親水性，顧名思義，就是物質(zhì)（或材料）對水的親和能力。根據(jù)研究，分子對水的親和能力，取決于分子的極性，極性大，一般來講，分子的親水性就大。由極性大的分子所組成的材料，其表面容易被水所潤濕。親水性，從本質(zhì)上來說是分子的物理性質(zhì)。如果分子的親水性部分，能夠有能力極化到形成氫鍵，那么相對于不能形成氫鍵的分子，或者極化能力小的分子，這類分子更容易溶解在水或者其他極性溶液里面。

生活中，常用的洗衣粉、洗衣液、洗潔精等清潔用品，都是應(yīng)用表面活性劑的兩親（一端親水一端親油）性質(zhì)來進(jìn)行除污的。還有許多防水材料則是利用其親水性差的特性制作的。在印刷行業(yè)，印刷版材的感光層中，當(dāng)光照之后，光照部位的親水性會變成憎水性（親油性），在另外一些印刷版材的感光層中，則會發(fā)生相反的過程。

如上所述，一個(gè)分子在水中或者極性溶液中的溶解性，或者該分子的親水性，取決于該分子的極性。那么究竟這個(gè)分子是屬于極性分子還是非極性分子，如何判斷？

根據(jù)研究，分子的極性與分子的空間結(jié)構(gòu)有關(guān)，當(dāng)一個(gè)分子中的正電荷“重心”與負(fù)電荷“重心”不能重合，那么分子就表現(xiàn)出極性，與此同時(shí)，對分子所有的化學(xué)鍵極性的向量求和，就得到了衡量極性大小的標(biāo)度——偶極矩μ，偶極矩的大小就代表著分子極性的大小。

如前所述，物質(zhì)的親水性越大，其對誰的親和性越好，就可以吸引水分子，甚至溶解于水。那么親水性越大，就一定水溶性越好嗎？實(shí)際上不是的，例如，比較明顯的例子是氯甲烷、硝基苯的極性非常大，按照如前所述的親水性非常好，可事實(shí)上這兩種物質(zhì)都難溶于水。

其實(shí)物質(zhì)的水溶性，除了與物質(zhì)的極性有關(guān)，還與其他因素，比如分子間作用力的類型、大小及分子結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系。例如像硝基苯等一些物質(zhì)，其分子的極性雖然很強(qiáng)，但是兩者的分子結(jié)構(gòu)和水的分子結(jié)構(gòu)相差比較大，所以兩者難溶于水。

所以說，根據(jù)親水性的定義，雖然物質(zhì)極性的強(qiáng)弱可以判斷其親水性的強(qiáng)弱，但是卻不能反應(yīng)出物質(zhì)和水之間的接觸狀態(tài)，比如溶解、混合、懸濁等。本文嘗試通過表面張力的方法，研究物質(zhì)和水之間的接觸狀態(tài)，物質(zhì)與水直接的界面（表面）形成方式，從而得出判斷物質(zhì)的親水性的方法。

1、界面（表面）的親水性

在實(shí)際的研究和實(shí)驗(yàn)過程中，也經(jīng)常遇到物質(zhì)或材料的親水性問題。研究親水性，就需要研究物質(zhì)或材料與水的接觸界面。通常使用表面來代替界面，比如習(xí)慣上把液體與空氣的界面，還有固體與空氣的界面，都稱為表面。由于水通常情況下是液體，所以研究親水性，就需要研究固體-液體（水）、液體-液體（水）的界面（表面）的性質(zhì)。

1.1表面張力及其測定方法

研究固體-液體（水）、液體-液體（水）的表面，通常會用到表面張力。在液體的表面，與氣體接觸的地方，會產(chǎn)生一個(gè)薄薄的表面層，在這一層里面的分子，其分子間距離比液體內(nèi)部大，比氣體小，就像在液體與氣體之間產(chǎn)生了一層“彈簧”一樣，想要把“彈簧”拉開，“彈簧”就會向反方向收縮，這種使得液體的表面收縮的力，就稱之為表面張力。

液體表面張力可以通過儀器測定，目前測定方法大體上分為動態(tài)法和靜態(tài)法。這兩大類方法下面由于細(xì)分，具體分類如表1。

表1表面張力的測定方法

值得注意的是，每種測定方法都有自身的應(yīng)用范圍，比如說如果測定液-液界面張力，就不能使用最大氣泡壓力法和毛細(xì)管上升法。此外目前的動態(tài)法，由于方法較為復(fù)雜，導(dǎo)致測試精度不能盡如人意，所以動態(tài)法很少能夠成功應(yīng)用。所以目前的實(shí)際生產(chǎn)和研究中，測定表面張力中多采用靜態(tài)法。下面以滴體積法為例說明表面張力的測定。

滴體積法的基本原理是這樣的，利用毛細(xì)管滴頭，緩慢往下滴液體，這時(shí)候測量液滴的大小，就能測定液體的表面張力。這是因?yàn)橐后w的表面張力，與從毛細(xì)管滴下的液滴的大小有內(nèi)在關(guān)聯(lián)，存在正比關(guān)系，這個(gè)關(guān)系可以用數(shù)學(xué)公式表達(dá)：

對于特定的測量儀器和被測液體，R和ρ是固定的，在測量過程中，只要測出數(shù)滴液體的體積，就可計(jì)算出該液體的表面張力。

需要說明的是，測定表面張力的方法都有其應(yīng)用的局限和缺點(diǎn)，例如上述的滴體積法，其缺點(diǎn)和局限是：

（1）至今為止，滴體積法只是一種經(jīng)驗(yàn)方法；

（2）當(dāng)遇到達(dá)到平衡較慢的表面時(shí)，滴體積法不能測定其表面張力，同時(shí)理論上講，也不能達(dá)到完全的平衡；

（3）應(yīng)用滴體積法，需要準(zhǔn)確測定液體體積，還有液滴滴落速度控制等問題。

所以在實(shí)際測量時(shí)，可以根據(jù)要求或者能夠較為容易實(shí)現(xiàn)的條件，比如實(shí)驗(yàn)精度或者實(shí)驗(yàn)設(shè)備等，再去選擇測定表面張力的方法。

比如說，當(dāng)需要測定時(shí)候的溫度和壓力比較高，可以采用最大氣泡壓力法、震蕩射流法、等方法；而當(dāng)測量的要求是精度高時(shí)，可以采用Wilhelmy吊片法、毛細(xì)管上升法等進(jìn)行測定。

1.2液-固界面的潤濕作用

滴在固體表面上的少許液體，取代了部分固-氣界面，產(chǎn)生了新的液-固界面。這一過程稱之為潤濕過程。潤濕過程可以分為三類，即：粘濕、浸濕和鋪展，這里重點(diǎn)介紹鋪展過程。

鋪展，是指在等溫、等壓的條件下，液固界面取代了氣固界面，然后產(chǎn)生了氣液界面，這樣一個(gè)物理過程。等溫、等壓條件下，可逆鋪展單位面積時(shí)，Gibbs自由能的變化值為

其中，ΔG為Gibbs自由能的變化值，S為鋪展系數(shù)，γg-s為氣-固界面張力，γg-l為氣-液界面張力，γl-s為液-固界面張力。如果若S≥0，說明液體可以在固體表面自動鋪展。

目前，只有γg-l氣-液界面張力可以通過實(shí)驗(yàn)測定，γg-l氣-固界面張力、γl-s液-固界面張力還無法直接測定。所以上述式子不能在實(shí)際工作中直接使用。

在實(shí)際工作中，通常會用到接觸角結(jié)合γg-l氣-液界面張力來判斷鋪展過程是否自動進(jìn)行。接觸角，是指在固相、液相、氣相這三相的交界點(diǎn)，兩個(gè)界面張力（氣-固界面與氣-液界面）之間的夾角，通常用θ表示。如圖1，將水滴滴到玻璃上，接觸角如圖所示。

圖1接觸角

根據(jù)楊氏潤濕方程，COSθ×γg-l=γg-s-γl-s，所以鋪展系數(shù)S=γg-l（COSθ-1），式子中γg-l，θ都可以測量出來，那么S就可以計(jì)算出來。

接觸角的測量方法有多種，包括長度測量法、角度測量法、透過測量法等，都是比較簡便的方法，比如角度測量法中，可以采用顯微鏡，用一安裝有量角器和叉絲的低倍顯微鏡觀察液面，直接可以讀出角度。

由上述可知，水在固體表面的鋪展可以通過實(shí)驗(yàn)測量γg-l，θ來確定，所以水在固體表面的鋪展與否可以判斷固體材料的親水性。

基于表面張力方法判斷物質(zhì)（或材料）的親水性（一）

基于表面張力方法判斷物質(zhì)（或材料）的親水性（二）