Поверхностно-активные вещества

Поверхностно активные вещества по отношению к воде

Поверхностно-активные вещества

Вы когда-нибудь пробовали смешать растительное масло с водой? Ну и как, получилось? Для смешивания требуется посредник. Именно посредник проникнет на глубину массы или вещества, чтобы там равномерно распределиться. Общая теория  по ПАВам была разработана известным академиком Ребиндером.

При смешивании воды и масла в одной таре получается расслоение, вода опускается книзу, а масло поднимется вверх, так как оно намного легче. Масло и вода относятся к абсолютно разным средам, между молекулами происходит работа разных сил.

Ориентационные силы провоцируют взаимодействие между молекулами, молекулы масла взаимодействуют при помощи дисперсных сил.

Как ведут себя поверхностно активные вещества по отношению к воде

ПАВ – расшифровывается как поверхностно-активное вещество, представленное в виде химического соединения. Эти соединения сконцентрированы на поверхности термодинамических фаз, помогают снизить поверхностное натяжение.

Поверхностная активность относится к одной из главных характеристик ПАВ. На границе разделения фаз натяжение устремлено к нулю. Поверхностно – активные вещества имеют определенный предел по растворимости, что называется критическая точка ККМ.

Достигая критической концентрации при добавлении ПАВ в этот раствор, приграничная концентрация становится неизменной.

В объемном растворе происходит молекулярная самоорганизация. Во время агрегации будут образовываться мицеллы, определить которые просто при помутнении раствора поверхностно — активных веществ.

Процесс мицеллообразования в растворе ПАВ дает светлый голубоватый оттенок, образующийся при преломлении света. В промышленности поверхностно – активные вещества являются достаточно популярными. Сокращение ПАВ уже укоренилось и в соединениях обозначается именно так.

Строение веществ отличает содержание в них гидрофильных и олеофильных частей.

Существует много тех веществ, которые в определенных условиях могут проявить поверхностную активность или под воздействием межмолекулярной силы снижать энергию. Натяжение в растворах резко понижается, однако в них присутствуют ПАВы, хоть и в малой концентрации.

 ПАВ из неактивных может быть щелочью или минеральной кислотой и даже неорганической солью. Существует много методов измерения поверхностного натяжения, одним из простейших можно назвать «подсчет капель» с прибором сталагмометром. Узнав поверхностное натяжение одного вещества, очень просто рассчитывается значение другого.

Некоторые измерения проводятся по специальным таблица с уже имеющимися показателями.

Как классифицируются ПАВы

Поверхностно – активные вещества анионные в воде диссоциируют и образовывают ПАВ анионы. Составляющие  этого типа относятся основной части мирового производства и подразделяются:

— соли и карбоновые кислоты;

— алкилсульфаты;

— тиосульфаты и фосфаты.

Очень широко используются в ПАВах соли синтетических жирных кислот. Соли карбоновой кислоты в кислой среде становятся слабыми диссоциированными веществами и практически не растворяются. Действие солей понижает эффективность веществ, снижаются моющие свойства.

ПАВ с образованием в воде катиона во время диссоциации называется катионным. К таким поверхностно – активным веществам относятся алифатические и ароматические амины. Эти вещества более токсичные и меньше всего разлагаются, чем другие ПАВ, их можно применять в веществах относящихся  бактерицидным средствам, средствам дезинфекции и коррозийным ингибиторам.

В амфолитных поверхностно – активных веществах содержится две группы, зависящие от pH, и имеют свойства анионноактивные и катионноактивные.

На ионы в растворах не диссоциируют неионногенные вещества. Метод основывается на присоединении этиленоксида к спирту, аминам и другим веществам. Неионногенные ПАВ – это смесь гомологов с полиоксиэтиленовой цепью.

Цепь определяет гидрофильные свойства, длина цепи изменяется, а свойства регулируются. Некоторые ПАВ обладают замечательными моющими свойствами.

В неионногенных ПАВах есть и недостатки, к которым относятся медленное разложение ароматических радикалов и накопление их во внешней среде. Такие ПАВ разлагаются быстро и до конца.

Чаще свойства ПАВ рассматриваются по отношению к воде и подразделяются на два типа: растворимые и коллоидные.

В первую группу входят растворимые соединения из разряда органических, в этих органических соединениях углеводородный радикал небольшой, можно рассмотреть фенолы и спирты.

Вещества в растворе сосредоточены в дисперсном молекулярном состоянии, их применяют как смачиватели, вспениватели и диспергаторы. Не менее интересны коллоидные ПАВы. Их отличие состоит в том, что термодинамические дисперсные системы образуются устойчиво.

Свойства коллоидных ПАВ:

— высокая активность на поверхности;

— самопроизвольное мицеллообразование;

— солюбилизация;

— стабилизация дисперсной системы.

Длина радикала определяет поверхностную активность. Если увеличить длину СН2, то возрастет поверхностная активность примерно в 3.2 раза, по правилу Дюкло — Траубе. Правило относится в основном к растворимым ПАВ. В органических средах происходит обращение правила, активность поверхностных веществ радикала снижается.

Термодинамика и мицеллообразование

Растворимость ПАВ определена повышением энтропии в растворе. Ионногенные ПАВ  проходят процесс диссоциации и в растворе воды. Низкая растворимость у неионногенных ПАВ, так как они не диссоциируют.

При растворении поверхностно – активных веществ поглощается теплота и с повышением температуры повышается и растворимость.

Растворимость ПАВ на положительно активной поверхности маленькая, с повышением концентрации образуется процесс мицеллообразования.

ПАВы собираются в мицеллы, а раствор переходит в мицеллярную систему, но концентрация при этом превышает точку ККМ.  Мицеллы ПАВ лиофильные и лиофобные соединяются в воде, и получается ядро мицеллы. Количество ассоциации и определяет молекулярное число. Сумма молекулярных масс означает мицеллярную массу.

Наблюдается обратимость мицелярной системы, если разбавить раствор, то мицеллы распадутся на ионы и молекулы. Точка Крафт  — это температура, когда растворимость ПАВ увеличивается. Точка на диаграмме соответствует ККМ – это точка Тк. Сs обозначает растворимость в воде.

ККМ показывает нижний предел мицелл, температура показывает режим существования, аО – это равновесие между чистым и истинным ПАВ. Ов – показатель равновесия или изменение ККМ от показателя температуры.

На диаграмме Точка Крафта выполнена в виде тройной точки, это равновесие чистого и истинного ПАВ и мицеллярного раствора. Точка становится меньше при уменьшении длины углеводородного радикала, при уменьшении разветвлений.

Уравнение образования мицеллообразования:

m(ПАВ)  × (ПАВ)m  — неионногенные ПАВы

nК+ + mR × М(m — n), где  К+ — противоионы, R- поверхностно-активный анион, m — число этих анионов в молекуле, М — мицелла.

Мицеллообразование предусматривает использование закона действующих масс, это помогает определить термодинамические функции.

Зачем нужны ПАВ

Грязные налеты и в частности жир водой, даже теплой практически невозможно смыть. Возьмите, например, попробуйте помыть жирные руки, жир останется, а вода будет просто стекать. Водные молекулы не прилипают к молекулам жиров, тем самым не забирают их с рук.

Главными задачами в этом случае являются попутки  прикрепить молекулы жира к воде. Поверхностно – активное вещество как раз и выполняет эти функции. молекулы очень простое, ПАВ представлен в виде сферы, где один из полюсов липофильный, он соединяется с жировыми молекулами, а второй гидрофильный, он соединяется с молекулами воды.

Одним словом поверхностно – активное вещество один конец цепляется к жиру, а второй к воде.

Здоровье человека и ПАВ

влаги в человеческом теле сопровождается жировой основой. Защитой кожи являются жировые поверхности, липидные слои, ПАВ вызывает распад естественного слоя. Заразные вещества попадают туда, где кожа меньше всего защищена, что представляет особую опасность для человека. Восстановление защитного слоя после использования моющих средств происходит в течение 4 часов, но не на 100%.

Гигиенические нормативы устанавливаются в соответствии с ГОСТом. Восстановление настолько быстро происходит не после каждого моющего средства. Если ПАВы не являются биоразлагаемыми, то они скапливаются во внутренних органах организма. В организме человека ПАВы присутствуют всегда, только сменяются и конечно наносят некий вред телу человека, особенно влияют на репродуктивность у мужчин.

Виды ПАВ по характеру использования

Средства для мытья представлены веществами и смесями их, которые растворимы в воде и используются для того, чтобы очистить или отмыть твердые поверхности от грязи.

Смачивателями называются составы веществ, которые вызывают пептизацию и диспергирование, одним словом твердые тела измельчаются на мельчайшие частицы, а если это жидкость, то деление происходит на капельки. Смачиванием называется та фаза, которая начинается до мойки.

Солюблизаторами называются частицы веществ, которые повышают растворение тех частиц, коим трудно растворяться в жидкой среде. Молекулы обволакивают эти частицы, и получается мицелла, она подобно растворителю растворяет в себе частицы.

Под понятием эмульгаторы представлены частицы, которые стабилизируют несмешивающиеся жидкости.

Косметика и ПАВ

В косметику входит широкий спектр продукции, которые предназначены для ухода за волосами и за телом. Сюда относятся гели, шампуни и жидкое мыло, краски для волос, бальзамы, крема и многое другое.

Шампуни могут быть укоренившимися и современными, например многофункциональные продукты, в составе которых различные ингредиенты. В основе компонентов сырья ПАВы и другие добавки, сюда входят и биологические добавки.

В основе ПАВ лежат анионные частицы, которые позволяют создавать моющие свойства и щадяще влияют на кожу и волос. В обычном шампуне анионные ПАВ представлены алкилсульфатами и алкилэфирсульфатам. Вспомогательные ПАВ – эмфотерные катионные и неионные вещества.

Эти вещества повышают совместимость ПАВ, кожи и волос, в них повышены свойства пенообразования, вязкость регулируется и снижается обезжиривающее свойство. Зачастую используется имидазолин, оксид аминов и бетаин.

ПАВы в природе и в быту

 Зачастую ПАВы  мы видим в промышленном производстве, в сельском хозяйстве, медицинской деятельности и в бытовых условиях. Важными областями для потребителя является производство мыла, моющих средств, технических средств и гигиенических, их можно увидеть в лакокрасочной продукции и в текстильной промышленности.

Вещества найдутся и в фармацевтике, в пищевой области применения, в нефтяной и химической. ПАВы играют важную роль в органических соединениях, биологических процессах и вырабатываются для личного использования живыми организмами. В промышленном текстиле ПАВ снимает статическое электричество, в основном на синтетике. Кожаные изделия не слипают и не повреждаются благодаря этим веществам.

Чтобы снизить натяжение для проникновения краски в самые мелкие поры используются ПАВ. Для переработки использованной бумаги необходимо отделить чернила от целлюлозы, происходит адсорбция молекул в пигменте чернил. Пигментация переходит в гидрофобное состояние, сквозь пигмент и целлюлозу проходит воздух. Пузырьки собираются и поднимаются на поверхность.

ПАВ в металлургической промышленности используется для смазывания прокатного станка. При высокой температуре масло сгорает, понижается процесс трения. Широкое применение нашли частицы ПАВ и в сельском хозяйстве и в агрономии, они помогают создать эмульсию. Применяются часто для транспортировки питательных компонентов через стенки мембраны.

В пище ПАВ используется в мороженом, шоколадках, в соусах и сливках. В нефтяной промышленности  вещества требуются для увеличения нефтеотдачи.

Как происходит биологическое разложение ПАВ

Водный раствор ПАВ  в требуемой концентрации попадает в сточные воды на промышленном производстве, а в конце сливается в водоем. Сточным водам и ПАВ уделяется огромное внимание, скорость разложения низкая, поэтому результат органических воздействий, воздействий на природу и живые организмы просто непредсказуемый.

  Если в сточной воде содержится продукция полифосфатных ПАВ после гилролиза, можно наблюдать интенсивный рост травы и других растений, а значит, увеличивается риск загрязнения водоема. При отмирании растения начинают гнить, а вода начинает активно объединяться с кислородом.

Для очистки используются ПАВ в виде пены, активированный уголь, смолы и др. В этих отношения ПАВ подразделяют на мягкий и жесткий. Окисление проводится в присутствии ферментов, с повышением температуры повышается и скорость окислительной реакции, а если температура превышает 35 градусов, то происходит разрушение ферментов.

Производственные предприятия появляются снова и снова и являются локальными загрязнителями.

Сбрасывание ПАВов в сточные воды, может привести лишь к граммовой концентрации. Сбросы могут вызывать серьезные проблемы не только для водного пространства, но и почв. ПАВ усиливают множество других загрязнений. При проникновении загрязняющих частиц вещества с высоким содержанием ПАВ проникает в воду.

Для очистки существуют специальные методы, которые применяются как стандартные, так и традиционные. Самыми действенными принято считать: сорбционный, метод флотации и реагентную обработку. Методом флотации, получается, удалить большое количество ПАВ, однако не во всех случая этот метод подходит.

Чтоб провести очистку с помощью обработки реагентами придется воспользоваться сильными окислителями. Лучше всего использовать гипохлорит натрия. Есть здесь и минусы – расходуется огромное количество реагента, а очищенной воде увеличивается процентное содержание активного хлора. Для очистки часто используются и разные виды активированного угля.

К 2008 году насчитывалось примерно 13 мл тонн произведенных ПАВ. К 2012 году рынок увеличился больше чем в два раза, к 2020 планируется рост до 36 млрд.

Свойства и применение поверхностно-активных веществ

Поверхностно-активные вещества

Всем привет!

Наконец-то закончились наши чрезмерно длинные праздники! Честно говоря, я уже устала от них. Не могу долго сидеть дома. Поэтому с ужасом думаю о предстоящем в апреле десятидневном отпуске, который у нас в Казахстане называют «экологическим» — его дают всем, кто жил в зоне действия Семипалатинского полигона.

А моя специфика работы такая, что взять его в другое время не получится – вот и приходится брать весной, когда еще сыро и холодно и толком никуда не съездишь.

Ну да ладно, не буду долго морочить вам голову. Сегодня предлагаю поговорить о еще одном интересном веществе, точнее, группе веществ, с которыми мы сталкиваемся ежедневно – это поверхностно активные вещества.

Где они используются

Где можно встретить эти интересные вещества, которые сокращают просто до букв ПАВ? Для начала – это бытовая химия:

Думаю, эта информация для вас не новая. А вот дальше – интереснее. Дело в том, что бытовая химия использует лишь половину всех ПАВ, остальное приходится на долю самых разных отраслей народного хозяйства:

  • нефтегазовая промышленность (бурение скважин);
  • производство минеральных удобрений;
  • производство химических волокон;
  • производство строительных материалов;
  • пищевые ПАВ (например, предохраняющие хлеб от быстрого очерствения);
  • составы для обработки кожи, древесины, меха
  • и еще много всего.

Почему такое название

Давайте разберемся, почему они так называются и что из себя представляют.

Это органические вещества (чаще всего – сложные эфиры, жиры и соли жирных кислот), которые способны понижать поверхностное натяжение воды. Именно на этом и основано все их применение, поэтому они являются основой любого моющего средства, без ПАВ оно просто-напросто не будет «работать».

У поверхностно активных веществ интересное строение – это большие молекулы, которые состоят из двух совершенно не похожих друг на друга частей: одна часть легко притягивается водой и называется гидрофильной (то есть любящей воду), вторая часть воды боится и притягивается к маслу, жиру и прочим подобным веществам.

Получается, что молекула ПАВ располагается на границе раздела двух фаз, например, воды и масла. При этом части этой молекулы направлены на обе фазы – на воду и на жир. В результате поверхностное натяжение воды уменьшается, она легко проникает в жирное пятно, отрывает жир от поверхности и уносит его с раствором.

Итог – чистая тарелка или одежда, избавленная, например, от пятен краски или чернил. Конечно, я рассказала все очень упрощенно и примитивно, но, думаю, не-химику этого будет более чем достаточно.

Особенности использования

Нужно только знать, что сейчас при производстве этих веществ достаточно жестко учитывается их избирательность действия. То есть для каждого случая подбирается вещество с конкретным действием.

Например, для мытья твердых поверхностей берут за основу ПАВ, молекулы которого активно «отрывают» частички грязи от поверхности. При необходимости (например, если это средство для мытья посуды) к нему будет добавлено и поверхностно-активное вещество с антибактериальными свойствами.

Для шампуня на первом месте будет стоять ПАВ с хорошим пенообразованием.

А при производстве порошка для стиральной машинки, наоборот, будет выбрано вещество с наименьшей способностью образовывать пену.

Соответственно, для стиральных порошков разных типов, то есть для белого белья или деликатной стирки также будут подобраны разные составы активных веществ.

Кстати, современные ПАВ – это не только чистящее действие. Кроме этого они оказывают еще вот такое действие:

  • смачивающее;
  • растворяющее;
  • антистатические;
  • антисептические;
  • способствуют образованию пены
  • и многое другое.

Все ли ПАВ – это чистая химия?

Нет. Есть поверхностно активные вещества, которые получают из натурального сырья, например, из разных масел:

  • пальмового;
  • оливкового;
  • рапсового
  • и некоторых других.

При этом их химическая обработка минимальна (но все же есть, без этого — никуда). Такие вещества практически не вызывают раздражения кожи, очень мягкие по своему действию, поэтому их используют чаще всего для производства детской косметики или средств по уходу за чувствительной кожей.

Естественно, стоить такая косметика будет дороже стандартной «химической». Кстати, кому интересно, откуда взялся термин «органическая косметика», можете почитать вот здесь.

Пав и экология

В промышленных и бытовых стоках содержится просто огромное количество активных веществ. Что с ними делать? Ведь они попадают в водоемы и остаются там на долгое время, практически не разлагаясь, подобно полиэтилену.

Ученые сейчас над этим активно работают. Наиболее перспективным является направление создания таких веществ, которые будут разлагаться после их использования. Таким веществам уже придумано название «биоПАВ».

Второе направление работ – это решение проблемы микробиологическим путем, то есть выведение бактерий, которые будут поглощать ПАВ. И, кстати, такие микроорганизмы уже есть. Правда, «поедают» они не все ПАВ, а только некоторые виды, но это все же лучше, чем ничего. Тем более, что работы в этой области ведутся постоянно.

Так что, я, например, не оставляю надежды, что мой сын будет жить на чистой планете с чистым воздухом и водой. А если повезет, то, возможно, и мне удастся застать это время.

Чего и вам желаю!

И в заключение — небольшое видео о производстве и свойствах поверхностно-активных веществ.

Наталья Брянцева

Поверхностно-активные вещества

Поверхностно-активные вещества

Материал из Медицинская википедии

Пове́рхностно-акти́вные вещества́ (ПАВ) — химические соединения, которые, концентрируясь на поверхности раздела фаз, вызывают снижение поверхностного натяжения.

Основной количественной характеристикой ПАВ является поверхностная активность — способность вещества снижать поверхностное натяжение на границе раздела фаз — это производная поверхностного натяжения по концентрации ПАВ при стремлении С к нулю.

Однако, ПАВ имеет предел растворимости (так называемую критическую концентрацию мицеллообразования или ККМ), с достижением которого при добавлении ПАВ в раствор концентрация на границе раздела фаз остается постоянной, но в то же время происходит самоорганизация молекул ПАВ в объёмном растворе (мицеллообразование или агрегация). В результате такой агрегации образуются так называемые мицеллы. Отличительным признаком мицеллообразования служит помутнение раствора ПАВ. Водные растворы ПАВ, при мицеллообразовании также приобретают голубоватый оттенок (студенистый оттенок) за счёт преломления света мицеллами.

  1. Метод поверхностного натяжения
  2. Метод измерения контактного угла с тв. или жидкой поверхностью (Contact angle)
  3. Метод вращающейся капли (Spindrop/Spinning drop)

Строение ПАВ

Как правило, ПАВ — органические соединения, имеющие амфифильное строение, то есть их молекулы имеют в своём составе полярную часть, гидрофильный компонент(функциональные группы -ОН, -СООН, -SOOOH, -O- и т. п., или, чаще, их соли -ОNa, -СООNa, -SOOONa и т. п.

) и неполярную (углеводородную) часть, гидрофобный компонент. Примером ПАВ могут служить обычное мыло (смесь натриевых солей жирных карбоновых кислот — олеата, стеарата натрия и т. п.) и СМС (синтетические моющие средства), а также спирты, карбоновые кислоты, амины и т. п.

Классификация ПАВ

  • Ионогенные ПАВ
    • Катионные ПАВ
    • Анионные ПАВ
    • Амфотерные
  • Неионогенные ПАВ
    • Алкилполиглюкозиды
    • Алкилполиэтоксилаты

Влияние ПАВ на компоненты окружающей среды

ПАВ делятся на те, которые быстро разрушаются в окружающей среде и те, которые не разрушаются и могут накапливаться в организмах в недопустимых концентрациях. Один из основных негативных эффектов ПАВ в окружающей среде — понижение поверхностного натяжения.

Например в океане изменение поверхностного натяжения приводит к снижению показателя удерживания CO2 и кислорода в массе воды. Только немногие ПАВ считаются безопасными (алкилполиглюкозиды), так как продуктами их деградации являются углеводы.

Однако при адсорбировании ПАВ на поверхности частичек земли/песка степень/скорость их деградации снижаются многократно.

Так как почти все ПАВ, используемых в промышленности и домашнем хозяйстве, имеют положительную адсорбцию на частичках земли, песка, глины, при нормальных условиях они могут высвобождать (десорбировать) ионы тяжёлых металлов, удерживаемые этими частичками, и тем самым повышать риск попадания данных веществ в организм человека.

Области применения

  • Моющие средства. Основное применение ПАВ — в качестве активного компонента моющих и чистящих средств (в том числе, применяемых для дезактивации), мыла, для ухода за помещениями, посудой, одеждой, вещами, автомобилями и пр. В 2007 году в России было произведено более 1 млн тонн синтетических моющих средств, главным образом — стиральных порошков.
  • Косметика. Основное использование ПАВ в косметике — шампуни, где содержание ПАВ может достигать десятков процентов от общего объёма. Также ПАВ используются в небольших количествах в зубной пасте, лосьонах, тониках и других продуктах.
  • Текстильная промышленность. ПАВ используются в основном для снятия статического электричества на волокнах синтетической ткани.
  • Кожевенная промышленность. Защита кожаных изделий от лёгких повреждений и слипания.
  • Лакокрасочная промышленность. ПАВ используются для снижения поверхностного натяжения, что обеспечивает лёгкое проникновение красочного материала в маленькие углубления на обрабатываемой поверхности и их заполнение с вытеснением при этом оттуда другого вещества (например, воды).
  • Бумажная промышленность. ПАВ используются для разделения чернил и варёной целлюлозы при переработке использованной бумаги. Молекулы ПАВ адсорбируются на пигменте чернил. Пигмент становится гидрофобным. Далее воздух пропускается через раствор пигмента и целлюлозы. Пузырьки воздуха адсорбируются на гидрофобной части ПАВ и частички пигмента чернил всплывают на поверхность. См. флотация.
  • Металлургия. Эмульсии ПАВ используются для смазки прокатных станов. Снижают трение. Выдерживают высокие температуры, при которых сгорает масло.
  • Защита растений. ПАВ широко используются в агрономии и сельском хозяйстве для образования эмульсий. Используются для повышения эффективности транспортировки питательных компонентов к растениям через мембранные стенки.
  • Пищевая промышленность. ПАВ в виде эмульгаторов (например лецитина) добавляют для улучшения вкусовых качеств мороженого, шоколада, взбитых сливок, соусов для салатов и других блюд.
  • Нефтедобыча. ПАВ применяются для гидрофобизации призабойной зоны пласта (ПЗП) с целью увеличения нефтеотдачи.
  • Строительство. ПАВ, называемые пластификаторами, добавляют к цементно-песчаным смесям и бетонам для уменьшения их водопотребности при сохранении подвижности. Это увеличивает конечную прочность (марку) затвердевшего материала, его плотность, морозостойкость, водонепроницаемость.
  • Медицина. Катионные и анионные ПАВ применяют в хирургии в качестве антисептиков. Например, четвертичные аммониевые соединения приблизительно в 300 раз эффективнее фенола по губительному действию в отношении микроорганизмов. Антимикробное действие ПАВ связывают с их влиянием на проницаемость клеточных мембран, а также ингибирующим действием на ферментативные системы микроорганизмов. Неионогенные ПАВ практически не обладают противомикробным действием.

Библиография

  • Абрамзон А. А., Гаевой Г. М. (ред.) Поверхностно-активные вещества. — Л.: Химия, 1979. — 376 с.
  • Паршикова Т. В. Поверхностно-активные вещества как фактор регуляции развития водорослей. — Киев: Фитосоциоцентр, 2004. — 276 с. (на укр. яз.).
  • Остроумов С. А. Биологические эффекты при воздействии поверхностно-активных веществ на организмы. — М.: МАКС-Пресс, 2001. — 334 с.
  • Ставская С. С., Удод В. М., Таранова Л. А., Кривец И. А. Микробиологическая очистка воды от поверхностно-активных веществ. — Киев: Наук. думка, 1988. — 184 с.

См. также

  • Сурфактант
  • Диспергаторы кальциевых мыл
  • Неонол
  • Синтанол
  • Сульфонол

Поверхностно-активные вещества (ПАВ)

Поверхностно-активные вещества

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) – это огромнейшая группа веществ, способная снижать поверхностное натяжение на границе не растворяющихся друг в друге веществ, облегчая их смешивание.

В косметике это пенящиеся и моющие компоненты шампуней и моющих лосьонов, вещества, создающие однородные кремообразные системы в кремах, красителях, масках, кондиционерах, стабилизаторы красителей и бактерицидные добавки в дезодорантах.

Химически это совершенно разнообразная группа веществ, но общим является следующее: если хотя бы два вещества не растворяются друг в друге как, например, масло с водой, то добавление ПАВ их смешивает и образует однородную жидкость.

Это очень ярко видно в случае мытья посуды: жир на поверхности тарелок очень виден и ощутим, но вода, особенно холодная, стекает по жиру, практически не смывая его.

Стоит налить хоть немного моющего средства на тарелку, содержащего поверхностно-активные вещества и равномерно нанести его – как тут же вода будет стекать, унося за собой остатки жира.

Жир, как и масло не растворяются в воде и нанесение ПАВ просто помогло маслу смешаться с водой, создавая эффект «растворения». На самом деле масло с тарелки превратилось из равномерного слоя на поверхности в тысячи мельчайших капелле масла, окруженных слоем ПАВ, которые вода легко унесла с собой с поверхности тарелки.

У молекулы поверхностно-активного вещества есть две отличительные части: голова и хвост. Голова молекулы ПАВ — является гидрофильной — любящей воду, а хвост — липофильным (любящим масло) и гидрофобным (боящимся воды).

Когда такая молекула попадает в воду с каплями масла, то хвост поверхностно-активного вещества старается уйти из воды и расположится либо в масле, либо в воздухе, а голова напротив располагается в воде.

Таким образом молекула рас полается так раз на границе воды и масла и создает эмульсию.

Типы поверхностно-активных веществ

В зависимости от химической природы различают: анионные, катионные, амфотерные и неионные (неионогенные) поверхностно-активные вещества (ПАВ).

Анионные поверхностно-активные вещества

Анионные поверхностно-активные вещества (с отрицательно заряженной – головкой) —  наиболее широко используемые моющие компоненты в косметике. Они недорогие, легки в приготовлении, и хорошо очищают. Кроме этого они легко смываются от волос, не образуя пленок и налета.

Их моющий эффект одинаков как в холодной так и в горячей воде. Основной недостаток анионных ПАВ – в том, что они могут раздражать кожу. Для снижения раздражения в составы зачастую добавляют другие группы поверхностно-активных веществ.

Анионные ПАВ — это основные моющие компоненты шампуней, для получения эффекта эмульгирования их добавляют в красители.

Катионные поверхностно-активные вещества

Катионные поверхностно-активные вещества (с положительно заряженной головкой) — более слабые, как моющие вещества, чем анионные, и плохо вспениваются.

Однако катионные ПАВ хорошо проявляют себя как кондиционирующие вещества для волос, придавая мягкость и послушность волосам. Они могут снимать отрицательный заряд с волос, чем обеспечивают антистатический эффект.

Катионные ПАВ «утяжеляют» волос, делая его более послушным, облегчая расчесывание и укладку.

Так как катионные ПАВ имеют заряд противоположный анионным ПАВ, то ранее они не смешивались.

Сейчас есть возможность компоновать их в одном флаконе, благодаря этому катионные ПАВ смягчают агрессивное действие шампуней, а в применении в качестве кондиционера могут нейтрализовать агрессивный эффект.

Катионные поверхностно-активные вещества наиболее часто встречаются в кондиционерах и масках для волос, так же шампунях для окрашенных волос и шампунях 2-в-1. Так же их можно встретить в детских шампунях «без слез», так как они не вызывают раздражения глаз.

Амфотерные поверхностно-активные вещества

Амфотерные поверхностно-активные вещества могут содержать положительную или отрицательную группу в зависимости от рН. При этом они могут вести себя как катионные ПАВ при более низких значениях рН и анионные – при более высоких значениях рН.

Пена этих поверхностно-активных веществ умеренная и придает управляемость волосам. Кроме этого группа амфотерных ПАВ минимально раздражает кожу головы и способна снимать уже имеющееся раздражение.

Амфотерные ПАВ в сочетании с анионными улучшают пенообразующую способность и повышают безвредность рецептур, а при соединении с катионными полимерами усиливают положительное воздействие кондиционирующих добавок, таких как силиконы и полимеры, на волосы и кожу.

Анионные ПАВ получают из натурального сырья, поэтому это достаточно дорогие компоненты.
Амфотерные ПАВ можно встретить в шампунях для детей (не раздражают глаза), специальных шампунях для поврежденных и тонких волос, шампунях 2-в-1, красках для волос, окислителях, а так же масках и кондиционерах.

Неионные поверхностно-активные вещества

Неионные поверхностно-активные вещества, вторая самая популярная группа ПАВ после анионных поверхностно-активных веществ, обладают полярными головками.

Они являются самыми мягкими из всех поверхностно-активных веществ и используются в комбинации с анионными поверхностно-активными веществами как вторичный очиститель, а так же загуститель и стабилизатор пены.

Неионные ПАВ встречаются практически во всей косметике для волос, так как хорошо компонуются со многими веществами.

Классификация по строению молекулы

По строению молекулы на III Международном конгрессе по ЮАР в 1960 году было принято разделять поверхностно-активные вещества на следующие классы:

  1. Ионогенные ЮАР
    • Анионные ПАВ
    • Катионные ПАВ
    • Амфотерные ПАВ
  2. Неионогенные ПАВ
    • Алкилполиглюкозиды
    • Алкилполиетоксилаты

Анионные ПАВ

Анионактивные ЮАР содержат в составе молекулы полярные группы, которые диссоциируют в водных растворах с образованием отрицательно заряженных ионов с длинным гидрофобным цепью. При адсорбции анионогенных поверхностно-активные вещества придают поверхности отрицательного заряда.

Гидрофобной частью молекулы обычно выступают насыщенные или ненасыщенные алифатические или арилалифатични цепи. Наиболее распространенными представителями являются алкилсульфаты и алкиларилсульфонаты, а также производные насыщенных и некоторых ненасыщенных карбоновых кислот (мыла).

Катионные ПАВ

Катионоактивные поверхностно-активные вещества, в отличие от анионактивных, диссоциируют в водном растворе с образованием положительно заряженного поверхностно-активного иона с длинным гидрофобным цепью и отрицательно заряженного иона, обычно галогенида, иногда аниона серной или ортофосфорной кислоты. При адсорбции на поверхности катионные ПАВ оказывают ей положительный заряд. Среди катионоактивные ионогенных ПАВ преобладают азотсодержащих соединения. Самое важное промышленное значение среди них имеют соединения пиридина, хинолина, фталазину, бензимидазола, бензотиазол и др.

Неионогенные ПАВ

Неионогенные ПАВ — это поверхностно-активные вещества, молекулы которых в водных растворах не способны к диссоциации на ионы.

Молекулы таких веществ имеют дифильное природу: они состоят из длинных углеводородной цепи с гидрофильными эфирного и гидроксильных групп, которые обусловливают растворимость таких веществ в воде.

Неионогенные ПАВ получают взаимодействием этиленоксида и спиртов, карбоновых кислот, алкилфенолов и алкилнафтолив, аминов, амидов, имидазола, сульфамидами, меркаптанов. Преимуществом неионогенных поверхностно-активных веществ является возможность регулирования их гидрофильности.

Также положительной чертой является то, что жесткость воды не влияет на их растворимость, а также то, что они могут использоваться с катионными и анионными ПАВ, является причиной частого использования в составе моющих средств.

Первый класс ЮАР по строению полимерной цепи

К первому классу относятся низкомолекулярные вещества дифильных характера с несимметричными молекулами, то есть соединения, имеющие гидрофильную «голову» (одну или несколько полярных групп, например, ОН, -СООН, -SO 3 H, -OSO 3 H, -COOMe, — NH 2) и гидрофобный «хвост» (как правило, алифатический цепь, иногда включая ароматическую группу). Концентрация таких веществ в поверхностном слое позволяет расположиться так, что внутрь, в сторону водной фазы они обращены гидрофильными фрагментами, а наружу — объемистый алифатических заместителями, которые образуют гидрофобный поверхностный слой. Взаимодействия в этом слое имеют сугубо Ван дер ваальсовых природу и поэтому существенно слабее, чем в случае поверхностного слоя, образованного молекулами воды и пронизанного сетью водородных связей. Итак, чрезмерная поверхностная энергия такого слоя с гидрофобных радикалов будет значительно ниже, чем в случае поверхностного водного слоя. Это означает, что такие ионы будут концентрироваться в поверхностном слое.

Второй класс ЮАР по строению полимерной цепи

Ко второму классу ЮАР принадлежат высокомолекулярные вещества, в которых чередуются гидрофильные и гидрофобные группы, равномерно распределены по всей длине полимерной цепи. Молекулы веществ второго класса построены симметрично. В результате их поведение на границе раздела не зависит от ориентации молекул относительно поверхности жидкости, в которой они растворены.

По отношению к поверхности воды они инактивные, не смачивается поверхность воды и не растворяются в ней. От них следует отличать высокомолекулярные ПАВ, построенные из двух или трех отрезков, каждый из которых состоит из гидрофильных и гидрофобных блоков мономеров.

По механизму адсорбции и эмульгирующими свойствами такие вещества следует относить к поверхностно-активным веществам первого класса.

Классификация по механизму действия

По механизму действия на поверхностные свойства растворов ПАВ делят на четыре группы.

Первая группа ЮАР по механизму действия

К первой группе относятся вещества, поверхностно-активные на границе жидкость — газ и прежде всего на границе вода — воздух, но которые не создают коллоидных частиц ни в объеме, ни в поверхностном слое. Это низкомолекулярные ЮАР, истинно растворимые в воде вещества, например, низшие члены гомологических рядов спиртов, кислот и т. Снижая поверхностное натяжение воды до 50-30 × 10.

1.1. Классификация по строению молекулы

По строению молекулы на III Международном конгрессе по ЮАР в 1960 году было принято делить поверхностно-активные вещества на следующие классы:

  1. Ионогенных ПАВ
    • Анионные ПАВ
    • Катионные ПАВ
    • Амфотерные ПАВ
  2. Неионогенных ПАВ
    • Алкилполиглюкозиды
    • Алкилполиетоксилаты

1.1.1. Анионные ПАВ

Анионоактивные ПАВ содержат в составе молекулы полярные группы, которые диссоциируют в водных растворах с образованием отрицательно заряженных ионов с длинным гидрофобным цепью. При адсорбции анионогенни поверхностно-активные вещества придают поверхности отрицательного заряда.

Гидрофобной частью молекулы обычно выступают насыщенные или ненасыщенные алифатические или арил алифатические цепи. Наиболее распространенными представителями являются алкил сульфаты и алкиларилсульфонаты, а также производные насыщенных и некоторых ненасыщенных карбоновых кислот (мыла).

1.1.2. Катионные ПАВ

Катионоактивные поверхностно-активные вещества, в отличие от анионоактивные, диссоциируют в водном растворе с образованием положительно заряженного поверхностно-активного иона с длинным гидрофобным цепью и отрицательно заряженного иона, обычно галогенида, иногда аниона серной или ортофосфорной кислоты. При адсорбции на поверхности катионные ПАВ придают ей положительный заряд. Среди катионоактивные ионогенных ПАВ преобладают азотсодержащих соединения. Важное промышленное значение среди них имеют соединения пиридина, хинолина, фталазину, бензимидазола, бензотиазол и др..

1.1.3. Неионогенных ПАВ

Неионогенные ПАВ — это поверхностно-активные вещества, молекулы которых в водных растворах не способны к диссоциации на ионы.

Молекулы таких веществ имеют дифильное природу: они состоят из длинных углеводородной цепи с гидрофильными эфирного и гидроксильными группами, которые предопределяют растворимость таких веществ в воде.

Неионогенные ПАВ получают взаимодействием этиленоксида и спиртов, карбоновых кислот, алкил фенолов и алкилнафтолив, аминов, амидов, имидазола, сульфамидов, меркаптанов. Преимуществом еионогенних поверхностно-активных веществ является возможность регулирования их гидрофильности.

Также положительной чертой является то, что жесткость воды не влияет на их растворимость, а также то, что они могут использоваться с катионными и анионными ПАВ, является причиной частого использования в составе моющих средств.

1.2.1. Первый класс ЮАР

К первому классу относятся низкомолекулярные вещества дифильное характера с несимметричными молекулами, т.е.

соединения, имеющие гидрофильную «голову» (одну или несколько полярных групп, например, — ОН, — СООН, — SO 3 H,-OSO 3 H, — COOMe, — NH 2) и гидрофобный «хвост» (как правило, алифатический цепь, иногда включает ароматическую группу).

Концентрация таких веществ в поверхностном слое позволяет им расположиться так, что внутрь, в сторону водной фазы они обращены гидрофильными фрагментами, а наружу — объемистый алифатическими радикалами, которые образуют гидрофобный поверхностный слой.

Взаимодействия в этом слое имеют сугубо Ван-дер-ваальсовых природу и поэтому существенно слабее, чем в случае поверхностного слоя, образованного молекулами воды и пронизанного сеткой водородных связей. Итак, чрезмерная поверхностная энергия такого слоя с гидрофобных радикалов будет значительно ниже, чем в случае поверхностного водного слоя. Это означает, что такие ионы сконцентрируются в поверхностном слое.

1.2.2. Второй класс ЮАР

Ко второму классу ЮАР относятся высокомолекулярные вещества, в которых чередуются гидрофильные и гидрофобные группы, равномерно распределены по всей длине полимерной цепи. Молекулы веществ второго класса построены симметрично. Вследствие этого их поведение на границе раздела не зависит от ориентации молекул относительно поверхности жидкости, в которой они растворены.

По отношению к поверхности воды они инактивные, не смачивают поверхность воды и не растворяются в ней. От них следует отличать высокомолекулярные ПАВ, которые построены из двух или трех отрезков, каждый из которых состоит из гидрофильных и гидрофобных блоков мономеров.

По механизму адсорбции и эмульгирующими свойствами такие вещества следует относить к поверхностно-активных веществ первого класса.

1.3. Классификация по механизму действия

По механизму действия на поверхностные свойства растворов ПАВ делят на четыре группы.

1.3.1. Первая ЮАР

К первой группе относятся вещества, поверхностно-активные на границе жидкость — газ и прежде всего на границе вода — воздух, но не создают коллоидных частиц ни в объеме, ни в поверхностном слое. Это низкомолекулярные ЮАР, истинно растворимые в воде вещества, например, низшие члены гомологических рядов спиртов, кислот и т.д.

Снижая поверхностное натяжение воды до 50 ? 30 ? 10 -3 Н / м, они облегчают ее растекания по слабо смачиваемых гидрофобных поверхностях тонкую пленку. Эти вещества слабые пенообразователи, повышающие устойчивость свободных двусторонних жидких пленок в пене.

Поэтому ЮАР первой группы нашли применение в процессах флотации, в которых пена должна быть неустойчивой, такой, легко разрушается. Наибольшее применение ЮАР этой группы получили как пеногасители, резко снижают устойчивость пены.

Пеногасители играют существенную роль во всех процессах, где возникновение устойчивых пин затрудняет или нарушает ход процесса, например, в промывочных растворах скважин, применяемые в глубоком бурении и др..

1.3.2. Вторая группа ЮАР

Ко второй группе относятся вещества, которые проявляют поверхностную активность на границе двух жидкостей, не смешиваются, но коллоидных структур не образуют.

Такие вещества, адсорбируясь на поверхностях раздела, снижают свободную поверхностную энергию жидкости или твердого тела и тем самым облегчают процесс образования новой поверхности, в частности в процессе диспергирования. Поэтому ЮАР второй группы называют диспергаторами. Они применяются при распиловке жидкостей, эмульгировании, диспергировании твердых тел и т.д.

диспергаторы могут быть любые ЮАР, адсорбируются на поверхности частиц дисперсионной среды и стабилизируют высокодисперсных суспензию. Поэтому в водных средах диспергаторами служат гидрофилизуючи ЮАР, чаще поверхностно-активные полимеры.

1.3.3. Третья группа ЮАР

Третью группу составляют ЮАР, создающих гелеобразную структуру в адсорбционном слое и в растворе. Такие вещества предотвращают коагуляции частиц, стабилизируют дисперсную фазу в дисперсионной среде, поэтому их называют стабилизаторами.

Механизм действия стабилизаторов заключается в том, что, кроме возникновения структурно-механического барьера для сближения частиц, внешняя поверхность образованной ЮАР оболочки является гидрофильной, и агрегация не может произойти вследствие столкновения наружных поверхностей.

Примерами ЮАР-стабилизаторов является гликозиды (сапонин), полисахариды, высокомолекулярные вещества типа белков. Стабилизаторы не только препятствуют агрегации частиц, но и предотвращают развитие коагуляционных структур, блокируя путем адсорбции места сцепления частиц и препятствуя тем самым их сближению.

Поэтому стабилизаторы суспензий также адсорбционными пластификаторами. Последние нашли широкое применение в гидротехническом строительстве, керамическом производстве, при строительстве асфальтовых дорог, в инженерной геологии, сельском хозяйстве с целью улучшения структуры почвы.

1.3.4. Четвертая группа ЮАР

Четвертую группу ЮАР составляют моющие вещества, или детергенты, которые занимают первое место по масштабам практического применения. Их назначение — удалять разного рода загрязнения с поверхности путем перевода загрязняющих веществ в состояние стабилизированной эмульсии или суспензии.

Эти поверхностно-активные вещества должны обладать всем комплексом свойств, характерных для трех предыдущих групп, т.е. способностью сильно снижать поверхностное натяжение, проявлять смачивающее, гидрофилизуючу действие и быть не только диспергаторами, но и сильными стабилизаторами эмульсий и суспензий.

1.4. Классификация по коллоидно-структурному признаку

Кроме рассмотренных классификаций, все поверхностно-активные вещества могут быть разделены по коллоидно-структурной на вещества, находящиеся в настоящем растворе, а поэтому не обладают моющей действием, и на моющие вещества, которые создают мицеллярные или даже гелеобразные структуры.

Моющими веществами, или детергентами, могут быть вещества любого из трех химических классов, т.е. анионоактивные, катионоактивные и неионогенных. При этом обязательным условием должна быть высокая полярность ( гидрофильность) полярной группы и одновременно достаточная длина углеводородной цепи.

Именно поэтому высшие гомологи спиртов и карбоновых кислот не является моющими веществами. При переходе же от кислот к их солей щелочных металлов полярность и, следовательно, гидрофильность групп повышается, что обусловливает милоподибни свойства этих веществ.

Введение еще более гидрофильной сульфогруппы усиливает коллоидную растворимость в воде не только щелочных алкилсульфонаты, но и самих кислот, на чем в значительной степени основано действие современных синтетических моющих средств.

2. Применение ЮАР

В горном деле ЮАР применяются как смачиватели пенообразователи и эмульгаторы (при гидрообезпиленни) флотационные реагенты, пептизаторов, понизителей (при бурении).

3. ЮАР в мировом океане

Есть данные, что наличие ЮАР на поверхности океанов вызывает ухудшение качества радиолокации через создание дополнительных препятствий.

См.. также

  • Поверхностно-активные вещества нефти

Источники

В Википедии есть портал
Поделиться:
Нет комментариев

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.

×
Рекомендуем посмотреть