Коллоидная химия

Коллоидная химия


Моющие средства. Мыла.


Определения
ПАВы

   - Что такое ПАВы

   - Строение ПАВ

   - Работа ПАВ в моющих средствах

Фазы моющего действия

   - Смачивание

   - Эмульгирование

   - Стабилизация

Классификация моющих средств

   1. Ионные (или ионогенные)

          - анионные

          - катионные

          - амфотерные

   2. Неионные (или неионогенные)

Вещества, входящие в состав моющих средств.
Виды моющих средств
Влияние моющих средств на окружающую среду.

Определения


Моющие средства - вещества или смеси веществ, применяемые в водных растворах для очистки (отмывки) поверхности твёрдых тел от загрязнений.


К моющим средствам относятся многокомпонентные смеси синтетических моющих (мылоподобных) веществ и различных вспомогательных составляющих (минеральных солей, органических добавок и др.) — так называемых синтетических моющих средств, все виды товарного жирового мыла, ряд продуктов природного происхождения (например, сапонины, жёлчь).


Теория моющего действия, разработанная академиком П.А. Ребиндером, рассматривает сложный комплекс различных процессов.


Согласно этой теории моющие средства должны быть высоко поверхностно-активными веществами (ПАВами), эмульгаторами гидрофильной природы. Поверхностное натяжение моющего раствора должно быть почти вдвое ниже, чем у воды.


ПАВы


Что такое ПАВ?


Поверхностно-активные вещества – это химические соединения, способные накапливаться на поверхности соприкосновения двух тел или двух термодинамических фаз (называемых поверхностью раздела фаз), и вызывающие снижение поверхностного натяжения веществ, образующих эти фазы.


На межфазной поверхности поверхностно-активные вещества образуют слой повышенной концентрации — адсорбционный слой.


Строение ПАВ


Строго говоря, очень многие вещества при соответствующих условиях могут проявить поверхностную активность, т. е. адсорбироваться под действием межмолекулярных сил на той или иной поверхности, понижая её свободную энергию.


Однако поверхностно-активными обычно называются лишь те вещества, присутствие которых в растворах уже при весьма малых концентрациях (десятые и сотые доли %) приводит к резкому снижению поверхностного натяжения вещества этих растворов.


Как правило, такие вещества имеют дифильное строение молекул.


Слово дифильный можно перевести как «двояколюбящий» (от philéo — люблю). Или, выражаясь по-русски, дифильными можно назвать молекулы, имеющие сродство к веществам с разной природой.


Например, вода и масло почти не взаимодействуют друг с другом. Если их смешать в одной ёмкости, то такая смесь через некоторое время расслоится. Вода, как более тяжёлая, окажется внизу ёмкости, а масло соберётся в верхней её части.


Расслоение происходит потому, что масло и вода относятся к разным средам. Между молекулами этих сред действуют принципиально разные силы. Подробнее об этом в статье: Взаимодействие веществ полярной и неполярной природы


Молекулы воды взаимодействуют друг с другом при помощи ориентационных сил, а молекулы масла – при помощи дисперсионных сил. Таким образом, при встрече вода и масло проявляют друг к другу безразличие.


В молекулах дифильных веществ одновременно присутствуют как полярные (гидрофильные) группы, так и неполярные (гидрофобные).


Примером полярных групп могут служить: –OH, -COOH, -NO2, -NH2, -CN, -OSO3 и т.д. Неполярной частью молекулы обычно являются углеводородные радикалы.


К ПАВам относятся карбоновые кислоты, их соли, спирты, амины, сульфокислоты и другие вещества.


Самым распространённым примером веществ с дифильной структурой являются мыла – натриевые и калиевые соли высших жирных кислот:


CH3(CH2)nCOONa.


Работа ПАВ в моющих средствах


Дифильные вещества обладают замечательным качеством. Они являются своего рода «мостиками», при помощи которых становится возможным взаимодействие фаз, до этого «игнорировавших» друг друга.


Действие таких веществ проявляется на поверхности соприкасающихся фаз и приводит к ативности сами вещества фаз, которые до этого момента не взаимодействовали.


Благодаря своим качествам ПАВы могут использоваться в составах моющих средств или стабилизаторов эмульсий.


В моющих средствах ПАВы работают следующим образом.


Молекула ПАВ – это дифильная молекула, имеющая в своём составе, как полярные (гидрофильные) группы, так и неполярные (гидрофобные).


Таким образом, своим гидрофобным хвостом она может взаимодействовать с молекулами загрязнения, а при помощи своей полярной группы связывается с полярной молекулой воды.


Одновременно с этим молекулы ПАВ внедряются в поверхностный слой загрязнения и понижают силы взаимного притяжения между молекулами загрязнения.


Говоря по-другому, молекулы ПАВ положительно адсорбируются в поверхностном слое загрязнения и снижают поверхностное натяжение взаимодействующих фаз. Это, в свою очередь, облегчает возможность отрыва отдельных кусочков загрязнения от основной его массы. Оторванные части загрязнения уносятся водой.


Фазы моющего действия


Моющее действие - совокупность физико-химических процессов, приводящих к очистке поверхности твёрдых тел от загрязнений.


Согласно представлениям П. А. Ребиндера, комплекс «моющего действия» включает:


  • Смачивание,
  • Эмульгирование, и
  • стабилизацию.

Смачивание


Смачивание – первая фаза моющего действия.


Входе смачивания происходит повышение смачиваемости очищаемой твёрдой поверхности моющей жидкостью.


Смачиваемость – это характеристика взаимодействия молекул жидкости с молекулами твёрдого тела (например, загрязнения).


Смачивание произойдёт, если сила притяжения между молекулами жидкости и молекулами твёрдого вещества окажется больше, чем аналогичная сила между самими молекулами жидкости.


В этом случае жидкость растечётся по поверхности, покрывая её. В этом случае говорят, что твёрдое тело смачивается жидкостью.


Если же притяжение между самими молекулами жидкости больше, чем между молекулами этой жидкости и молекулами твёрдого тела, то смачивание не произойдёт. Жидкость будет скатываться с поверхности тела. Поговорка «как с гуся вода», как раз на эту тему.


Загрязнения очень часто имеют жирную (гидрофобную) природу и поэтому не смачиваются водой. Но добавление в воду ПАВа уменьшает поверхностное натяжение воды и увеличивает её смачивающую способность.


Таким образом, при помощи добавления ПАВа в воду возникает взаимодействие молекул раствора моющего средства и молекул загрязнения.


В ходе смачивания происходит, расчленение крупных частиц загрязнения на более мелкие части (диспергирование) и отрыв этих частиц от очищаемой поверхности.


Попадая в раствор моющего средства, частички загрязнения продолжают распадаться на ещё более мелкие образования. Этот процесс измельчения называется пептизацией. Таким образом, загрязнение переходит в дисперсную фазу.


Эмульгирование


Перешедшие в моющий раствор частички загрязнения эмульгируются, т.е. обвалакиваются молекулами ПАВа. В результате обволакивания образуются так называемые мицеллы.


Мицеллы (уменьшительное от лат. mica — частица, крупинка) — частицы в коллоидных системах, состоящие из нерастворимого в данной среде ядра очень малого размера, окруженного стабилизирующей оболочкой адсорбированных ионов и молекул растворителя.


Мицелла


Если ядро мицеллы представляют собой частичку вещества жирной (гидрофобной) природы, то дифильные молекулы ПАВа окружив её, будут сориентированы следующим образом: углеводородные (гидрофобные) концы молекул ПАВа будут обращены к частичке загрязнения, а полярные (гидрофильные) части будут ориентированы вовне, т.е. смогут взаимодействовать с молекулами воды. В результате станет возможным растворение образовавшихся мицелл в водной среде растворителя. Такой процесс растворения называется солюблизацией.


Солюблизация – это коллоидное растворение, происходящее через образование коллоидных мицел. Оно становится возможным только благодаря присутствию в растворе дифильных молекул ПАВа. Изначально растворяемые частицы загрязнения не имели сродства к растворителю и не могли быть растворены в нём.


При попадении в растворы ПАВ газа (в быту - воздуха) образуется пена. Пена является гетерогенной системой (газ в жидкости), в которой пузырьки газа разделены прослойками жидкости. Частицы загрязнения могут располагаться между пузырьками воздуха и выносится на поверхность раствора.


Стабилизация


В моющем процессе одновременно существуют два явления, а именно: отделение загрязнения от поверхности, которую мы хотим очистить и повторное его осаждение на эту поверхность. Следовательно, важно, чтобы моющее средство не только эффективно удаляло загрязнения с поверхности, например, ткани, но и удерживало их в растворе, препятствуя их повторному осаждению.


То есть, моющее средство должно обладать стабилизирующим действием, препятствующим повторному осаждению загрязнений на отмытую поверхность.


Это вызывает необходимость вводить в состав моющих средств специальные защитные коллоиды, в частности, карбоксиметилцеллюлозу, сульфатцеллюлозу, производные крахмала, этансульфонат целлюлозы и пр.


Эти вещества осуществляют стабилизацию загрязнений в виде высокодисперсной фазы — мельчайших капелек или твёрдых частиц, равномерно распределённых в моющем растворе.


Классификация моющих веществ


Моющие вещества, как и ПАВы, делятся на два основных класса:


  • ионогенные вещества, диссоциирующие в воде на ионы, и
  • неионогенные — не подверженные электролитической диссоциации

Ионогенные моющие вещества

Ионогенные моющие вещества, в свою очередь, могут быть:


  • анионактивными, если поверхностно-активные ионы несут отрицательный заряд,
  • катионактивными, если поверхностно-активны положительно заряженные ионы и
  • амфотерными или амфолитными, если поверхностно-активные ионы имеют отрицательный заряд в щелочной среде и положительный - в кислой.

Анионактивные моющие вещества получили наиболее широкое распространение. На их основе получают все жировые мыла и большинство синтетических моющих средств.


Для производства товарных жировых мыл служат главным образом натриевые или калиевые соли высших жирных кислот, изготавливаемые из растительных масел и животных жиров.


Важнейшие представители синтетических анионактивных моющих веществ — соли сульфокислот и кислых сульфоэфиров (алкилсульфонаты, алкиларилсульфонаты, алкилсульфаты) и сульфированные жиры, масла и жирные кислоты.


Другие анионактивные моющие вещества выпускаются в относительно малых количествах.


Катионактивные и амфотерные вещества составляют лишь несколько процентов в общем объёме производства моющих веществ и имеют ограниченное хозяйственное значение.


Из катионактивных веществ наиболее важны соли четвертичных аммониевых и пиридиниевых оснований, обладающие бактерицидным действием.


В молекулах амфотерных веществ находятся как основные (обычно аминогруппы), так и кислотные (карбоксильные, сульфоновые или сульфоэфирные) группы.


Неионогенные моющие вещества

Неионогенные моющие вещества, входящие в состав некоторых моющих средств, занимают 2-е место после анионактивных по объёму промышленного производства.


Большинство неионогенных веществ — полиоксиэтиленовые (полигликолевые) эфиры различных органических кислот, спиртов, алкилфенолов и алкилнафтолов, полиоксиэтиленовые производные алифатических аминов и амидов, меркаптанов и т. д.


Вещества, входящие в состав моющих средств.


Синтетические моющие средства обязательно содержат ряд вспомогательных веществ, улучшающих их моющую способность.


В состав моющих композиций для стирки включают:


  • щелочные соли слабых неорганических кислот (карбонат и бикарбонат натрия, силикаты натрия, фосфаты различного состава),
  • нейтральные соли (сульфат, хлорид натрия),
  • соли перекисных кислот, обладающие отбеливающими и дезинфицирующими свойствами (перборат и перкарбонаты натрия).

Важную роль играют органические компоненты моющих средств:


  • карбоксиметилцеллюлоза, предотвращающая ресорбцию — повторное отложение загрязнений из моющего раствора на отмытую поверхность;
  • оптические отбеливатели (красители), применяемые для устранения жёлтого оттенка неокрашенных тканей;
  • так называемые гидротропы, увеличивающие растворимость и ускоряющие растворение моющих веществ в воде.

Некоторые моющие вещества содержат:


  • ферменты, обеспечивающие удаление нерастворимых белковых загрязнений,
  • органические бактерициды (гексахлорофен, трихлоркарбанилид и др.),
  • стабилизаторы пены (например, алкилоламиды) или пеногасители;
  • во многие моющие вещества добавляют душистые вещества (отдушки).

Рецептурный состав моющих веществ определяется их назначением, экономическими и санитарно-гигиеническими требованиями.


Виды моющих средств


Различают синтетические моющие средства:


  • для стирки,
  • мытья посуды и домашней утвари,
  • туалетные,
  • промышленного назначения и др.

Моющие средства для стирки можно разделить на группы:


  • средства для шерстяных и шёлковых тканей,
  • хлопчатобумажных и льняных тканей,
  • универсальные средства для тканей разных типов, в том числе из химических волокон,
  • для стирки сильно загрязнённых изделий из грубых тканей.

Влияние моющих средств на окружающую среду.


В последние несколько десятилетий постоянно росло потребление синтетических моющих средств и соответственно происходило сокращение потребления мыла.


Это обстоятельство породило важную проблему - проблему очистки сточных вод.


Дело в том, что многие синтетические моющие средства, в отличие от мыл, не подвержены естественному биохимическому разложению и не задерживаются фильтрующими установками, и это приводит не только к загрязнению рек и других водоёмов, но и к проникновению ПАВ в источники питьевой воды, что непосредственно влияет на здоровье человека..


Биохимическим разложением называется разложение органических веществ под действием ферментов, производимых бактериями и другими микроорганизмами.


Биоразложение протекает очень медленно, конечными продуктами его являются вода и диоксид углерода.


Для массового производства и потребления моющих средств необходимо применять такие ПАВ и другие моющие вещества, которые были бы подвержены сравнительно быстрому их распаду.


В настоящее время приняты законы, разрешающие производство и применение ПАВ для моющих средств, биоразлагаемых не менее чем на 80%.


Биоразлагаемость некоторых ПАВов.


Хорошей биоразлагаемостью (на 80-90%) обладают алкилбензолсульфонаты с неразветвлённой алкильной цепью (С10 -С14). Она увеличивается при добавлении в раствор глюкозы.


Биоразлагаемость алкилсульфонатов, полученных из нормальных парафинов, достигает 98%, олефинсульфонатов – 90-95%, у алкилсульфатов (С10-С18) – 97,9%.


Неиногенные ПАВ разлагаются легче, чем анионактивные, но их биоразлагаемость понижается с увеличением числа присоединённых групп этиленоксида и разветвлённости гидрофобной части молекулы.


Сульфаты неионогенных ПАВ, полученных на основе прямоцепочных жирных спиртов, легко разлагаются, и длина этиленоксидной цепи не влияет на степень и скорость разложения.


Разные подходы в защите окружающей среды


По данным ряда исследователей, для защиты окружающей среды при производстве и употреблении моющих средств наиболее рациональным путём является замена алкилбензолсульфонатов алкилсульфатами и алкилсульфонатами, а также применение натуральных жирных кислот и их производных, кукурузного крахмала и других, биоразлагаемость которых является стопроцентной.


Наличие моющих средств в сточных водах вызывает обильное пенообразование за счёт остаточных ПАВ, фосфатов и других компонентов моющих средств, что затрудняет биологическую очистку.


Но существует и другой подход, заключающийся в том, что введение в действие эффективных методов очистки сточных вод экономически целесообразнее, чем замена плохоразлагающихся компонентов моющих средств другими, менее эффективными в моющем действии.


Оглавление


Органическая химия

Биохимия

Косметическая химия


Коллоидная химия


• Три агрегатных состояния
   вещества

• Силы межмолекулярного
   взаимодействия

Свойства жидкостей.

• Характеристика жидкого
   состояния вещества.

• Поверхностное натяжение
   жидкости.

Растворы.

• Понятие раствора.

• Гидраты и сольваты.

Дисперсные системы. Коллоиды.

• Дисперсные системы.
   Определение.
   Классификация:

       - Суспензии,
       - Эмульсии,
       - Пены,
       - Золи,
       - Гели.

• Адсорбция.

• Коллоидные частицы.
       - Виды коллоидных частиц.
       - Строение коллоидной
         мицеллы.

• Коагуляция коллоидных
   растворов.

• Стабилизация
   коллоидных растворов.

• Эмульсии и эмульгаторы.

• Взаимодействие
   "воды" и "масла".

Вещества, понижающие поверхностное натяжение (ПАВы).

• Что такое ПАВы?
• Строение ПАВ.
• Работа ПАВ в дисперсных
   системах.

       - Моющие средства.
       - Эмульгаторы.

• Классификация ПАВ.
   По типу гидрофильных групп:
       - анионные,
       - катионные,
       - амфотерные,
       - неионные.

   По характеру использования:
       - моющие средства,
       - смачиватели,
       - эмульгаторы,
       - солюблизаторы.

   По длине гидрофобной цепи:
       - Гидрофобные ПАВ,
       - Гидрофильные ПАВ.

• Использование ПАВ.
• Воздействие ПАВ
   на человека.

• Влияние ПАВ на
   окружающую среду.

• Моющие средства.