Александр Артеменко - Удивительный мир органической химии

В последние десятилетия использование мыла для стирки тканей, очистки стеклянных, керамических, деревянных, металлических и полимерных изделий резко сократилось в связи с появлением синтетических моющих средств (СМС), которые называют также детергентами. Эти вещества известны еще с 1907 г. (но с биологическими добавками они появились в 1967 г.).

Основу всех синтетических моющих средств составляют поверхностно-активные вещества (ПАВ), которые, как и мыло, снижают поверхностное натяжение воды. ПАВ — это органические соединения, в молекулах которых содержатся одновременно две противоположные по свойствам группы. Одна из них — полярная (—СООН, —COONa, —SO 3H, —SO 3Na и др.), другая — неполярная (различные углеводородные радикалы С 12—С 18).

Полярные (гидрофильные) группы, как известно, легко растворяются в воде, а неполярные (гидрофобные) отталкиваются от нее. Вот пример одного из таких соединений — алкилсульфата натрия.

Поэтому молекулы ПАВ на пограничной поверхности (на границе вода — воздух, вода — масло, вода — уголь и т. д.) располагаются в определенном порядке: гидрофильные группы направлены в воду, а гидрофобные выталкиваются из нее (см. рис. 24). В результате вся поверхность воды покрыта своеобразным «частоколом» из молекул ПАВ. Такой «частокол» очень тонкий (всего 0,1 нм). Но благодаря ему водная поверхность обладает более низкой энергией, чем поверхность чистой воды. Помните о плавающей швейной игле на поверхности воды? Стальная игла удерживается на водяной пленке и не тонет благодаря поверхностному натяжению. Но стоит осторожно добавить к воде какое-нибудь поверхностно-активное вещество (например, мыльный раствор), как игла сразу же упадет на дно стакана. Следовательно, понижение поверхностного натяжения способствует быстрому и полному смачиванию различных предметов. Поскольку поверхностное натяжение воды сильно затрудняет процесс мытья и стирки, то главная задача всех ПАВ — понизить это натяжение.

Процесс удаления загрязнений с поверхности предмета (например, ткани) происходит, как это показано на рисунке 30. Молекулы ПАВ адсорбируются на поверхности ткани и на загрязняющих ее частицах (жировые пятна, сажа и др.) и проникают в зазоры между ними. Полностью покрытая такими молекулами частица отделяется от поверхности ткани и в виде эмульсии или суспензии уходит в раствор. ПАВ — хорошие пенообразователи и стабилизаторы эмульсии. Пене также принадлежит важная роль: загрязняющие частицы, прилипшие к ее пузырькам, удаляются вместе с ней из моющего раствора.

В настоящее время известно много различных ПАВ, входящих в состав синтетических моющих средств (СМС).

По характеру гидрофильных и гидрофобных групп все ПАВ можно разделить на три класса: анионоактивные, катионоактивные и неионогенные.

Анионоактивные моющие вещества при растворении в воде диссоциируют на длинноцепочечные анионы (они обеспечивают поверхностную активность раствора) и катионы, которые влияют на растворимость этих веществ в воде. К таким соединениям относятся алкилсульфонаты, алкиларилсулъфонаты (сульфонолы) и алкилсульфаты. Эти соединения и процесс их диссоциации можно показать так:

Алкиларилсульфонаты — моющие средства, которые первыми появились в промышленности (их производство началось еще в 1930 г.).

Анионоактивные моющие соединения составляют самую большую по численности группу синтетических моющих веществ. По практической значимости они также стоят на первом месте.

Катионоактивные моющие вещества при растворении в воде также диссоциируют на ионы, но носителем поверхностно-активных свойств является большой катион. В основном это соли высших аминов, соли четырехзамещенного аммония и другие подобные соединения:

R — углеводородный радикал, содержащий 12-18 углеродных атомов, a R 1, R 2, R 3— короткие алифатические радикалы (метил, этил).

Катионоактивные синтетические моющие вещества применяются значительно меньше, чем анионоактивные.

Неионогенные моющие вещества в водных растворах не диссоциируют на ионы, но их поверхностная активность создается самими электронейтральными молекулами, содержащими гидрофильные функциональные группы, например алкилполиэтиленгликоль.

Преимущество неионогенных ПАВ состоит в том, что они не образуют обильной пены и поэтому удобны для применения в стиральных машинах. Эти ПАВ в последние годы заняли видное место в химии и технологии моющих веществ.

Все СМС, в состав которых входят перечисленные выше ПАВ, хорошо моют в жесткой воде, так как образующиеся кальциевые или магниевые соли являются растворимыми.

ПАВ применяют практически везде. Но больше всего их используют в текстильной промышленности для мойки поступающей на фабрики пряжи и шерсти, а также для очистки готовой продукции. ПАВ также необходимы при крашении ткани для равномерного распределения красителя в ее порах.

ПАВ применяют при изготовлении и обработке светочувствительных материалов (фото- и кинопленки, фотобумаги) для достижения равномерного нанесения светочувствительной эмульсии.

Не обходится без ПАВ и строительное дело. Их применяют в качестве добавок в цементы и цементные растворы для улучшения их свойств. В этом случае повышается прочность и долговечность отвердевших бетонов, улучшается их морозостойкость.

При приготовлении эмульсий ядохимикатов для уничтожения сельскохозяйственных вредителей также используют ПАВ. Их вносят в почву для улучшения ее структуры, уменьшения эрозии, лучшего проникновения и сохранения влаги.

Не отстает и фармацевтическая промышленность. Она применяет ПАВ в производстве многих лекарственных препаратов. ПАВ незаменимы при получении разнообразных косметических средств (кремов, мазей, лосьонов, зубных паст и т. д.).

Без ПАВ не могут обойтись даже... пожарные. В противопожарные пены для повышения их устойчивости добавляют катионоактивные ПАВ.