Коллоидные ПАВ. Мицеллообразование в растворах ПАВ

Коллоидными ПАВ называют поверхностно-активные вещества, способные в растворах образовывать мицеллы, т.е. ассоциаты, состоящие из большого количества молекул ПАВ (от 20 до 100).

Способностью к мицеллообразованию обладают ПАВ с длинной углеводородной цепью, включающей 10 – 20 атомов углерода. Для коллоидных ПАВ характерно оптимальное соотношение между гидрофобной и гидрофильной частями, т.е ГЛБ » 7.

При образовании мицелл в полярном растворителе, например, воде углеводородные цепи молекул ПАВ объединяются в компактное углеводородное ядро, а гидратированные полярные группы, обращенные в сторону водной фазы, образуют гидрофильную оболочку (рис. 54, а).

Мицеллы образуются и в неводных растворах ПАВ. Ориентация молекул ПАВ в неполярных растворителях противоположна, т.е. углеводородный радикал обращен к неполярной жидкости (рис. 54, б).

За счет высокой степени ассоциации молекул ПАВ в мицелле между нею и дисперсионной средой существует граница раздела. В связи с этим мицеллярные растворы ПАВ обнаруживают свойства, присущие коллоидно-дисперсным системам: светорассеяние, повышенную вязкость и т.п. Поэтому растворы коллоидных ПАВ относят к дисперсным системам.

Концентрация ПАВ, при которой в растворе возникают мицеллы, называется критической концентрацией мицеллобразования (ККМ). Изотермы поверхностного натяжения растворов коллоидных ПАВ вместо обычного плавного хода, описываемого уравнением Шишковского, обнаруживают при
с = ККМ излом (рис. 55). При дальнейшем увеличении концентрации выше ККМ значения поверхностного натяжения остаются практически неизменными.

Коллоидные растворы ПАВ несмотря на гетерогенность и очень большую межфазную поверхность
(а = 10^-9 – 10^{-7 м,} S_уд = 10⁷ – 10⁹ м) являются устойчивыми системами. Это объясняется тем, что молекулы ПАВ в мицеллах ориентируются полярными группами к полярной среде (или неполярными группами к неполярной среде), что обусловливает низкое межфазовое поверхностное натяжение. Следовательно, поверхностная энергия таких дисперсных систем очень мала, т.е. это типичные лиофильные золи.

Одним из характерных свойств растворов коллоидных ПАВ, связанных с их мицеллярным строением является солюбилизация – растворение в растворах коллоидных ПАВ веществ, которые в данной жидкости обычно нерастворимы.

Механизм солюбилизации заключается в проникновении неполярных молекул веществ, добавленных в раствор ПАВ в неполярное ядро мицеллы (или наоборот: полярных – в полярное ядро) (рис. 56). При этом углеводородные цепи раздвигаются и объем мицеллы увеличивается. В результате солюбилизации в водных растворах ПАВ растворяются углеводородные жидкости: бензин, керосин, а также жиры, которые нерастворимы в воде.

Другим важным свойством растворов коллоидных ПАВ является их моющее действие. Как правило, частицы загрязняющих веществ гидрофобны и не смачиваются водой. Поэтому даже при высокой температуре моющее действие воды очень мало и для его увеличения добавляют коллоидные ПАВ. При контакте моющего средства с загрязненной поверхностью молекулы ПАВ образуют адсорбционный слой на частицах грязи и очищаемой поверхности. Молекулы ПАВ постепенно проникают между частицами загрязнения и поверхностью, способствуя отрыванию частиц грязи (рис. 57). Загрязняющее вещество попадает внутрь мицеллы и больше не может оседать на отмываемой поверхности.