篇名

生活中的化學-----界面活性劑的應用與原理

 

作者

黃湘庭。高雄縣立福誠高中。二年一班

王泰鈞。高雄縣立福誠高中。二年一班

楊佳芝。高雄縣立福誠高中。二年一班

 

 

前言

 

界面化學,是專門研究物質兩項介面現象的化學性質,屬於物理化學的一個分野,二次大戰以後,急速興起,而面活性化劑,不僅在各種工業方面,使用範圍日廣,在我們的生活當中,也是扮演了重要的角色,例如我們所使用的牙膏、刮鬍子用的鬍漿、女士用的口紅、綿羊油,以及肥皂、防袛砥B去汙劑、強力膠,都是日常不可或缺的界面活性劑,在各種工業方面,更是普遍使用,例如各種機械的潤滑油、滑油酯等等,真是不下千萬種以上,我們大家每天使用界面活性劑,但卻很少人知道,界面活性化學方面的知識,比方說,啤酒為什麼會起泡,雨衣為什麼不會被雨淋濕,洗衣服使用肥皂粉為什麼能去油污,這些都是屬於活性界面方面的張力問題,潤濕作用、吸著作用,滲透作用、起泡作用、消泡作用、清潔作用,這些都是界面活性劑很生活化並值得探討的問題。                                     

 

正文

 

01.界面活化學的演進

 

西元1861年Thomas Graham 氏研究溶液中各種物質的擴散現象時,發現蛋白質,橡膠及多醣類等膠質和低分子的晶體質的擴散速度互異。

 

A.兩種溶液

a.晶體溶液:真溶液,及溶質溶解於溶劑內所形成的溶液

b.膠體溶液:膠體分散系溶液,及分散相分散於分散媒內所形成的溶液。

1.根據透析法分離膠質液體和晶質體,發現非固體物質有晶體和膠體的區別,而是兩者粒子大小的差別。

2.膠體通常可區分成三種:

(1)分散成微粒的固體﹝如金﹞或液體﹝如苯﹞是利用與固狀物具有相同結構的的微粒構成者,例如肥皂和清潔劑,是經由小分子凝聚而成者,例如蛋白質和高分子聚合物,分子的大小類屬於膠體範圍內者。

(2)膠體微胞是由有機分子凝聚而成,其水分含親水基和拒水基,微胞粒子內的有幾分子,具水基部份急於內側,親水機包於外側。

(3)膠體微胞內各分子藉著共價鍵結合。

 

B.界面化學和界面活性劑由肥皂—清潔作用開始應用發展,迄今,應用範圍以包括下列各項:

 

a.利用膠體分散性和乳化分散性者:油漆,墨水,製藥,化妝品製造,食品﹝人造奶油,調味汁,醬油,乳酪等﹞,油井鑽探泥漿,染料,氣泡,潤滑油的抗酸分散劑,農藥化學等。

 

b.製造程序,利用膠體分散性,和懸浮物及乳化分散性者:陶器鑄造,水泥,塑膠,包裝紙,催化劑﹝懸浮劑﹞等。

 

c.利用膠體現象和介面張力現象者:清潔作用,毛細現象,浮游選鑛作用,人造皮革,不純物的吸著作用,油漆的電解質沉澱作用。

 

d.膠質分散性和乳化現象的破壞作用:污水處理,乳化破壞,乳化逆轉作用,淤泥的脫水,噴霧和造霧等。

 

總括各種不同性質的應用範圍,介面化學應用的行業:纖維業,農業,造紙和紙漿,乾洗工業,金屬機械工業,礦業,皮革工業,橡膠工業,化妝品工業,顏料和塗料工業,土木建築工業,石品工業,石由和燃料工業,照相業,殺菌和消毒業……等。(註一) 

 

02.何謂界面張力和表面張力

 

A.液滴表面的收縮力

 

a.如何產生:任何均態物質稱之相。相內所有分子彼此間存有吸引力,限制分子的熱激盪作用。此種吸引力稱作凡得瓦耳力,離子引力,極性引力和氫鍵引力等。例子:氣相分子間引力是凡得瓦耳力。水液相內,水分子間的吸引力是氫鍵引力結合。

相內所有分子和鄰近的分子間吸引力誘導的力場,吸引著分子。而且所有的分子四週的吸引力場均相等。換言之,非均態物質內,相異分子間的吸引力場和相同分子間的吸引立場不相等。例如水溶液項內分子密度約氣相分子密度的1000倍。水液相內水分子吸引力場較水液相分子和氣相分子間吸引力場為大。根據此種關係,同相的分子及異相吸引凝聚成團,不同項的分子則較難吸引凝聚成團。(註二)

 

1.例子:日常生活中,開水龍頭流出自來水。當水龍頭緩緩開啟,讓水滴徐徐持續滴落,短時間內低落的水暫時形成球狀。這種現象是由水滴的表面具有收縮力,促使水滴收縮成具有最小表面積的球狀。因為水液相和氣相間引力的差異和水液相的表面張力關係,故凝聚成球珠狀液滴。

 

b.所謂的界面能表示任何相異兩相間的界限面;所謂表面則表示液相和氣相間的界限面。例如:液態油放入水裡,過一段時間後,油因為密度比水小浮在上層,水液相密度大沉為下層,兩層界限面形成油相和水相的接觸薄膜面及界面。

 

c.物質均具有三相﹝固相,液相,氣相﹞,則兩相異物質間接觸的界面

1.固相←→固相

2.固相←→液相

3.固相←→氣相

4.液相←→液相

5.液相←→氣相

6.氣相←→氣相

 

d.但是相內引力和相間引力現象,研究界面活性化學觀點,固相←→固相,和氣相←→氣相兩種界面不成立。(註三)

 

03.界面活性劑的分類

 

界面活性濟是由親水基和拒水基組成。它的分類方法包括:合成分類法,化學構造分類法,用途分類法,性能分類法,主要原料分類法。目前日常生活中最常使用,最簡便的方法是根據離子形式的分類法。此種方法是以界面活性劑溶於水溶液內時能解離成離子或不能解離生成離子的化學變化作為基準,再依照生成的離子種類加以區別的方法。根據前續的介面活性劑各種分類方法,分析結果,可分為六大類:

 

A.水溶性界面活性劑

 

a.定義:凡是能溶解於水溶液的界面活性劑

b.水溶性界面活性劑根據溶於水溶液中

1.解離生成離子

2.非離子的情況

3.在區分成陽離子行界面活性劑

4.陰離子型界面活性劑

5.兩性界面活性劑

6.非離子型界面活性劑

 

04.油溶性界面活性劑

 

A.定義:凡是能溶於非極性溶劑﹝油相﹞中,又能使油相和水相間界面活性化﹝界面張力減低﹞的界面活性計化合物均稱為油溶性界面活性劑

B.此種活性劑通常應用於生活中

a.消泡劑

b.乳化劑

c.乳化作用逆轉劑

d.油相內分散劑

e.乾洗用的清潔劑

f.可溶化劑

g.乳化清潔劑

h.潤滑油添加劑

i.防腐蝕劑

j.膠化劑

 

04.高分子界面活性劑

A.定義:界面活性劑溶於水相或油相內,活性劑分子被吸著於溶液的界面,藉已減低界面張力。然而,高分子物質亦能被吸著於界面,略微減低界面張力。(註四)                      

B.界面活性較小﹝減低界面張力能力弱﹞起泡性低,故清潔作用較難達成。但分散性,凝聚性,可溶化性甚佳。

 

05.氟化碳類界面活性劑

 

A.定義:通常界面活性劑的拒水基主鏈的碳原子均連結氫原子。若部分或全部的氫原子被氟原子取代的界面活性劑化合物稱之氟化碳類界面活性劑。

B.普通的界面活性劑拒水基主鏈的碳數約為12-20個左右。然而,氟化碳類界面活性劑的拒水基主鏈的碳數約為7-10個。該界面活性劑的稀薄水溶液的表面張力極低。

 

06.有機金屬界面活性劑

 

A.定義:凡是鹼金屬以外的金屬元素之界面活性劑化合物均稱為有機金屬界面活性劑。通常包含的金屬以 Si, Ti , Sn , Zr, Ge等為主。

B.有機金屬界面活性劑的稀薄容易的表面張力極低。(註五)

 

07.反應性界面活性劑

A.定義:界面活性劑和纖維素纖維反應,而能賦與纖維適當的柔軟性,防水性,帶電防止性等功能,但是界面活性劑本身的界面活性能消失,具有上述功能的化合物稱之為反應性界面活性劑。(註六)

 

結論

 

經過一番資料收集、整理過後的大學用教科書和歸納之後,再加上一些生活上碰到的事例,我才發現界面活性劑化學原來應用的是如此廣闊,最後我歸納以下幾點重要的事項:

 

A.界面活性劑化學必是將來科學研究的趨勢,因它牽涉我們得生活很多,試問,如果沒有它,世界會變的怎麼樣,由前面所舉的例子即可知。

 

B.廣義的說,凡是能將兩個原本是不同相的東西混合,我們就稱它為界面活性劑,如肥皂就是個很好的例子,水和油本難混合,但加入肥皂之後,容易被吸附於溶液的表面或界面,藉以減低溶液的表面張力或界面張力產生活性的表面或界面之化合物。

 

C.界面活性劑可區分為六大類,水溶性、油溶性,高分子、氟化碳類、有機金屬。

 

D.通常介面活性劑是由1.親水基2.拒水基所組成。

 

E.溶液內產生界面化作用,主要是因為溶液具有相當大的界面張力,此張力阻止界面面積增大。然而,界面活性化劑可降低溶液的界面張力,令擴張溶液介面面積所需的能源隨之降低,結果溶液界面面積很容易就改變,重新組成新的界面。要使新的界面現象發生,僅需定量的的界面活性劑排列在溶液的界面膜間,行成單分子膜層即可。

 

引註資料

 

註一:黃嘉賢、陳耀庭、王建智、張雅雪、李佩樺《高二下物理課本》p.33

註二:林德培、林安清、丁幸一《界面活性劑p.3~p.8

註三:林德培、林安清、丁幸一《界面活性劑p.~p.11

註四:林德培、林安清、丁幸一《界面活性劑p.27~p.29

註五:林德培、林安清、丁幸一《界面活性劑p.39~p.41

註六:林德培、林安清、丁幸一《界面活性劑p.81~p.83