Поверхностно активные вещества по отношению к воде

Смешать несмешиваемое  — и есть ПАВ

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.

Как ведут себя ПАВ  в растворах при разных растворителях

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. Содержание 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

Содержание 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.