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基于表面张力方法判断物质(或材料)的亲水性(一)

来源:信息记录材料 浏览 147 次 发布时间:2024-06-04

亲水性,顾名思义,就是物质(或材料)对水的亲和能力。根据研究,分子对水的亲和能力,取决于分子的极性,极性大,一般来讲,分子的亲水性就大。由极性大的分子所组成的材料,其表面容易被水所润湿。亲水性,从本质上来说是分子的物理性质。如果分子的亲水性部分,能够有能力极化到形成氢键,那么相对于不能形成氢键的分子,或者极化能力小的分子,这类分子更容易溶解在水或者其他极性溶液里面。


生活中,常用的洗衣粉、洗衣液、洗洁精等清洁用品,都是应用表面活性剂的两亲(一端亲水一端亲油)性质来进行除污的。还有许多防水材料则是利用其亲水性差的特性制作的。在印刷行业,印刷版材的感光层中,当光照之后,光照部位的亲水性会变成憎水性(亲油性),在另外一些印刷版材的感光层中,则会发生相反的过程。


如上所述,一个分子在水中或者极性溶液中的溶解性,或者该分子的亲水性,取决于该分子的极性。那么究竟这个分子是属于极性分子还是非极性分子,如何判断?


根据研究,分子的极性与分子的空间结构有关,当一个分子中的正电荷“重心”与负电荷“重心”不能重合,那么分子就表现出极性,与此同时,对分子所有的化学键极性的向量求和,就得到了衡量极性大小的标度——偶极矩μ,偶极矩的大小就代表着分子极性的大小。


如前所述,物质的亲水性越大,其对谁的亲和性越好,就可以吸引水分子,甚至溶解于水。那么亲水性越大,就一定水溶性越好吗?实际上不是的,例如,比较明显的例子是氯甲烷、硝基苯的极性非常大,按照如前所述的亲水性非常好,可事实上这两种物质都难溶于水。


其实物质的水溶性,除了与物质的极性有关,还与其他因素,比如分子间作用力的类型、大小及分子结构有密切的关系。例如像硝基苯等一些物质,其分子的极性虽然很强,但是两者的分子结构和水的分子结构相差比较大,所以两者难溶于水。


所以说,根据亲水性的定义,虽然物质极性的强弱可以判断其亲水性的强弱,但是却不能反应出物质和水之间的接触状态,比如溶解、混合、悬浊等。本文尝试通过表面张力的方法,研究物质和水之间的接触状态,物质与水直接的界面(表面)形成方式,从而得出判断物质的亲水性的方法。


1、界面(表面)的亲水性


在实际的研究和实验过程中,也经常遇到物质或材料的亲水性问题。研究亲水性,就需要研究物质或材料与水的接触界面。通常使用表面来代替界面,比如习惯上把液体与空气的界面,还有固体与空气的界面,都称为表面。由于水通常情况下是液体,所以研究亲水性,就需要研究固体-液体(水)、液体-液体(水)的界面(表面)的性质。


1.1表面张力及其测定方法


研究固体-液体(水)、液体-液体(水)的表面,通常会用到表面张力。在液体的表面,与气体接触的地方,会产生一个薄薄的表面层,在这一层里面的分子,其分子间距离比液体内部大,比气体小,就像在液体与气体之间产生了一层“弹簧”一样,想要把“弹簧”拉开,“弹簧”就会向反方向收缩,这种使得液体的表面收缩的力,就称之为表面张力。


液体表面张力可以通过仪器测定,目前测定方法大体上分为动态法和静态法。这两大类方法下面由于细分,具体分类如表1。

表1表面张力的测定方法


值得注意的是,每种测定方法都有自身的应用范围,比如说如果测定液-液界面张力,就不能使用最大气泡压力法和毛细管上升法。此外目前的动态法,由于方法较为复杂,导致测试精度不能尽如人意,所以动态法很少能够成功应用。所以目前的实际生产和研究中,测定表面张力中多采用静态法。下面以滴体积法为例说明表面张力的测定。


滴体积法的基本原理是这样的,利用毛细管滴头,缓慢往下滴液体,这时候测量液滴的大小,就能测定液体的表面张力。这是因为液体的表面张力,与从毛细管滴下的液滴的大小有内在关联,存在正比关系,这个关系可以用数学公式表达:


对于特定的测量仪器和被测液体,R和ρ是固定的,在测量过程中,只要测出数滴液体的体积,就可计算出该液体的表面张力。


需要说明的是,测定表面张力的方法都有其应用的局限和缺点,例如上述的滴体积法,其缺点和局限是:


(1)至今为止,滴体积法只是一种经验方法;


(2)当遇到达到平衡较慢的表面时,滴体积法不能测定其表面张力,同时理论上讲,也不能达到完全的平衡;


(3)应用滴体积法,需要准确测定液体体积,还有液滴滴落速度控制等问题。


所以在实际测量时,可以根据要求或者能够较为容易实现的条件,比如实验精度或者实验设备等,再去选择测定表面张力的方法。


比如说,当需要测定时候的温度和压力比较高,可以采用最大气泡压力法、震荡射流法、等方法;而当测量的要求是精度高时,可以采用Wilhelmy吊片法、毛细管上升法等进行测定。


1.2液-固界面的润湿作用


滴在固体表面上的少许液体,取代了部分固-气界面,产生了新的液-固界面。这一过程称之为润湿过程。润湿过程可以分为三类,即:粘湿、浸湿和铺展,这里重点介绍铺展过程。


铺展,是指在等温、等压的条件下,液固界面取代了气固界面,然后产生了气液界面,这样一个物理过程。等温、等压条件下,可逆铺展单位面积时,Gibbs自由能的变化值为

其中,ΔG为Gibbs自由能的变化值,S为铺展系数,γg-s为气-固界面张力,γg-l为气-液界面张力,γl-s为液-固界面张力。如果若S≥0,说明液体可以在固体表面自动铺展。


目前,只有γg-l气-液界面张力可以通过实验测定,γg-l气-固界面张力、γl-s液-固界面张力还无法直接测定。所以上述式子不能在实际工作中直接使用。


在实际工作中,通常会用到接触角结合γg-l气-液界面张力来判断铺展过程是否自动进行。接触角,是指在固相、液相、气相这三相的交界点,两个界面张力(气-固界面与气-液界面)之间的夹角,通常用θ表示。如图1,将水滴滴到玻璃上,接触角如图所示。

图1接触角


根据杨氏润湿方程,COSθ×γg-l=γg-s-γl-s,所以铺展系数S=γg-l(COSθ-1),式子中γg-l,θ都可以测量出来,那么S就可以计算出来。


接触角的测量方法有多种,包括长度测量法、角度测量法、透过测量法等,都是比较简便的方法,比如角度测量法中,可以采用显微镜,用一安装有量角器和叉丝的低倍显微镜观察液面,直接可以读出角度。


由上述可知,水在固体表面的铺展可以通过实验测量γg-l,θ来确定,所以水在固体表面的铺展与否可以判断固体材料的亲水性。


基于表面张力方法判断物质(或材料)的亲水性(一)

基于表面张力方法判断物质(或材料)的亲水性(二)