Поверхнево активні речовини

Види та властивості поверхнево-активних речовин

Поверхнево активні речовини

Визначення

Поверхнево-активні речовини – цескладні речовини, що відрізняються здатністю до накопичення на поверхнях, де стикаються два тіла або дві термодинамічні фази, викликаючи зниження коефіцієнта поверхневої натяжки.

Нагромаджуючись на поверхні контакту двох співіснуючих фаз, речовини з поверхневою активністю схильні до утворення адсорбуючого шару – шару сильної концентрації.

Будова молекул ПАР

Поверхнева активність властива достатньої кількості компонентів, яку вони за сприятливих умов можуть проявляти, адсорбуючись на поверхнях і знижуючи їх вільну енергію.

Але по-справжньому поверхнево-активними речовинами прийнято вважати ті, яким характерне приведення до зниження поверхневого натягу в розчинах, де вони присутні в дуже низькій концентрації - соті частини відсоткового співвідношення.

Як правило, молекули ПАР мають дифільну будову, тобто такі, які характеризуються здатністю зв'язуватися з речовинами різної природи.

Наприклад, водне і масляне середовище не схильні взаємодіяти один з одним. При їхньому змішуванні через час відбудеться розшарування. Тяжкий компонент - вода, осяде внизу, а легший - масло, опиниться у верхній частині. Ці два компоненти розшаровуються, оскільки розрізняються середовище.

Взаємодії водних молекул між собою сприяють орієнтаційні сили, електрично нейтральним часткам олії – водоемульсійне тяжіння.

У молекулах амфіфільних речовин присутні в один і той же час ліофільні та ліофобні групи.

Приклад поверхнево-активних речовинприродні речовини, у складі молекул яких міститься одна або кілька карбоксильних груп (карбоновікислоти), їх солі, алкоголі, азотовмісні речовини, сульфонові кислоти та інше. Один з найпоширеніших прикладів ПАР – мила СМС.

ПАР та гетерогенні системи

Амфіфільні речовини сприяють сольватації фаз, яка без їхньої присутності не була б можливою. Завдяки цій властивості поверхнево-активні речовини є складовими миючих розчинів або стабілізуючих емульсій.

Робота ПАР у миючих розчинах

У детергентах поверхнево-активні речовини все ще є основним діючим компонентом.

Їхню роботу можна описати так:

Молекули поверхнево-активних речовин відносяться до амфіфільних, тобто до тих, що залишають одноразово гідрофільні і гідрофобні компоненти.

Тобто неполярна група взаємодіє із забрудненнями, природа яких також гідрофобна (неполярна), а полярна група у цей час може зв'язуватися із гідрофільними водними молекулами. Це в результаті веде до того, що частки забруднень відриваються від загальної маси і легко вимиваються рідиною.

Емульгатори

Емульсії – це двофазні дисперсійні системи, де вода найчастіше є дисперсійним середовищем, а органічні рідини – дисперсійною фазою. Ці дві фази не здатні розчиняться одна в одній через різну природу.

Наочний приклад дисперсної системи – перемішані пристроєм для змішування вода та олія, де частки води та олії недовгий час будуть сусідити один з одним, після чого відбудеться розшарування фаз. Тобто вода опиниться у нижній частині такого розчину, а олія – у верхній.

Саме для того, щоб змішування таких різних за природою речовин відбулося і вийшла повноцінна дисперсна система, додають поверхнево-активні речовини, які в даному випадку відіграють роль стабілізуючих емульсій.

Класифікація поверхнево-активних речовин

ПАР класифікують за різними показниками. Існують такі типи класифікацій:

По гідрофільності:

• Аніонні ПАР (сульфати).
• Катіонні ПАР (аміни та їх солі).
• Амфолітні.
• Неіоногенні.

За способом застосування:

• Детергенти
• Стабілізатори емульсій
• Допоміжні речовини
• Солюблізуючі.

По гідрофільному ланцюжку:

• Полярні
• Неполярні.

Головна класифікація поверхнево-активних речовин відбувається за типом гідрофільної групи:

• Іоногенні
• Сульфати (аніонні)
• Катіонні
• Амфолітні
• Неіоногенні.

Іонні поверхнево-активні речовини

Поверхнево активні речовиниданої групи розчиняються у воді, утворюючи іони, частина з яких згодом не активна, а для іншої частини характерна адсорбційна активність. Саме завдяки поверхневій (адсорбційній) частині забезпечуються робочі властивості ПАР.

ПАР відносять до аніоноактивних, якщо адсорбційну активність виявляють аніони, а якщо катіони – до катіоно-активних.

В амфолітних речовинах з поверхневою активністю одночасно містяться кілька функціональних груп із кислим та основним характером. Амфолітні ПАР мають властивість бути і аніоноактивними та катіоноактивними, виходячи з умов середовища знаходження.

Аніонні поверхнево-активні речовини

Аніонні ПАРпід час розчинення утворюють негативно заряджені органічні іони, а за складом вони найчастіше є органічними кислотами (натрієвими та калієвими) або їх солями, тобто милами.

У таблиці також зазначено, які класи хімічних сполук є також аніонними поверхнево-активними речовинами:

Варто зазначити, що саме аніоноактивні ПАР вважаються найбільш поширеними, їх виробляють у багато разів більше, ніж інші разом узяті ПАР.

Катіонообмінні поверхнево-активні речовини

До катіонних відносять ПАР, поверхнева активність яких при дисоціації у водному середовищі обумовлюється катіонами, що містять гідрофобні радикали. Катіонні поверхнево-активні речовини представлені такими сполуками:

Катіонні поверхнево-активні речовини останнім часом набирають популярності у виробників, за рахунок виявленої у них бактерицидної дії.

Амфолітні ПАР

Амфотерні поверхнево-активні речовини можуть бути аніоно- і катіоноактивними, залежно від факторів середовища, де вони присутні.

Ph-середовища має прямий вплив на ступінь перетворення речовин з поверхневою активністю на катіоноактивне або аніоноактивне.

Неіоногенні ПАР

Неіоногенні речовини з поверхневою активністю характеризує те, що їхня дисоціація у водному розчині не призводить до утворення іонів.

Неіоногенні ПАР часто використовують у медичній промисловості. Така популярність обумовлена такими факторами:

• Вуглеводневий ланцюжок речовин можна змінювати, подовжуючи або укорочуючи так само, як і ступінь полімеризації. Це дозволяє змінювати властивості неіоногенних поверхнево-активних речовин. Все це дозволяє отримувати продукцію із точно заданими фізико-хімічними властивостями.
• Неіоногенні ПАР не схильні до сильного впливу лужного або кислотного середовища, а також солей. Їх можна піддавати змішуванню зрозчинникамиорганічної природи.
• Неіоногенні ПАР не впливають на людський епідерміс, на відміну від іонних поверхнево-активних речовин.

Сполуки, що належать до класу неоіногенних ПАР, наведені в таблиці:

Класифікація за способом застосування

• Детергенти
• Стабілізатори емульсій
• Допоміжні речовини
• Солюблізуючі.

Засоби побутової хімії, або детергенти, застосовуються в різних продуктах для відмивання різних поверхонь від нальоту бруду.

До емульгаторів відносять стабілізатори та утворювачі піни.

Допоміжними речовинами, що адсорбуються на межі зіткнення двох тіл, є диспергуючі та пептизаційні сполуки.

Солюблізуючі речовини дозволяють підвищувати розчинення часток, що слабо розчиняються в даному середовищі.

З процесів змочування, солюбізації та емульгування складається кожна миюча дія. Будь-яка окремо взята поверхнево-активна речовина одночасно вважається і змочуючим, і емульгуючим, і миючим, і солюблізуючим компонентом більшою чи меншою мірою. Виходячи з типу ПАР, описані стадії проходитимуть з різним ступенем ефективності.

Типи ПАР по довжині бічного ланцюга гідрофобності

Ця класифікація особливо відіграє роль, коли на ПАР покладено роль емульгатора - дифільного речовини, молекули якого одночасно включають і гідрофільні, і гідрофобні групи.

Рівень прояву ліофільних або гідрофобних якостей емульгатора залежатиме якраз від довжини вуглеводневого ланцюжка.

Гідрофільні стабілізатори емульсій

Емульгатори даного типу покликані наводити у стійкий стан суміші типу вода-масло. Приєднання гідрофільного емульгатора в подібну суміш призводить до утворення навколо масляної частинки суцільного емульгуючого шару, що робить її більш стійкою.

а- гідрофільний емульгатор,
б- Гідрофобний емульгатор.

При додаванні в той же розчин стабілізатора гідрофобного емульсій стійкість суміші не підвищується, що призводить до об'єднання з іншими масляними частинками.

Гідрофобні стабілізатори емульсій

Використовуються в емульсіях виду «вода в маслі» і мають подовжену бічну ланцюг гідрофобності. Водні молекули при додаванні стабілізатора гідрофобного не зливаються.

а- гідрофобний емульгатор,
б- гідрофільний емульгатор.

Ступінь дисоціації гідрофільного та гідрофобного емульгатора залежить від того, яку емульсію необхідно в результаті отримати

ГЛБ речовин із поверхневою активністю

Параметр ГЛБ (гідрофільно-ліпофільний баланс) був введений з метою можливості оцінювати придатність окремо взятої поверхнево-активної речовини, виходячи з галузі застосування.

Кожне ПАР відрізняється власним коефіцієнтом гідрофільно-ліпофільного балансу. Наприклад, найнижчий показник ГЛБ – 1, має цис-9-октадеценова кислота, а найвищий – додецилсульфат натрію: 40. Решта поверхнево-активних речовин має значення ГЛБ у цьому діапазоні.

Число ГЛБ впливає на сферу застосування ПАР:

Для гідрофільних поверхнево-активних речовин властивий більш високий показник гідрофільно-ліпофільного балансу, для гідрофобних – нижчий.

Застосування ПАР

Частка виробництва аніоногенних та катионогенних поверхнево-активних речовин помітно зросла останнім часом та продовжує збільшуватися.

На форму випуску ПАР впливає їхнє призначення та хімічний склад. Поверхнево-активні речовини випускаються в рідкій, напіврідкій та твердій формі.

Використання ПАР не обмежена однією сферою: вони повсюдно застосовуються у медичній галузі, сільськогосподарській та побутовій сфері. Стратегічною сферою застосування поверхнево-активних речовин є випуск продуктів для особистої гігієни та знезаражувальної обробки, що обробляють та готують продукти в текстильній сфері, виготовлення лакофарбових товарів.

Різні виробничі процеси в харчопромі, фармацевтичній, нафтовій, хімічній галузі та багатьох інших реалізуються з використанням ПАР, де вони можуть застосовуватися як:

• Присадок для нафтових продуктів
• під час використання флотаційного методу збагачення гірських порід та мінералів
• складової покриттів з гідроізоляційними та антикорозійними властивостями.

Крім цього, поверхнево-активні речовини:

• Сприяють прискоренню механічної обробки різних матеріалів.
• Прискорюють процес емульгування рідких твердих тіл.
• Використовуються як стабілізатори емульсійних, пінних, пастоподібних речовин та суспензій.
• Можуть створюватися живими організмами. Наприклад, органічні ПАР є складовими крові, шлункового соку живих організмів.

Вплив поверхнево-активних речовин на людину

Взаємодія з епідермісом та слизовими оболонками

ПАР у складі різної продукції контактує зі шкірою. Тому завжди слід загострювати увагу на типі ПАР та ступені його впливу.

Наприклад, хлорид натрію у складі мила при тривалому контакті може призвести до подразнення шкіри. У той же час катіонні ПАР вважаються більш агресивними за ступенем дратівливої дії, ніж аніонні, а останні, у свою чергу, агресивніші за неіонні.

Розчини поверхнево-активних речовин невеликої концентрації викликають неприємні відчуття печіння при попаданні на очі, а високій концентрації – здатні пошкодити тканини ока.

ПАР та руйнування еритроцитів

При внутрішньовенному введенні розчинів речовин із поверхневою активністю відбувається руйнування оболонки червоних кров'яних тілець з наступним виходом гемоглобіну в плазму.

Крім цього, деякі ПАР взаємодіють не тільки з червоними кров'яними тільцями, але й іншими складовими крові. Наприклад, неіоногенні речовини з поверхневою активністю можуть збільшувати фагоцитарну активність лейкоцитів.

Токсометричний показник ПАР

Отруйність ПАР ретельно вивчається, незалежно від їхнього типу. Нижче наведено табличні значення токсикологічної дії деяких з них:

З даних у таблиці, можна дійти невтішного висновку, що найнебезпечнішими з погляду токсичності є катіонні речовини, менш – аніонні ПАР, а неионогенные речовини – найменш небезпечні.

ПАР та навколишнє середовище

У зв'язку з помітним скороченням використання мила на користь детергентів штучного походження на сьогоднішній день гостро постало питання впливу ПАР на людське здоров'я. Суть у тому, що на відміну від мила, багатьом синтетичним детергентам не характерна схильність до біорозкладання. Це призводить до того, що частинки речовин, що не розклалися, безперешкодно потрапляють у водойми і навіть у воду для щоденного вживання, оскільки вони легко проходять через фільтраційні пристрої.

Неіоногенні поверхнево-активні речовини показують легшу біорозкладність, якщо порівнювати з аніонактивними.

Заходи захисту навколишнього середовища

Технологія створення ПАР з метою захисту природного середовища може включати заміну сульфанолу натрієм лаурилсульфат і складними похідними алкан-сульфонової кислоти. Крім цього оптимально використовувати жирні кислоти органічного походження, які повністю розкладаються в навколишньому середовищі.