●　香皂和清洁剂

起床真的好难啊，但闹钟一响只得遵命起床了。在黑暗中摇摇晃晃（不开灯以避免影响你的妻子和孩子）如行尸走肉一般走向浴室。进去关上门，打开灯。你仍然睡眼惺忪，需要几秒钟才能清楚地感知周围的环境。灯光刺激着你，帮助你清醒。在解决完迫切的生理需求后，你进入浴室隔间：新的一天从舒服的淋浴开始。在完全淋湿了身体之后，你得做决定了，妻子在小架子上准备了肥皂、沐浴露、洗发水和护发素。平时你不会特别关注各类产品之间的区别，但今天早上不知道为什么，你突然想知道它们之间有什么实质性的区别。

先说说肥皂吧[20]。“肥皂”一词表示长链羧酸的钠（Na）盐或钾（K）盐。长链羧酸是由与氢原子连接的碳链组成的化合物，其末端是所谓的羧基（carboxyl），因此它的名字中就有了“羧酸”这个词。羧基由一个碳原子、一个氧原子和一个羟基（hydroxyl，由一个氧原子和一个氢原子相连组成的基团）连接组成，其中碳原子以双键连接氧原子，以单键连接羟基。羟基呈酸性，因为羟基中的氢可以作为阳离子（cation）脱离，因此它的位置可以被金属离子，如钠离子和钾离子取代。当这种情况发生时，就会形成相应的盐，即肥皂[盐化的羧基称为羧酸盐（carboxylate）]。钠肥皂一般是固体状，而钾肥皂是**状。图4所示为钠皂的分子结构。

图4　钠皂的分子结构

肥皂中常见的羧酸有月桂酸（lauric acid）、豆蔻酸（myristic acid）、棕榈酸（palmitic acid）、硬脂酸（stearic acid）、油酸（oleic acid）、亚油酸（linoleic acid）和亚麻酸（linolenic acid）。通过其中一些酸的名字，我们很容易猜到这些酸存在于哪些植物中，比如月桂、棕榈、橄榄、亚麻籽等。它们以甘油酯（glyceride）的形式存在于植物中。甘油酯是由脂肪酸与甘油（即丙三醇）结合而成的分子[属于油脂或类脂（lipid）类]。甘油是一种三元醇，也就是由3个碳原子（连接有氢原子）和3个羟基连接组成的分子，并且每个碳原子各连接着一个羟基。其中醇分子的每一个羟基的氢原子都可以和羧酸分子的羧基中的羟基通过特殊酯键（ester bond）结合。如果只有一个羟基被酯化，就称为甘油单酯（monoglyceride）；如果两个被酯化，就是甘油二酯（diglyceride）；如果三个都被酯化，就是甘油三酯（triglyceride）。除了上述植物，甘油酯还存在于动物性脂肪（黄油、猪油等）中。

因此，要获取肥皂可以从动物或植物油脂开始，将油脂与氢氧化钠或氢氧化钾混合加热处理。在皂化反应过程中，形成高级脂肪酸钠盐或高级脂肪酸钾盐，也就是肥皂，反应过程中还得到了副产物——甘油。这就是老式肥皂的制作过程。

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，就这样第一次产生了皂化反应。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。

图5　胶束的结构示意图

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**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**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**的浸润性有关。具有高表面张力的**（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**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**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。

根据其化学特性，表面活性剂可分为不同类别。阴离子表面活性剂（anionic surfactant，阴离子一般是负离子）通常由碳原子长链形成的盐类组成，其末端是特定的带负电荷的基团。我们已经研究过的肥皂就属于这一类活性剂，我们前面已经提到过，它的负电荷基团是盐化的羧基[羧酸根离子（carboxylate anion）]。除了这个基团，在阴离子表面活性剂中还有磺酰基（Sulfonyl group），它含有硫原子和氧原子。月桂基硫酸钠（SLS）、月桂醇聚醚硫酸酯盐（LES）和许多烷基苯磺酸（Alkylbenzenesulfonate acid， ABS）皆属此类。阳离子表面活性剂（cationic surfactant，阳离子一般来说是正离子）是指亲水端带有正电荷的盐类。它通常由季铵基（quaternary ammonium）组成，季铵基又由4个取代基键合的氮原子组成。苯扎氯铵（Benzalkonium chloride， BAC）和十六烷基三甲基溴化铵（Cetyl trimethyl ammonium bromide， CTAB）属于此类活性剂。此外，还有非离子表面活性剂（nonionic surfactant），即分子溶于水后不发生电离，不带电荷。它们通常是长链脂肪醇，如脂肪酸的聚氧乙烯衍生物（i derivati poliossietilenici degli acidi grassi）或烷基聚葡萄糖苷（Alkyl Polyglycoside， APG）。聚乙二醇辛基苯基醚（Triton X-100）和聚乙二醇与十六醇的缩合物（Cetomacrogol）也属于这一类。最后还有所谓的两性表面活性剂（amphoteric surfactant），其分子中同时含有正电荷和负电荷，其性质表现为酸性或碱性取决于所处的环境。例如，十二烷基甜菜碱（dodecyl betaine）和氨基羧酸（aminocarboxylic acid）。

我们提到的很多表面活性剂都可以在淋浴间架子上的产品中找到。在洗发剂中，纯表面活性剂（活性清洁物质）的平均含量通常在5%～15%。一般的表面活性剂通常由月桂基硫酸钠或其他烷基硫酸盐组成。还有一种改良的表面活性剂，它能减弱一般表面活性剂的侵蚀性。此外，针对想要解决问题的类型（使干性头发变柔顺、去头皮屑等）可以添加特定的功能性物质：想要头发茂密，可以添加增稠剂（稠度因子）；想要使最终产品的状态变得透明或有颜色，可以添加香料、防腐剂、着色剂和其他添加剂，例如，乙二醇硬脂酸酯（ethylene glycol stearate）、硬脂酰胺MEA-硬脂酸酯（stearamide MEA-stearate），或者为了获得乳状外观的特定乳剂。沐浴露中通常有更为浓缩的表面活性剂混合物，平均所含的活性清洁物质是洗发剂的两倍左右。香料的含量也大得多，是洗发水的5～10倍。沐浴露可以有不同的质地（透明的、珠光的、有颜色的），有时还含有小颗粒，以达到所谓的磨砂效果（轻微的摩擦用于深层清洁和清除死皮细胞）。所谓的洗发沐浴二合一是一种介于洗发水和沐浴露之间的产品。其活性清洁物质和香料的含量都处于中间水平。

护发素有多种功能：能刺激头皮分泌油脂，弥补洗头带走的过多皮脂；减少静电，增加头发的光泽，同时保持发丝的构造层次，便于打理头发。

护发素的不同成分各自发挥着特定的作用。润湿剂（gli idratanti）保持头发的水分；滋补剂（i ricostituenti）通常含有水解蛋白，可被毛发吸收，稳固发丝内部结构；酸化剂（acidifier）将护发素的酸碱度保持在最佳值；热保护剂（i protettori termici）可保护头发不受吹风机或卷发器过热的影响；润滑剂（gli emollienti）通常由含有硅的化学物质组成，可以依附在发丝表面使头发更有光泽；油类可使干枯毛糙的头发更加柔顺；最后，还有不可缺少的表面活性剂。护发素中通常使用阳离子表面活性剂。阳离子表面活性剂中带的正电荷可以中和头发上的阴离子电荷。除表面活性剂外，还有成膜剂（agenti filogeni），如聚乙烯吡咯烷酮（polyvinyl pyrrolidone）和从胶原蛋白或胎盘中提取的蛋白制剂等物质，它们具有渗透进发丝的能力，使头发坚实强韧。此外，还有一些起到光防护作用（photoprotection）的物质，以保护头发不受过度光照的影响，这些光线可能会产生黑色素的光氧化（photooxidation，发生于棕色头发的人之中）和所谓的光返黄（photo-yellowing，发生于金色头发的人之中）。后一种常表现为头发发黄，这似乎与毛球（hair bulb）中存在的氨基酸的自然降解有关，比如胱氨酸（cystine）、酪氨酸（tyrosine）和色氨酸（tryptophan）。护发素中用于光防护作用的物质有二苯甲酮（benzophenone）和4-氨基苯甲酸（4-aminobenzoic acid）。最后，还有一种特殊的成分是漂洗调理剂[condizionanti“rinse”（risciacquo）]，其作用是去除硬水中存在的钙盐、镁盐。

●　牙膏

洗完澡，洗完头，再细致地给头发抹上护发素，搞定！然后就该拿起牙刷和牙膏刷牙了。

牙医和口腔卫生专家都认为，刷牙时最重要的不是牙膏，而是仔细刷牙。尽管如此，好的牙膏还是可以发挥一些有益的作用：可以帮助去除牙菌斑，使牙刷的作用更加有效；可以保护牙龈或牙釉质；可以减少蛀牙的发生；可以去除牙齿上的污渍，美白牙齿。此外，用味道好闻的牙膏刷牙还会更舒服，可以让你感觉神清气爽。

人们使用牙膏还是最近100多年的事。1892年，来自美国康涅狄格州新伦敦市（New London, Connecticut）的牙医华盛顿·谢菲尔德（Washington Sheffield）博士研制出第一支软管牙膏，其想法在商业上取得了非凡的成功。这种软管刚开始是用金属制作的，后来则用塑料制作。在软管出现之前，牙膏都储存在罐子里。即使在古代，人们也非常关注口腔卫生问题。希腊人和罗马人使用研磨的粉末来清理口腔，并用香草和鲜花增加粉末的香味。几个世纪以来，人们也一直使用其他物质的混合物来做口腔清洁。

现代牙膏中含有多种成分，可根据功能进行分类。研磨剂（Gli agenti abrasivi）可由二氧化硅、氧化铝、磷酸盐或碳酸钙制成。它有助于清洗，同时也影响着牙膏膏体的稀稠度。清洁剂由表面活性剂组成，如月桂基硫酸钠，有助于形成泡沫。润湿剂（或称保湿剂）由山梨糖醇（sorbitol）或甘油组成，可保持膏体的柔软，避免干燥。增稠剂由硅酸盐（silicate）或胶质组成。还有香料（通常是薄荷、胡椒薄荷、百里香和桉树）和非糖类甜味剂（如糖精、木糖醇、山梨糖醇和甘露醇）。

1914年，一些生产厂家开始在牙膏中添加氟化物。刚开始，美国牙科协会（American Dental Association， ADA）批评了此行为。然而在20世纪50年代，美国牙科协会意识到了在牙膏中添加氟化物可以预防龋齿。同一时期，印第安纳大学（Indiana University）的约瑟夫·穆勒（Joseph Muhler）教授领导的研究小组（由一家知名生产厂家发起）对牙膏中氟的存在是否有用进行了深入研究，得出的结论是氟在牙膏中确实有效。美国牙科协会在1960年也重申了其赞成使用氟的立场。世界卫生组织也表达了类似的意见，但前提是氟的含量不能超过一定限度。此外，最近一些关于牙膏中氟的危害的恐慌性言论似乎也并没有充分的依据。

几年前，伦敦大学伯贝克学院（Birkbeck College, University of London）的一些研究人员就氟在预防龋齿中的作用原理提出了一种解释[21]。牙釉质主要由羟基磷灰石（Hydroxyapatite）构成，这是一种非常坚硬的物质，其化学式为Ca5（PO4）3（OH）。酸性食物会使牙釉质脱钙，损害牙齿健康。伦敦的研究人员通过计算机模拟发现，氟会与牙齿表面存在的钙离子结合，阻碍钙离子在牙齿表面活动，从而避免牙齿被侵蚀。但氟似乎只能渗透到牙齿表层，影响表层原子，由咀嚼引起的牙齿物理性磨损似乎就能将其去除。因此，氟必须长期接触牙齿才能产生持久的保护作用。

2006年，一种含有合成的羟基磷灰石的牙膏作为含氟牙膏的替代品在欧洲上市。羟基磷灰石通过在牙齿表面形成一层合成牙釉质来保护牙齿，还能修复牙齿的磨损和划痕。

●　剃须泡沫

刷完牙后，照照镜子，发现还需要好好刮一下胡子。你一直都不喜欢电动剃须刀，剃须刀片和剃须泡沫才是你的最爱。一按下泡沫罐上的喷头，白色柔软的泡沫就迫不及待地要出来了。不经意间，你的脑海里就会想起伟大的乔治·加伯（Giorgio Gaber）的一句话：“泡沫是个好东西，就像母亲在你伤心疲惫的时候抚摸你的头一样。她是一个伟大的母亲，一个穿着白衣服的母亲。”从罐子里挤出来的泡沫与刚才洗澡时“抚摸”过你的头部和整个身体的泡沫没有本质上的区别。

乍一看，泡沫似乎非常均匀。实际上它是由分散在**中的微小气泡组成的[22]。在自然界中，泡沫可以自然形成，我们只要想想拍打在岸边的浪花或瀑布的水花就知道了。但是仅由水和空气组成的泡沫不稳定，它的状态维持时间会很短。为了维持泡沫的状态，还需要一些其他物质，也就是我们已经说过的表面活性剂，它通过降低水的表面张力来促进泡沫的形成。在剃须泡沫中，通常使用钾皂或含有季铵盐的阳离子表面活性剂。也可添加游离硬脂酸（free stearic acid）来增加泡沫的光泽。另外还可添加对皮肤有保护作用的物质，如凡士林、羊毛脂等；还有保湿剂，如甘油、山梨糖醇等。在使用泡沫罐时，按压喷头，瓶内就会有压力，而推进剂气体在压力下就会产生泡沫。

泡沫通常具有杂乱的内部结构，构成泡沫的气泡也可以大小不一。但气泡的分布却有一定的理论原则。这种分布会确保实现最大的空间填充。此外，气泡的形成也遵循一个原则，就是尽量减少周围液膜所占的面积。1993年，两位爱尔兰科学家丹尼斯·威尔（Denis Weaire）和罗伯特·弗兰（Robert Phelan）[23]进行了计算机模拟，并建立了一个理论模型来解释体积相等且表面积最小的气泡如何对空间进行最佳填充。他们的研究表明，要保证这样的结果，泡沫中的气泡就得有两种不同的形状。四分之一的气泡必须是十二面体（dodecaedro）（具有12个五边形面的多面体），而四分之三的气泡必须是十四面体（tetrakaidecaedro）（具有14个面的多面体，2个面为六边形、12个面为五边形）。另外一项实验研究表明，在适当条件下制备的真实泡沫能够有效地实现这一理论模型[24]。图6所示为威尔-弗兰气泡结构。

图6　威尔-弗兰气泡结构

在这两位爱尔兰科学家之前，比利时物理学家约瑟夫·普拉托（Joseph Plateau， 1801—1883）就已经对气泡进行了深入研究，并制定了一系列以他的名字命名的定律。不符合这些定律的气泡结构都是不稳定的，并且还会自发地改变其结构以遵循这些定律。

当我们提到泡沫时，我们通常指的是**的泡沫，比如肥皂产生的泡沫。但我们也不能忘记还有固体泡沫，它的结构与**泡沫相似，比如人造的泡沫橡胶（rubber foam）和可发性聚苯乙烯（expandable polystyrene）。在自然界中，最明显的固体泡沫之一就是蜜蜂和其他昆虫的巢穴。我们骨头的微观结构也与固体泡沫的结构相对应。这种结构为我们的骨骼提供了机械强度和轻巧性。

提到泡沫，我们就会想到掼奶油（whipped cream），它实际上也是一种泡沫。只要想到它抹在蛋白酥和奶油卷上有多美味，你就马上胃口大开了。虽然现在是早餐时间，但我们还是稍后再谈掼奶油吧（第二章第2节）。

拓展：化学键

在极不确定的时间和地点，

原子离开了它们的天体之路。

偶然的拥抱，

使它们创造了一切。

虽然它们看起来紧紧相依，

并在此形成“维系”。

不过，它们迟早会打破束缚，

跑到太空深处。

这些诗句是伟大的苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell， 1831—1879）在题为《分子进化论》[25]（Molecular evolution）的诗作开头所写。

化学键[26]将原子结合起来形成分子，从而用它所具有的无数特性构成了现有的一切物质。化学键的断开和重组即为物质转化的化学反应。

原子之间相互结合，通过改变其电子结构来达到更高的稳定性。具有最稳定的电子结构的是稀有气体（氦、氖、氩、氪、氙、氡和），其特点就是它们所有的核外电子层都排满了电子[饱和电子构型（saturated electron configuration）]。其他元素的原子则倾向于改变自身的电子结构，也就是通过与其他原子结合来获得类似于稀有气体的电子结构。

不过，实现结构稳定性的方法还有很多种呢。可以将电子从一个原子转移到另一个原子，从而产生带电的原子（离子），这样我们就有了离子键[ionic bond，或异极键（heteropolar bond）]。最常见的离子键化合物是食盐（氯化钠，NaCl）。此类化合物在水溶液中或在熔融状态下能够导电，这证明了其内部存在电荷。“离子”一词由迈克尔·法拉第于1834年提出，它源于希腊语??ν（ión），意为“旅行者”，指它们在电场作用下移动的能力（这说明了离子化合物在熔融状态和水溶液中的导电性）。

为了产生离子键，所涉及的原子必须具有一个相反的性质。也就是其中一个原子一定要很容易失去电子，另一个也必须很容易获得电子。化学中吸引电子的能力叫作电负性（electronegativity）。因此，为了使两种元素原子产生离子键，它们必须具有非常不同的电负性。

如果参与反应的原子相同或具有非常相似的电负性，就会产生另一种类型的键，称为共价键（covalent bond）或同极键（homopolar bond）。在这种情况下，原子之间没有电子的转移，而是电子共用。换句话说，电子对是放在原子之间的。事实上，当所涉及的原子的原子核之间的距离达到一定值时，两个原子核施加的静电引力对电子的影响是同等的。这个时候问某个电子属于哪个原子都没有意义，因为它们是两者共用的。

用量子术语来说，组成分子的原子轨道线性组合产生一个分子轨道（molecular orbital），也就是分散在多个原子上的离域电子云（其实是一个概率分布）。可以说，这种云就像“胶水”一样，把原子粘在一起。这种键型的化合物无论是在水溶液中，还是在熔融状态下都不导电（如蔗糖）。如果在一个键中只有一对共用电子，则说该键是单键；如果有2对，就说双键；如果有3对，就是三键。断键所需的能量称为键能（bond energy）。键的能量越高，分子就越稳定。

在离子键和共价键之间，可以有中间情况：也就是原子之间的电负性差不为零（不足以形成共价键），但差异又没有大到可以形成离子键。在这种情况下，电子仍然是共用的，但分子轨道不再是对称的。这会使一个原子上产生部分负电荷，而另一个原子上产生正电荷。这类分子的两端带有相反的电荷，类似于物理学中所说的电偶极子（见第三章第1节）。由于它们是极性分子，所以会相互吸引。这些物质的高熔点和高沸点证实了这种吸引力的存在，我们所知道的典型的极性物质是水。

最后，还有一种特殊的键，是金属的特征。在金属键（metallic bond）中，每个原子的外部电子是完全共用的，并且可以在金属晶体中自由移动（见第四章第1节）。金属具有的导电性、导热性和光泽都是因为这种结构。最后，半导体（硅、锗等）具有特殊的电子结构，我们在能带理论（见第一章第1节）中也描述过，这种电子结构决定了它们独特又宝贵的导电性能。