Глава 2. Поверхностно-активные вещества.
2.1. Строение молекул
Основным компонентом моющих средств являются поверхностно-активные вещества (ПАВ). ПАВ находят широкое применение в промышленности, в сельском хозяйстве, медицине и быту. Мировое производство ПАВ растет с каждым годом, причем в общем выпуске продукции постоянно возрастает доля неионогенных веществ. Широко используют все виды ПАВ при получении и применении синтетических полимеров. Важнейшая область потребления мицеллообразующих ПАВ -производство полимеров методом эмульсионной полимеризации. От типа и концентрации выбранных ПАВ (эмульгаторов) во многом зависят технологические и физико-химические свойства получаемых латексов. ПАВ используют также при суспензионной полимеризации. В производстве губчатых резин и пенопластов ПАВ применяют как стабилизаторы пен.
В последние годы к числу важнейших оценочных критериев относят биологическую разлагаемость ПАВ. К сожалению, ПАВ могут оказывать отрицательное воздействие на растительный и животный мир, на природу вокруг нас. Использование пены для флотации, в текстильном производстве и в пищевой промышленности, при пожаротушении, промывке танкеров и машин, стирке привело к тому, что в сточных водах неизбежно появляются поверхностно-активные вещества - пенообразователи. Со сточными водами они попадают в очистные сооружения, на поля орошения, в реки и озера. Поэтому токсичность пенообразователей и скорость их биологического разложения необходимо тщательно контролировать. В очистных сооружениях под действием бактерий, кислорода и ультрафиолетовых лучей происходит биологическая очистка сточных вод. Этот процесс - так называемое самоочищение - продолжается в естественных водоемах. Биохимический распад приводит к тому, что входящие в состав пенообразователей органические вещества окисляются до углесислого газа и воды (40% от массы ПАВ), а остальная масс становится безвредной и усваивается микроорганизмами. Если же биологического разложения не происходит, то окружающей среде наносится громадный экологический вред: болеет и погибает рыба, водоплавающая дочь, зоопланктон, замедляется рост водяных растений, возможны и другие вредные последствия.
Высокомолекулярные водорастворимые ПАВ применяют как флокулянты в различных видах водоочистки. С их помощью из сточных и технологических вод, а также из питьевой воды удаляют загрязнения, находящиеся во взвешенном состоянии. В качестве жидкости в быту используют главным образом воду. Хорошая моющая система должна выполнять двойную функцию: удалять загрязнение с очищаемой поверхности и переводить его в водный раствор. Значит, моющее средство также должно обладать двойной функцией: способностью взаимодействовать с загрязняющим веществом и переводить его в воду или водный раствор. Следовательно, молекула моющего вещества должна иметь гидрофобную и гидрофильную части.
Гидрофобная часть Гидрофильная часть
Рис. 2.1.1 Изображение молекулы ПАВ
Гидрофобная часть молекулы моющего вещества обладает способностью взаимодействовать с поверхностью гидрофобного загрязняющего вещества. Гидрофильная часть моющего вещества взаимодействует с водой, проникает в воду и увлекает с собой частицу загрязняющего вещества, присоединенную к гидрофобному концу. Теоретически любое химическое соединение, имеющее в молекуле гидрофильные и гидрофобные участки, будет поверхностно-активным. [3].
ПАВ - это собирательное понятие, это тысячи различных веществ, каждое из которых в той или иной мере обладает пенообразующей способностью. Поверхностно-активные вещества при растворении в жидкостях существенно понижают избыточную (свободную) поверхностную энергию, т.е. поверхностное натяжение, на границе раздела раствор — газ. Молекулы поверхностно-активных веществ состоят из полярных и неполярных групп. Полярные группы — это углеводородные цепи: прямые, разветвленные, замкнутые или их сочетание. Такая двойственность в структуре и определяет поведение молекул ПАВ в растворе и на границе раздела фаз. Принято изображать молекулы ПАВ в виде головастика: тем самым подчеркивается различие в свойствах полярной «головки» и неполярного «хвоста» молекулы. Действительно, молекулы ПАВ имеют два «лица». Молекулу ПАВ можно уподобить спичке с головкой. Площадь поперечного сечения такой «спички» около 20А(0,2нм). Полярная часть молекулы ПАВ гидрофильна («водолюбивая»), а неполярная — гидрофобна («водоотталкивающая», воду не любит, «враждебна воде», т.е. не смачивается водой.
Гидрофильная часть моющего вещества смачивается водой хорошо и увлекает за собой в раствор всю молекулу. Для гидрофобной части молекулы -обычно это длинная углеводородная цепочка - характерна, наоборот, «водобоязнь» и практически нерастворимость в воде. Из-за наличия гидрофобной группы молекулы ПАВ в объеме раствора притягиваются молекулами воды слабее, чем молекулы воды друг к другу. Именно поэтому ПАВ склонны скапливаться (адсорбироваться) на поверхности раствора (поверхности раздела фаз), образуя слой вещества толщиной в одну молекулу (мономолекулярный слой, или монослой). При этом концентрация ПАВ на поверхности раздела фаз может быть очень высокой, даже если в объеме раствора содержание ПАВ незначительно. В этом слое гидрофобные части молекул «торчат» в воздух, а гидрофильные «головки» погружены в воду.
Молекулы в жидкости притягиваются друг к другу. Внутри жидкости силы такого взаимодействия (обозначены большой стрелкой) для всех молекул этой жидкости уравновешивают друг друга. Но у молекул, находящихся на самой поверхности, некоторые составляющие межмолекулярного взаимодействия( на рис. они обозначены более короткими стрелками) нескомпенсированы. Таким образом, молекулы жидкости как бы втягивают внутрь (стремятся втянуть) молекулы из наружного слоя.
Т
ак
как силы молекулярного притяжения в
поверхностном слое жидкости (и
твердого вещества также) не скомпенсированы,
в нем появляется свободная
поверхностная энергия. Количественно
эту энергию характеризуют
удельной величиной, т.е. величиной,
отнесенной к единице поверхности.
Эта энергия о, является основной
характеристикой поверхностного
слоя жидкости или твердого вещества. В
большинстве случаев
без особых оговорок термин «удельная
свободная поверхностная энергия»
заменяют термином «поверхностное
натяжение». Поверхностное натяжение -
это работа, которую нужно затратить на
образование единицы поверхности
данного вещества, т. е. на то, чтобы
увеличить его поверхность на
1 см2
. Чем меньше эта работа, тем меньше
поверхностное натяжение, тем легче
диспергируется вещество (для жидкостей
- легче образуются пены и эмульсии).
Поверхностное натяжение зависит от
природы вещества, например,
у воды поверхностное натяжение очень
велико и почти в 3,5 раза больше, чем у
этилового спирта и в 2, 5 раза больше, чем
у бензола. Именно из-за поверхностного
натяжения вода сама по себе не обладает
достаточным чистящим действием. Вступая
в контакт с загрязнением, молекулы воды
притягиваются
друг к другу вместо того, чтобы захватывать
частицы грязи, т.е.
вода не смачивает грязь. [2].
Поверхностно-активные вещества ПАВ являются основным элементом CMC и служат для удаления устойчивых загрязнений. Большая часть загрязнений не растворяется в воде, главная же задача стирки в том, чтобы они перешли из ткани в моющий раствор. Дня смачивания ткани и частичек загрязнения, диспергирования и эмульгирования их применяют ПАВ. За счет положительно и отрицательно заряженных ионов они притягивают к себе частицы грязи, тем самым выводя их из ткани. Покрытая молекулами ПАВ частица отделяется от поверхности ткани и в виде эмульсии или суспензии уходит в раствор. ПАВ бывают как высокотемпературные, так и низкотемпературные. Низкотемпературные широко применяются в биопорошках. Для того, чтобы предотвратить повторное осаждение загрязнений - а в процессе стирки происходит непрерывное движение водных потоков и загрязнения могут повторно осесть на ткань - необходимо использование антиресорбентов или ингибиторов переосажден ия грязи (карбокси-метилцеллюлоза, казеин и др.). Они очень прочно обволакивают волокна ткани и тем самым предотвращают контакт частиц грязи с волокном, то есть выведенная из ткани грязь вновь не осаждается на материале. Раньше для этой цели в составе порошка использовалась карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ). Однако, начиная с середины 80 годов КМЦ стала активно вытесняться поликарбоксилатами, которые обладают также диспергирующими свойствами по отношению к солям жесткости и поэтому особенно эффективныА 1].
Соли тяжелых карбоновых кислот, например СНз(СН2)нСООНа, являются типичными поверхностно-активными веществами. Они содержат гидрофильную часть (в данном случае - карбоксильную группу) и гидрофобную часть (углеводородный радикал).
Поверхностно-активные вещества адсорбируются на поверхности
разделадвух фаз и образуют на ней слой повышенной концентрации. Часто ПАВотносят к группе органических соединений, адсорбция которых из их растворов даже очень малой концентрации приводит к резкому снижению поверхностного (межфазного) натяжения на поверхности раздела раствора с газом (паром), другой жидкостью или твердым телом. Термин «поверхностное натяжение» принято употреблять по отношению к поверхности раздела конденсированной фазы с газом, а термин «межфазное натяжение» - по отношению к поверхности раздела двух конденсированных фаз. Накопление и ориентация в адсорбционном слое молекул или ионов ПАВ - следствие их дифильности (двойственности свойств). Каждая молекула типичных ПАВ имеет олеофильную (липофильную) часть (один или несколько углеводородных радикалов) и гидрофильную часть (одну или несколько полярных групп). Т.е. поверхностная активность ПАВ, растворенных в углеводородных жидкостях, обусловлена гидрофильными группами, а растворенных в воде - олеофильными (гидрофобными) радикалами. [1].
Рис.2.2.3. Расположение молекул в ненасыщенном (а,в) и насыщенном (с) слое жидкости