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基于表面張力方法判斷物質(zhì)(或材料)的親水性(一)
來(lái)源:信息記錄材料 瀏覽 640 次 發(fā)布時(shí)間:2024-06-04
親水性,顧名思義,就是物質(zhì)(或材料)對(duì)水的親和能力。根據(jù)研究,分子對(duì)水的親和能力,取決于分子的極性,極性大,一般來(lái)講,分子的親水性就大。由極性大的分子所組成的材料,其表面容易被水所潤(rùn)濕。親水性,從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是分子的物理性質(zhì)。如果分子的親水性部分,能夠有能力極化到形成氫鍵,那么相對(duì)于不能形成氫鍵的分子,或者極化能力小的分子,這類分子更容易溶解在水或者其他極性溶液里面。
生活中,常用的洗衣粉、洗衣液、洗潔精等清潔用品,都是應(yīng)用表面活性劑的兩親(一端親水一端親油)性質(zhì)來(lái)進(jìn)行除污的。還有許多防水材料則是利用其親水性差的特性制作的。在印刷行業(yè),印刷版材的感光層中,當(dāng)光照之后,光照部位的親水性會(huì)變成憎水性(親油性),在另外一些印刷版材的感光層中,則會(huì)發(fā)生相反的過(guò)程。
如上所述,一個(gè)分子在水中或者極性溶液中的溶解性,或者該分子的親水性,取決于該分子的極性。那么究竟這個(gè)分子是屬于極性分子還是非極性分子,如何判斷?
根據(jù)研究,分子的極性與分子的空間結(jié)構(gòu)有關(guān),當(dāng)一個(gè)分子中的正電荷“重心”與負(fù)電荷“重心”不能重合,那么分子就表現(xiàn)出極性,與此同時(shí),對(duì)分子所有的化學(xué)鍵極性的向量求和,就得到了衡量極性大小的標(biāo)度——偶極矩μ,偶極矩的大小就代表著分子極性的大小。
如前所述,物質(zhì)的親水性越大,其對(duì)誰(shuí)的親和性越好,就可以吸引水分子,甚至溶解于水。那么親水性越大,就一定水溶性越好嗎?實(shí)際上不是的,例如,比較明顯的例子是氯甲烷、硝基苯的極性非常大,按照如前所述的親水性非常好,可事實(shí)上這兩種物質(zhì)都難溶于水。
其實(shí)物質(zhì)的水溶性,除了與物質(zhì)的極性有關(guān),還與其他因素,比如分子間作用力的類型、大小及分子結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系。例如像硝基苯等一些物質(zhì),其分子的極性雖然很強(qiáng),但是兩者的分子結(jié)構(gòu)和水的分子結(jié)構(gòu)相差比較大,所以兩者難溶于水。
所以說(shuō),根據(jù)親水性的定義,雖然物質(zhì)極性的強(qiáng)弱可以判斷其親水性的強(qiáng)弱,但是卻不能反應(yīng)出物質(zhì)和水之間的接觸狀態(tài),比如溶解、混合、懸濁等。本文嘗試通過(guò)表面張力的方法,研究物質(zhì)和水之間的接觸狀態(tài),物質(zhì)與水直接的界面(表面)形成方式,從而得出判斷物質(zhì)的親水性的方法。
1、界面(表面)的親水性
在實(shí)際的研究和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,也經(jīng)常遇到物質(zhì)或材料的親水性問(wèn)題。研究親水性,就需要研究物質(zhì)或材料與水的接觸界面。通常使用表面來(lái)代替界面,比如習(xí)慣上把液體與空氣的界面,還有固體與空氣的界面,都稱為表面。由于水通常情況下是液體,所以研究親水性,就需要研究固體-液體(水)、液體-液體(水)的界面(表面)的性質(zhì)。
1.1表面張力及其測(cè)定方法
研究固體-液體(水)、液體-液體(水)的表面,通常會(huì)用到表面張力。在液體的表面,與氣體接觸的地方,會(huì)產(chǎn)生一個(gè)薄薄的表面層,在這一層里面的分子,其分子間距離比液體內(nèi)部大,比氣體小,就像在液體與氣體之間產(chǎn)生了一層“彈簧”一樣,想要把“彈簧”拉開(kāi),“彈簧”就會(huì)向反方向收縮,這種使得液體的表面收縮的力,就稱之為表面張力。
液體表面張力可以通過(guò)儀器測(cè)定,目前測(cè)定方法大體上分為動(dòng)態(tài)法和靜態(tài)法。這兩大類方法下面由于細(xì)分,具體分類如表1。
表1表面張力的測(cè)定方法
值得注意的是,每種測(cè)定方法都有自身的應(yīng)用范圍,比如說(shuō)如果測(cè)定液-液界面張力,就不能使用最大氣泡壓力法和毛細(xì)管上升法。此外目前的動(dòng)態(tài)法,由于方法較為復(fù)雜,導(dǎo)致測(cè)試精度不能盡如人意,所以動(dòng)態(tài)法很少能夠成功應(yīng)用。所以目前的實(shí)際生產(chǎn)和研究中,測(cè)定表面張力中多采用靜態(tài)法。下面以滴體積法為例說(shuō)明表面張力的測(cè)定。
滴體積法的基本原理是這樣的,利用毛細(xì)管滴頭,緩慢往下滴液體,這時(shí)候測(cè)量液滴的大小,就能測(cè)定液體的表面張力。這是因?yàn)橐后w的表面張力,與從毛細(xì)管滴下的液滴的大小有內(nèi)在關(guān)聯(lián),存在正比關(guān)系,這個(gè)關(guān)系可以用數(shù)學(xué)公式表達(dá):
對(duì)于特定的測(cè)量?jī)x器和被測(cè)液體,R和ρ是固定的,在測(cè)量過(guò)程中,只要測(cè)出數(shù)滴液體的體積,就可計(jì)算出該液體的表面張力。
需要說(shuō)明的是,測(cè)定表面張力的方法都有其應(yīng)用的局限和缺點(diǎn),例如上述的滴體積法,其缺點(diǎn)和局限是:
(1)至今為止,滴體積法只是一種經(jīng)驗(yàn)方法;
(2)當(dāng)遇到達(dá)到平衡較慢的表面時(shí),滴體積法不能測(cè)定其表面張力,同時(shí)理論上講,也不能達(dá)到完全的平衡;
(3)應(yīng)用滴體積法,需要準(zhǔn)確測(cè)定液體體積,還有液滴滴落速度控制等問(wèn)題。
所以在實(shí)際測(cè)量時(shí),可以根據(jù)要求或者能夠較為容易實(shí)現(xiàn)的條件,比如實(shí)驗(yàn)精度或者實(shí)驗(yàn)設(shè)備等,再去選擇測(cè)定表面張力的方法。
比如說(shuō),當(dāng)需要測(cè)定時(shí)候的溫度和壓力比較高,可以采用最大氣泡壓力法、震蕩射流法、等方法;而當(dāng)測(cè)量的要求是精度高時(shí),可以采用Wilhelmy吊片法、毛細(xì)管上升法等進(jìn)行測(cè)定。
1.2液-固界面的潤(rùn)濕作用
滴在固體表面上的少許液體,取代了部分固-氣界面,產(chǎn)生了新的液-固界面。這一過(guò)程稱之為潤(rùn)濕過(guò)程。潤(rùn)濕過(guò)程可以分為三類,即:粘濕、浸濕和鋪展,這里重點(diǎn)介紹鋪展過(guò)程。
鋪展,是指在等溫、等壓的條件下,液固界面取代了氣固界面,然后產(chǎn)生了氣液界面,這樣一個(gè)物理過(guò)程。等溫、等壓條件下,可逆鋪展單位面積時(shí),Gibbs自由能的變化值為
其中,ΔG為Gibbs自由能的變化值,S為鋪展系數(shù),γg-s為氣-固界面張力,γg-l為氣-液界面張力,γl-s為液-固界面張力。如果若S≥0,說(shuō)明液體可以在固體表面自動(dòng)鋪展。
目前,只有γg-l氣-液界面張力可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定,γg-l氣-固界面張力、γl-s液-固界面張力還無(wú)法直接測(cè)定。所以上述式子不能在實(shí)際工作中直接使用。
在實(shí)際工作中,通常會(huì)用到接觸角結(jié)合γg-l氣-液界面張力來(lái)判斷鋪展過(guò)程是否自動(dòng)進(jìn)行。接觸角,是指在固相、液相、氣相這三相的交界點(diǎn),兩個(gè)界面張力(氣-固界面與氣-液界面)之間的夾角,通常用θ表示。如圖1,將水滴滴到玻璃上,接觸角如圖所示。
圖1接觸角
根據(jù)楊氏潤(rùn)濕方程,COSθ×γg-l=γg-s-γl-s,所以鋪展系數(shù)S=γg-l(COSθ-1),式子中γg-l,θ都可以測(cè)量出來(lái),那么S就可以計(jì)算出來(lái)。
接觸角的測(cè)量方法有多種,包括長(zhǎng)度測(cè)量法、角度測(cè)量法、透過(guò)測(cè)量法等,都是比較簡(jiǎn)便的方法,比如角度測(cè)量法中,可以采用顯微鏡,用一安裝有量角器和叉絲的低倍顯微鏡觀察液面,直接可以讀出角度。
由上述可知,水在固體表面的鋪展可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量γg-l,θ來(lái)確定,所以水在固體表面的鋪展與否可以判斷固體材料的親水性。