15.2 Поверхнево-активні речовини

Поверхня розділу фаз у гетерогенних системах має надлишок поверхневої енергії за рахунок неврівноважених міжмолекулярних зв’язків. Це дозволяє адсорбуватися (накопичуватися) на межі поділу фаз поверхнево-активним речовинам (ПАР), поверхневий натяг на межі поділу при цьому знижується. Молекули ПАР мають дифільну будову і складаються з неполярного вуглеводневого радикалу і полярної гідрофільної функціональної групи. Вони поділяються на три групи.

Аніоноактивні ПАР, які дисоціюють у воді з утворенням поверхнево-активного аніону. До ПАР цього типу відносяться вищі карбонові кислоти та їх солі (мила) загальної формули R­--СООМе, алкілсульфати – R­--OSО₂ОМе, де R – аліфатичний вуглеводневий радикал, а Ме – лужний метал, та інші.

Катіоноактивні ПАР – сполуки, які дисоціюють у воді з утворенням поверхнево-активного катіону. До катіоноактивних ПАР відносять солі первинних, вторинних та третинних аліфатичних амінів: R₃

І

[R₁–NH₃]Сl [R₁–NH₂]Сl [R₁–NH]Сl,

І І

R₂ R₂

де R₁, R₂, R₃ – вуглеводневі радикали.

Амфолітні ПАР – сполуки, які містять дві функціональні групи, одна з яких носить кислотний, а інша основний характер. До амфолітних ПАР відносять амінокислоти, які містять карбоксильну та амонійну групи. Залежно від рН середовища амінокислоти можуть виявляти властивості як аніоноактивних, так і катіоноактивних ПАР:

+Н⁺ +ОН^–

NH(CH₂)_nCOO^– ⇄ NH(CH₂)_nCOOH ⇄ ⁺NH₂(CH₂)_nCOOH.

І І І

R R R

Неіоногенні ПАР, які під час розчинення не дисоціюють на іони, а поверхнево-активні властивості виявляє вся молекула ПАР. Молекули таких ПАР одержують шляхом приєднання молекул оксиду етилену – до спиртів, карбонових кислот, амінів. Наприклад, оксиетиловані аліфатичні спирти утворюються за такої реакції:

R–ОН + n(СН₂–СН₂)О = R–О(ОСН₂–СН₂)_nН,

де n – число оксиетиленових груп у молекулі ПАР.

Для визначення поверхневого натягу розчинів ПАР користуються емпіричним рівнянням Шишковського:

, (15.1)

де  і ₀ – поверхневий натяг розчину і розчинника відповідно;С– концентрація розчину ПАР;аіб – емпіричні коефіцієнти (значення «а»є однаковим для всього гомологічного ряду ПАР, а «б»має певне значення для кожного члена цього гомологічного ряду).

Графічна залежність поверхневого натягу розчинів ПАР від концентрації приведена на рис.15.3. Зменшення поверхневого натягу розчину залежно від концентрації в ньому ПАР –/С є міроюповерхневої активності ПАР.

Для визначення поверхневої активності речовини проводять дотичну до кривої "–С"і розраховують тангенс кута нахилу:tg =/С.

Поверхнева активність ПАР залежить від будови їх молекул. У свій часДюкло і Траубевстановили, що в гомологічному ряду органічних кислот і спиртів подовження вуглеводневого радикалу на кожну групуСН₂призводить до збільшення їх поверхневої активності в 3,0…3,5 рази .

Рисунок 15.3 – Ізотерми поверхневого натягу розчинів кислот: 1 – оцтової; 2 – пропіонової; 3 – масляної; 4 – валер’янової; 5 – капронової