Т емпературная зависимость растворимости пав в области точки Крафта

Т

Рис. 4

очка Крафта определяется соотношением энергий ПАВ в твердом кристаллическом состоянии и в мицеллярных растворах. Энергия мицеллярных растворов слабо изменяется в различных случаях, например в зависимости от природы противоиона, в то время как из-за параметров упаковки энергия кристаллического состояния может изменяться очень резко. Чтобы понять явление Крафта, необходимо разобраться в эффектах упаковки и электростатических взаимодействиях ионов в твердом теле.

Если растворимость ПАВ очень низка, то оно не будет иметь практического значения. Поскольку длинноцепочечные ПАВ обычно более эффективны, то при молекулярном дизайне поверхностно-активных веществ следует соблюдать тонкий баланс. Снизить точку Крафта обычно удается, варьируя состояние твердого ПАВ. Наряду с изменением противоиона, что не всегда возможно, следует иметь в виду особенности пространственной упаковки гидрофобных цепей. Разработка ПАВ с пониженными точками Крафта обычно основана на уменьшении выгодности упаковки цепей в твердом состоянии. Для этого используют следующие приемы:

1) введение метальных групп или других заместителей для разветвления цепей;

2) ведение двойных связей в алкильные цепи;

3) введение полярных сегментов между алкильной цепью и ионной группой.

Эти же общие принципы используют при производстве ПАВ, совместимых с жесткой водой. Контроль «плавления» цепей также очень важен для биологических систем, в частности для биомембран, и достигается регулированием ненасыщенности углеводородных цепей.

Устойчивость растворов коллоидных ПАВ

Все мицеллы окружены сальватными оболочками. Это предохраняет мицеллы от слипания , т.е. обеспечивает их агрегативную устойчивость без стабилизатора. Если молекулы ПАВ содержат ионогенные группы, то в воде благодаря их диссоциации на поверхности мицелл возникает двойной электрический слой, который повышает устойчивость системы благодаря расклинивающему давлению.

Солюбилизация

Одним из наиболее характерных свойств мицеллярных или коллоидных растворов ПАВ можно считать их способность растворять нерастворимые в воде вещества. Такое свойство по предложению Мак-Бена получило название «солюбилизация». Поскольку солюбилизация может проявляться не только в водных, но и в неводных растворах, то по определению Мак-Бена, данному им в 1948 г., солюбилизация – это растворение под действием ПАВ нерастворимых в данной жидкости веществ. Процесс солюбилизации можно рассматривать как распределение труднорастворимого вещества между истинным раствором и мицеллами ПАВ. Очевидно, что абсолютно нерастворимые вещества не будут и солюбилизироваться, так как их переход от частиц или капель в мицеллы должен происходить через молекулярный раствор.

Для водных растворов характерна солюбилизация маслоподобных гидрофобных веществ – углеводородов, дисперсных красителей и др. веществ, которые хорошо растворяются в углеводородных жидкостях и трудно растворяются в воде. Для растворов ПАВ в неполярных растворителях характерна солюбилизация воды и водных растворов различных веществ.

Подобные коллоидные растворы аналогичны высокодисперсным эмульсиям прямого (м/в – «масло в воде») и обратного (в/м – «вода в масле») типов. Однако, в отличие от эмульсий, которые представляют собой грубодисперсные системы с четко выраженной поверхностью раздела фаз, обладают избыточной поверхностной свободной энергией и требуют для своего получения затраты работы, коллоидные растворы ПАВ с солюбилизированным веществом обладают термодинамической устойчивостью, хотя и являются двухфазными системами.

Следует отметить, что такие системы представляют собой классический пример лиофильных коллоидных систем, которые образуются самопроизвольно, избыток свободной поверхностной энергии в которых столь мал, что поверхность раздела фаз не выражена четко и некоторый рост при образовании мицелл компенсируется изменением энтропии системы.

Практические аспекты применения явления солюбилизации необычайно широки. Здесь можно отметить, что в текстильной промышленности это, прежде всего, повышение растворимости дисперсных и кубовых красителей в воде, что необходимо для качественного осуществления процесса колорирования с применением таких красителей. Особенно важно явление солюбилизации в фармакологии, когда ряд лекарственных веществ переводят именно в солюбилизированное состояние.

В 1946 г. А.И. Юрженко установил, что процесс эмульсионной полимеризации в технологии производства полимерных материалов зарождается и протекает именно в мицеллах ПАВ с последующим образованием дисперсии полимера-латекса. Углеводород – мономер - солюбилизируется, и затем уже внутри мицелл протекает процесс полимеризации. Образовавшаяся частичка полимера стабилизируется молекулами или ионами ПАВ и образуется устойчивый латекс синтетического полимера. Такое применение солюбилизации является наиболее широким.

Солюбилизация водонерастворимых веществ происходит и в организме человека и многих животных, что обеспечивает транспорт таких веществ по кровеносной системе между различными частями организма.

Рис.5. Изотерма солюбилизации красителя оранжевого-ОТ растворами неионогенных ПАВ:

1 – С₁₁H₂₃(OC₂H₄)₇OH;

2 – C₁₄H₂₉(OC₂H₄)₆OH;

3 – C₁₀H₂₁(OC₂H₄)₅OH

Изотермы солюбилизации чаще всего имеют вид, приведенный на рис 5. Это - кривая, не проходящая через начало координат, так как солюбилизация возможна только после образования мицелл. Солюбилизацию выражают либо по аналогии с растворимостью как количество вещества в единице объема раствора ПАВ, т.е. моль/л, либо относят к одному молю мицеллярного ПАВ (тогда говорят о молярной солюбилизации, её размерность будет моль солюбилизата/моль ПАВ). Последнее выражение солюбилизации позволяет проследить за мицеллярными переходами, так как солюбилизационная емкость меняется при трансформации формы мицелл, например, от сферической к сфероцилиндру и затем к пластинчатым (ламеллярным) мицеллам.

Для описания изотермы солюбилизации Волков предложил уравнение

S = (n / m) (с-с_крит), (2.6.58)

где S- солюбилизация, выраженная, моль/л; n- средняя солюбилизационная емкость мицелл (число солюбилизированных молекул в одной мицелле); m- число агрегации мицелл (среднее число молекул ПАВ в мицелле).

При n/m = const изотерма принимает линейный вид. Если n/m ¹const, то изотерма солюбилизации отклоняется от линейности.

Молярная солюбилизация изменяется скачкообразно при переходе от одной формы мицелл к другой. Типичная зависимость молярной солюбилизации от концентрации раствора ПАВ приведена на рис. 6.

Рис.6. Изотерма молярной солюбилизации (схема)

Отметим, что солюбилизация начинает проявляться только после того, как в растворе ПАВ образуются первые мицеллы. После этого в определенной, подчас узкой, области концентраций молярная солюбилизация растет вследствие того, что в этой области концентраций увеличивается как число мицелл, так и их размер. После завершения формирования сферических мицелл (точка А) молярная солюбилизация остается постоянной вплоть до той концентрации, когда при второй критической концентрации мицеллообразования с_крит2сферические мицеллы не начнут перестраиваться в сфероцилиндрические, у которых солюбилизационная емкость выше, чем у сферических мицелл.

После завершения образования таких мицелл (точка В) их солюбилизационная емкость также остается постоянной в некоторой области концентраций до тех пор, пока эти мицеллы не начнут перестраиваться в ламеллярные при третьей критической концентрации мицеллообразования. В слоистых мицеллах нет предела солюбилизации, так как солюбилизированное вещество располагается между слоями ПАВ в области их углеводородных радикалов, где может располагаться неограниченное количество солюбилизата. Таким образом, измерение солюбилизации и выражение в молярных единицах позволяет определять как первую критическую концентрацию мицеллообразования, так и 2-ю и 3-ю ККМ, характеризующие переход от одной формы мицелл к другой.

Величина солюбилизации зависит от химической природы ПАВ - длины углеводородного радикала, замещения атомов водорода в углеводородной цепи другими атомами и группами атомов, характера углеводородного радикала (линейный, разветвленный, содержащий бензольный или нафталиновый циклы и т.д.), природы, положения и числа гидрофильных групп. В первую очередь эти факторы оказывают влияние на размер мицелл - их числа агрегации, объем внутренней углеводородной части или периферийной полярной области мицелл. Чем больший внутренний объем имеет мицелла, тем больше способность данного ПАВ к солюбилизации гидрофобных веществ. Обычно соединения с разветвленной углеводородной цепью обладают значительно большей солюбилизирующей способностью, чем алифатические соединения с эквивалентной длиной цепи.

Введением в растворы ПАВ различных добавок, способных изменить размер мицелл, например, солей (электролитов), низших и высших спиртов и т.д., можно регулировать солюбилизирующую способность. Введением низших спиртов можно произвести даже инверсию фаз, аналогично тому, как это происходит в эмульсиях. За этим превращением можно наблюдать, измеряя, например, электрическую проводимость растворов ионогенных ПАВ.

Повышение температуры обычно способствует солюбилизации, хотя известны случаи более сложного влияния температуры на солюбилизацию, особенно в растворах неионогенных ПАВ.