有關界面化學的一些有趣現象
转自：http://chntlb.chshs.tpc.edu.tw/science/content/1973/00110047/0014.htm
【摘要】許多現象都與界面化學有關
很久以前美國有一所製造界面活性劑的工廠登出了二幅饒有趣味的廣告圖晝。在第一幅裏，一隻天鵝和顏悅色，怡然自得地在水面上游泳。只見風平浪靜，水波不興。其實斯時斯景本是我們司空見慣，習以為常的一種景象。可是在第二幅畫裏卻見水花四濺中的一隻天鵝，手忙腳亂，焦頭爛額地拼命想浮起來。原來，在第二幅畫的水中加入了一些該工廠出品的界面活性劑。該工廠想藉這隻載浮載沈的天鵝之驚慌的表情以及掙扎的舉動，來炫耀其所出品的界面活性劑之性能是如何地有效與優越（圖一）。
天鵝的比重比水大，本來是不應該浮在水面的，但是天鵝的羽毛上覆蓋著一層不能被水濕潤的油類；同時，天鵝身上豐富的羽毛之間保持著多量的空氣；再加上水的表面有表面張力。這些原因使得天鵝得以輕鬆自如地在水面上游來游去。然而如果在水中加入了一些界面活性劑，則可大大的減少表面張力，也有令水濕潤他物的效果。結果，因為讓天鵝悠然浮於水上的有利因素被界面活性劑所除去，天鵝便游泳不得，終將滅頂。這兩幅畫確是表示界面活性劑具有減少水的表面張力，增加濕潤性的最佳代表作。
隨著民生的進步，經濟的繁榮，很多漂亮而精巧的玩具充斥市面。一般人也綽綽有餘為小孩子買一些巧奪天工的玩具。但是回顧四、五十年前，一位小孩子能夠吹肥皂泡就算是一種神奇、愉快而普遍的娛樂了。小孩子們都知道單單用普通的自來水絕對不可能吹成這麼大，這麼晶瑩、美麗的泡泡出來。但是如果水中加入肥皂就可以達成他們的願望。可是大家多半只知其然而不知其所以然。在水中加鹽、加糖都不能達到這個目的，肥皂是他們手邊最易得到，最易達成願望的唯一物質。如果把水中通空氣，當然可以見到氣泡，但是這個氣泡一離開水面馬上破壞而消失；然而如將空氣通過肥皂水，卻可以見到水面上保持著很多穩定的氣泡、泡沫（如圖）。根據科學家之研究，所有液體的表面均有一種張力，稱為表面張力，不同的液體則有不同的表面張力。如果水中加食鹽，則增加表面張力；加入酒精即減少其表面張力；而加入一點點的肥皂，表面張力卻有很顯著地降低。這種能夠減少表面張力的現象稱為界面活性（或表面活性），而減少表面張力特別大的藥劑稱為界面活性劑（圖二）。肥皂乃是最早發明的界面活性劑。
表面張力的大小和泡沫的穩定性有密切的關係。因表面張力是液體分子之間的親和力在表面所造成的現象，因此表面張力大的液體，他物不容易進入，也不容易形成薄膜；而表面張力小的液體就容易形成薄膜，而可以保持穩定的泡沫。很顯然，每一位小孩子童年所經歷過的肥皂泡沫，就是因為肥皂把水的表面張力減少，而可以如願地把小氣泡吹成了晶瑩奪目的大氣泡。
最近常見茶壺的嘴上都裝上一個塑膠套以免倒茶時一部分的茶水沿著壺嘴的下緣流下來（圖三）。其道理如用界面化學的常識來加以分析的話就昭然若揭了，原來茶壺表面上有一層玻璃質的釉。而水的濕潤性對於玻璃質遠比塑膠來得容易。這個現象可用下面的實驗來幫助了解：如果在玻璃表面滴下一滴水銀時，可成為一顆晶瑩漂亮的水銀球；但摘下一滴水時，卻擴展成為面積很大的一片水域。此乃因為水銀的表面張力很大，不易濕潤玻璃表面，而水的表面張力相對較小，可以濕潤玻璃之故。再進一步觀察，如果把水滴在PE塑膠的表面（PE是聚乙烯polyethylene之縮寫，一般塑膠袋就是用PE做成的），則不像在玻璃表面可以攤成一片水域，在PE塑膠表面只見水還是可以形成拱圓形的水球。研究的結果發現水可以濕潤玻璃表面，但不容易濕潤PE塑膠（圖四）。
濕潤性的大小可以用水滴邊緣之切線與固體表面之夾角來表示。此稱為接觸角。接觸角的大小與濕潤性成反比。純水和各種固體之接觸角為石蠟108°﹐PE88°﹐PVC65°，金6～7°﹐銀7～10°﹐玻璃0～5°。以上之討論可以闡明茶壺嘴上裝上塑膠套之緣故。
增加濕潤性亦可增加滲透性。在無數化學工業上，濕潤性與滲透性佔有絕對的重要性。很多國產的顏料雖然顏色瑰麗十足，但在工業上實際應用時卻不如外國貨混合得細膩均勻，玲瓏剔透。究其原因，簡單地說只因這些五顏六色的顏料用於塑膠、橡膠、油漆等染色時，其親和力沒有舶來品好。本來顏料泰半為無機物的極性化合物，所以難免對於塑膠、橡膠、油漆等的非極性化合物之親和力小。舶來品的顏料藉著界面化學知識的幫助，利用界面活性劑處理顏料的表面，使其增加親油性，遂提高其品質。其他很多化學工業上所遇到的困難的癥結，往往只不過是兩個不同界面之濕潤性與滲透性偏低所致，諸如皮革工業的鞣皮過程，造紙工業的蒸煮過程、紡織工業的精煉過程以及染色過程所遇到的困難。其實這些令人一時頭痛的問題，只要適當地加入一點界面活性劑以減少液體之表面張力，降低其接觸角，提高濕潤性與滲透性，就可迎刃而解。環顧外國的化學工業，界面化學的研究與應用已成舉足輕重、方興未艾的嶄新技術。這真是值得向國人介紹，引為借鏡的。
牛乳中含有很多的脂肪（奶油）。水、油不互溶這事本是眾人皆知的常識；其實，也就因為不互溶才有水與油之別。石油和動、植物油是構造完全不同的物質，但因為它們皆與水不互溶故有油之通稱。不互溶之原因很簡單，因油類屬非極性化合物而水是極性化合物。即使水油混合液激烈攪拌，也許一時可以均勻混合，但放久了之後還是會因為比重不同而分為二層。可是如將此混合液加入肥皂（一種界面活性劑）再加以攪拌，則不論經過多久，總是呈現均勻的乳態。這是因為肥皂溶於水後減少水了的表面張力，因而可以使油維持著微小油滴的形式，均勻地瀰散於水溶液之間。這就是所謂乳化作用。乳化作用特別強的界面活性劑特稱為乳化劑。我們日常生活中所見所聞，乳化劑的應用真是不勝枚舉，例如許多化粧品、食品、農藥、紡織等等的製造。
人的皮膚不斷地分泌一種乳化的皮脂來保護皮膚。化籹水與面霜就是模仿這種原理所製造出來的一種人造乳化脂質，就是選擇有保護皮膚作用的油脂再用適當的界面活性劑加以乳化即得。餐桌上的沙拉醬，是西餐不可或缺的食品，它含有60至80%的食用油。但是吃沙拉醬卻不覺得有那種食用油的異味，這是因為沙拉醬是一種乳化製品。沙拉醬除了含60～80%的食用油外，還含有10～20%的醋以及6～10%的蛋黃。蛋黃本身除了含有豐富的營養之外，也有天然乳化劑之效。牛奶糖雖是糖做成的食品，但與純由糖做成的糖果不同，前者不沾牙齒，這也是托乳化作用之福。
筆者依稀記得在三、四十年前初受啟蒙時，化學老師解釋肥皂之去污作用是靠其鹼性將油污皂化、乳化使其變成水溶性而被水沖走。現在我們對於各種清潔劑之去污原理已經瞭如指掌。事實上清潔劑之清潔作用是一種濕潤、滲透、溶化（solubilization）、分散乳、化之綜合作用。我們所謂的污物可以是水溶性物質、塵埃或油污。如果只用水洗，那些水溶性物質或部分塵埃可以溶於水而剝離，但是吸附性較大之塵埃與油污卻依然故我。去污作用之第一段功效是濕潤與滲透（圖五）。有些塵埃及油污不能被水洗掉，是因為它們對物體表面（衣服等）之吸附力大，而水對它們與物體表面之濕潤、滲透力不足之故。如果在水中加一點界面活性劑增加其濕潤、滲透力就可達到去污剝離之作用。
界面活性劑與一般化合物不同之點在於界面活性劑的一端可以聚在一起而成為微胞（micelle）；例如在水中，界面活性劑之親油基（以——基示）容易聚首，而在油中其親水基（以。表示）容易相向，這種現象的原因就是上述微胞之形成（圖六）水中微胞的內部是親油性的一端，能溶解油類（即所謂溶化作用（solubilization）。被溶化於微胞內的油污顯然不易再沾污物體的表面，結果就達到去污清潔的效果。一般家庭用的清潔劑主要是界面活性劑，但往往添加少量的矽酸鹽、磷酸鹽等等，這些添加物本身並無界面活性，但卻可以增加界面活性劑之清潔作用。
（作者簡介：國立成功大學化學系教授）