Поверхностно-активные вещества. 
Физическая и коллоидная химия. 
Часть 2. Коллоидная химия

Вещества, растворение которых приводит к снижению поверхностного натяжения растворителя, носят название поверхностно-активных веществ, а их свойство понижать о называют поверхностной активностью. Будем рассматривать только водные растворы. В этом случае ПАВ обычно являются органические соединения, молекулы которых имеют дифильное строение, т. е. состоят из двух частей или групп — полярной и неполярной. Примером полярных групп могут служитьОН, -СООН, -N0₂, -NH₂, -CN, -0-S0₃‘ и т. д. Неполярной частью молекулы обычно являются углеводородные радикалы. Примером наиболее распространенного ПАВ является обычное мыло (натриевые соли жирных карбоновых кислот), к ПАВ относят также карбоновые кислоты, спирты, амины, сульфокислоты и другие вещества. Условно принято обозначать молекулу ПАВ символом —о, где кружок соответствует полярной группе, а палочка — неполярной.

К природным ПАВ относятся также природные нативные белки с молекулярной массой 10—300 кДа и полипептиды. В данном случае механизм поверхностной активности значительно сложнее, так как в молекуле белка полярные фрагменты довольно равномерно чередуются с неполярными. Поверхностная активность определяется уникальной, энергетически сбалансированной третичной структурой белка. Примерно половина поверхности белка имеет гидрофобный характер. В результате адсорбции белков, как и в случае низкомолекулярных ПАВ, снижается свободная поверхностная энергия системы. Например, для водного раствора гамма-глобулина поверхностное натяжение составляет 47.5 мН/м. При этом на поверхности различной природы формируются адсорбционные слои, подобные твердообразным гелям. Именно такие слои являются причиной эффективной стабилизации пен и эмульсий.

Поверхностная активность веществ зависит не только от их природы, но и от природы растворителя. Так, все вышеуказанные ПАВ обладают поверхностной активностью на границе «вода — воздух», но являются инактивными по отношению к поверхности фаз «органические растворители — воздух».

На рис. 3.17. видно, что для ПАВ (do/dC) 0, т. е. молекулы ПАВ адсорбируются на поверхности раздела фаз, снижая тем самым о. Адсорбция ПАВ происходит по следующей причине. Взаимодействие между диполями воды значительно сильнее, чем между диполями и неполярными частями ПАВ. Поэтому энергетически выгоден переход молекул ПАВ из фазы на поверхность или в другую фазу, при этом восстанавливаются сильные диполь-дипольные и водородные связи молекул воды. Чем длиннее углеводородный радикал, тем больше молекул воды он разобщает и тем больше тенденция выхода молекул ПАВ на поверхность, т. е. тем больше их адсорбция.

Эффект снижения о водных растворов ПАВ может быть очень велик. Так, обычное мыло понижает поверхностное натяжение воды на 43 мДж/м² уже при концентрации ~10^_3 моль/л. Для сравнения: повышение, а при действии инактивного вещества обычно меньше 0,8 мДж/м² даже при концентрации 1 моль/л.

С ростом концентрации ПАВ в растворе, а сначала падает резко, а затем — постепенно (см. рис. 3.17). Подобный ход кривой объясняется тем, что при малых концентрациях поверхность жидкости свободна и практически все растворенные молекулы ПАВ адсорбируются на поверхности воды, сильно снижая а. При больших С на поверхности образуется насыщенный мономолекулярный слой молекул ПАВ, дальнейшая адсорбция становится невозможной и с ростом концентрации, а изменяется незначительно. Поверхностное натяжение растворов при этих концентрациях приближается к значению о самих ПАВ на границе с воздухом (20—24 мДж/м²).