Надо Знать

добавить знаний



Поверхностно-активные вещества


Lipid bilayer and micelle.svg

План:


Введение

Lipid bilayer and micelle.svg

Поверхностно-активные вещества (ПАВ, сурфактанты, детергенты) - химические вещества, которые снижают поверхностное натяжение жидкости, облегчая растекания и снижая поверхностное натяжение на границе двух жидкостей. Это вещества, молекулы или ионы которых концентрируются под действием молекулярных сил (адсорбируются) у поверхности раздела фаз и снижают энергию поверхностную. В более узком смысле ЮАР основном называют вещества, снижающие поверхностное натяжение на границе раздела: жидкость (вода) - воздух (пар), жидкость (вода) - жидкость (масло), жидкость - твердая поверхность.

Поверхностно-активные вещества - обычно амфифильных органические соединения (срок амфифильных означает, что они содержат как гидрофильные группы ("хвосты"), так и гидрофобные группы ("головки"). Через такое строение они растворяются как в неполярных жирах и органических растворителях, так и в полярных средах (воде).


1. Классификация ЮАР

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. Классификация ЮАР по строению полимерной цепи

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

Примечания

Источники

Nuvola apps edu science.svg
В Википедии есть портал

код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам