Поверхностно-активные вещества

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) могут самопроизвольно образовывать лиофильные термодинамически устойчивые дисперсные системы. Выделяют три типа ПАВ.

Катионогенные ПАВ – органические соединения, диссоциирующие в водном растворе с образованием длинноцепочечных катионов, например:

Неионогенные ПАВ – органические соединения с длинной углеводородной цепью и полярной группой, не образующие в водном растворе ионов. К таким неионогенным ПАВ относятся, например, оксиэтилированные спирты:

Широкое применение находят анионогенные ПАВ – органические соединения, диссоциирующие в водном растворе с образованием анионов, имеющих длинную углеводородную цепь:

Поверхностно-активные вещества называют дифильными соединениями, т.к. молекулы ПАВ содержат в своем составе гидрофильную (полярную) и гидрофобную (неполярную) группу [гидро- др.-греч. udwr вода, влага; филия jilia дружба, любовь; фобия joboV страх].

Дифильность позволяет молекулам ПАВ взаимодействовать и с полярными и неполярными дисперсионными средами и ориентироваться на границе раздела фаз, размещая полярные и неполярные группы в соответствующих фазах.

Наиболее распространенными являются анионогенные ПАВ, входящие в состав мыла и стиральных порошков. Для получения твердого мыла используются натриевые соли пальмитиновой (пальмитат натрия С₁₅Н₃₁СООNa), стеариновой (стеарат натрия С₁₇Н₃₅СООNa) и олеиновой кислот (олеат натрия С₁₇Н₃₃СООNa). Жидкое мыло является калиевым производным, например, стеарат калия С₁₇Н₃₅СООК.

Соли высокомолекулярных карбоновых кислот отличаются небольшой растворимостью в воде. Растворимость мыла уменьшается с увеличением кислотности среды, а в жесткой воде (содержащей ионы Ca²⁺ и Mg²⁺) образуются труднорастворимые соли магния и кальция, которые осаждаются на поверхности стираемых изделий.

Анионогенные соли сульфокислот кислот лишены этих недостатков. Они хорошо растворимы в воде и не выпадают в осадок даже в жесткой воде.

Отступление. Примерно половина производимых промышленностью ПАВ используется для получения моющих и чистящих средств.

Алкилсульфонаты СН₃(СН₂)_nCH₂SO₃Na, содержащие 12 – 14 углеродных атомов в углеводородной цепи, используются в шампунях.

В стиральных порошках используются алкилбензолсульфонаты СН₃(СН₂)_nC₆H₄SO₃Na в композиции с солями угольной (NaHCO₃, Na₂CO₃) и серной кислот (Na₂SO₄), ароматизаторами и флокулянтами [лат. flocculi хлопья]. Последние представляют собой полимерные соединения, которые при растворении в воде образуют рыхлые хлопья. Они захватывают частицы грязи в составе мицелл и не дают им осесть на поверхности отстиранных тканей.

При вращательном бурении газовых и нефтяных скважин используются буровые насосы, предназначенные для прокачивания воды и глинистых растворов, обеспечивающих циркуляцию промывочной жидкости в скважине. Для регулирования агрегативной устойчивости глинистых растворов, поступающих в скважину, применяют добавки высокомолекулярных ПАВ – водорастворимых эфиров целлюлозы, а также кальциевых солей природных и жирных синтетических кислот и алкилароматических сульфонатов.

В эмульсионной полимеризации (получение полистирола и других виниловых полимеров) используются добавки солей синтетических жирных кислот СН₃(СН)_nCH₂COONa и алкилсульфонатов СН₃(СН)_nCH₂SO₃Na.

При механической обработке металлов и повышении скорости резания, строгания, фрезерования также используются водные растворы мыла.

Необходимо выделить три основных свойства ПАВ:

1. способность понижать поверхностное натяжение на границе раздела фаз;
2. способность к самопроизвольному образованию мицелл;
3. способность к растворению веществ внутри мицеллы (солюбилизация).

Гомогенный раствор ПАВ может перейти в состояние высокодисперсной системы. Такое свойство появляется, когда длина углеводородной цепи ПАВ насчитывает 10 и более атомов углерода. В поверхностном слое ПАВ адсорбируется, располагаясь неполярной углеводородной группой в газовой фазе, а полярной – в водном растворе, при этом существенно снижается поверхностное натяжение (рис. 35).

В растворе кроме одиночных молекул ПАВ самопроизвольно происходит формирование сферических агрегатов – мицелл, содержащих десятки молекул ПАВ.

Мицелла - это ассоциат дифильных молекул ПАВ, лиофильные группы которых обращены в сторону растворителя, а лиофобные объединяются друг с другом в центре, образуя ядро (рис. 35).

В водных мицеллярных системах ПАВ солюбилизируются вещества, не растворимые в воде, такие, как жир, углеводороды, бензол и т.п. Это связано с тем, что ядро мицеллы проявляет свойства неполярной жидкости и туда внедряются неполярные вещества. Этот процесс называется солюбилизацией.

Рис. 35. Адсорбция ПАВ на границе вода – воздух и образование мицеллярного раствора

Вышеуказанные свойства ПАВ используются при очистке поверхностей от масляных пятен (рис. 36). Молекулы мыла концентрируются на поверхности раздела фаз вода – масло (рис. 36, а), причем неполярные углеводородные цепи ПАВ обращены в сторону жирного пятна.

Рис. 36. Модель очистки ткани от жирных пятен (стирка)

По мере интенсивного движения ткани в стиральной машине или при ручной стирке происходит солюбилизация жира мицеллами ПАВ (рис. 36, б), и весь жир уходит с поверхности ткани в мыльный раствор (рис. 36, в). Без ПАВ жирное пятно осталось бы на поверхности ткани, так как органические вещества не растворимы или плохо растворимы в воде.