XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Поверхностно-активные вещества - это химические соединения, которые могут накапливаться на поверхности контакта двух тел или двух термодинамических фаз (так называемая граница раздела фаз) и могут снижать поверхностное натяжение веществ, образующих эти фазы.

Движущей силой адсорбции поверхностно-активного вещества на границах между поверхностями и поверхностными границами является уменьшение свободной энергии границы раздела. Чем плотнее поверхностно-активные молекулы упакованы на поверхности, тем больше снижение поверхностного натяжения.

Еще одной важной особенностью поверхностно - активных веществ является склонность их молекул к образованию агрегатов- так называемых клеток. Образование мицелл можно рассматривать как альтернативный механизм адсорбции на межфазных границах, приводящий к устранению контакта гидрофобных групп с водой, что приводит к уменьшению свободной энергии системы. Это чрезвычайно важное явление, поскольку свойства поверхностно-активных веществ определяются формой, в которой они присутствуют в системе, будь то мицеллярные или молекулярные ПАВ.

Концентрация мицеллообразования называется критической концентрацией мицеллообразования (KКM); это одна из важнейших характеристик поверхностно-активных веществ. Таким образом, KКM = 1 ммоль означает, что концентрация молекулярно растворенного поверхностно-активного вещества никогда не превышает этого значения, независимо от количества введенного в раствор ПАВ.

В водном растворе гидрофобные группы расположены внутри агрегата, а полярные группы направлены к растворителю. Поэтому мицелла -это полярный агрегат, хорошо растворимый в воде и не обладающий заметной поверхностной активностью сам по себе. Межфазная поверхность становится гидрофильной, что приводит к снижению межповерхностного натяжения. Адсорбция на гидрофильных поверхностях часто приводит к образованию более сложных агрегатов молекул поверхностно-активных веществ. Гидрофобная часть поверхностно-активной молекулы может быть линейной или разветвленной. Полярная группа обычно, но не всегда, связана с концом алкильной цепи, которая обычно содержит 8-18 атомов углерода. Степень разветвления цепи, положение полярной группы и длина цепи являются важнейшими параметрами, определяющими физико-химические свойства поверхностно-активных веществ. Полярная группа поверхностно-активных веществ может быть ионной или неионной, что во многом определяет свойства поверхностно-активных веществ. Размер полярной группы неионного поверхностно-активного вещества может сильно варьироваться. В ионных поверхностно-активных веществах размер полярной группы более или менее постоянен.

Классификация ПАВ

Первая классификация поверхностно-активных веществ основана на заряде полярной группы. Общепризнано, что поверхностно-активные вещества делятся на анионную, катионную, неионную и цвиттер-ионную части. Поверхностно-активные молекулы последней группы обычно содержат как анионные, так и катионные заряды. В литературе их часто называют "амфотерными поверхностно-активными веществами", Амфотерные органические вещества являются хорошим примером простых аминокислот. Большинство так называемых цвиттер-ионных поверхностно-активных веществ обладают сходными свойствами. Однако некоторые цвиттер-ионные поверхностно-активные вещества сохраняют один заряд в широком диапазоне рн, например соединения, содержащие катионную четвертичную аммониевую группу. Таким образом, поверхностно-активные вещества, содержащие карбоксилаты и четвертичные аммониевые группы, будут цвиттер-ионами до очень низкого рн, но амфотерными не будет.

Роль ПАВ в жизни человека

Области применения ПАВ:

Моющие средства. Основное применение ПАВ — в качестве активного компонента моющих и чистящих средств, мыла, для ухода за помещениями, посудой, одежной, вещами, автомобилями и пр.

Косметика. Основное направление использование ПАВ в косметике — использование в шампунях, где содержание ПАВ может достигать десятков процентов от состава. 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 легких повреждений и слипания.

Лакокрасочная промышленность. ПАВ используются для снижения поверхностного натяжения для того чтобы красочный материал мог легко проникнуть в маленькие углубления на поверхности обрабатываемого материала и заполнить их, вытесняя при этом другое вещество из углубления (например, воду).

Бумажная промышленность. ПАВ используются для разделения чернил и варёной целлюлозы при переработке использованой 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 и устойчивы при высоких температурах, тогда как масло сгорает.

Защита растений. ПАВ широко используются в агрономии и сельском хозяйстве для образования эмульсий. ПАВ используются для повышения эффективности транспортировки питательных компонентов в растения через мембранные стенки.
Пищевая промышленность. ПАВ применяется в мороженом, шоколаде, взбитых сливках и соусах для салатов и других блюд.

Нефтедобыча. ПАВ применяются для гидрофобизации призабойной зоны пласта (ПЗП) с целью увеличения нефтеотдачи.

2 Природные ПАВ.

2.1 ПАВ природного происхождения

Стремление прогрессивного человечества к экологичности и безопасности делает" зеленые " продукты сегодня все более популярными.

Первые места среди природных поверхностно – активных веществ занимают полярные липиды (лецитин) и сапонины-безазотистые гликозиды растительного происхождения, к ним также относятся производные бетаина и неионные поверхностно-активные вещества, полученные из растительного сырья. Это мягкие натуральные вещества, обладающие 100% Биодеградируемостью, дерматологической совместимостью, хорошей переносимостью, отсутствием аллергических реакций, раздражающего и токсического действия.

Природные поверхностно-активные вещества включают в себя разнообразные биологически активные вещества, среди которых липиды и белки, а также холевые кислоты, входящие в состав желчи, особенно важны для жизнедеятельности организмов.

Липиды - это сложные эфиры глицерина или сфингозина (длинноцепочечный аминоспирт) и жирных кислот (предельных и ненасыщенных), содержащие в основном углеводородные радикалы с|2-с,*. Большинство липидов имеют в молекуле две такие гидрофобные цепи. Полярные части могут включать различные химические группы: эссенциальные (моно -, ди-и триглицериды), остатки фосфорной кислоты (фосфолипиды) и остатки углеводов (в большой группе гликолипидов). На рис.1 приведены структурные формулы некоторых наиболее распространенных липидов различных классов. В организме липиды, как правило, вместе с белками являются основным компонентом таких

биоструктур, как клеточные мембраны.

Рисунок 1 - Некоторые липиды:

/— фосфатидштхалии (лецитин — глицерофосфолипид); 2— фосфатндилсерин (глицерофос- фолипид); У— сфингомиелин (сфингофосфолипид); 4— цереброзид (сфингогликолипид)

2.2 Свойства природных ПАВ

Поверхностная активность белков, как и многие их функции, зависит от так называемой третичной структуры белковых молекул, которая определяется пространственным расположением их полипептидных цепей. Эта третичная структура молекулы, в свою очередь, зависит от первичной структуры — последовательности аминокислот в молекуле, которая определяется генетическим аппаратом клетки. Поверхность белковой глобулы имеет мозаичный характер-она содержит полярные и неполярные области; при этом доля обоих примерно одинакова, что характерно для всех белков, в том числе и мембранных.

На границе раздела белок обычно адсорбируется в глобулярной форме, и в некоторых случаях могут наблюдаться некоторые изменения конформации макромолекул в адсорбционном слое. Адсорбция белковых молекул в значительной степени необратима, что затрудняет ее описание с помощью уравнения Гиббса.

Производство поверхностно-активных веществ (среди которых ведущая роль принадлежит мицеллообразованию) является бурно развивающимся направлением химической промышленности. Мировое производство поверхностно-активных веществ достигает ~ 10 миллионов тонн в год. Ассортимент поверхностно-активных веществ очень обширен, включая до полутысячи наименований продукции. По имеющейся статистике, они используются примерно в ста отраслях промышленности и имеют от 3,5 до 4 тысяч различных применений. Доля поверхностно-активных веществ, используемых в промышленности высокоразвитых стран (США, Япония), составляет более 60% и постоянно увеличивается.

Одним из основных направлений является использование поверхностно-активных веществ в синтетических моющих средствах, как бытовых, так и технических.

Поскольку ресурсы сырья и полуфабрикатов играют важную роль в развитии производства поверхностно-активных веществ, мы кратко обсудим этот вопрос.

2.3 Положительные и отрицательные стороны природных ПАВ

Природные поверхностно-активные вещества отличаются от традиционных безопасным составом и растительными компонентами. Они синтезируются из натурального сырья: кукурузного, кокосового, пальмового и других масел. Для этого к жировому компоненту при высокой температуре добавляют щелочной катализатор. На выходе производитель получает неионные и натуральные поверхностно-активные вещества, которые не вредны для здоровья и легко разлагаются в окружающей среде.

К недостаткам растительных поверхностно-активных веществ можно отнести умеренное пенообразование, что непривычно для потребителя. Полностью натуральные поверхностно-активные вещества уступают по своим моющим и очищающим свойствам синтетическим. Поэтому обычно растительные сапонины используются в сочетании с поверхностно-активными веществами других групп, которые дают более стойкую пену, и редко используются в моновид.

Вторым существенным недостатком является их высокая стоимость, поэтому косметическое средство, изготовленное из безопасных натуральных ингредиентов, просто физически не может стоить сто или двести рублей. По той же причине растительные поверхностно-активные вещества имеют ограниченное применение в качестве бытовых моющих средств.

2.4 Примеры использования природных ПАВ

Поверхностно-активное вещество на основе оливкового масла

INCI: Оливамфоацетат натрия (sodium olive amphoacetate)

Происхождение растительное, натуральное. После химической обработки оливкового масла получают амфоацетат натрия из его жирных кислот с улучшенными свойствами.

Обладает высоким уровнем пены в широком диапазоне рН от 3 до 12. моющее средство, повышающее вязкость раствора, смягчает и увлажняет кожу и волосы. Это солюбилизатор, биоразлагаемый.

Кокамидопропил бетаин 45%

INCI: кокамидопропил бетаин

Он получается из натурального растительного кокосового масла в результате сложного двухступенчатого процесса. Во-первых, происходит реакция между жирными кислотами кокосового масла, в результате которой образуется Амид. Впоследствии при взаимодействии с уксусной кислотой он превращается в кокамидопропилбетаин, который в зависимости от рН среды может реагировать как кислота или как щелочь.

Главное свойство-это моющее средство. Он хорошо загустевает, пенится, кондиционируется, проявляя антистатический эффект. Прекрасно сочетаясь с другими поверхностно-активными веществами, он используется практически во всех видах косметических и гигиенических средств, даже в зубных пастах.

Безопасность. В литературе имеются редкие данные об индивидуальной непереносимости. Специалисты рекомендуют не превышать рекомендуемую концентрацию и делать аллергические тесты перед использованием кокамидпропилбетаина.

Базовое ПАВ " Консистенции "

INCI: Лаурилглюкозид

Поверхностно-активное вещество природного происхождения, изготовленное из растительного сырья путем ректификации кокосового масла и глюкозы. В составе Лаурилглюкозид (lauryl glucoside) и вода.

Является эмульгатором и отчаянием, повышает вязкость продукта. Слабый пенообразователь, но он оказывает мягкое моющее действие на кожу и волосы, в дополнение к кондиционеру. Смягчает, а также обладает высокой дерматологической совместимостью. Для увеличения пены рекомендуется использовать в сочетании с поверхностно-активным веществом "нежную пену". Он хорошо поддается биологическому разложению, не загрязняя окружающую среду.

3 Процесс солюбилизации

3.1 Солюбилизация

Явление поглощения нерастворимых или малорастворимых органических веществ в воде водными растворами коллоидных поверхностно-активных веществ называется солюбилизацией, или сопряженным (коллоидным) растворением. Вещество, солюбилизированное раствором поверхностно-активного вещества, называется солюбилизатором, а поверхностно-активное вещество-солюбилизатором.

Явление солюбилизации характеризуется следующими особенностями.

1.Солюбилизирующее действие растворов ПАВ начинает проявляться только при концентрациях, превышающих ККМ. Это указывает на прямую зависимость между солюбилизирующей способностью и наличием мицеллярных структур в растворе. Различные физические методы показали, что солюбилизирующий эффект основан на поглощении молекул солюбилизата мицеллами поверхностно-активных веществ. (Поэтому солюбилизацию также называют внутримицеллярным растворением.)

2. Солюбилизация происходит спонтанно. Это легко проверить, наслаивая определенное количество углеводородов на раствор поверхностно-активного вещества. Даже в статических условиях можно обнаружить уменьшение объема углеводородной фазы с течением времени за счет ее поглощения раствором поверхностно-активного вещества. Поскольку солюбилизация является спонтанным процессом, она сопровождается уменьшением свободной энергии и приводит к образованию термодинамически устойчивых равновесных систем. При достаточном количестве углеводородов солюбилизация завершается образованием насыщенных углеводородом растворов при заданной концентрации ПАВ и заданной температуре. Состояние равновесия системы "поверхностно-активное вещество-раствор солюбилизатора" не зависит от способа, которым оно достигается. Таким образом, любая заданная степень насыщения раствора углеводородом может быть достигнута либо введением соответствующего количества углеводорода в раствор, либо добавлением исходного раствора поверхностно-активного вещества в предварительно насыщенную систему.

3.В присутствии солюбилизата раствор поверхностно-активного вещества сохраняет коллоидно-мицеллярную структуру и обладает всеми характеристиками лиофильных дисперсных систем.

Это отличает солюбилизацию от внешне аналогичного явления гидротропии-эффекта повышения растворимости олеофильных веществ в воде в присутствии определенных добавок (гидротропных агентов), которыми могут служить водорастворимые полярные органические вещества (например, соли низкомолекулярных карбоновых кислот, фенолы, пиридины, алкилбензолсульфонаты с короткой алкильной цепью). Гидротропный эффект, в отличие от солюбилизации, объясняется изменением молекулярной природы растворителя: введение гидротропного агента в воду приводит к уменьшению полярности среды, что повышает растворимость олеофильных веществ. При этом образуются истинные (молекулярно-дисперсные) растворы, а солюбилизация-коллоидное (внутримицеллярное) растворение.

Более удобной характеристикой солюбилизирующей способности является молярная солюбилизация (см, моль / моль ПАВ) — количество молей солюбилизированного вещества, отнесенное к 1 молю мицеллярного ПАВ.

3.2 Участие природных ПАВ в процессе солюбилизации

Введение неэлектролитов (органических растворителей) в водные растворы поверхностно-активных веществ также приводит к изменению КМЦ. В присутствии солюбилизации стабильность мицелл повышается, то есть КМЦ уменьшается. Если молекулы растворителя не попадают внутрь мицелл, то они обычно увеличивают КМЦ либо за счет увеличения емкости растворителя, либо за счет уменьшения диэлектрической проницаемости и увеличения силы отталкивания между органическими ионами. С уменьшением диэлектрической проницаемости растворителя уменьшается диссоциация ионогенных поверхностно-активных веществ, что повышает способность поверхностно-активных веществ образовывать мицеллы.

Величина CMC также уменьшается с уменьшением гидратации (гидрофильности) противоионов. Введение электролитов (индифферентных) снижает КМЦ ионогенных поверхностно-активных веществ и слабо влияет на КМЦ неионогенных поверхностно-активных веществ. Введение неэлектролитов (органических растворителей) в присутствии солюбилизации приводит к повышению стабильности мицелл, т. е. к снижению КМЦ в водных растворах поверхностно-активных веществ. При отсутствии солюбилизации, как правило, КМЦ увеличивается за счет увеличения растворяющей способности среды.

В разбавленных растворах полимеров макромолекулы могут находиться либо в выпрямленном (вытянутом) состоянии (в хороших растворителях), либо свернуты в шар. При этом ориентация Полярной и неполярной частей макромолекулы аналогична ориентации при образовании мицелл из поверхностно-активных веществ. Солюбилизация может происходить как в макромолекулах, так и в мицеллах. С увеличением концентрации растворов полимеров макромолекулы связываются, образуя надмолекулярные структуры-ассоциаты.

Солюбилизация нерастворимых или плохо растворимых в воде веществ, таких как углеводороды, спирты, фенолы, красители, заключается в растворении их во внутренней части (углеводородных ядрах) мыльных мицелл. В результате солюбилизации вещество распределяется в равновесии между мицеллами и водной фазой. Процесс солюбилизации в растворах ПАВ включает стадии солюбилизации в воде, диффузии ее молекул на поверхность мицелл и проникновения в мицеллы.

Список литературы

https://lektsia.com/2x3a9e.html

http://www.nizrp.narod.ru/metod/kafobshineorgh/11.pdf

https://studwood.ru/1674889/matematika_himiya_fizika/solyubilizatsiya_moyuschee_deystvie

https://studfile.net/preview/2031126/

https://www.chem21.info/page/022038094108204126017195073120153075157133033049/

https://studbooks.net/2294996/matematika_himiya_fizika/klassifikatsiya_polyarnym_gruppam

http://www.chem.msu.su/rus/books/ovchinnikov/p547-636.pdf

https://ozlib.com/819356/himiya/solyubilizatsiya

https://xumuk.ru/colloidchem/178.html

https://natacosmetik.ru/articles/1057/

Код для цитирования: Скопировать