阴离子表面活性剂的HLB值与端基和碳原子数的关系

阴离子表面活性剂的HLB值与

端基和碳原子数的关系

张　玉1,武晓洁2

(1.内蒙古科技大学化学化工学院,内蒙古包头014030;2.二连浩特铁中011100)

摘　要:通过应用M icro soft O ffice Excel2003对部分阴离子表面活性剂的HLB值所进行的处理结果发现:阴离子表面活性剂的HLB值随亲油基碳原子数的变化规律很好地满足线性函数y =ax+b这一关系。同时也发现端基不同的表面活性剂亲水基的亲水性越强,其HLB值曲线的截距越大,而其亲油基上每增加一个—CH2—所引起HLB值的改变却相同。

关键词:阴离子表面活性剂;HLB值;亲油基;亲水基

1　引言

表面活性剂是一种具有双亲结构的有机化合

物,并在工业生产中得到广泛的应用,素有“工业

味精”的美称。由于表面活性剂具有不同的化学结

构,因而表现出不同的物理化学性质。表面活性剂

的亲憎平衡就是其重要的性质之一。E riffin提出

用亲憎平衡值(HLB)来表征表面活性剂的这一

特性。这是一种应用广泛的数字评价法。到目前

为止,表面活性剂的HLB值还不能通过数学的方

法比较准确地进行计算,仍然依靠实验测定和经验方法来获取,当然也可通过坐标作图法获取,但是所得数据的准确度并不高。为此特将部分阴离子表面活性剂的HLB值输入计算机,应用M i2 cro soft O ffice Excel2003进行处理,并对HLB值随亲油基碳原子数的变化规律及不同端基对它的影响作了比较全面的分析研究。

2　数据处理

为了能够比较准确地用数学函数来描述阴离子表面活性剂的HLB值随其亲油基碳原子数的名称HLB值名称HLB值名称HLB

值辛烷酸钠41.90　酸钠21135　烷磺酸钠13125　酸钠40.95十二酸钠20.40十二烷磺酸钠12.30十二烷酸钠40100十四酸钠19145十四烷磺酸钠11135十四烷酸钠39105十六酸钠18150十六烷磺酸钠10140十六烷酸钠38110十八酸钠17155十八烷磺酸钠9145变化规律,采用M icro soft O ffice Excel2003对HLB值(表1)进行了线性函数拟合处理。通过利用电子表格的强大功能获得了HLB值曲线、拟合曲线、拟合方程和R2值,其中R2值越接近1,表明拟合程度越高。然后再通过拟合方程进下去探索更多有用的信息。

3　结果与讨论

采用M icro soft O ffice Excel2003对三组阴离子表面活性剂的HLB值进行线性函数的拟合处理,得到了HLB值曲线和拟合曲线各三条及拟合方程和R2值各三个(图1),拟合方程的通式为y=ax+b。

图1　阴离子表面活性剂的HLB值与

端基和碳原子数的关系

3.1　阴离子表面活性剂的HLB值与其亲油基碳原子数的关系

从图1明显可见阴离子表面活性剂的HLB 值与亲油基碳原子数的关系曲线和拟合曲线完全重叠在了一起,且三个R2值均为1。说明阴离子表面活性剂的HLB值不仅随亲油基碳原子数的增加而减小,而且很好地满足线性关系,并且完全满足线性方程y=ax+b的变化规律。

从图1还可发现三条不同的HLB值曲线有着相同的斜率,这说明表面活性剂亲油基饱和直

4内蒙古石油化工第30卷　

链上每增加一个—CH 2—所引起的HLB 值的改变是相等的。

由于存在上述的同系线性关系,所以可利用图1给出的方程准确地计算有关化合物的HLB 值。例如:十二烷基硫酸钠的HLB 值的计算值为HLB =-0.475×12+45.7=40.0,与实验值40100相比,误差为0,说明计算值是完全可信的。3.2　不同亲水基对阴离子表面活性剂HLB 值的影响

曲线截距的大小与端基亲水性的大小相关。端基的亲水性越强,曲线的截距越大,反之亦然。由图1可看出,三条HLB 值曲线的截距不同而且差异也比较大,这是由于表面活性剂所连亲水基亲水性的不同所致。这种亲水能力的大小,实际上与亲水基团的构型、共轭程度和元素的电负性相关。对于烷基硫酸钠、烷基酸钠和烷基磺酸钠这三种不同类型的阴离子表面活性剂,它们在水溶液中均会解离出带负电荷的亲水基团R —SO -4、

R —COO -和R —SO -3,当R 相同时,亲水性的大小顺序为:R —SO -4>R —COO ->R —SO 3-。这主要是由于亲水基团R —SO 4-中S 原子采用sp 3杂化,为四面体构型(图2a ),O —S 键的键长为149pm ,具有很大的双键性质,四个氧原子与硫原子之间的键基本一样,所以R —SO 4-基团在水溶液中非常稳定,有利于H 原子的离去;R —COO -中C 原子采用sp 2杂化,为平面三角形,C =O 双键的Π电子与氧负离子中的一对P z 电子形成034离域共轭Π键(图2b ),使体系的能量降低,可在水溶液中稳定存在;R —SO -3中S 原子虽也采用sp 3杂化,也为四面体构型(图2c ),但与R —SO 4-相比却少了一个电负性大的O

氧原子,与R —

COO -相比,S 原子的电负性又比C 碳原子的小,

所以,当R 相同时,R —SO -4的亲水性最强,R —

COO -的适中,而R —SO 3-的最弱。

图2　三类阴离子表面活性剂的结构

综上所述,对含有不同端基的阴离子表面活性剂,亲水基亲水性越强,HLB 值曲线的截距越大,反之亦然。但是亲油基碳链上每增加一个—CH 2—所引起HLB 值的改变却是相同的,而且这种改变很好地满足同系线性关系。利用这一线性关系的拟合方程y =ax +b ,即可准确地计算出同系表面活性剂的HLB 值,同时还可预测其使用性质。所以说这是一种更为简便、快捷和准确计算HLB 值的经验方法。

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Relation between HL B Values of the Part of An ion Surface Active Agen ts with

Nu m ber of Carbon A tom and Term i n al Group

ZH A N G Y u W U X iao -j ie

(Co llege of Chem istry and Engineering ,InnerM ongo lia U niversity of Science and Technique (East D istrict ),Bao tou 014030,China )

Abstract :In th is p ap er ,a law 3has been discovered by M icro soft O ffice Excel 2003that the hy 2

drop h ile -li pop h ile balance of the p arts of satu rated straigh t -chain an i on su rface active agen ts change w ith changed num ber of carbon atom of its li pop h ile group .It has a linear relati on and satisfies a func 2ti on y =ax +b .A t the sam e ti m e ,ano ther law has been discovered that hydrop ile of hydrop h ilic group s the m o re large ,the in tercep t of cu rve the m o reover large ,the change of cu rve is sam e ,w hen a group of -CH 2-w as been added to satu rated straigh t -chain of li pop h ile group .

Key words :an i on su rface active agen t ;HLB ;li pop h ile group ;h idrop h ile group

收稿日期:2004年5月8日

　第30卷阴离子表面活性剂的HLB 值与端基和碳原子数的关系