问题

乙醇的表面张力远小于水的表面张力,那为什么让乙醇产生泡沫比让水产生泡沫难呢?

回答
这个问题问得很有意思,确实,乙醇的表面张力比水小很多,但我们在生活中却常常觉得水比乙醇更容易起泡,也更容易产生持久的泡沫。这背后涉及到一些关于泡沫形成和稳定性的关键因素,并不是简单地看表面张力就能完全解释的。

首先,我们得明确一点,表面张力小固然是产生泡沫的一个有利因素,但不是唯一因素,也不是决定性因素。 表面张力小意味着液体更容易在表面伸展,形成薄膜,这是泡沫的基础。但泡沫的产生和稳定,更取决于液体抵抗破裂的能力,以及泡沫壁内部压力和外部压力的关系。

让我从几个关键点来细说:

1. 表面张力的“动态”和“静态”

我们常说水的表面张力大,乙醇的表面张力小。这是指在静态情况下,也就是液体处于稳定状态时测量的数值。水的表面张力大约是72 mN/m,而乙醇在20°C时只有21.8 mN/m。

但泡沫的形成是一个动态过程。当你在液体中搅动、打气时,液体表面会不断地被拉伸,形成新的表面。这时,表面张力会发生变化。

对水来说: 水的分子之间有很强的氢键作用。当水被拉伸形成薄膜时,水分子需要重新排列,这需要能量,所以表面张力会“适应”这种变化。
对乙醇来说: 乙醇分子比水分子大,结构也不同。乙醇分子中有疏水的乙基(CH2CH3)和亲水的羟基(OH)。当乙醇被拉伸形成薄膜时,乙醇分子的排列会发生变化。有一些研究表明,在快速拉伸过程中,乙醇的动态表面张力(dynamic surface tension)可能比其静态表面张力要高,尤其是在浓度较低的情况下。这意味着,当你在快速搅动乙醇时,它的表面张力可能并没有我们静态测量时那么低,这就不利于快速形成薄膜。

2. 表面张力的“梯度”和“马兰戈尼效应”

这是解释为什么水泡沫比乙醇泡沫更稳定的关键!

马兰戈尼效应(Marangoni Effect): 这是一个非常重要的概念。当泡沫壁的某一部分因为蒸发、局部拉伸等原因导致表面张力升高时,周围表面张力较低的液体会迅速流向这个区域,从而“修复”薄膜,阻止其破裂。这个驱动力就是表面张力梯度。
水的优势: 水分子之间氢键强大,使得水分子的运动和重新排列在形成薄膜时,能够产生更显著的表面张力梯度。简单来说,当水膜的某处变薄、表面张力略微升高时,周围的水会更积极地“补给”过去,形成一种“自我修复”机制。
乙醇的劣势: 乙醇的分子结构使其在表面张力上的响应没有水那么“有力”。虽然乙醇的静态表面张力低,但它在形成薄膜时的表面张力梯度可能不够大,或者说,它的分子运动不足以有效地将低表面张力的液体输送到薄弱处来“填补”。一旦乙醇的泡沫壁出现一点点破损或者变薄,可能就很难通过马兰戈尼效应来及时修复,导致泡沫更容易破裂。

3. 泡沫壁的“粘度”和“弹性”

泡沫的壁其实不是纯粹的液体,里面常常含有表面活性剂、溶质等。

水的“增塑剂”作用: 纯净的水本身粘度不高,弹性也不强。但生活中我们接触的水,比如自来水,里面溶解了各种矿物质和气体,这些都能在一定程度上增加水的粘度和弹性。
乙醇的“稀释”作用: 乙醇与水混溶性极好,并且它本身比水更容易挥发。如果我们将乙醇稀释,它会降低水的表面张力,这没错。但如果单独考虑乙醇,它的分子结构相对“松散”,形成的薄膜可能没有那么“坚韧”。当加入一些有助于起泡的物质(比如肥皂)时,它们会在表面形成吸附层,增加泡沫的稳定性。但这些物质在乙醇中的行为方式可能与在水中有所不同。

4. 挥发性

乙醇的挥发性比水强得多。

快速蒸发: 乙醇会比水更快地从泡沫壁蒸发掉。一旦泡沫壁的液体蒸发,薄膜就会变薄,表面张力梯度会改变,而且液体量减少,导致泡沫结构不稳定,更容易破裂。
对泡沫稳定的负面影响: 即使有其他物质帮助起泡,乙醇的快速挥发也会不断地“剥夺”泡沫壁的液体,使得泡沫难以维持。

5. 表面活性剂的角色

虽然问题没有直接提到,但我们在讨论泡沫时,表面活性剂是绕不开的。

表面活性剂的作用: 表面活性剂(如肥皂、洗洁精)能够吸附在液体表面,显著降低表面张力,并且能够形成一种“弹性”的层。它们是产生稳定泡沫的关键。
在水中的效果: 表面活性剂在水中更容易形成排列有序的吸附层,并且能够有效地产生马兰戈尼效应,这是因为它们能够通过改变分子在表面层的排列来调节表面张力。
在乙醇中的效果: 某些表面活性剂在乙醇中的溶解度、吸附能力以及在表面形成的层状结构可能不如在水中那么“紧密”或“稳定”。虽然能降低表面张力,但可能无法像在水里那样,与水分子协同作用,形成一个足够“坚固”且能自我修复的泡沫壁。

总结一下:

虽然乙醇的静态表面张力很低,这理论上应该更容易起泡,但泡沫的产生和稳定是复杂的过程。

动态表面张力在快速拉伸时可能不如预期低。
更关键的是,乙醇缺乏像水那样强大的马兰戈尼效应来修复拉伸时形成的表面张力梯度,导致泡沫壁容易变薄和破裂。
乙醇的高挥发性也加速了泡沫的消失。
即使有表面活性剂,它们在乙醇中的行为也可能不如在水中那样能够提供足够的稳定性。

所以,不是乙醇“难”起泡,而是乙醇“难以形成稳定”的泡沫。我们用洗洁精洗碗时,产生大量丰富细腻的泡沫,而如果用乙醇(即使里面加点洗洁精)来做类似实验,效果就会差很多。这主要是因为水的表面张力虽然高,但它与表面活性剂结合后,能够产生更有效的马兰戈尼效应,从而形成更稳定的泡沫结构。

网友意见

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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:

  • 使泡沫液膜局部表面张力降低
  • 破坏膜弹性,使液膜失去自修作用
  • 降低液膜粘度,使泡沫寿命缩短
  • 疏水固体颗粒消耗表面活性剂

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。

参考

  1. ^ https://baike.baidu.com/item/消泡剂/2531536?fr=aladdin
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@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~

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