Внимание! Важная информация для наших покупателей! ЧИТАТЬ
+380660445700
+380
66
044-57-00
+380
96
351-73-61
+380
63
568-04-65
ПЕРВЫЙ УКРАИНСКИЙ МАРКЕТ ХИМИЧЕСКОГО СЫРЬЯ (066) 044-57-00 (096) 351-73-61 (063) 568-04-65

Поверхностно-активные вещества

Поверхностно-активные вещества

Виды и свойства поверхностно-активных веществ

Поверхностно-активные вещества

Определение

Поверхностно-активные вещества – это сложные вещества, отличающиеся способностью к накапливанию на поверхностях, где соприкасаются два тела или две термодинамические фазы, вызывая понижение коэффициента поверхностной натяжки.

Скапливаясь на поверхности контакта двух сосуществующих фаз, вещества с поверхностной активностью склонны к образованию адсорбирующего слоя – слоя сильной концентрации.

Строение молекул ПАВ

Поверхностная активность свойственна достаточному количеству компонентов, которую они при благоприятных условиях могут проявлять, адсорбируясь на поверхностях и снижая при этом их свободную энергию.

Но по-настоящему поверхностно-активными веществами принято считать те, которым характерно приведение к снижению поверхностного натяжения в растворах, где они присутствуют в очень низкой концентрации – сотые части процентного соотношения.

Как правило, молекулы ПАВ обладают дифильным строением, то есть являются такими, которые характеризуются способностью связываться с веществами различной природы.

К примеру, водная и масляная среда не склонны взаимодействовать друг с другом. При их смешивании через время произойдет расслоение. Более тяжелый компонент – вода, осядет внизу, а более легкий – масло, окажется в верхней части. Эти два компонента расслаиваются, поскольку различаются по среде.

Взаимодействию водных молекул между собой способствуют ориентационные силы, электрически нейтральным долям масла – водоэмульсионное притяжение.

В молекулах амфифильных веществ присутствуют в одно и то же время лиофильные и лиофобные группы.

Пример поверхностно-активных веществ – природные вещества, в составе молекул которых содержится одна или несколько карбоксильных групп (карбоновые кислоты), их соли, алкоголи, азотосодержащие вещества, сульфоновые кислоты и прочее. Один из часто встречающихся примеров ПАВ – мыла СМС.

ПАВ и гетерогенные системы

Амфифильные вещества способствуют сольватации фаз, которая без их присутствия не была бы возможной. Благодаря данному свойству поверхностно-активные вещества являются составляющими моющих растворов или стабилизирующих эмульсий.

Работа ПАВ в моющих растворах

В детергентах поверхностно-активные вещества все еще основной действующий компонент.

Их работу можно описать следующим образом:

Молекулы поверхностно-активных веществ относятся к амфифильным, то есть к таким, оставляющими которых единовременно являются гидрофильные и гидрофобные компоненты.

То есть неполярная группа взаимодействует с загрязнениями, природа которых также гидрофобная (неполярная), а полярная группа в это время может связываться с гидрофильными водными молекулами. Это в итоге ведет к тому, что доли загрязнений отрываются от общей массы и без труда вымываются жидкостью.

Эмульгаторы

Эмульсии – это двухфазные дисперсионные системы, где вода чаще всего является дисперсионной средой, а органические жидкости – дисперсионной фазой. Эти две фазы не способны растворятся друг в друге из-за разной природы.

Наглядный пример дисперсной системы – перемешанные устройством для смешивания вода и масло, где частицы воды и масла недолгое время будут соседствовать друг с другом, после чего произойдет расслоение фаз. То есть вода окажется в нижней части такого раствора, а масло – в верхней.

Именно для того чтобы смешивание таких разных по природе веществ состоялось и получилась полноценная дисперсная система, добавляют поверхностно-активные вещества, которые в данном случае играют роль стабилизирующих эмульсий.

Классифицирование поверхностно-активных веществ

ПАВ классифицируют по различным показателям. Существуют следующие типы классификаций:

По гидрофильности:

·         Анионные ПАВ (сульфаты).

·         Катионные ПАВ (амины и их соли).

·         Амфолитные.

·         Неионогенные.

По способу применения:

·         Детергенты

·         Стабилизаторы эмульсий

·         Вспомогательные вещества

·         Солюблизирующие.

По гидрофильной цепочке:

·         Полярные

·         Неполярные.

Главная классификация поверхностно-активных веществ происходит по типу гидрофильной группы:

·         Ионогенные

·         Сульфаты (анионные)

·         Катионные

·         Амфолитные

·         Неионогенные.

Ионные поверхностно-активные вещества

Поверхностно-активные вещества данной группы растворяются в воде, образуя ионы, часть из которых в последствие не активна, а для другой части характерна адсорбционная активность. Именно благодаря поверхностной (адсорбционной) части обеспечиваются рабочие свойства ПАВ.

ПАВ относят к анионоактивным, если адсорбционную активность проявляют анионы, а если катионы – к катионо-активным.

В амфолитных веществах с поверхностной активностью одновременно содержатся несколько функциональных групп с кислым и основным характером. Амфолитные ПАВ имеют свойство быть и анионоактивными и катионоактивными, исходя из условий среды нахождения.

Анионные поверхностно-активные вещества

Анионные ПАВ во время растворения образуют отрицательно заряженные органические ионы, а по составу они чаще всего являются органическими кислотами (натриевыми и калиевыми) или их солями, то есть мылами.

В таблице также указано, какие классы химических соединений также являются анионными поверхностно-активными веществами:

 

Некоторые анионные ПАВ

Наименование ПАВ

Строение

         

Na-соль первичных алкилсульфатов

         

Вторичные алкилсульфаты

         

Разветвлённые вторичные сульфаты

         

Вторичные алкилсульфонаты

         

Алкилбензолсульфонаты

         

Диалкилнафталинсульфонаты

         

Алкилбензамидазосульфонаты

         

Соли высших жирных кислот (мыла)

         

Сложные эфиры моноглицеридсульфатов

         

Сульфированные жирноароматические карбоновые кислоты

         

Сложные эфиры сульфоянтарнойкислоты

         

Бутиловый эфир сульфорицинолевой кислоты

         

Сложные эфиры сульфонаталкилкарбоновых кислот

         

N-ацилметиламиноалкилсульфонаты

         

N-ациламиноалкилсульфонаты

         

N-алкил-N-арилкарбамидоалкилсульфаты

         

Модифицированные мыла N-метил-N-карбоксиметиламиды высших кислот

         

Конденсат полипептида с жирными кислотами

         

Конденсат полипептида и алкилсульфоновых кислот

         

 

Стоит отметить, что именно анионоактивные ПАВ считаются наиболее распространенными, их производят во много раз больше, чем другие вместе взятые ПАВ.

Катионообменные поверхностно-активные вещества

К катионным относят ПАВ, поверхностная активность которых при диссоциации в водной среде обуславливается катионами, которые содержат гидрофобные радикалы. Катионные поверхностно-активные вещества представлены следующими соединениями:

Некоторые катионные ПАВ

Наименование ПАВ

Строение

         

Соли первичных аминов

         

Соли вторичных аминов

         

Соли третичных аминов

         

Четвертичные аммониевые соли

         

Сульфониевые соединения

         

Фосфониевые соединения

         

Алкилпиридиновые соли

         

 

Катионные поверхностно-активные вещества в последнее время набирают популярность у производителей, за счет выявленного у них бактерицидного действия.

Амфолитные ПАВ

Амфотерные поверхностно-активные вещества могут быть и анионо- и катионоактивными, в зависимости от факторов среды, где они присутствуют.


 

Ph-среды имеет прямое воздействие на степень превращения веществ с поверхностной активностью в катионоактивное или анионоактивное.

Неионогенные ПАВ

Неионогенные вещества с поверхностной активностью характеризует то, что их диссоциация в водном растворе не приводит к образованию ионов.

Неионогенные ПАВ часто используют в медицинской промышленности. Такая популярность обусловлена следующими факторами:

·         Углеводородную цепочку веществ можно изменять, удлиняя или укорачивая так же, как и степень полимеризации. Это позволяет изменять свойства неионогенных поверхностно-активных веществ. Все это позволяет получать продукцию с точно заданными физико-химическими свойствами.

·         Неионогенные ПАВ не подвержены сильному воздействию щелочной или кислотной среды, а также солей. Их можно подвергать смешиванию с растворителями органической природы.

·         Неионогенные ПАВ не оказывают раздражающего воздействия на человеческий эпидермис, в отличие от ионных поверхностно-активных веществ.

Соединения, относящиеся к классу неоиногенных ПАВ, приведены в таблице:

Некоторые неионные ПАВ

Наименование ПАВ

Строение

1. Полиэтиленоксидные производные

Эфиры полигликоля и высших жирных кислот

Полигликольамид

Моноалкилполиэтиленгликоли

Алкилфениловый эфир полигликоля

Сульфоэфир полигликоля

2. Полиоксипроизводные

Эфир ангидросорбита и жирных кислот (спены)

Полигликолевый эфир ангидросорбита и жирных кислот (твины)

3. Алкилоламиды жирных кислот

Моноэтаноламиды

Диэтаноламиды

N-алкилдиэтилентриаминкарбоновые кислоты

N-алкиласпарагиновая кислота

N-алкил-бета-аланин

Полигликолевый эфир полипропиленгликоля

 

Полигликолевый эфир этилендиаминополипропиленгликоля

Диалкилдиоксиацетилен

Алкил-сахаруретаины

 

Классификация по способу применения

·         Детергенты

·         Стабилизаторы эмульсий

·         Вспомогательные вещества

·         Солюблизирующие.

Средства бытовой химии, или детергенты, применяются в различных продуктах для отмывания всевозможных поверхностей от налета грязи.

К эмульгаторам относят стабилизаторы и образователи пены.

Вспомогательными вещества, адсорбирующимися на границе соприкосновения двух тел, являются диспергирующие и пептизацинные соединения.

Солюблизирующие вещества позволяют повышать растворение слаборастворяющихся в данной среде частиц.

Из процессов смачивания, солюблизации и эмульгирования состоит каждое моющее действие. Любое отдельно взятое поверхностно-активное вещество одновременно считается и смачивающим, и эмульгирующим, и моющим, и солюблизирующим компонентом в большей или меньшей степени. Исходя из типа ПАВ, описанные стадии будут проходить с различной степенью эффективности.

Типы ПАВ по длине боковой цепи гидрофобности

Данная классификация особенно играет роль, когда на ПАВ возложена роль эмульгатора – дифильного вещества, молекулы которого одновременно включают в себя и гидрофильные, и гидрофобные группы.

 

Уровень проявления лиофильных или гидрофобных качеств эмульгатора будут зависеть как раз от длины углеводородной цепочки.

Гидрофильные стабилизаторы эмульсий

Эмульгаторы данного типа призваны приводить в устойчивое состояние смеси типа вода-масло. Присоединение гидрофильного эмульгатора в подобную смесь приводит к образованию вокруг масляной частицы сплошного эмульгирующего слоя, что в свою очередь делает ее более устойчивой.

 

 

а - гидрофильный эмульгатор,
б - гидрофобный эмульгатор.

 

При добавлении в тот же раствор гидрофобного стабилизатора эмульсий устойчивость смеси не повышается, что приводит к объединению с иными масляными частичками.

Гидрофобные стабилизаторы эмульсий

Используются в эмульсиях вида «вода в масле» и имеют удлиненную боковую цепь гидрофобности. Водные молекулы при добавлении гидрофобного стабилизатора не сливаются.


 

а - гидрофобный эмульгатор,
б - гидрофильный эмульгатор.

Степень диссоциации гидрофильного и гидрофобного эмульгатора зависит от того, какую эмульсию необходимо в итоге получить

Классификация эмульгаторов

Дисперсность эмульгаторов

Эмульгаторы
для эмульсий
типа м/в

Эмульгаторы
для эмульсий
типа в/м

 

Грубая

CaCO3, CaSO4, Fe2O3, Fe(OH)3, SiO2, глина и др.

HgI2, PbO, сажа и др.

 

Коллоидная

Желатин, казеин, альбумин, крахмал, декстрин, гуммиарабик, лецитин, желчные кислоты и др.

Смолы, каучук, холестерин и др.

 

Молекулярная

Мыла щелочных металлов, красители

Мыла многовалентных металов

 

 

ГЛБ веществ с поверхностной активностью

Параметр ГЛБ (гидрофильно-липофильный баланс) был введен в целях возможности оценивать пригодность отдельно взятого поверхностно-активного вещества, исходя из области применения.

Каждое ПАВ отличается собственным коэффициентом гидрофильно-липофильного баланса. Например, самый низкий показатель ГЛБ – 1, имеет цис-9-октадеценовая кислота, а самый высокий – додецилсульфат натрия: 40. Все остальные поверхностно-активные вещества имеют значение ГЛБ в этом диапазоне.

Число ГЛБ влияет на сферу применения ПАВ:

Использование ПАВ в зависимости от величины ГЛБ

Число ГЛБ

Применение ПАВ

3 - 6

Эмульсия вода в масле (в/м)

7 - 9

Смачиватели

8 - 13

Эмульсия масло в воде (м/в)

13 - 15

Моющие средства

15 - 18

Солюблизаторы

 

Для гидрофильных поверхностно-активных веществ свойственен более высокий показатель гидрофильно-липофильного баланса, для гидрофобных – более низкий.

Применение ПАВ

Доля производства анионогенных и катионогенных поверхностно-активных веществ заметно возросла в последнее время и продолжает увеличиваться.

На форму выпуска ПАВ влияет их назначение и химический состав. Поверхностно-активные вещества выпускаются в жидкой, полужидкой и твердой форме.

Использование ПАВ не ограничено одной сферой: они повсеместно применяются в медицинской отрасли, сельскохозяйственной и бытовой сфере. Стратегической сферой применения поверхностно-активных веществ является выпуск продуктов для личной гигиены и обеззараживающей обработки, обрабатывающие и подготавливающие продукты в текстильной сфере, изготовление лакокрасочных товаров.

Всевозможные производственные процессы в пищепроме, фармацевтической, нефтяной, химической отрасли и многих других реализуются с использованием ПАВ, где они могут применяться в качестве:

·         присадок для нефтяных продуктов

·         во время использования флотационного метода обогащения горных пород и минералов

·         составляющей покрытий с гидроизоляционными и антикоррозийными свойствами.

Кроме этого, поверхностно-активные вещества:

·         Способствуют ускорению механической обработки различных материалов.

·         Ускоряют процесс эмульгирования жидких твердых тел.

·         Используются в качестве стабилизаторов эмульсионных, пенных, пастообразных веществ и суспензий.

·         Могут создаваться живыми организмами. Например, органические ПАВ являются составляющими крови, желудочного сока живых организмов.

Воздействие  поверхностно-активных веществ на человека

Взаимодействие с эпидермисом  и слизистыми оболочками

ПАВ в составе различной продукции контактирует с кожей. Поэтому всегда следует заострять внимание на типе ПАВ и степени его воздействия.

Например, хлорид натрия в составе мыла при продолжительном контакте способен привести к раздражению кожи. В то же время катионные ПАВ считаются более агрессивными по степени раздражающего действия, чем анионные, а последние, в свою очередь, агрессивнее неионных.

Растворы поверхностно-активных веществ небольшой концентрации вызывают неприятные ощущения жжения при попадании на глаза, а высокой концентрации – способны повредить ткани глаза.

ПАВ и разрушение эритроцитов

При внутривенном введении растворов веществ с поверхностной активностью происходит разрушение оболочки красных кровяных телец с последующим выходом гемоглобина в плазму.

Помимо этого, некоторые ПАВ взаимодействуют не только с красными кровяными тельцами, но и с другими составляющими крови. Например, неионогенные вещества с поверхностной активностью могут повышать фагоцитарную активность лейкоцитов.

Токсометрический показатель ПАВ

Ядовитость ПАВ тщательно изучается, вне зависимости от их типа. Ниже приведены табличные значения токсикологического действия некоторых из них:

Величины LD50 ПАВ

Наименование класса соединений ПАВ

Доза LD 50
г/кг

Способ введения ПАВ

 

Неполимерные четвертичные аммониевые соединения

0,05 - 0,5

Орально

 

Типичные анионоактивные вещества (сульфаты и сульфонаты)

2 - 8

Орально

 

Неионные ПАВ

5 - 50

Орально

 

Эфиры полиоксиэтилена и полиэтиленгликоля

0,4 - 1,5

Внутривенно

 

Исходя из данных в таблице, можно сделать вывод, что наиболее опасными с точки зрения токсичности являются катионные вещества, менее – анионные ПАВ, а неионогенные вещества – наименее опасны.

ПАВ и окружающая среда

В связи с заметным сокращением использования мыла в пользу детергентов искусственного происхождения на сегодняшний день остро стал вопрос влияния ПАВ на человеческое здоровье. Суть в том, что в отличие от мыла, многим синтетическим детергентам не характерна подверженность к биоразложению. Это приводит к тому, что неразложившиеся частицы веществ беспрепятственно попадают в водоемы и даже в воду для ежедневного употребления, поскольку они без труда проходят через фильтрационные устройства.

Неионогенные поверхностно-активные вещества показывают более легкую биоразлагаемость, если сравнивать с анионактивными.

Меры по защите окружающей среды

Технология создания ПАВ в целях защиты природной среды может включать замену сульфанола лаурилсульфат натрием и сложными производными алкан-сульфоновой кислоты. Помимо этого рационально использовать жирные кислоты органического происхождения, которые стопроцентно разлагаются в окружающей среде.

Другие статьи