substancje powierzchniowo czynne

Substancje powierzchniowo czynne — Substancje powierzchniowo czynne (których większość jest surfaktantami) — to grupa związków chemicznych, których cząsteczki są zbudowane z 2 elementów o przeciwnym powinowactwie do wody: z elementu hydrofobowego (o małym powinowactwie do wody) oraz elementu hydrofilowego (o dużym powinowactwie do wody).

Część hydrofobowa to najczęściej alifatyczna lub alkiloaromatyczna grupa węglowodorowa zawierająca 10 – 22 atomów węgla.

Część hydrofilowa ma charakter soli lub polarnych grup organicznych.

Charakterystyczna dla substancji powierzchniowo czynnych jest zdolność do adsorbowania się na granicy faz, tzn. gromadzenia się rozpuszczalnych w wodzie cząsteczek substancji powierzchniowo czynnych na powierzchni zetknięcia roztworu z fazą gazową, ciekłą lub stałą. Dzięki temu obniża się napięcie powierzchniowe na granicy faz lub zmienia ładunek powierzchniowy. Dlatego substancje powierzchniowo czynne mają właściwości emulgujące, myjące i piorące.

Substancji powierzchniowo czynnych używa się głównie w postaci roztworów wodnych i z tego względu klasyfikuje się je w zależności od rodzaju grupy hydrofilowej. Rozróżnia się związki anionowo czynne, kationowo czynne, amfoteryczne i niejonowe.

Związki anionowo czynne w roztworze wodnym dysocjują na aniony, w których znajdują się grupy hydrofobowe, oraz kationy, będące jonami metalu (np. Na+) lub zasadami organicznymi albo grupą amonową NH4+.

Typowymi związkami anionowo czynnymi są mydła. Inne to:

• alkilosulfoniany — sole, głównie sodowe, sulfonowanych węglowodorów alifatycznych;
• alkiloarylosulfoniany — sole sulfonowych kwasów alkilobenzenowych i alkilonaftalenowych;
• alkilosiarczany — sole sodowe, potasowe lub amonowe monoestrów kwasu siarkowego i alifatycznych alkoholi.

Związki kationowo czynne w roztworze wodnym dysocjują na kationy i aniony będące resztą kwasową.

Ważne związki kationowo czynne to chlorki i bromki alkilotrimetyloamoniowe, chlorek alkilodimetylobenzyloamoniowy oraz bromki i siarczany alkilopirydyniowe.

Związki amfoteryczne (zwitterjonowe) dysocjują w zasadowych roztworach podobnie jak związki anionowo czynne, w roztworach kwaśnych zaś — podobnie jak związki kationowo czynne; w roztworze obojętnym tworzą tzw. jony obojnacze (w których znajdują się grupy — hydrofobowa i hydrofilowa), posiadają zarówno ładunek dodatni, jak i ujemny. Do ważnych związków tego typu należą pochodne betain.

Związki niejonowe nie dysocjują w roztworze wodnym na jony, a ich rozpuszczalność w wodzie jest spowodowana obecnością w cząsteczce wielu grup organicznych, odznaczających się dużym powinowactwem do wody.

W zależności od budowy części hydrofobowej, surfaktanty w środowisku wodnym mogą mieć określone własności.

1.    Zwiększenie długości łańcucha grupy hydrofobowej może powodować:
a.    obniżenie rozpuszczalności w wodzie, wzrost w rozpuszczalnikach organicznych,
b.    bliższe upakowanie cząsteczek surfaktantu na powierzchni międzyfazowej,
c.    zwiększenie tendencji do adsorpcji na granicy faz lub tworzenia agregatów zwanych micelami,
d.    zwiększenie temperatury topnienia surfaktantu i filmów powstających z jego udziałem,
e.    zwiększenie tendencji do tworzenia fazy ciekłokrystalicznej w roztworze,
f.    zwiększenie czułości surfaktantu jonowego na strącanie z wody przy użyciu przeciwjonów.

2.    Wprowadzenie rozgałęzień łańcucha alkilowego lub istnienie wiązań nienasyconych w grupie hydrofobowej może powodować:
a.    wzrost rozpuszczalności surfaktantu w wodzie lub rozpuszczalnikach organicznych,
b.    spadek temperatury topnienia surfaktantu i filmu przez niego tworzonego,
c.    swobodniejsze upakowanie surfaktantu na granicy międzyfazowej,
d.    zmniejszenie tendencji do tworzenia fazy ciekłokrystalicznej w roztworze,
e.    utlenianie i zabarwianie związków nienasyconych,
f.    obniżenie biodegradowalność w związkach o łańcuchach rozgałęzionych,
g.    zwiększenie niestabilności termicznej.

3.    Obecność pierścieni aromatycznych w grupie hydrofobowej może powodować:
a.    wzrost adsorpcji surfaktantu na powierzchniach polarnych,
b.    spadek biodegradowalności,
c.    luźniejsze upakowanie cząsteczki surfaktantu na powierzchni rozdziału.

4.    Jednostki polioksypropylenowe mogą powodować:
a.    zwiększenie hydrofobowości surfaktantu,
b.    zwiększenie adsorpcji na powierzchniach polarnych,
c.    zwiększenie rozpuszczalności w rozpuszczalnikach organicznych,
d.    zmniejszenie hydrofobowego charakteru surfaktantu.

5.    Grupa perfluoroalkilowa lub grupa polisiloksanowa mogą powodować:
a.    obniżenie napięcia powierzchniowe wody do 20 mN/m,
b.    dużą stabilność termiczną i chemiczną,
c.    powstanie właściwości pozwalających zwilżać powierzchnie niskoenergetyczne.

Substancje powierzchniowo czynne są stosowane jako środki zwilżające i emulgatory, jako podstawowy składnik czynny środków piorących, myjących i czyszczących oraz jako środki pomocnicze, m.in. w przemyśle włókienniczym, skórzanym, tworzyw sztucznych. Związki kationowo czynne i niektóre związki amfoteryczne wykazują silne właściwości bakteriobójcze i są stosowane m.in. do dezynfekcji.

Emulgator to związek chemiczny (lub mieszanina), który umożliwia powstanie emulsji oraz zapewnia jej trwałość. Gromadzi się na powierzchni granicznej, prowadząc do powstania trwałych miceli. Naturalnym emulgatorem jest lecytyna rozpraszająca drobiny tłuszczów w wodnych roztworach białek i węglowodanów. W przemyśle emulgatory mają duże zastosowanie w produkcji żywności, górnictwie, produkcji farb, klejów, leków, kosmetyków, materiałów budowlanych, tworzyw sztucznych.

Związkami anionowo czynnymi są mydła. Przypominają z wyglądu kijankę: główka to kationy, które łączą się z wodą, ogonek to grupy hydrofobowe, które łączą się z cząsteczkami brudu. Gdy wymiesza się taki związek z wodą, to na jej powierzchni kijanki skierują się główkami do wewnątrz cieczy. Ogonki natomiast sterczą na zewnątrz, wystając poza powierzchnię wody. Gdy czyści się np. tkaninę zabrudzoną tłuszczem, to połączone działanie mydła i mechanicznych wstrząsów podczas prania usuwa ten tłuszcz. Malutkie kropelki tłuszczu pokrytego substancją powierzchniowo czynną rozproszone w wodzie tworzą wówczas tzw. emulsję. Mydła działają również pianotwórczo zwiększając powierzchnię styku brudu ze środkiem myjącym.