Поверхностно-активные вещества

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:

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:

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:

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

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:

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:

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.