Поверхностно-активные вещества. 
Химия в строительстве

Поверхностно-активными веществами (ПАВ) называют вещества, снижающие поверхностное натяжение на границе раздела фаз — в этом случае наблюдается взаимодействие разнородных молекул, называемое адгезией.

Действие ПАВ обусловлено концентрированием этих веществ на поверхности другого вещества из той или иной среды (обычно из водных растворов) на границах: жидкость — воздух, жидкость 1 — жидкость 2 или жидкость — твердое тело. Самопроизвольное повышение концентрации растворенного вещества на поверхности твердого тела или жидкости носит название адсорбции: поглощающее вещество — адсорбент, поглощаемое — сорбтив. В водных растворах поверхностную активность проявляют в той или иной мере органические соединения, но эффективность их действия зависит от природы (состава) и растворимости. ПАВ должны обладать меньшим поверхностным натяжением, чем растворитель, сравнительно малой растворимостью и способностью образовывать тонкие мономолекулярные адсорбционные слои на поверхности адсорбента. По физико-химическим свойствам ПАВ делятся на три группы:

• 1) молекулярные (неионогенные);
• 2) ионогенные анионо-активные;
• 3) ионогенные катионо-активные.

К молекулярным ПАВ относятся электрически нейтральные молекулы спиртов, карбоновых кислот, белковых веществ. Ионогенные ПАВ относятся к электролитам, т. е. диссоциируют на ионы, при этом поверхностную активность проявляют: в анионо-активных — анион, в катионо-активных — катион. К катионо-активным поверхностно активным веществам относятся мыла, сульфокислоты, их соли и другие соединения; катионо-активные ПАВ — органические азотсодержащие основания и их соли. Молекулы поверхностно-активных веществ состоят из двух частей: полярной гидрофильной группы (-ОН, -СООН, -NH₂) и неполярного углеводородного радикала. Полярная группа, обладая дипольным моментом, хорошо гидратируется, что определяет сродство ПАВ к воде (гидрофилъность). Другая часть молекулы ПАВ, неполярный углеводородный радикал, понижает растворимость их в воде Сгидрофобность). В связи с этими свойствами молекулы ПАВ при взаимодействии с водой погружаются в воду своими гидрофильными группами, а углеводородный радикал (гидрофобный) ориентируется выше уровня воды (рис. 3.2) — вода «выталкивает» гидрофобную часть и способствует накоплению ПАВ в поверхностном слое.

С увеличением длины углеводородной цепи поверхностно-активного вещества его растворимость уменьшается, что способствует его накоплению (адсорбции) в поверхностном слое — это приводит к уменьшению поверхностного натяжения.

С удлинением углеводородной цепи, например, в карбоновых кислотах, растворимость их уменьшается:

• 1) уксусная кислота СН₃СООН — растворима;
• 2) пропионовая СН₃СН₂СООН — растворима;
• 3) масляная СН₃СН₂СН₂СООН — растворима;
• 4) валериановая СН₃СН₂СН₂ СН₂ СООН — малорастворима;
• 5) капроновая СН₃СН₂СН₂ СН₂ СН₂СООН — нерастворима.

Рис. 3.2. Расположение молекул поверхностно-активных веществ в поверхностном слое воды:

кружком обозначена полярная часть молекулы, линией — неполярная; а и б — низкая концентрация ПАВ, в — высокая концентрация (насыщенный раствор) ПАВ.

Правило Траубе — Дюкло — удлинение углеводородной цепи в жирных кислотах на радикал СН₂ увеличивает способность их к адсорбции в 3,2 раза.

В соответствии с этим правилом длина цепи углеводородной возрастает в арифметической прогрессии, а поверхностная активность увеличивается в геометрической. Правило Траубе — Дюкло справедливо для разбавленных растворов и температур, близких к комнатной.

Эффективность действия молекулярно-растворимых в воде ПАВ (карбоновые кислоты, амины, спирты жирного ряда, ароматические соединения) ограничена малой растворимостью — с удлинением цепи растворимость быстро убывает. Гомологи жирного ряда С₁₄ и выше нерастворимы в воде. Поверхностная активность средних гомологов (Се — С₁₃) выражена слабо, поэтому ПАВ такого типа чаще используют в неводных средах (масляных), в которых растворяются в значительной концентрации и высшие гомологи.

Важной группой ПАВ с высокой поверхностной активностью являются органические соединения, водные растворы которых представляют собой коллоидные системы, в частности, жировое мыло — смесь солей (натрия, калия) жирных кислот С₁₂ — С₁₈. Такими же свойствами обладают и синтетические ПАВ — аналоги естественных жировых мыл, которые подразделяют на ионогенные (анионоактивные и катионоактивные) и неионогенные (молекулярные) растворимые в воде соединения, имеющие несколько полярных групп.

Ионогенные синтетические ПАВ, являясь сильными органическими электролитами, мало чувствительны к действию солей жесткости, влиянию pH и обладают большим разнообразием свойств. Они могут быть самостоятельными мылоподобными соединениями. К наиболее сильным стабилизаторам дисперсных систем (эмульсий, пен и др.) относятся более высокие гомологи с линейными цепями, проявляющие сильное моющее действие.

Поверхностно-активные вещества нашли широкое применение в различных отраслях промышленности — горнодобывающей, металлургии, производстве строительных материалов, в технологии добычи и переработки нефти, текстильной, фармацевтической, сельском хозяйстве и во многих других областях технологии получения устойчивых дисперсных систем: эмульсий, пен, суспензий, смазочных, композитных, лакокрасочных материалов и др.