2.4. Поверхностно-активные вещества

Химические соединения, адсорбция которых на границе раздела фаз приводит к изменению поверхностного натяжения, называются поверхностно-активными веществами (ПАВ). Поверхностная активность таких соединений объясняется строением молекул (рис. 23).

анион

Рис. 23. Модель молекулы соли жирной кислоты (мыло) и диссоциация соли в воде

Соли таких органических кислот, как стеарат натрия С₁₇Н₃₅СООNa, олеат натрия С₁₇Н₃₃СООNa содержат длинную неполярную углеводородную цепь и небольшую по размеру полярную группу –СООNa

В жидкой среде молекулы поверхностно-активного вещества «обманывают» полярные молекулы воды, разворачиваясь к ним полярными группами (рис. 24, а). Формируются сферические молекулярные образования – мицеллы. Неполярные группы входят внутрь органического ядра мицеллы.

Мицеллы – высокодисперсные частицы, сформированные в жидкой дисперсионной среде из молекул поверхностно-активного вещества. Мицеллы не слипаются, т.к. имеют одинаковый по знаку заряд.

Молекулы воды вытесняют некоторую часть ПАВ на границу, разделяющую фазы вода – воздух (рис. 24, б).

Рис. 24. Адсорбция поверхностно-активного вещества на границе вода – воздух и образование мицеллярного раствора

Полярные группы анионов жирных кислот остаются в водной среде, неполярные – в газовой фазе. Так концентрируется молекулярный слой адсорбированных молекул ПАВ на границе раздела фаз

Концентрация ПАВ на поверхности раздела фаз вода – воздух уменьшает поверхностное натяжение до низких значений, характерных для углеводородов.

Свойство ПАВ концентрироваться на границе раздела фаз масло – вода используется при очистке поверхностей от масляных пятен (рис. 25).

Молекулы мыла концентрируются на поверхности раздела фаз вода – масло (рис. 25, а), причем неполярные концы ПАВ обращены в сторону жирного пятна.

Рис. 25. Модель очистки ткани от жирных пятен (стирка)

По мере интенсивного движения ткани в стиральной машине или при ручной стирке пятно окружается со всех сторон молекулами ПАВ (рис. 25, б) и уходит с поверхности ткани в мыльный раствор (рис. 25, в). Без ПАВ жирное пятно осталось бы на поверхности ткани, так как органические вещества не растворимы или плохо растворимы в воде.

Кроме мыла существуют разнообразные ПАВ, например производные алкилсульфокислот СН₃(СН)_nCH₂SO₃Na, алкилбензолсульфокислот СН₃(СН)_nCH₂С₆Н₄SO₃Na и другие поверхностно-активные вещества, широко использующиеся в быту и промышленных процессах.

Отступление. Примерно половина производимых промышленностью поверхностно-активных веществ используется для получения моющих (мыла) и чистящих средств.

Мыло может быть твердым СН₃СН₂(СН₂)_nCН₂ СООNa (т) и жидким СН₃СН₂(СН₂)_nCН₂СООК(ж). В шампунях используются алкилсульфокислоты СН₃(СН)_nCH₂SO₃Na, содержащие 12 – 14 углеродных атомов в углеводородной цепи.

В стиральных порошках используются алкилбензолсульфокислоты в композиции с солями угольной (NaHCO₃, Na₂CO₃) и серной кислот (Na₂SO₄), ароматизаторами, флокулянтами. Последние представляют собой полимерные соединения, которые при растворении в воде образуют рыхлые хлопья. Они захватывают частицы грязи в составе мицелл и не дают им осесть на поверхности отстиранных тканей.

При вращательном бурении газовых и нефтяных скважин используются буровые насосы, предназначенные для прокачивания воды и глинистых растворов, обеспечивающих циркуляцию промывочной жидкости в скважине. Для регулирования агрегативной устойчивости глинистых растворов, поступающих в скважину, применяют добавки высокомолекулярных ПАВ – водорастворимых эфиров целлюлозы, а также кальциевых солей природных и жирных синтетических кислот и алкилароматических сульфонатов.

В эмульсионной полимеризации (получение полистирола и других виниловых полимеров) используются добавки солей синтетических жирных кислот СН₃(СН)_nCH₂COONa и алкилсульфонатов СН₃(СН)_nCH₂SO₃Na.

При механической обработке металлов и повышении скорости резания, строгания, фрезерования также используются ПАВ, главным образом водные растворы мыла.