视频版如下:
泡沫这种非热力学稳定的体系复杂得很,表面张力仅仅是“液体容易起泡”中的一个因素。
举个例子,表面活性剂能使水产生泡沫的原因之一是降低表面张力,而大部分消泡剂的主要原理也是降低表面张力[1]。起泡也是降低表面张力,消泡也是降低表面张力,会有这两个似乎矛盾的说法正因为表面张力小只是液体容易起泡的因素之一。
先说一个问题,怎样的液体溶液起泡。生活中的“容易形成泡沫”和书上的“容易起泡”有区别。最简单的拆分是1,容易形成泡沫;2,能稳定形成的泡沫。
容易形成泡沫确实就和表面张力相关。液体表面最基本的特性是趋向于收缩,作用于液体表面,使液体表面积缩小的力,称为液体表面张力。泡沫明显是表面积很大的状态,所以表面张力越大,越不容易形成泡沫。
而泡沫的稳定性则和液膜强度相关,受排液速率、气体的渗透性、活化剂、界面电荷、界面张力的修复作用……的影响。
后面的几个应该好理解,第一个排液速率听起来高级些,一些书上也会给出非常多专业名词,比如Gibbs三角、Plateau边界来描述。只是简单说说的话就是下图这种情况,表面张力Pb >Pa所以b处的液体向a处流,使得b处变薄,容易破裂。这就叫排液作用,这个过程的快慢就用排液速率描述。
排液作用其实也是表面张力的一种体现,液体从b流向a,表面积减小了。所以排液作用和表面张力有关,表面张力越小,泡沫稳定性越好。“表面活性剂降低表面张力有利于泡沫的形成和稳定”这说法就是怎么来的。
但泡沫本身就是热力学不稳定体系,泡沫稳定性一般用泡沫的“寿命”评价,考虑更多的是排液速率,这个和粘度的关系很大,粘度越大泡沫越稳定,这很好理解。
所以,酒精的表面张力比水小,比水更容易产生泡沫,但酒精的粘度仅仅略大于水,形成的泡沫很不稳定,很快就破灭了,所以一般被认为“酒精不容易产生泡沫”。
而蛋清、明胶这种表面张力比酒精大的液体,虽然产生泡沫比酒精难,但形成的泡沫稳定性很好,一般认为“容易产生泡沫”。
至于问题“为什么让乙醇产生泡沫比让水产生泡沫难”。
这还要说到表面活性剂的问题,表面活性剂能彻底改变“容易形成泡沫;能稳定形成的泡沫”这两点。很多“消泡剂”就是冲着表面活性剂去的,一个熟悉的例子是,硬水会使肥皂的泡沫变少,就是因为二价阳离子容易和脂肪酸钠反应,形成沉淀。
而非常不利于形成泡沫的水,因为极性大,表面活性剂的影响更明显,使之形成泡沫容易。而酒精的极性比水小,表面活性剂的影响没有那么显著。最简单的解释就是表面活性剂中亲油的那端也会进到极性小的液体里,这个说法不一定对哈。
当然还有其他的原因,比如更容易挥发、即使有表面活性剂界面张力的修复作用也差什么的。
这里顺路解释一下为什么消泡剂的表面张力也要小。消泡剂的作用机理非常复杂,说法也很多,比如:
之前说百科的词条不全面,就因为降低表面张力只是其中一种原理。
消泡剂微滴的表面张力要比泡沫液膜的表面张力还要低。消泡剂加入到泡沫体系值后, 消泡剂微滴与泡沫液膜接触,使接触位置的泡沫液膜的表面张力减低, 而周围液膜的表面张力没有变化。泡沫就破了。
这个问题涉及的因素太多了,之前看到有人说酒精有消泡作用,然后有人举啤酒的例子来打脸,对方又举酒精含量高的白酒泡沫少的事反打脸。
啤酒里的麦汁蛋白、酵母和酒花残渣等能稳定泡沫,至于白酒为什么没那么多泡沫,又让我想起了白酒含1000多种微量元素的梗……我也没学过这么多元素,不知道不知道。
更多的细节还是看书吧。
@想象中 大佬说得很好~
我再做点小小的补充~
其实让水产生泡沫并不比乙醇容易,题主有这种感受,大概是生活经验产生的误区,因为生活中见到的水很少有严格意义上干净的水,而见到的乙醇比如75%消毒酒精,里面除了酒精和水之外的东西就几乎可以忽略了,但是生活中的水里可能有各种无机盐,溶解的气体,细菌或者藻类及其尸体和代谢产物~
这些溶解的或者说分散的物质都会帮助泡沫稳定,尤其是细菌藻类和代谢产物,常会有多羟基类的化合物,比如各种苷,这些东西相当于非离子表面活性剂,还会有蛋白质这种大分子,正如前面大佬所说,大分子也可以稳定泡沫,其实蛋白质这种大分子往往都很复杂,可以理解为分子量很大的两性离子表面活性剂~总之有了表面活性剂之后,泡沫都可以更稳定~包括大家泡茶泡咖啡也比水更容易产生泡沫,其实也是一样的道理~
我平时使用去离子水和各种高纯有机溶剂很多,事实上,根据我的经验,绝大多数纯液体,都很难形成,或者说稳定泡沫~