Поверхностно-активные вещества

Как смешать несмешиваемое, например воду с маслом? Чтобы соединить несоединяемое, нужен посредник. Ему совсем не обязательно глубоко проникать в массу того и другого вещества, достаточно распределиться равномерным, хотя бы мономолекулярным, слоем на поверхности их соприкосновения. Такие посредники, вещества, способные накапливаться на межфазной поверхности соприкосновения двух тел, называются поверхностно-активными.

Стирка - самый популярный пример применения поверхностно-активных веществ. Но еще шире используются они в промышленности. Приготовить смазку из разнородных компонентов, распределить полярный наполнитель в неполярном полимере (см. Полимеры), отделить ценную руду от пустой породы - ни одну из этих технических задач не удалось бы решить, если бы люди не умели пользоваться поверхностно-активными веществами.

Молекулы мыла - стеарата натрия - не дают капелькам масла в воде или капелькам воды в масле сливаться друг с другом, удерживают их во взвешенном состоянии и тем самым стабилизируют смесь масла с водой. Метод флотации - эффективный способ обогащения полезных ископаемых - основан на действии поверхностно-активных веществ. Пена выносит вверх частички ценного минерала, прилипающие к пузырькам воздуха, а частички пустой породы, смачиваемые водой, опускаются на дно. Этот метод позволяет использовать бедные руды для получения редких металлов: железа, меди, золота...

Простейшее из таких веществ - обычное мыло, т.е. натриевые и калиевые соли высших карбоновых кислот, например стеариновой С₁₇Н₃₅СООН или олеиновой С₁₇Н₃₃СООН; их получают расщеплением (омылением) природных жиров под действием водных растворов щелочей. По свидетельству древнеримского писателя Плиния Старшего, уже в 70-х г. н. э. умели изготовлять мыло действием буковой золы на козий жир. Много позже люди стали получать моющие средства (они же - поверхностно-активные вещества) действием серной кислоты на природные масла. Французский химик Э. Фреми первым приготовил такие препараты в 1831 г. из оливкового и миндального масел. В конце XIX в. русский химик Г. С. Петров действием серной кислоты на продукты переработки нефти получил поверхностно-активные вещества - алкилсульфонаты, которые широко применяются и по сей день. И наконец, в середине XX в. к списку основных поверхностно-активных добавились органические вещества с общей формулой:

Для всех применяемых сейчас поверхностно-активных веществ характерно дифильное строение молекул: в каждой молекуле содержатся атомные группы, сильно различающиеся по характеру взаимодействия с окружающей средой. Так, один или несколько углеводородных радикалов в молекуле имеют химическое сродство к углеводородам и маслам, т.е. отличаются олеофильн остью. Другая часть молекулы имеет сродство к воде, т.е. характеризуется гидрофильностью. Слабо взаимодействующие с водой олеофильные группы определяют стремление молекулы к переходу из водной (полярной) среды в углеводородную (неполярную). Гидрофильные группы атомов, наоборот, удерживают молекулу в полярной среде. Именно поэтому такого рода вещества и могут играть, например, роль посредников между водой и маслом (см. рис. на с. 217).

Вам, наверное, известен этот опыт из занимательной физики с иголкой, лежащей на поверхности воды. Вода как будто покрыта тонкой пленкой из другого вещества, гораздо более прочного, чем она сама. По этой пленке некоторые насекомые могут бегать, как по льду. Силами поверхностного натяжения объясняются рост кристаллов и их совершенная форма. Чрезвычайна важна роль поверхностных явлений в живой природе. По мнению современной науки, жизнь могла возникнуть лишь на поверхности раздела фаз - либо на поверхности взвешенных в воде частичек ила, либо в поверхностном слое самой воды. В этих зонах концентрация веществ много больше, чем в массе воды. Все сложнейшие процессы, происходящие в живой клетке, идут на поверхности оболочек-мембран, которые как бы сортируют вещества, проникающие в клетку: какие пропустить, какие - нет

По типу гидрофильных групп поверхностно-активные вещества делят на ионные, или ионогенные и неионные, или неионогенные. Ионные поверхностно-активные вещества распадаются в воде на ионы, одни из которых обладают поверхностной активностью, другие - неактивны. Если активны анионы, поверхностно-активные вещества называют анионными; если активны катионы, эти вещества называются катионными. Анионные поверхностно-активные вещества - это органические кислоты и их соли; катионные - основания и их соли.

В зависимости от назначения и химического состава поверхностно-активные вещества выпускают в виде твердых продуктов (кусков, хлопьев, гранул, порошков), жидкостей и полужидких веществ (паст, гелей).

Важнейшие области применения поверхностно-активных веществ: производство мыл и моющих средств, текстильно-вспомогательных веществ, используемых для обработки тканей, лакокрасочной продукции. Поверхностно-активные вещества используются во многих технологических процессах химической, нефтехимической, химико-фармацевтической, пищевой промышленности.

Общую теорию действия поверхностно-активных веществ разработал советский физи-ко-химик академик П. А. Ребиндер (см. Коллоидная химия).