生活中的化学:一个普通人的24小时生活

《生活中的化学》**章 早晨（章节选） 肥皂的历史已经消失在了时间的迷雾中。在古代，人们常将草木灰溶于水而得到碱液（lisciva）。碱液中含有钠和钾的氢氧化物。很可能过去有人将碱液与一些动物或植物的油脂混合，就这样**次产生了皂化反应。在发掘巴比伦（Babylon）地区的文物时，人们发现了含有类似肥皂材料的黏土陶罐，其历史可追溯到公元前2800年。另外，在埃及的一些莎草纸中也提到了制备肥皂的方法。罗马人当时似乎还不知道有肥皂这个东西，就像我们了解的那样：他们是用浮石或很细的黏土在身上摩擦来清洁身体。相反，阿拉伯人是娴熟的肥皂配制者。在阿拉伯古皂中，用橄榄油和月桂叶油制成的阿勒颇（Aleppo）肥皂即使在今天也特别有名。十字军东征时，阿拉伯人制作肥皂的技术逐渐传到西班牙、意大利和法国。在法国，肥皂的生产主要集中在马赛（Marseille），在那里，阿勒颇古皂的制作工艺得到了恢复和发展。 要了解肥皂的清洁去污性，得认真考虑其分子结构。羧酸的碳氢原子长链（烃基）具有化学家所说的憎水性（hydrophobic properties）。这个词的字面意思是“怕水”，表示烃基对水的亲和力很低，因此它们不溶于水。烃基反而对脂肪有亲和力，具有亲油性（carattere lipofile）。相反，被金属离子盐化的羧基具有亲水性（hydrophilic property），也就是说它对水有很大的亲和力。这是因为羧基中存在可以与水分子分离的部分电荷产生相互作用的负电荷［水分子为极性分子（polar molecule）］。肥皂分子在水中往往会聚集成一些小球体，球体内部集中着疏水碳链（憎水基）。小球体（称为胶束）的表面则分布着由带负电荷的羧基构成的亲水基（图5）。亲水的表面使它们能分散在水中，形成悬浮物。如果水中有油脂类物质存在（如油污），油脂就会被包裹在胶束中间，因为中间聚集着具有亲油性的碳链。这样一来，油污就可以在水中散开，从而达到清洁的效果。 当你淋浴或者在浴缸里泡澡的时候，你可能会看到浴缸底部有灰色的沉淀物，这让你有些不可思议，会觉得自己真的很脏。实际上，这些沉积物不一定是身上的污垢。它们通常来自我们使用的水中的钙盐或镁盐。这些盐决定了化学家所说的水的硬度。高硬度会使水的味道变得难闻，并且还会产生水垢（也就是石灰石）。水中的钙、镁离子也能与肥皂发生反应，取代钠离子和钾离子的位置。钠皂和钾皂是可溶性的，而钙皂和镁皂则不溶于水，这就是我们有时在浴缸底观察到令人不安的灰色沉积物的原因。 其他的清洁剂也能像肥皂一样形成胶束。所有具有这种特性的物质都被称为表面活性剂（surface-active agents），因为它们能降低水的表面张力（surface tension）。为了理解这个词的含义，我们需要回到刚才所说的水分子。水分子是极性分子，也就是说其内部电荷的分布是不均匀的。氧原子和氢原子通过电子键合时，氧原子有更强的吸引电子的能力，而电子带负电，因此氧原子就带有部分负电荷，氢原子则因缺乏电子而带有部分正电荷。因此，水分子就像一个有正负两极的小物体。这样的物体被称为电偶极子（electric dipole），它们彼此之间可以相互作用，因为它们的一端可以吸引另一个分子带有相反电荷的一端。这些分子间的相互作用称为偶极-偶极相互作用（dipole-dipole interaction）。在水分子这种情况下，它们就构成了所谓的氢键（hydrogen bond）。氢键倾向于将水分子聚集在一起。在水中的分子会被周围其他分子向各个方向吸引，并且它受到的作用力的合力会是零。而在水面上的分子只会受到一侧分子的吸引，因此整体的合力不会是零。所以，所有的液体表面分子都受到水内部的吸引，这使得水的表面看起来就像有一层薄膜。这种液体表面的拉力就形成了表面张力。表面张力的存在可以使某些昆虫在水面上行走，或者使小金属物体放在水面上不下沉。表面张力也与液体的浸润性有关。具有高表面张力的液体（如汞）不会润湿与之接触的固体。 表面活性剂，如肥皂，其分子结构具有两亲性：一端亲水，另一端疏水，这些分子被称为两亲分子（amphiphilic molecule）。除了形成胶束，它们还以亲水端朝下、疏水端朝上的方式排列在水面。这种表面活性剂分子表面的膜会降低水的表面张力。 为了简单直观地了解表面活性剂的作用，我们可以做一个简单的实验：在杯子里装满水，撒些磨细的胡椒粉或爽身粉在水面，再把一根牙签插入水中。我们观察到了什么呢？再用提前蘸过肥皂水的牙签重复刚刚的实验，这次又看到了什么呢？我们会观察到，漂浮的胡椒粉（或爽身粉）会在牙签周围散开，如果牙签是用肥皂水处理过的，这种现象就尤为明显。水的表面张力造成了这种奇特现象。前面已经说过，表面张力表现为好像有一层拉伸的膜与液体表面接触一样。正是由于这种虚拟“膜”的存在，胡椒粉（或爽身粉）的颗粒才会漂浮起来。将牙签插入液体中就好像我们刺破了假想的膜，被“膜”支撑的固体颗粒就会向外移动。用肥皂处理过的牙签更有效，因为肥皂大大降低了水的表面张力，膜就会表现得像突然破裂开一样。