[科普中国]-增溶反应
增溶反应指在水溶液中非表面活性剂的浓度达到临界胶束浓度时,可使难溶或不溶于水的有机物的溶解度大大增加的现象。增溶能力的大小常以增溶量(每摩尔表面活性剂增溶有机物的量,以克为单位)表示。增溶量与表面活性剂和被增溶物的结构特点、温度、有机和无机添加物的加人等因素有关。增溶反应在乳液聚合、胶束驱油、洗涤作用及某些生理过程中都有重要作用。
简介
增溶反应又称加溶反应,指表面活性剂在水溶液中形成胶束后,具有能使不溶或微溶于水的有机化合物的溶解度显著增大的能力,且溶液呈透明状。即在溶剂中完全不溶或者微溶的物质,借助于添加表面活性剂而得到溶解,并成为热力学上稳定的溶液:被增溶的有机物称为被增溶物或称为增溶溶解质
增溶反应的特点
增溶的“溶解”区别于有机物溶解于混合溶剂中。有机物溶解于混合溶剂及无机物溶解于相关的溶剂均以分子、离子的形式溶于溶剂的分子之中。而增溶的“溶解”是增溶溶解质呈远比分子为大的分子集团被表面活性剂胶束所“包围”后整体溶于溶剂中。增溶“溶解”看起来似乎和乳化相近,不过仍区别于乳化。乳化作用是不溶液体分散于水中(或另一液体中),形成热力学上不稳定的多相分散体系,而增溶作用所形成的体系是热力学上稳定的均相体系。
增溶也可看作乳化分散的极限阶段,有机物(如苯)和矿物油(如有机硅油)等非水溶性物质,当进入表面活性剂水溶液的胶束时,此时的溶液是完全透明的,如氨基硅油经乳化成透明的微乳液,从非水溶性到完全水溶性,此过程即可看成乳化的极限—增溶。
增溶反应机理
在增溶反应的体系中,表面活性剂起增溶作用称为增溶剂,被增溶的物质称为增溶质。显然,在增溶过程中,增溶质进入到表面活性剂胶束中,而不是自身均匀分散在溶剂中。现代分析测试研究证明,增溶质可定位在胶束的四个区域,即胶束的内核、胶束的栅栏区、胶束的表面和聚氧乙烯链间的水化区域。下图展示了胶束增溶的四种方式。增溶质具体被增溶在胶束中的位置,主要遵循“相似相溶”的原则。
1、内核区增溶
由于胶束的内核为液态烃环境,与饱和脂肪烃、环烷烃以及其他不易极化的增溶质相似,故该类增溶质一般被增溶在胶束内核。增溶后的紫外、荧光光谱或核磁共振谱证明,增溶质完全处于一个非极性环境,与溶于非极性碳氢化合物液体中情形一样。
2、栅栏区增溶
胶束的栅栏层位于内核外部与极性基相连的亚甲基之间的结构区域。增溶质为易极化的碳氢化合物(苯、乙基苯等)及长链的极性分子(脂肪醇、脂肪胺等)时,往往增溶于胶束的栅栏层。
3、表面区增溶
增溶质为极性小分子如邻苯二甲酸二甲酯(不溶于水,也不溶于非极性烃)以及一些高分子或染料时,增溶于胶束表面区域,即增溶质定位在胶束与溶剂交界处。
4、水化区增溶
聚氧乙烯醚非离子表面活性剂的胶束外部存在一较大的EO链水化区域,极性分子如苯酚、苯胺等增溶质主要吸附于该区域。
当然,增溶质在胶束中的具体定位受被增溶物自身性质及表面活性剂类型等因素的影响。如对易极化的苯、乙苯等分子,在离子型表面活性剂胶束溶液中,最初增溶质被吸附于胶束表面.取代那里的水分子;随增溶量的增加,增溶质可能插入到表面活性剂胶束的栅栏层,甚至还有可能深入到胶束的内核。在季铵盐类表面活性剂胶束表面就能发生这类情况,因为苯环的π电子易与阳离子胶束表面发生相互作用。在聚氧乙烯醚非离子表面活性剂胶束溶液中,该类物质增溶于EO链水化区域。1
影响增溶反应的因素
增溶反应的大小和增溶溶解质及表面活性剂的结构有关,并受温度所影响,因为它与胶束的数目、大小及表面活性剂的CMC有关,影响CMC的因素必然影响到增溶作用。
增溶剂的结构
由于增溶发生在表面活性剂浓度高于CMC时,才能明显地表面出来,所以表面活性剂浓度增大,则增溶量增加。
①烃类以及长碳链极性有机物基本上被增溶于胶束内部,增溶量一般与胶束大小有关,形成的胶束越大,或其聚集数越大,则增溶量也越大。而在表面活性剂的同系物中,所形成的胶束大小随碳原子数增加而增加,CMC降低,增溶作用随之增强。
②疏水基具有分支的表面活性剂,其增溶作用比直链表面活性剂小,这是由于疏水基的支链结构阻碍了被增溶物分子插入到胶束内部的缘故。
③具有不饱和碳氢链的比有饱和碳氢链的增溶作用差。
增溶溶解质结构
在同一表面活性剂胶束中测得的增溶量,与增溶溶解质分子性质有关(比如分子是极性还是非极性,直链还是支链,以及分子的开头大小、结构等的作用),但它们之间没有简单的规律性。对于同一化合物的粒子越小,其增溶量越大。
温度
增溶量一般随温度上升而增加。在含一定量增溶溶解质的体系中,胶束量随温度增高而增加,进入胶束的增溶溶解质的分子数也随温度升高而增加。
①非离子表面活性剂的胶束随温度上升,其胶束量增大,胶束越大,增溶量越大。对于聚氧乙烯型非离子表面活性剂,温度增高时,聚氧乙烯基的水化作用减少,胶束较易形成。当温度升至接近浊点时,胶束的聚集数剧增。非离子表面活性剂的浊点,是增溶量随温度急剧增加的转折点。增溶效果在稍低于浊点的溶液温度时最好。
②对离子型表面活性剂,增加温度会引起极性和非极性物的增溶程度增加。这可能是因为分子热运动使胶束中能发生增溶的空间加大。2
本词条内容贡献者为:
蒲富永 - 教授 - 西南大学