亲水性，顾名思义，就是物质（或材料）对水的亲和能力。根据研究，分子对水的亲和能力，取决于分子的极性，极性大，一般来讲，分子的亲水性就大。由极性大的分子所组成的材料，其表面容易被水所润湿。亲水性，从本质上来说是分子的物理性质。如果分子的亲水性部分，能够有能力极化到形成氢键，那么相对于不能形成氢键的分子，或者极化能力小的分子，这类分子更容易溶解在水或者其他极性溶液里面。

生活中，常用的洗衣粉、洗衣液、洗洁精等清洁用品，都是应用表面活性剂的两亲（一端亲水一端亲油）性质来进行除污的。还有许多防水材料则是利用其亲水性差的特性制作的。在印刷行业，印刷版材的感光层中，当光照之后，光照部位的亲水性会变成憎水性（亲油性），在另外一些印刷版材的感光层中，则会发生相反的过程。

如上所述，一个分子在水中或者极性溶液中的溶解性，或者该分子的亲水性，取决于该分子的极性。那么究竟这个分子是属于极性分子还是非极性分子，如何判断？

根据研究，分子的极性与分子的空间结构有关，当一个分子中的正电荷“重心”与负电荷“重心”不能重合，那么分子就表现出极性，与此同时，对分子所有的化学键极性的向量求和，就得到了衡量极性大小的标度——偶极矩μ，偶极矩的大小就代表着分子极性的大小。

如前所述，物质的亲水性越大，其对谁的亲和性越好，就可以吸引水分子，甚至溶解于水。那么亲水性越大，就一定水溶性越好吗？实际上不是的，例如，比较明显的例子是氯甲烷、硝基苯的极性非常大，按照如前所述的亲水性非常好，可事实上这两种物质都难溶于水。

其实物质的水溶性，除了与物质的极性有关，还与其他因素，比如分子间作用力的类型、大小及分子结构有密切的关系。例如像硝基苯等一些物质，其分子的极性虽然很强，但是两者的分子结构和水的分子结构相差比较大，所以两者难溶于水。

所以说，根据亲水性的定义，虽然物质极性的强弱可以判断其亲水性的强弱，但是却不能反应出物质和水之间的接触状态，比如溶解、混合、悬浊等。本文尝试通过表面张力的方法，研究物质和水之间的接触状态，物质与水直接的界面（表面）形成方式，从而得出判断物质的亲水性的方法。

1、界面（表面）的亲水性

在实际的研究和实验过程中，也经常遇到物质或材料的亲水性问题。研究亲水性，就需要研究物质或材料与水的接触界面。通常使用表面来代替界面，比如习惯上把液体与空气的界面，还有固体与空气的界面，都称为表面。由于水通常情况下是液体，所以研究亲水性，就需要研究固体-液体（水）、液体-液体（水）的界面（表面）的性质。

1.1表面张力及其测定方法

研究固体-液体（水）、液体-液体（水）的表面，通常会用到表面张力。在液体的表面，与气体接触的地方，会产生一个薄薄的表面层，在这一层里面的分子，其分子间距离比液体内部大，比气体小，就像在液体与气体之间产生了一层“弹簧”一样，想要把“弹簧”拉开，“弹簧”就会向反方向收缩，这种使得液体的表面收缩的力，就称之为表面张力。

液体表面张力可以通过仪器测定，目前测定方法大体上分为动态法和静态法。这两大类方法下面由于细分，具体分类如表1。

表1表面张力的测定方法

值得注意的是，每种测定方法都有自身的应用范围，比如说如果测定液-液界面张力，就不能使用最大气泡压力法和毛细管上升法。此外目前的动态法，由于方法较为复杂，导致测试精度不能尽如人意，所以动态法很少能够成功应用。所以目前的实际生产和研究中，测定表面张力中多采用静态法。下面以滴体积法为例说明表面张力的测定。

滴体积法的基本原理是这样的，利用毛细管滴头，缓慢往下滴液体，这时候测量液滴的大小，就能测定液体的表面张力。这是因为液体的表面张力，与从毛细管滴下的液滴的大小有内在关联，存在正比关系，这个关系可以用数学公式表达：

对于特定的测量仪器和被测液体，R和ρ是固定的，在测量过程中，只要测出数滴液体的体积，就可计算出该液体的表面张力。

需要说明的是，测定表面张力的方法都有其应用的局限和缺点，例如上述的滴体积法，其缺点和局限是：

（1）至今为止，滴体积法只是一种经验方法；

（2）当遇到达到平衡较慢的表面时，滴体积法不能测定其表面张力，同时理论上讲，也不能达到完全的平衡；

（3）应用滴体积法，需要准确测定液体体积，还有液滴滴落速度控制等问题。

所以在实际测量时，可以根据要求或者能够较为容易实现的条件，比如实验精度或者实验设备等，再去选择测定表面张力的方法。

比如说，当需要测定时候的温度和压力比较高，可以采用最大气泡压力法、震荡射流法、等方法；而当测量的要求是精度高时，可以采用Wilhelmy吊片法、毛细管上升法等进行测定。

1.2液-固界面的润湿作用

滴在固体表面上的少许液体，取代了部分固-气界面，产生了新的液-固界面。这一过程称之为润湿过程。润湿过程可以分为三类，即：粘湿、浸湿和铺展，这里重点介绍铺展过程。

铺展，是指在等温、等压的条件下，液固界面取代了气固界面，然后产生了气液界面，这样一个物理过程。等温、等压条件下，可逆铺展单位面积时，Gibbs自由能的变化值为

其中，ΔG为Gibbs自由能的变化值，S为铺展系数，γg-s为气-固界面张力，γg-l为气-液界面张力，γl-s为液-固界面张力。如果若S≥0，说明液体可以在固体表面自动铺展。

目前，只有γg-l气-液界面张力可以通过实验测定，γg-l气-固界面张力、γl-s液-固界面张力还无法直接测定。所以上述式子不能在实际工作中直接使用。

在实际工作中，通常会用到接触角结合γg-l气-液界面张力来判断铺展过程是否自动进行。接触角，是指在固相、液相、气相这三相的交界点，两个界面张力（气-固界面与气-液界面）之间的夹角，通常用θ表示。如图1，将水滴滴到玻璃上，接触角如图所示。

图1接触角

根据杨氏润湿方程，COSθ×γg-l=γg-s-γl-s，所以铺展系数S=γg-l（COSθ-1），式子中γg-l，θ都可以测量出来，那么S就可以计算出来。

接触角的测量方法有多种，包括长度测量法、角度测量法、透过测量法等，都是比较简便的方法，比如角度测量法中，可以采用显微镜，用一安装有量角器和叉丝的低倍显微镜观察液面，直接可以读出角度。

由上述可知，水在固体表面的铺展可以通过实验测量γg-l，θ来确定，所以水在固体表面的铺展与否可以判断固体材料的亲水性。

基于表面张力方法判断物质（或材料）的亲水性（一）

基于表面张力方法判断物质（或材料）的亲水性（二）