Поверхностно-активные вещества (ПАВ). Мыла

Органические вещества, снижающие поверхностное натяжение вследствие адсорбции на границе раздела фаз, называют поверхностно-активными веществами (ПАВ). Поверхностно-активные вещества имеют дифильное строение, т. е. состоят из полярной группы (—СООН, —COONa, —SО₃Na, —ОН, —NH₂ и др.) и неполярного углеводородного радикала C₁₀—C₁₈ (обычно линейного строения).

УВ радикал обладает поверхностной активностью в отношении неполярной фазы (газ, углеводородная жидкость, хлор, неполярная поверхность твердого тела) и выталкивается из полярной среды. В водном растворе ПАВ на границе с воздухом образуется адсорбционный слой с УВ радикалами, ориентированными в сторону воздуха. Концентрация ПАВ в этом слое выше, чем в объеме жидкости, поэтому ПАВ снижают поверхностное натяжение воды на границе с воздухом.

Уменьшение поверхностного натяжения воды увеличивает ее смачивающую способность и моющее действие.

По характеру гидрофильных и гидрофобных групп ПАВ можно разделить на 3 группы: анионоактивные (анионные), катионоакивные (катионные), неионогенные.

В катионных ПАВ поверхностную активность в водных растворах обеспечивают большие органические катионы. К катионным ПАВ относятся аминосоединения, аммониевые, сульфониевые и фосфониевые соединения. Наиболее известными являются соли четырехзамещенного аммония, диссоциирующие в водных растворах следующим образом:

где R — углеводородный радикал, содержащий 12—18 углеродных атомов, а Rl, R1, R3 — короткие радикалы (—СН₃, —С₂Н₅).

Неионогенные ПАВ в водных растворах не диссоциируют на ионы. Такими веществами могут быть, например, соединения типа:

Наиболее часто используемыми в промышленности и в быту являются анионоактивпые ПАВ. В водных растворах этих ПАВ носителем поверхностно-активных свойств являются длинноцепочные анионы. Катионы влияют лишь на растворимость этих веществ.

К анионоактивным ПАВ относятся, в частности, давно используемые в качестве моющих средств мыла.

Мыла — это соли высших жирных кислот (С₁₀ – С₁₈). Мыла делятся на растворимые в воде (натриевые, калиевые, аммониевые) и нерастворимые (металлические мыла — соли Са, Mg, Ва, Рb, Ni, Мn, Al и др.). Растворимость мыл в воде зависит от характера катиона: NH⁴⁺ >K⁺ > Na⁺ > Li⁺.

Жидкие калиевые мыла и твердые натриевые мыла получают растворением высших алифатических кислот в водных растворах едких щелочей:

Моющее действие (т. е. способность моющих средств и их растворов удалять с отмываемых поверхностей прилипшие частицы грязи и переводить их во взвешенное состояние в виде эмульсий и суспензий) мыл в жесткой воде сильно падает вследствие образования нерастворимых кальциевых и магниевых мыл:

Растворение мыла в воде сопровождается частичным гидролизом с образованием высшей кислоты и щелочи, которая оказывает вредное действие на многие ткани:

Синтетические моющие средства (СМС) — детергенты — не обладают отмеченными недостатками, характеризуются более высокой моющей способностью, доступностью сырья для их производства. Основой СМС являются синтетические ПАВ. Это могут быть и катионоактивные, и неионогенные ПАВ. Однако главным компонентом большинства СМС являются анионоактивные синтетические ПАВ. Рассмотрим важнейшие из них.

Алкилсульфонаты RSО₃Na обладают высокой эмульгирующей и смачивающей способностью.

Способы получения

1.Сульфохлорирование предельных УВ (C₁₂—C₁₆) с последующим омылением алкилсульфохлорида:

2.Сульфоокисление предельных УВ и нейтрализация полученной алкансульфокислоты:

3.Присоединение гидросульфита натрия к алкенам:

Алкиларилсульфонаты химически устойчивы, сравнительно дешевы и эффективны.

Синтез осуществляется в две стадии:

Алкилсульфаты R – O – SO₂ – ONa дают обильную пену.

Способы получения

1.Этерификация высших алифатических спиртов серной кислотой с последующей нейтрализацией образующихся кислых сложных эфиров:

2.Присоединение H₂SО₄ к алкенам и нейтрализация образовавшихся кислот:

СМС очень медленно разлагаются, вредные результаты их воздействия на природу и живые организмы непредсказуемы. Перевод ПАВ в пену, адсорбция активным углем, нейтрализация катионактивными веществами и др. недостаточно эффективны и очень дороги. Поэтому предпочтительна очистка сточных вод от ПАВ в отстойниках и в естественных условиях (в водоемах) путем биологического окисления под действием гетеротрофных бактерий, которые входят в состав активного ила. Процесс идет до превращения органических веществ в углекислый газ и воду. При биохимической очистке окисление ведется в присутствии ферментов. Микробиологический метод основан на использовании высокоактивных культур микроорганизмов. Получены штаммы бактерий, разрушающих алкилсульфаты, алкилсульфонаты, алкилбензолсульфонаты и др.