表面活性劑及其在界面上的吸附與團聚

王巧　張文

摘 要：本文介紹了表面活性劑分子結構和分類，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固體表面的影響，同時概述了表面活性劑的催化促進和增溶作用。

關鍵詞：表面活性劑 界面吸附 團聚

中圖分類號：O647 文獻標識碼：A 文章編號：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和界面性質發生顯著變化的一類物質[1]。表面活性劑同時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，從而構成不對稱結構。因此，表面活性劑能在各種不同的界面上發生吸附作用，而使界面的存在狀態發生變化。

1 表面活性劑分子結構和分類

表面活性劑分子結構各不相同，品種眾多。總體來看，表面活性劑是在烴化合物分子基礎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生吸附作用，而使原來的界面狀態發生變化。此外，當表面活性劑在溶液中的濃度大于某一特定值時，表面活性劑可通過疏水作用（非極性基團）而締合成膠束。

2.1 吸附方式

受其化學結構形式、溶劑特性和吸附劑的表面性質的影響，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所形成氫鍵而在固體表面上吸附；（3）離子對吸附：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電性位置與具有π電子鍵的分子產生的吸附；（5）憎水作用吸附：吸附于固體表面的表面活性劑以團聚的狀態存在；（6）化學作用吸附：固體表面與表面活性劑的活性基團通過化學鍵而形成的吸附；（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）表面活性劑的結構和類型：表面活性劑的結構和類型不同，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：對于不同類型的表面活性劑而言，固體表面的性質不同，其具有不同的吸附作用；（5）電解質：溶液中加入的電解質，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，同時壓縮固體雙電層。

2.3 表面活性劑吸附對固體表面的影響

吸附于固體表面的表面活性劑若進行定向排列，可導致表面性質發生相應變化，改變在溶液中固體狀態和性質。

（1）穩定性和分散性：當表面活性劑所帶電荷與固體表面電荷相同時，若極性固體與表面活性劑的范德華力可以克服所產生的靜電斥力時，表面Zeta電位提高，其穩定性相應增大。若固體表面所帶電荷與表面活性劑電荷相反時，當溶液中表面活性劑的濃度較小時，表面的電荷中和而消除靜電斥力，固體顆粒可能產生絮凝作用；而當溶液中的表面活性劑濃度提高時，表面活性離子的電荷與固體表面的電荷同號，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，水中的固體質點的趨勢變大，相對應其穩定性也將變大。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，其極性基向著水中，原先的非極性表面會隨吸附的進行而變成極性表面，使得其分散性提高。

（2）潤濕性：對于極性固體而言，以離子對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，其親油基向著水中，此時水在表面上不能再展開，固體表面潤濕性降低，形成具有接觸角的水滴。而對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。

3 表面活性劑的團聚

當濃度較小時，表面活性劑不發生團聚，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，其在水中逐漸團聚在一起，水表面張力迅速降低，在固體表面活性區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。當再增加表面活性劑濃度時，表面活性劑則形成膠團，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生相應變化。此時，溶液中表面活性劑形成膠束時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成的締合結構稱為吸附膠束。吸附膠束的形成是表面活性劑在水中的重要特征，其具有催化促進和增溶等作用。

3.1 催化促進作用

在水溶液中表面活性劑構成膠束內核的非極性條件，其不同于原來溶劑的極性條件，因而構成的膠束會影響原來所產生的化學反應。溶液中表面活性劑的濃度小于臨界膠束濃度時，界面上形成了吸附膠團，體相中則不能形成膠團。吸附膠團大大增加其反應的速率，可以結合有些反應離子和底物，在比表面積較大的固體上增加反應產率，形成吸附膠團，其遠高于水溶液中膠團相體積。當溶液中表面活性劑的濃度高于臨界膠束濃度時，表面活性劑在膠束內濃度高于溶劑中濃度，非極性的溶質分子則進入膠束中。此時，在非極性的溶劑條件下，膠束核內可導致產生反應途徑相應變化，該局部的高濃度大大增加了其反應的速率。

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物溶解度明顯增加的現象稱為表面活性劑的增溶作用。當水中表面活性劑的濃度小于其臨界膠束濃度時，增溶作用較小，不能形成膠束；當水中表面活性劑的濃度大于或等于其臨界膠束濃度時，由于膠束內核具有的非極性的溶劑條件為微溶或不溶于水的溶質分子提供了相應的空間，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量成正比關系。在增溶作用的過程中，溶劑性質則無顯著的變化，表面活性劑用量非常少，形成的體系為均相體系，同時溶液依數性的變化較小。

參考文獻

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

[2] 趙國璽.表面活性劑物理化學[M].北京：北京大學出版社，1984：41-58.