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为什么水不会起沫,尿和冰红茶会?

Tiluria / CC0

为什么水不会起沫,尿和冰红茶会?

许小然,似兰斯馨,如松之盛。

这是个不错的问题。

其实水也是会起泡沫的,一切液体都可以产生泡沫(甚至汞),但是差异是在泡沫的寿命上。纯水是因为泡沫的寿命太短,所以当你在搅拌液体形成泡沫之后,在液体平静下来以便你观察之前,泡沫就都已经破碎了。对于纯液体,液体能够产生气泡的能力仅仅取决于这个液体的粘度。

所以说,我们经过上面这一段阐述,其实已经无形中把这个问题转化为了另一种更为精确的形式:为什么一些液体的泡沫寿命更长,以尿液和冰红茶为例?这其实是表面活性剂的马伦戈尼效应的效果之一:泡沫的稳定化

话说尿液可太真实了,题主一定是男孩子,我当年上 surf chem 课的时候用的例子是啤酒来着,你这让我以后怎么喝啤酒

生活中常用到的表面活性剂一般是脂肪酸离子盐、脂肪磺酸盐等,其化学本质是一种双亲性分子(amphiphile),指的是在这种分子的内部同时存在亲水性基团(hydrophilic group)(一般是极性基团如离子盐)和疏水性基团(hydrophobic group)(一般是烃基链)(Figure 1)。

Figure 1 |(a)表面活性剂 / 双亲性分子由亲水的首基(hydrophipllic head group)和憎水的尾链(hydrophobic tail)构成。(b)当表面活性剂被分散在水中的时候,在表面附近的表面活性剂中的亲水的首基会与水发生相互作用,而另憎水的尾链直立于水相之外,以此降低界面自由能(和水的表面能)。

由于液体在重力作用下会发生厚度的再分布,这时候在单个泡沫最上方顶点处(Figure 2c 中的 A 点)就很容易由于无法支持下方液膜的重量、或是由于表面张力导致的连续液膜破缺,将液膜撕裂,继而导致气泡的破裂。这也基本是最常见的一种泡沫破裂的原理。

Figure 2 |(a)刚刚形成的、各处液膜厚度均匀分布的泡沫会由于重力的作用,在一段时间之后变成(b)下厚上薄的变形泡沫。如果取(b 中方形框,c)泡沫上方顶点附近区域进行分析,泡沫的破裂往往发生于液膜最薄点(A 点)。

当液体中存在其他组分,变成了一个分散系统了的时候,情况则会不一样得多。水中存在一定浓度的表面活性剂之后,则会引发 Marangoni 效应这个效应又被称为表面弹性(surface elasticity)。为了说明这个效应的实际效果,我们还要重新看一下 Figure 2(c),就是气泡液体膜最薄的那个部分。液体膜被拉伸意味着新的表面的生成,但由于考虑到此时的液体已经不再是纯液体,而是表面覆盖有表面活性剂 / 双亲性分子的液体,而新生成的表面却是十分光洁、没有双亲性分子附着的液体表面,这个时候表面活性剂的分布梯度,i.e. 表面自由能的梯度,就会驱动周围的双亲性分子自发向新生成的表面移动,与此同时也就拖曳了一部分水,填补了被拉伸变薄的厚度,实现了自动愈合(self-healing)(Figure 3[1])。

Figure 3 | 由 Marangoni 效应引发的液膜自动愈合。

在尿液中,扮演表面活性剂的角色主要是是大分子蛋白质和一些双亲性小分子。而在冰红茶中,这一角色主要由维生素 C、柠檬酸 - 柠檬酸钠缓冲对、和焦糖色担任。

以上。