Речовини, що при розчиненні навіть у дуже малих концентраціях здатні різко знижувати поверхневий натяг розчинника, називають поверхнево-активними речовинами (ПАР), а їх властивість знижувати поверхневий натяг – поверхневою активністю.
Утворення найтоншого насиченого адсорбційного шару ПАР товщиною в одну молекулу (мономолекулярного шару) може викликати різкі зміни інтенсивності молекулярної взаємодії дотичних тіл і швидкості обміну речовин між цими тілами (рис. 4.1).
Рис. 4.1. Адсорбційний шар: а – ненасичений; б – насичений |
ПАР– органічні сполуки, у молекули яких входять одночасно полярна група (наприклад ОН, СООН, NН2) і неполярний вуглеводний ланцюг (рис. 4.2).
Найбільш часто зустрічаються у складі ПАР наступні функціональні групи: (–ОН) – гідроксильна;
(–NO2) – нітрогрупа; (–SO3H) – сульфогрупа
Рис.4.2. Схема молекули поверхнево-активної речовини
Символ зображення ПАР
кружок позначає полярну групу; риска – неполярний радикал.
Усі галогени (–Сl, –Вr, –F, –I), кисень (–О–), азот , сірка
(–S–), а також метали (–Ме) можуть виконувати роль функціональних груп у складі ПАР. Від того, яка із функціональних груп приєднана до вуглеводного радикала, залежать хімічні, фізичні і інші властивості ПАР.
Якщо до аліфатичного радикала С10Н2n+1 приєднати (–ОН) – групу утворюється спирт СnH2n+1OH, якщо ж приєднати карбоксильну групу, утворюється карбонова кислота СnH2n+1СОOH. Приєднання аміногрупи дає аліфатичний амін СnH2n+1NH2 і т. ін.
За кількістю функціональних груп у молекулі ПАР можуть бути одно-, дво- і багатоосновні: RCOOH – одноосновна карбонова кислота;
НООСRCOOH – двоосновна карбонова кислота; NH2RNH2 – двоосновний амін.
При зміні в молекулі ПАР функціональних груп змінюється клас сполуки.
Наприклад, якщо в молекулу карбонової кислоти вводиться –ОН, =СО або – NH2 група, то утворюються відповідно окси-, кето- і амінокислоти.
Поверхнево-активні властивості утворюваних таким чином сполук залежать від властивостей і хімічної структури радикалів і функціональних груп. Радикалами можуть служити не тільки насичені аліфатичні вуглеводні сполуки з відкритим ланцюгом атомів типу СnНn , СnН2n - 2 , СnН2n - 4 і ін., а також циклічні сполуки з зімкнутим (кільцевим) ланцюгом атомів.
Відомі ПАР, до складу яких входять аліфатичні і циклічні радикали і декілька функціональних груп. Часто зустрічаються ПАР, що називаються аліфатичними (аліфатичний радикал) або алкіл ароматичними (радикал складається з бензольного циклу з побічним аліфатичним ланцюгом), наприклад:
1. С17Н35–СООН – жирна (стеаринова) кислота з аліфатичним радикалом С17Н35 (функціональна група СООН);
2. С18Н37–NH2 – жирний амін (октадециламін) з аліфатичним радикалом С18Н37 (функціональна група NH2);
3.
|
4)
| |||
5)
Сполуки, у яких аліфатичний радикал утримує менше 10 атомів вуглеводню, як правило, не мають поверхневої активності (спроможності адсорбуватися і знижувати поверхневий натяг рідин або поверхневу енергію твердих тіл). При утриманні у радикалі більше 10 атомів вуглеводню вони, звичайно, поверхнево-активні і називаються вищими жирними поверхнево-активними речовинами (вищі жирні кислоти, вищі жирні спирти, вищі жирні аміни і ін.).
Слід відмітити, що активність ПАР підвищується при подовженні аліфатичного ланцюга:
а також при заміні водню функціональної групи алкільними групами (особливо, метильними).
Від типу функціональної групи і структури радикала залежить розчинність ПАР в різних розчинниках і спроможність дисоціювати на іони. ПАР, у яких функціональні групи несуть позитивний заряд, активні у кислому середовищі і неактивні у лужному, тоді як ПАР з негативно зарядженими функціональними групами, навпаки, активні у лужному і не активні у кислому середовищі. Активність щільно пов’язана з омиленням (створенням солей) ПАР і іонів.
Наприклад, жирні кислоти у лужному середовищі реагують з лугом з утворенням мил:
Аміни у кислому середовищі омиляються кислотами:
У воді ці і подібні їм солі нерідко дисоціюють з утворенням відповідних аніонів або катіонів
RCOONa → RCOO– + Na+
RNH3Cl → RNH+3 + Cl–
Оскільки ПАР у сольовій формі більш активні, ніж у вихідній, у техніці вони застосовуються саме у формі солей.
Поверхнево-активними речовинами щодо води є багато органічних сполук, а саме: жирні кислоти з досить великим вуглеводним радикалом; солі цих жирних кислот (мила); сульфокислоти і їх солі, спирти, аміни. Характерною рисою будови молекул більшості ПАР є їх дифільність – будова молекули з 2-х частин – полярної групи і неполярного вуглеводного радикала (рис. 4.2), що має значний дипольний момент і здатна до гідратації. Полярна група обумовлює спорідненість ПАР з водою. Гідрофобний вуглеводний радикал є причиною зниженої розчинності цих сполук у воді.
|
|
| Рис. 4.3.Орієнтація поверхнево – активних молекул в адсорбційному шарі: а – на твердій поверхні; б – на поверхні розподілу неполярної рідини з полярною; 1 – тверде тіло; 2 – повітря або рідина; 3 – полярна рідина; 4 – неполярна рідина |
В тому випадку, коли поверхня була вуглеводною, наприклад, поверхня бітуму, невелика добавка ПАР – жирної кислоти (С17Н33СООН) або жирного аміну (С17Н35NН2) може самовільно змінити її на полярну, завдяки полярним групам СООН або NН2 (рис. 4.3, б), що концентруються у верхньому шарі бітуму.
При цьому концентрація ПАР у поверхневому адсорбційному шарі може у десятки тисяч разів перевищувати концентрацію його в об’ємі навколишнього середовища (наприклад, у розчині).
Адсорбційний шар ПАР забезпечує ніби перехід між двома фазами, які межують і які протилежні за молекулярною природою. Завдяки цьому шару забезпечується тісний зв’язок між контактними тілами (адгезія).