宝”（3）在科学新兴领域－强劲的发展势头。如应用胶束、微乳液、溶致液晶等分子有序聚集体/各种以两亲分子为主体形成的膜结构体系在光化学太阳能的转换和储存、新材料合成、催化、分子识别和运输、药物的胶囊化、靶向和缓释，为底物和酶提供独特的微环境以及酶固定化等方面。

第4页，共61页，2023年，2月20日，星期四1.1表面和界面现象要想了解表面和界面现象，首先，要了解表面和界面。那么什么是表(界)面呢?众所周知，我们周围的物质有三态：气、液、固，也就有了气、液、固三相。除气体之间外，应有5种不同的相界面。当有界面的两相其中之一为气相时，这个界面常被称为表面。第5页，共61页，2023年，2月20日，星期四表面现象:蟑螂在洁净的水面“跳舞”；两枚纸片在宽敞的水面自行分开；等。界面现象：不光液体与气体之间有表面层，液体与固体器壁之间也存在着“表面层”，这一液体薄层通常叫做附着层。液体和固体接触时，会出现两种现象：不浸润和浸润现象。水银掉到玻璃上，呈现出球形－不浸润。而水滴掉到玻璃上，是慢慢地沿玻璃散开－浸润。浸润和不浸润两种现象，决定了液体与固体器壁接触处形成两种不同形状：凹形和凸形。第6页，共61页，2023年，2月20日，星期四1.2表面活性和表面活性剂前面提到的表面和界面现象都和一种物质有关－表面活性剂。表面活性剂的主要功能之一表现在改变液体的表面，液－液界面和液－固界面的性质，而其中液体的表(界)面是最重要的。那么何谓表面活性？它和表面活性剂又有什么关联？第7页，共61页，2023年，2月20日，星期四醛、酮、醇、酸等有机物质在水中的分布是不均匀的，即在液体表面的浓度和液体内部的浓度不同。人们把这种表面和溶液内部浓度不同的现象称为吸附现象。使表面层的浓度大于液体内部浓度的作用称为正吸附作用（简称：吸附）。相反的作用称为负吸附作用。这种因表面正吸附而使液体表面张力降低的性质称为表面活性。

第8页，共61页，2023年，2月20日，星期四表面活性物质很喜欢跑到两种物质或者两相的表面上活动，从而改变表面性质，人们把它叫做表面活性剂。实质上，它活动的表面是一个界面。这个界面包括气、液、固各相的任何两相的界面，因此人们又把它叫界面活性剂。它就是通过界面活动的能力，发挥润湿、乳化、分散、发泡、增溶、洗涤以及润滑等作用。通常为方便起见统称之为表面活性剂。第9页，共61页，2023年，2月20日，星期四不同表面活性物质的表面活性程度是不同的。一般而言，在低浓度下能大大降低溶液表面张力的物质也可以说是具有良好表面活性的物质。使表面张力降低越大的物质其表面活性就越大。即使从其它表面性质来看，大体也以此为基准来衡量。这就是为什么像庚烷、丙酮等表面张力低，而不是表面活性剂的原因。第10页，共61页，2023年，2月20日，星期四表面活性剂定义：表面活性剂是这样的一种物质，它能吸附在表（界）面上，在加量很少时即可显著改善表（界）的物理化学性质；在浓度足够大时，能形成分子有序组合体；从而产生一系列应用功能。表面活性剂所具有的润湿和反润湿，乳化和破乳，分散和凝聚，起泡和消泡以及增溶等一系列作用称为表面活性。第11页，共61页，2023年，2月20日，星期四1.3表面张力和表面自由能表面张力是物质表面的一种作用力，物质的表面性质基本上都与此有关。因此，研究物质的各种表面现象差不多都要从它的表面张力入手。表面张力是分子间吸引力强弱的一种量度，因此引起分子间吸引力变化的因素都会引起表面张力的变化。物质表面张力的大小，主要取决于物质自身和与其接触的另一种物质，就气－液界面而言，当液体为醇、醛、酮等有机物质时，表面张力比较低。与此相反，当液体为无机酸、水银、水等无机液体时，表面张力比较大。第12页，共61页，2023年，2月20日，星期四物质根据浓度和表面张力的关系，可分成表面活性剂、表面活性物质和无表面活性的物质三类。第一类是表面张力略上升且往往近于直线(曲线A)，属于这类有无机盐和蔗糖、甘露醇等多羟基有机物。第二类是表面张力在浓度很稀时，下降较快，随浓度增加下降变慢(曲线B)。用于此类的溶质有低分子量的醇类、酸类等大部分极性有机物。第三类是在溶液浓度稀时，溶液的表面张力随溶质浓度的增加急剧下降，当溶液的浓度增加到一定值后，就不再下降了(曲线C)。属于这类的溶质一般为八个碳以上的有机酸盐、有机胺盐等。第13页，共61页，2023年，2月20日，星期四第14页，共61页，2023年，2月20日，星期四丝线圈实验第15页，共61页，2023年，2月20日，星期四证明表面张力存在试样图

第16页，共61页，2023年，2月20日，星期四液体的表面张力

：在单位长度作用线上液体表面的收缩力，它存在于液体表面上的任何部分，其方向是切于液面而垂直于作用线，并指向液面缩小的方向。

的单位为Nm-1或mNm-1，是液体的基本物理性质之一。通常

的值与液体所处的温度、压力、组成以及共同存在的另一相的性质等均有关系。对于纯液体来时，共存的另一相就是指标准压力时的空气和本身的饱和蒸汽，若不是，则表面张力的数值可能有相当大的变化，因此必须注明共存相，此时的表面张力就称“界面张力”。第17页，共61页，2023年，2月20日，星期四液体表面自动收缩的现象也可以从能量的角度来认识。设前图中的肥皂水膜若增加一无限小的力于滑丝上以使其向下移动dx距离，此过程中环境对体系所作功为

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能使水的表面张力明显降低的溶质称为表面活性物质。

这种物质通常含有亲水的极性基团和憎水的非极性碳链或碳环有机化合物。亲水基团进入水中，憎水基团企图离开水而指向空气，在界面定向排列。

表面活性物质的表面浓度大于本体浓度，增加单位面积所需的功较纯水小。非极性成分愈大，表面活性也愈大。7.4.1表面活性剂的分类第19页，共61页，2023年，2月20日，星期四

表面活性剂通常采用按化学结构来分类，分为离子型和非离子型两大类，离子型中又可分为阳离子型、阴离子型和两性型表面活性剂。显然阳离子型和阴离子型的表面活性剂不能混用，否则可能会发生沉淀而失去活性作用。1.离子型2.非离子型阳离子型阴离子型两性型表面活性剂第20页，共61页，2023年，2月20日，星期四阴离子表面活性剂RCOONa 羧酸盐阴离子表面活性剂RCOONa 羧酸盐R-OSO3Na 硫酸酯盐R-SO3Na 磺酸盐R-OPO3Na2 磷酸酯盐第21页，共61页，2023年，2月20日，星期四阳离子表面活性剂R-NH2·HCl

伯胺盐

CH3|R-N-HCl 仲胺盐|H

CH3|R-N-HCl 叔胺盐|CH3

CH3|R-N+-CH3Cl- 季胺盐|CH3第22页，共61页，2023年，2月20日，星期四两性表面活性剂R-NHCH2-CH2COOH氨基酸型

CH3|R-N+-CH2COO- 甜菜碱型|CH3第23页，共61页，2023年，2月20日，星期四R-(C6H4)-O(C2H4O)nH

烷基酚聚氧乙烯醚非离子表面活性剂R2N-(C2H4O)nH

聚氧乙烯烷基胺R-CONH(C2H4O)nH

聚氧乙烯烷基酰胺R-COOCH2(CHOH)3H 多元醇型R-O-(CH2CH2O)nH 脂肪醇聚氧乙烯醚第24页，共61页，2023年，2月20日，星期四7.4.2液体对固体的润湿作用

在等温等压条件下，单位面积的液面与固体表面粘附时对外所作的最大功称为粘附功(WORKOFADHESION)，它是液体能否润湿固体的一种量度。粘附功越大，液体越能润湿固体，液-固结合得越牢。

在粘附过程中，消失了单位液体表面和固体表面，产生了单位液-固界面。粘附功就等于这个过程表面吉布斯自由能变化值的负值。第25页，共61页，2023年，2月20日，星期四第26页，共61页，2023年，2月20日，星期四接触角的示意图：

在气、液、固三相交界点，气-液与液-固界面张力之间的夹角称为接触角，通常用q表示。第27页，共61页，2023年，2月20日，星期四

在气、液、固三相交界点，气-液与气-固界面张力之间的夹角称为接触角，通常用q表示。

若接触角大于90°，说明液体不能润湿固体，如汞在玻璃表面；

若接触角小于90°，液体能润湿固体，如水在洁净的玻璃表面。

接触角的大小可以用实验测量，也可以用公式计算：接触角CONTACTANGLE第28页，共61页，2023年，2月20日，星期四

等温、等压条件下，单位面积的液固界面取代了单位面积的气固界面并产生了单位面积的气液界面，这过程表面自由能变化值的负值称为铺展系数，用S表示。若S≥0，说明液体可以在固体表面自动铺展。铺展系数

SPREDINGCOEFFICIENT第29页，共61页，2023年，2月20日，星期四第30页，共61页，2023年，2月20日，星期四临界胶束浓度简称CMC表面活性剂在水中随着浓度增大，表面上聚集的活性剂分子形成定向排列的紧密单分子层，多余的分子在体相内部也三三两两的以憎水基互相靠拢，聚集在一起形成胶束，这开始形成胶束的最低浓度称为临界胶束浓度。这时溶液性质与理想性质发生偏离，在表面张力对浓度绘制的曲线上会出现转折。继续增加活性剂浓度，表面张力不再降低，而体相中的胶束不断增多、增大。7.4.3胶束与增溶作用第31页，共61页，2023年，2月20日，星期四第32页，共61页，2023年，2月20日，星期四MICELLE第33页，共61页，2023年，2月20日，星期四可以将“油”“藏”在水中.第34页，共61页，2023年，2月20日，星期四第35页，共61页，2023年，2月20日，星期四表面活性剂作用表面活性剂的用途极广，主要有五个方面：1.润湿作用

表面活性剂可以降低液体表面张力，改变接触角的大小，从而达到所需的目的。例如，要农药润湿带蜡的植物表面，要在农药中加表面活性剂；如果要制造防水材料，就要在表面涂憎水的表面活性剂，使接触角大于90°。第36页，共61页，2023年，2月20日，星期四2.起泡作用

“泡”就是由液体薄膜包围着气体。有的表面活性剂和水可以形成一定强度的薄膜，包围着空气而形成泡沫，用于浮游选矿、泡沫灭火和洗涤去污等，这种活性剂称为起泡剂。也有时要使用消泡剂，在制糖、制中药过程中泡沫太多，要加入适当的表面活性剂降低薄膜强度，消除气泡，防止事故。第37页，共61页，2023年，2月20日，星期四第38页，共61页，2023年，2月20日，星期四无节制使用或不处理将污染河流第39页，共61页，2023年，2月20日，星期四3.增溶作用

非极性有机物如苯在水中溶解度很小，加入油酸钠等表面活性剂后，苯在水中的溶解度大大增加，这称为增溶作用。增溶作用与普通的溶解概念是不同的，增溶的苯不是均匀分散在水中，而是分散在油酸根分子形成的胶束中。经X射线衍射证实，增溶后各种胶束都有不同程度的增大，而整个溶液的的依数性变化不大。第40页，共61页，2023年，2月20日，星期四4.乳化作用一种或几种液体以大于10-7m直径的液珠分散在另一不相混溶的液体之中形成的粗分散体系称为乳状液。要使它稳定存在必须加乳化剂。根据乳化剂结构的不同可以形成以水为连续相的水包油乳状液(O/W)，或以油为连续相的油包水乳状液(W/O)。有时为了破坏乳状液需加入另一种表面活性剂，称为破乳剂，将乳状液中的分散相和分散介质分开。例如原油中需要加入破乳剂将油与水分开。第41页，共61页，2023年，2月20日，星期四5.洗涤作用

洗涤剂中通常要加入多种辅助成分，增加对被清洗物体的润湿作用，又要有起泡、增白、占领清洁表面不被再次污染等功能。其中占主要成分的表面活性剂的去污过程可用示意图说明：A.水的表面张力大，对油污润湿性能差，不容易把油污洗掉。第42页，共61页，2023年，2月20日，星期四B.加入表面活性剂后，憎水基团朝向织物表面和吸附在污垢上，使污垢逐步脱离表面。C.污垢悬在水中或随泡沫浮到水面后被去除，洁净表面被活性剂分子占领。A.水的表面张力大，对油污润湿性能差，不容易把油污洗掉。不用洗衣粉的洗衣机第43页，共61页，2023年，2月20日，星期四首先将粗矿磨碎，倾入浮选池中。在池水中加入捕集剂和起泡剂等表面活性剂。搅拌并从池底鼓气，带有有效矿粉的气泡聚集表面，收集并灭泡浓缩，从而达到了富集的目的。不含矿石的泥砂、岩石留在池底，定时清除。 表面活性剂用于矿石的浮选第44页，共61页，2023年，2月20日，星期四浮游选矿的原理图选择合适的捕集剂，使它的亲水基团只吸在矿砂的表面，憎水基朝向水。当矿砂表面有5%被捕集剂覆盖时，就使表面产生憎水性，它会附在气泡上一起升到液面，便于收集。第45页，共61页，2023年，2月20日，星期四7.4.4乳状液一种或一种以上的液体以液珠的状态分散在另一种与其不相混溶的液体中构成的系统称为乳状液。

简单的乳状液通常分为两大类。习惯上将不溶于水的有机物称油，将不连续以液珠形式存在的相称为分散相或者内相，将连续存在的液相称为连续相(分散介质)或者外相。可使乳液稳定的物质称为乳化剂。天然乳状液：牛奶；石油；第46页，共61页，2023年，2月20日，星期四当表面活性剂胶束溶液与不溶于水的油相接触时，会发生一系列的过程。开始是油自动进入胶束内核，发生增溶作用。随着油的不断进入，胶束胀大，最后在胶束内形成微滴。这种体系称为微乳状液，简称微乳液。什么是微乳状液(简称微乳液)微乳状液(简称微乳液)也属于乳状液.第47页，共61页，2023年，2月20日，星期四1.水包油乳状液，用O/W表示。内相为油，外相为水，这种乳状液能用水稀释，如牛奶等。2.油包水乳状液，用W/O表示。内相为水，外相为油，如油井中喷出的原油。乳状液的破坏：使两相分离.乳状液转化:W/O---O/W第48页，共61页，2023年，2月20日，星期四检验水包油乳状液加入水溶性染料如亚甲基蓝，说明水是连续相。加入油溶性的染料红色苏丹Ⅲ，说明油是不连续相。第49页，共61页，2023年，2月20日，星期四乳状液的应用举例15cm3煤油,25cm3水0.8gC,震荡,W/O;外观为油.0.1gSiO2,震荡,O/W膨化燃油不等于水变燃油技术!1999年的南极科考船被迫中途返航.1986~1996年的骗子王洪成,300多个企业,上亿元投资.水中含有氢和氧.氢和氧结合可以放出大量能量!请分析这句话.第50页，共61页，2023年，2月20日，星期四液膜萃取技术:应用黄连素的提取黄连素:盐酸小蘖碱,主要从黄柏树皮或者黄连根的韧皮部提取.黄连主产地在川东和鄂西.传统中药是其主根.须根被弃,或者冬天烤火.实际上须根韧皮部的比例更高.1吨根,7~10吨水,10kg浓硫酸,200~300kg食盐得到10kg盐酸小蘖碱粗品.液膜萃取技术:盐酸水溶