Коллоидные поверхностно-активные вещества

Коллоидные ПАВ обладают комплексом уникальных поверхностных и объемных свойств. Растворы коллоидных ПАВ способны образовывать кристаллы и эмульсии, смачивать поверхности, удалять загрязнения, сообщать продукции необходимые технологические свойства, улучшать товарный вид и увеличивать сроки хранения. Причем их действие проявляется при небольших концентрациях, составляющих порой сотые доли процента. Умелое применение коллоидных ПАВ в промышленности позволяет интенсифицировать технологические процессы, повышать качеств по выпускаемой продукции, экономить сырье и энергетические ресурсы.

Особенности и классификация коллоидных ПАВ

Коллоидными называют такие ПАВ, молекулы которых способны образовывать мицеллы. Мицеллы — это агрегаты из десятков молекул ПАВ (рис. 21.1). Коллоидные ПАВ находятся в трех различных состояниях: на поверхности раздела фаз в виде адсорбционного слоя, в качестве истинного раствора и в составе мицелл, которые образуют коллоидный раствор. Схематически различное состояние молекул ПАВ можно представить следующей схемой:

Условие (21.1) означает, что истинный раствор переходит в коллоидный, состоящий из мицелл. Поэтому коллоидные ПАВ называют еще мицеллярными.

Число молекул ПАВ в мицеллах обычно составляет 50—100, а мицеллярная масса равна 10³—10⁵.

Мицеллы коллоидных ПАВ, размеры которых соответствуют высокодисперсным системам, формируют дисперсную фазу; образуется граница раздела между мицеллой и растворителем — дисперсионной средой. Растворы этого класса ПАВ обладают и дисперсностью, и гетерогенностью, т. е. основными признаками коллоидных растворов.

Не все растворы ПАВ являются коллоидными. Низкомолекулярные спирты, кислоты, другие органические соединения, которые имеют незначительную длину углеводородного радикала, не образуют мицелл. Для коллоидных ПАВ характерно оптимальное соотношение между углеводородным гидрофобным радикалом и полярной гидрофильной частью молекулы. Подобное соотношение определяется гидрофильно-липофильным балансом (см. рис. 15.3).

Коллоидные ПАВ широко распространены. К ним относятся синтетические моющие и чистящие средства, мыла, красители, танниды и многие другие вещества. Производство коллоидных ПАВ постоянно растает. В той или иной мере они применяются в различных отраслях промышленности; не является исключением и пищевая промышленность (см, подробнее параграф 21.4).

Коллоидные ПАВ, молекулы которых имеют дифильное строение (см. рис. 5.2), можно классифицировать в зависимости от их способности к диссоциации на ионогенные и неионогенные. В свою очередь ионогенные ПАВ могут быть анионные (анионоактивные), катионные (катионоактивные), амфолитные (амфотерные).

Ионогенные ПАВ диссоциируют в растворе с образованием поверхностно-активных ионов. Неионогенные ПАВ не диссоциируют, а поверхностная активность их обусловлена молекулами вещества.

После диссоциации полярных групп [COOH (M), OSO₂OH (M), SO₃H (M), где M — металл] анионных ПАВ образуется анион, который является носителем поверхностно-активных свойств, и катион, не обладающий этими свойствами. Примером анионного ПАВ является натриевая соль стеариновой кислоты, которая входит в состав обычного жирового мыла; поверхностно-активный анион образуется следующим образом:

® (21.2).

Поверхностная активность определяется анионом, который в данном случае представляет собой остаток стеариновой кислоты. К синтетическим анионным ПАВ относится додецилсульфат натрия, который в водном растворе диссоциирует по следующей схеме:

(21.3).

Поверхностно-активный анион, подобно молекулам ПАВ (см. рис. 5.2), имеет гидрофильную часть и длинный гидрофобный радикал. Для моющих средств, например, длина этого радикала колеблется в пределах С₁₂—С₂₀.

Катионные ПАВ диссоциируют в водном растворе с образованием поверхностно-активного катиона. Из катионных коллоидных ПАВ наибольшее распространение получили четвертичные аммониевые соли, представителем которых является октадециламмонийхлорид; он диссоциирует следующим образом:

[C₁₇H₃₅NH₃]Cl > C₁₇H₃₅NH₃⁺ + Cl^- (21.4).

Катион, определяет поверхностно-активные свойства этой группы ПАВ.

Амфолитные коллоидные ПАВ в зависимости от рН проявляют свойства анионных и катионных веществ, т. е. поверхностно-активными свойствами обладают анион и катион подобных ПАВ. К числу амфолитных ПАВ относятся белки (см. параграф 20.2). Однако амфолитные коллоидные ПАВ из-за относительно высокой стоимости и сложности получения не нашли еще широкого практического применения в качестве синтетических препаратов.

Неионогенные коллоидные ПАВ не диссоциируют в растворе и не образуют ионы. Поверхностной активностью обладают растворенные молекулы ПАВ.

К числу распространенных неионогенных ПАВ относятся препараты ОП-7 и ОП-10. Их получают в результате взаимодействия оксида этилена со спиртами, фенолами, жирными кислотами или другими органическими соединениями, в состав которых входят полярные группы. Общую формулу этих препаратов можно представить в виде Сложные эфиры сахарозы, которые применяют при производстве маргарина, мороженого, шоколада и других продуктов, относятся к неионогенным ПАВ. Они образуются в результате следующей реакции:

С₁₂Н₂₂О₁₁ + RCOOCH₃ > CH₃O + (С₁₂Н₂₂О₁₁)OCR.

сахароза метиловый сложный эфир В настоящее время ассортимент коллоидных ПАВ включает десятки тысяч различных наименований. Молекулы могут состоять из нескольких полярных групп и углеводородных радикалов. Приведенные в уравнениях (21.2)—(21.4) формулы ионогенных и неионогенных ПАВ являются простейшими.