表面活性剂降低表面张力的原理
表面张力是由于表面分子受力不平衡引起的,因此只要改善不平衡的受力状态,即可降低表面张力。受力不平衡状态减弱时,分子向内部的运动减弱,表面分子密度增加,分子间的有效距离变短,分子间引力减弱,表面"绷紧"程度降低,表面张力下降。
以降低水的表面张力为例,表面活性剂分子具有亲水基和亲油基,由丁亲油基与水分子之间的排斥,为了寻求能量最低的存在形式,表面活性剂分子首先会以亲水基朝下(与水分子接触)、亲油基朝上(与空气分子接触)的形式在水溶液表面排列;只有当液面没有空间接受新的表面活性剂分子时,新增的表面活性剂分子才会向溶液内部移动。亲水基受到水分子向下的吸引力,但这种吸引力显然弱于水分子之间的吸引力,原因是亲水基的极性弱于水分子;亲油基受到空气分子向上的吸引力,这种吸引力要强于空气分子与水分子的吸引力,原因是相对较大的体积使亲油基可以与更多空气分子接触,同时更弱的极性也使亲油基能更好的与空气分子互相融合吸引。整体而言,向下的引力减弱,向上的引力上升,表面活性剂分子的受力不平衡状况要弱于水分子,因此有表面活性剂分子排列的水溶液表面,显然比单纯的水分子表面,受力不平衡的情况要弱,宏观上看,就是表面张力降低。
表面活性剂水溶液的表而,由水分子和表面活性剂分子组成。前已述及,表面活性剂与水分子间的吸引力弱于水分予之间的吸引力,同时,由于表面活性剂分了相比水分子的体积更大,因此它们的距离也更近,距离增近,吸引减弱,因此表面活性剂分子之间的吸引力也弱于水分子之间的吸引力。总体而言,有表面活性剂分子存在的水溶液表面,分子之间的吸引力减弱,表面的"绷紧"状态下降,这使表面活性剂能够降低表面张力。
综上所述,表面活性剂降低水溶液表面张力的原理在于两方面,一方面是改善表面分子受力不平衡的状态,另一方面是降低表面分子之间的吸引力,降低表面的"绷紧"状态。考虑到表面分了子受力不平衡是形成表面张力的基础因素,因此改善表面分子受力不平衡的状态是表面活性剂降低表面张力的主导原理。