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一、什麼是泡沫？
泡沫定義：由不溶性氣體分散在液體或熔融固體中所形成的分散物系。
我們用日常生活中見到的情況作為例子，比如搖晃一個封閉的礦泉水瓶，肯定會起泡，但是很快就破滅了。如果你要將礦泉水瓶裡裝上肥皂水，泡沫將會更加豐富，而且還不破滅，更能被小朋友拿過來吹泡泡，這是什麼原因呢？為了解釋這一點，下面這個圖應該都能看得懂，地球上的任何事物都會受到引力，泡沫的那層水也不例外，會很自然的往下流，這就叫“排水效應”。
礦泉水也好，肥皂水也好，都會有這個“排水效應”，那麼為什麼肥皂水的泡沫能比水多維持那麼長時間呢？不是因為純水有問題，而是因為肥皂水中有一些物質可以對抗排水效應。這當然就是我們大名鼎鼎的表面活性劑了，有人說過，如果沒有表面活性劑，有90%的化學工作者將會失業。
表面活性劑的結構大家高中都學過，有一個親水基團和一個憎水基團（也叫疏水基團），一般來說，它們存在一定的極性，所以兩個基團帶有不同的電荷，但是它們在水裡是如何分佈的呢？如下圖：
親水基朝向裡面，憎水基朝向外面
而泡沫只是一層水，這時候，表面活性劑的分佈是這樣的，如下圖：
疏水基朝向外部的氣相，親水基朝向液內
按照前面說的“排水效應”，液相里的水是要不斷往下流的，但因為表面活性劑而有了不同。
電荷排斥效應：親水基帶有同樣的電荷，所以會相互排斥，這種電荷排斥撐起了泡沫層，在垂直方向維持著泡沫的穩定。
Maragoni效應： 泡沫的內外層裡，親水基之間、疏水基之間都存在著電荷排斥，這種排斥力從橫向撐起了泡沫層。
小結一下：
1.只要有液氣混合就會有泡沫，但排水效應會加速泡沫消失，宏觀上我們說的泡沫實際上是“穩泡”。
2.表面活性劑是較常見的“穩泡”物質。
英國人制造出世界上最大的泡泡
二、洗髮水的清洗機理
1.我們洗去的是什麼？
答：頭髮上的汙垢主要是分泌的皮脂、汗漬、頭皮屑、來自外界的灰塵、發用品的殘留，如髮蠟、髮膠等。在這些汙垢裡面，能溶於水的都好辦，用水一衝就溶解了。一些粒徑較大的物理顆粒也好辦，水一衝，手一搓，基本上也都沖刷走了。比較難洗去的就是皮脂，我們洗碗洗衣服的時候都深有感受，油鍋比電飯鍋難洗的不是一點兩點。
所以，我們洗衣服要用洗衣粉；洗碗，要用洗潔精；洗手，要用洗手液；洗臉，要用洗面奶；洗頭髮，就要用洗髮水啦。萬變不離其宗，這些日化品的內核就五個字——表面活性劑。
2.洗髮水工作原理
洗髮水中含有10-20%的表面活性劑，這個濃度已經很高了，你把洗髮水兌點水在手上搓搓，泡沫就起來了，這就是表面活性劑在幫忙穩泡。
細究一下洗髮水的內部，由於濃度遠超cmc（臨界膠束濃度），表面活性劑不光分佈在表面，更會在內部形成“膠束”，親水基朝外，憎水基朝內，如下圖：
中間形成球狀就是膠束
而當這些膠束接觸到油汙後，“久旱逢甘霖”的憎水基（親油基）就如同下圖一般，緊密團結在油汙的周圍，將它裹的嚴嚴實實，密不透風。這些膠束帶著油垢一起，從毛髮或皮膚上脫落，溶入水中，如下圖：
這個過程叫做乳化，通過表面活性劑將油性物質和水互溶，外觀上形成乳液的效果。其實，也並不是所有的乳液都和牛奶一樣，很多看起來清澈透明的化妝水也是乳液的一種，只不過是微乳液。
不同粒徑乳液的外觀不一樣，粒徑越小，越澄清透明。
三、回到問題：為啥“起的沫少就髒，起的沫多就乾淨”呢？
這表面活性劑也不是永動機，也要講能量守恆、物質不滅這些基本法的，當一部分表面活性劑形成了膠束，當好了“乳化”的班，它們就無法分身，去做“起泡”的活了。
除此以外，這裡更需要考慮另一個效應，就是油的消泡效應。沒錯，表面活性劑有穩泡的能力，一物降一物，那麼我們就必須研究出來一個消泡的，消泡劑一般有：礦物油、有機硅等，特徵就是表面張力比較低的物質。一般公認的消泡機理是：消泡物質必須不溶於起泡液且表面張力低於起泡液，這些不溶於起泡液的顆粒物進入泡膜內部後，引起泡沫不穩定而讓泡沫破裂。
上述消泡機理
現在主流的消泡機理就有四種，化學工程師們都很謙虛，他們認為沒有一種可以概括所有的消泡現象。所以，chemistry=chem is try，這真是化學化工有意思的地方。從我們生活經驗來說，如果過了好幾天再洗頭，洗髮水起的泡泡確實是少很多的，這並不是洗髮水變質了，而是來自以上的道理，我們每個人都可以去試試。
我們還可以得出一個引申的結論，並不是泡沫多才說明洗髮水效果好，現在很多領域都已經開始研發使用低泡的表面活性劑，比如低泡洗衣液等，因為泡沫多了，你家的洗衣機就要溢出了，這從另一個方面說明，泡沫並不是越多越好。
總之，表面活性劑是一門很神奇的科學，它可不僅僅是有起泡和乳化作用，還有很多種功能，比如：潤溼、清洗、滲透、增溶、增粘等等。在各個領域都會用到，比如：紡織、日化、塗料、造紙、清洗、油田、水處理、潤滑油、有機硅、農藥等等。
有人說過，如果沒有表面活性劑，有90%的化學工作者將會失業。現在一直流行生化環材勸退論，其實我就覺得，如果你學習表面活性劑的話，最起碼不會失業。
作者：魯超
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來源：新華號 新知問答
