Файл: Лунина М.А. Синтетические моющие средства пособие для учащихся.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 06.04.2024
Просмотров: 92
Скачиваний: 1
о
а
Рис. 2. Гидрофильная ( а ) и гидрофобная (б) по верхности.
обозначает «любящий воду» (гидро — вода, филео — люблю). Гидрофильными оказываются также многие порошки, мел, гипс, глина, алюмосиликаты. Эти порошки, хорошо смачиваясь, образуют в воде взвесь частиц — водную суспензию. Металлы, лаки рованное дерево, парафин не смачиваются водой. Кап ля воды на парафинированной бумаге немедленно сворачивается в шарик и соскальзывает. То же про исходит и при попадании капель воды на полиэти леновый плащ. Такие поверхности называют гидро фобными («не любящими воду»). Известно много гид рофобных порошков — сажа, угольная пыль, металли ческие пыли. При всыпании в воду они остаются на поверхности и не образуют суспензии. Если же раз мешать порошок в жидкости палочкой, то гидрофоб ные частицы прилипают к ней и стенкам сосуда, а суспензии все-таки не образуют.
Если нанести небольшую каплю воды на твердую поверхность, то в зависимости от того, гидрофобна она или гидрофильна, капля будет вести себя по-раз ному. На рисунке 2 показано, как меняется форма капли в зависимости от свойств поверхности. На ри сунке 2, а изображен случай, когда поверхность гид рофильна — происходит смачивание (например, вода на стекле, дереве); капля расплывается вследствие взаимодействия воды и стекла. Рисунок 2, 6 соответ-
29
ствует случаю, когда поверхность гидрофобна. Можно ли гидрофобную поверхность сделать гидрофильной? Оказывается, можно. В практике давно известно, что смачивание поверхности улучшается, если в воду добавить некоторые вещества, например спирт, мы ло. Однако механизм этого явления долгое время был неясен.
В 1917 г. американский ученый И. Лэнгмюр обна ружил, что некоторые вещества очень активно на капливаются на различных пограничных поверхнос тях (например, на границе между воздухом и водой или между водой и маслом). Эти вещества он назвал поверхностно-активными. Молекулы поверхностно активных веществ обладают особым строением — они асимметричны: обязательно содержат в своем соста ве гидрофильную группу, легко взаимодействующую с молекулами воды. К таким гидрофильным группам относятся — ОН, — ЫНг, — СООН, — БОзН и многие другие. Наряду с гидрофильной группой в моле куле непременно присутствует гидрофобная. Она представляет собой длинную цепь (радикал), состоя щую из атомов углерода и водорода, например СНз—СН2—СНг—СН2—. У моющих веществ углево дородный радикал включает 10—18 углеродных ато мов. С прибавлением каждой группы — СНг длина его
О
увеличивается примерно на 2 А. Углеводородные ра дикалы совсем не взаимодействуют с водой. Наличие гидрофобной группы в составе молекулы ухудшает растворимость этого соединения в воде. Такую «дифильную» молекулу (склонную одновременно к взаимодействию с водой и с органическими средами) изображают следующим образом: кружком обозна чают гидрофильную группу, а «хвостик» должен изображать гидрофобную группу (рис. 3).
Синтетические моющие вещества принадлежат к категории веществ, изученных Лэнгмюром, — их мо лекулы дифильны. Гидрофильность синтетических моющих веществ обусловлена присутствием у анион-
активных веществ групп — СООН, — ЭОзЫа; |
у |
ка- |
|
тионактивных — групп, содержащих |
азот, |
и |
у |
неионногенных — полиэтиленгликолевых |
остатков — |
||
СН2- 0 - С Н 2- 0 Н .
Синтетические моющие соединения состоят из
крупных молекул |
(молекулярная масса |
достигает |
|
3 000). Следовательно, |
молекула моющего |
вещества |
|
приблизительно в |
150 |
раз тяжелее молекулы воды. |
|
Длина углеводородой |
|
О |
|
цепи составляет около 30 А, |
|||
чем она длиннее, тем лучше выражено моющее дей ствие препарата. Такие асимметрично построенные молекулы очень легко накапливаются на любой по верхности раздела.
Все пограничные поверхности |
(например, вода — |
||||
— воздух, вода — масло, |
уголь — вода |
и |
т. д.) |
||
замечательны тем, что |
они стремятся |
притянуть |
|||
к себе |
посторонние молекулы |
и прочно |
удер |
||
жать их. |
Легко понять это, если вспомнить, |
что по |
|||
верхность любого тела обладает неизрасходованным запасом свободной энергии. Как он возникает? Допус тим, что стекло граничит с воздухом. Молекулы в
стекле |
притягиваются друг к |
|
|
|
||
другу с силой, значительно боль |
В |
О |
||||
шей (во много десятков раз), чем |
||||||
молекулы воздуха. На границе |
|
|||||
. стекла |
и воздуха оказывается |
Рис. |
||||
слой молекул, силы притяжения |
3. Строение |
|||||
дифильной |
моле |
|||||
которых не израсходованы. Это |
кулы |
поверхност |
||||
и создает |
избыток |
свободной |
ноактивного |
ве |
||
энергии |
на |
границе |
стекло — |
|
щества. |
|
воздух. Он может быть истрачен на взаимодействие с поверхно стно-активными молекулами. Такой процесс называется ад сорбцией. Молекулы накапли ваются на поверхности раздела, выделяя теплоту (теплота ад сорбции) . Выделение теплоты отличает адсорбцию от простого впитывания вещества.
Адсорбция — процесс, чрез вычайно распространенный в природе. Твердые и жидкие тела притягивают на свою поверхность посто ронние молекулы и прочно удерживают их. Поэтому тела, находящиеся в соприкосновении с воздухом, ни когда не бывают вполне свободными — они покрыты очень тонкой (несколько ангстрем) пленкой адсорби рованного воздуха. При этом адсорбция происходит не на всей поверхности твердого тела. Исследования показали, что на твердых телах имеется только неко торое количество активных точек, способных принять и удержать посторонние молекулы. После того как все активные точки заняты, адсорбция прекращается. Часто она заканчивается тогда, когда каждая актив ная точка удерживает одну молекулу поверхностно активного вещества. Иногда этот адсорбционный слой состоит из нескольких рядов адсорбированных мо лекул.
Особенность поверхностей жидкостей заключает ся в том, что у них все точки одинаково активны к адсорбции. Поэтому, если в воде растворено поверх ностно-активное вещество, то при достаточно боль шой концентрации его вся поверхность жидкости будет занята тонкой пленкой адсорбированных моле-
32
кул. Поверхностно-активные молекулы располагают ся на границе раздела в определенном порядке: гид рофильная группа направлена к воде, а гидрофоб ная— к воздуху (рис. 4). Такую ориентацию моле кул Лэнгмюр назвал «частоколом», так как располо жение гидрофобных частей адсорбированных моле кул напоминает забор, сделанный из кольев. «Частокол» из поверхностно-активных молекул мою щего вещества получается только при достаточно большой концентрации вещества в растворе. Слой адсорбированных молекул составляет стомиллионную долю сантиметра. Свойства тел, покрытых адсорбци онными слоями, резко изменя ются: гидрофобные поверхности становятся более гидрофильны ми, лучше смачиваются водой.
На рисунке 5 показано, какгид-
о о о о о о о о о о о б о
Рис. 4. Ориентация поверхностно-ак |
Рис. 5. Гидрофилиза- |
тивных молекул на поверхности во |
ция настицы сажи |
ды («частокол»). |
поверхностно-актив |
|
ным веществом. |
рофобная частица сажи в воде гидрофилизируется поверхностно-активным веществом.
Присутствие синтетических моющих веществ в воде значительно улучшает смачивание гидрофобных поверхностей. Это свойство используют в процессах мойки загрязненных предметов и стирки тканей. Смачивающая способность моющих веществ известна не только в отношении процессов стирки и мытья.
2 М. А. Лунина |
33 |
Большую группу моющих веществ используют как смачиватели. Их основное назначение —создать связь между водной средой и гидрофобными поверхностями (загрязненная ткань, металл, покрытый жировой пленкой, частицы пыли, покрытые пленкой адсорби рованного воздуха). Смачиватели гидрофилизируют гидрофобные поверхности, образуя на них адсорбци онные слои ориентированных молекул и вытесняя молекулы загрязнения.
Исследования строения смачивателей показали, что наиболее активны соединения с разветвленным углеводородным радикалом. По-видимому, такая мо лекулярная структура смачивателей обусловливает их наибольшую поверхностную активность.
Активные смачиватели анионактивного типа: Аэрозоль-ОТ
С2На—С6Н12ООС—СН2
'/СНвО^а
С2Н5- С 6Н12ООС/
Тергитоль-4
СН
3^>сн—сн2
с н |
\ |
|
^>СН—ОБОдШ |
с 2н 5Ч |
/ |
\ | — |
— |
>СН—СН„ |
|
•С4Н9 |
|
Смачивателями |
являются многие другие анион- |
активные и неионогенные вещества.
Некоторые смачиватели используют в промыш ленности для пылеулавливания. В виде пылей хими-
ческие предприятия теряют значительные количе |
|
ства ценных продуктов. Например, на заводах цвет |
|
ной металлургии при окислительном обжиге и агло |
|
мерации свинцовых руд в пыль переходит 6—8% |
|
всего свинца, находящегося в производстве. С дымом |
|
медеплавильных предприятий |
при переработке |
1000 т руды в атмосферу уходят следующие коли |
|
чества различных веществ: |
х |
|
Унос (в кг) |
сернистого м ы ш ь я к а ............................... |
2690 |
железа и алю м ин ия....................................... |
810 |
ц и н к а ................................. |
278 |
свинца ............................................................ |
217 |
сернистой су р ьм ы ........................................... |
190 |
м е д и ................................................................. |
190 |
в и см у та ............................................................... |
40 |
марганца .............................................................. |
8 |
Многие вещества, которые мы привыкли считать совершенно безопасными, — сахар, растительное мас ло, уголь — при переходе в состояние тончайших частиц, взвешенных в воздухе, приобретают новые свойства — они становятся взрывоопасными. Извест но, к каким тяжелым последствиям приводят взры вы угольной пыли в шахтах. Нередки случаи взрыва сахарной пыли в цехах распилки и расфасовки саха ра, взрывы быстро окисляющейся масляной пыли и т. д.
Пыли токсичны и приносят значительный вред здоровью работающих. Пыль кремнезема, образую щаяся при бурении горных пород в шахтах, может быть причиной тяжелого заболевания легких — сили коза. Дым окиси цинка также вызывает легочные за-
2' |
35 |
болевания. Свин цовые пыли, попа дая в организм че ловека, приводят к тяжелым пораже ниям нервной сис темы, сосудов и крови.
На предприя тиях цветной ме таллургии при вы сокой запылен ности воздуха кон
центрация пыли даже после прохождения через электрофильтры все еще велика. Например, на заво дах, изготовляющих свинцовые аккумуляторы, в воз духе, отсасываемом от рабочих мест, содержится до 5г/лг3 окислов свинца.
Эффективно мокрое улавливание пыли с примене нием растворов неионогенных моющих веществ. За пыленный воздух продувают через мокрые камеры, где непрерывно разбрызгивается смачиватель. Гидро фобные частицы пыли задерживаются раствором. Молекулы смачивателя окружают частицы пыли, удерживаясь на ее поверхности. Частицы пыли, при крытые слоем адсорбированных молекул, становят ся гидрофильными и образуют в растворе суспен зию.
В Советском Союзе специально для борьбы с угольной и силикатной пылью в 1947 г. К. Г. Мизучем и его сотрудниками был синтезирован наиболее эффективный пылеулавливающий препарат «Смачи- ватель-ДБ»:
36
СН3
I
н,с-—с—-сн.
сн, сн с
Н3С—с —с<( ^^>С0 (СН2- С Н 2—0)6Н
снI . 4 сн с
I
н,с—с—сн.
СН3
П. И. Ермилов для улавливания очень ядовитой пыли окиси свинца успешно применил близкий по составу препарат «Смачиватель-ТБ»:
СН,
I
снз—С—сн3
сн3 СН С
сн3—с—с / СО (СН2—СН2—О)10Н
снI , 4 сн с снз—С—сн3
СН3
Смачиватели находят применение также в ряде операций текстильного производства (см. гл. V).
Синтетические моющие вещества, отличаясь вы
сокой поверхностной активностью, имеют |
еще одно |
замечательное свойство — адсорбционные |
слои их |
Л/а +
Рис. 6. Сферические мицеллы синтетического мо ющего вещества в водном растворе.
молекул, образовавшиеся на поверхности какого-ли бо тела, обладают повышенной прочностью. Это про исходит потому, что в растворе при достаточно боль шой концентрации (выше некоторой критической) молекулы моющих веществ объединяются в агрега ты, состоящие из многих молекул — так называемые мицеллы (число молекул в одной мицелле —- от 40 до
10 0 ).
Строение и форма мицелл различны в зависимос ти от условий. В разбавленных растворах моющих веществ мицеллы представляют собой крупные сфе рические агрегаты, в которых дифильные молекулы ориентированы так, что гидрофобные углеводородные радикалы объединяются вместе, образуя ядро, а гид рофильные группы обращены во внешнюю среду (рис. 6). Наружные гидрофильные группы в водной
38
