Поверхностно-активные вещества

Поверхностно-активные вещества (ПАВ, сурфактанты, детергенты) (англ. surface-active agents, surfactants; нем. Grenzflachenaktive Stoffe m pl, oberflachenaktive Stoffe m pl, Tenside n pl) – химические вещества, снижающие поверхностное натяжение жидкости, облегчая растекания и снижая межфазное 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 значении ЮАР преимущественно называют вещества, снижающие поверхностное натяжение на границе раздела: жидкость (вода) – воздух (пар), жидкость (вода) – жидкость (масло), жидкость – твердая поверхность. Выделяют два больших класса ЮАР.
Поверхностно-активные вещества – обычно амфифильные органические соединения (срок амфифильные 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 полярной воде.
Классификация ЮАР:
1) ионогенных ПАВ

a) Катионные ЮАР
б) Анионные ЮАР

2) неионогенных ПАВ

a) Алкилполиглюкозиды
b) Алкилполиетоксилаты

Кроме того, выделяют классы и группы ЮАР.
К первому классу относятся низкомолекулярные вещества дифильного характера с несимметричными молекулами, то есть 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 расположиться так, что внутрь, в сторону водной фазы они обращены гидрофильными фрагментами, а наружу – объемистым 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 из водородных связей. Итак, чрезмерная поверхностная энергия такого слоя из гидрофобных радикалов будет значительно ниже, чем в случае поверхностного водного слоя. Это означает, что такие ионы сконцентрируются в поверхностном слое (Рис.).
Ко второму классу ЮАР принадлежат 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 ЮАР, построенные 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. По механизму действия на поверхностные свойства растворов ПАВ делят на четыре группы.
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 ПАВ, истинно растворимые в воде вещества, например, низшие члены гомологических рядов спиртов, кислот и т.п. Снижая поверхностное натяжение воды до 50 • 30 x 10 -3 Н / м, они облегчают ее растекания по слабо смачиваемых гидрофобных поверхностях в тонкую пленку. Эти вещества слабые пенообразователи, повышающих устойчивость свободных двусторонних жидких пленок в пене. Поэтому ЮАР первой группы нашли-менения в процессах флотации, в которых пена должна быть неустойчивой, такой, что легко разрушается. Наибольшее применение ПАВ этой группы получили как пеногасители, резко снижают устойчивость пены. Пеногасители играют существенную роль во всех процессах, где возникновение устойчивых пен затрудняет или нарушает ход процесса, например, в промывочных растворах скважин, при-няются в глубоком бурении и др.
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 диспергатора. Они применяются при распиловке жидкостей, эмульгировании, диспергирования твердых тел и т.п. Диспергаторы могут быть любые ЮАР, адсорбируются на поверхности частиц дисперсионной среды и стабилизируют высокодисперсные суспензию. Поэтому в водных средах диспергатора служат гидрофилизуючи ЮАР, чаще поверхностно-активные полимеры.
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 состоит 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 зов-вых 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 суспен-зий также адсорбционными пластификаторами. Последние нашли широкое применение в гидротехническом строительстве, кера-мического производстве, при сооружении асфальтовых дорог, в инженерной геологии, сельском хозяйстве с целью улучше-ния структуры почвы.
Четвертую группу ЮАР составляют моющие вещества, или детергенты, занимающих первое место по масштабам практического применения. Их назначение – удалять различного рода загрязнения с поверхности путем перевода загрязняющих веществ в состояние стабилизированной эмульсии или суспензии. Эти ЮАР 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 диспергаторы, но и сильными стабилизаторами эмульсий и суспензий.
Кроме рассмотренной классификации, все ЮАР могут быть разделены на основании двух важнейших признаков: по химической признаку и по коллоидно-структурной. По химическому признаку ЮАР делят на анионоактивные, катионоактивные и неионогенных. По коллоидно-структурному признаку их делят на вещества, находящиеся в подлинном растворе, а потому не обладают моющим действием, и на моющие вещества, которые создают мицеллярные или даже гелеобразные структуры. Моющими веществами, или детергентами, мо-гут быть вещества любого из трех классов, т.е. анионоактивные, катионоактивные и неионогенных. При этом обязательным условием должны быть высокая полярность (гидрофильность) полярной группы и одновременно достаточное длина углеводородного лан-цюга. 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 обуславливает 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.
В горном деле ЮАР применяются как смачиватели пенообразователи и эмульгаторы (при гидрообезпиленни) флотационные реагенты, пептизаторов, понизителей (при бурении).
ЮАР в мировом океане
Есть данные, что наличие ПАВ на поверхности океанов вызывает ухудшение качества радиолокация через создание дополнительных препятствий.