5.12. Поверхностно-активные вещества

Вещества, добавление которых ведет к снижению поверхност­ного натяжения а на границе раздела фаз, называют поверхност­но-активными (ПАВ), а повышающие и не изменяющие а — по­верхностно-неактивными или поверхностно-инактивными.

В зависимости от механизма действия на растворы ПАВ ра­зделяются на четыре группы. К первой принадлежат вещества, проявляющие поверхностную активность на фазовой границе жидкость — газ и прежде всего па границе вода — воздух. К ним относятся низкомолекулярные истинно растворимые в воде вещества, например низшие члены гомологических рядов спиртов, кислот и т. д. Ко второй группе принадлежат вещества, которые являются поверхностно-активными на границе раздела двух иесмешивающихся жидкостей или жидкости и твердого тела (их называют диспергаторами). К третьей группе отно­сятся ПАВ, способные образовать в адсорбционном слое и в растворе гелеобразную структуру. Они предотвращают коа­гуляцию частиц, стабилизируя тем самым дисперсионную фа­зу. Поэтому их называют стабилизаторами. К числу подобных ПАВ относятся гликозиды, полисахариды, высокомолекуляр­ные соединения типа белков. К четвертой групе ПАВ относятся моющие вещества. Они обладают всеми свойствами, характер­ными для трех предшествующих групп, т. е. способностью си­льно понижать поверхностное натяжение, проявлять смачива­ющее, гидрофилизирующее действие, быть не только дисперга-тором, но и стабилизатором эмульсии и суспензии.

Способность ПАВ концентрироваться на фазовой границе обусловливается их строением.

Схема молекулы поверхностно-активного вещества изобра­жена на рис. 5.27. Молекулы ПАВ состоят из длинных це

почек углеродных атомов, оканчивающихся с одной сторо­ны кислотной группой СООН или другой группой, способной взаимодействовать с молекулами растворителя, а с другой — ато-' мом углерода, связанным с тремя атомами водорода СНз. Если в таких молекулах кислотную группу заменить группой СНз, стоящей в левой части цепочки, то образуются предельные (насыщенные) углеводороды, называемые также парафинами ввиду их малой активности, которые в воде не растворимы.

Простейшую углеводородную цепь можно изобразить следую­щим образом:

ннннннннн

I I I I I I I I !

Н—С—С—С—С—С—С—С—С—С—С — ...

I I I I I I I I I

ннннннннн

Молекулы, имеющие длинную углеводородную цепь, могут прицепляться к жиру или воску, которые имеют аналогичную цепную структуру и притягивают такие же цепи. Если один из концов углеводородной цепи обладает сродством к воде, например имеет атом натрия или любую другую группу, отделяющуюся в воде и освобождающую электрический заряд, то молекулы воды, несущие на своих концах заряды разноименных знаков («+» и «—»), будут скапливаться вокруг соответствующих зарядов. Та­кой структурой обладают, в частности, молекулы обычного мыла (синтетического стирального порошка и других веществ):

Н Н Н Н Н Н Н И II ИНН

! ! I 1 I I I I I Т I I

Н—С—С— С—С— С—С—С— С— С— С—С— С—О- . . .Na+

II ННННННННННН

В воде от молекул этих веществ отделяется атом натрия в виде иона Na+. В результате остальная часть молекулы пре­вращается в длинный отрицательный ион, который взаимодейст­вует с полярной молекулой воды. Если углеводородная цепь невелика, то молекула хорошо растворяется в воде, если же велика, то практически совсем не растворяется. Поэтому моле­кулы с длинной углеводородной цепью, добавленные к воде, собираются в поверхностном слое и располагаются упорядочен­ий в виде частокола (рис. 5.28, а). При этом погруженной в воду оказывается кислотная группа СООН, а углеводородная цепь остается «торчащей» из воды.

На рис. 5.28,6 показаны ориентации жирных кислот и их солей на границе раздела вода—масло. Видно, что карбоксильные группы втягиваются в воду, а углеводородные цепи распола­гаются вертикально к поверхности.

Для металлов поверхностно-активными веществами, концен­трирующими на поверхности расплава, являются обычно более легкоплавкие примеси. Существуют вещества (например, сахар, различные соли), которые при растворении в воде увеличивают ее поверхностное натяжение. В способности растворенных в воде веществ увеличивать или уменьшать ее поверхностное натяжение можно убедиться на следующем-опыте.

На гладкую поверхность воды площадью S_u насыплем небольшое ко­личество какого-либо не тонущего в ней мелкого порошка (тальк, споры ликоподия, мелкую крошку пробки). Если затем в центр поверхности на­лить немного раствора сахара в воде, то частицы порошка, следуя за дви­жением поверхности воды, будут стремительно двигаться от краев к сере­дине (рис. 5.29,а). Если в аналогичном опыте вместо сахара использовать эфир или мыло, то частички порошка, наоборот, будут разбегаться от цент­ра к краям (рис. 5.29,6). Этим явлениям можно дать следующее объясне­ние.

Выделим мысленно на поверхности S_n некоторую часть AS_n (рис. 5.29), ограниченную замкнутым контуром. На каждую единицу длины этого кон­тура (по нормали к нему) действуют силы поверхностного натяжения: с", направленные наружу, и а' — внутрь. Первые стремятся растянуть по­верхность AS_n, вторые — уменьшить ее. Для однородной жидкости о' = = а". Находясь в равновесии, эти силы не могут вызвать никакого движения на поверхности жидкости. Картина существенно изменится, если на по­верхность AS_n палить небольшое количество эфира или мыльного раство­ра, поверхностное натяжение которых меньше, чем воды. Эти вещества уменьшат поверхностное натяжение последней, и а' станет меньше о". Это приведет к растяжению поверхности AS_U, в результате чего частички по­рошка будут быстро двигаться от центра. Если в аналогичном опыте па поверхность AS„ палить небольшое количество раствора сахара, то а' уве­личится и частички порошка на поверхности воды будут смещаться к цент­ру, что и наблюдается в опыте.

Адсорбционные явления широко используют на практике, в частности для уменьшения испарения воды с поверхностей водоемов в засушливых районах, при флотации и др.

Существующие различия в гидрофилыгости многих минералов исполь­зуют для обогащения руд. В этом процессе, называемом флотацией, вод­ную суспензию измельченной руды обрабатывают определенными поверх­ностно-активными веществами, снижающими смачивающую способность минералов. На практике применяют специальные вещества — флотореаген-ты: вспениватели. епбипятели и пегуляторы. Вспенивателями обычно слу-

жат масла, получаемые при сухой перегонке древесины или каменного уг­ля. Молекулы собирателей обычно являются дифильными, с тем чтобы полярные части ориентировались в направлении к поверхности минерала, а неиоляриые — в сторону жидкости. В качестве регуляторов чаще всего применяют соли тяжелых металлов. Механизм действия флотационных процессов, играющих важную роль в технике обогащения руд и в отделе­нии различных металлов друг от друга, сводится к следующему.

Если, например, в раствор соды в воде опустить два стеклянных ша­рика, один из которых предварительно смазать жиром, а второй — мылом, и затем вдуть в сосуд с раствором воздух, то образовавшиеся пузырьки воздуха будут прилипать к жиру и шарик, смазанный жиром, всплывет на поверхность. На слое мыла пузырьки воздуха не оседают, и второй шарик остается лежать на дне. Аналогичные явления возникают и при флотацион­ном процессе. Тонко измельченную руду, состоящую частью из ценных ме­таллов и соединений металлов с другими элементами и каменных пород, загружают в чан с водой. Туда добавляют небольшое количество специаль­ного масла, нерастворимого в воде, которое хорошо смачивает полезные металлы и не смачивает каменные породы. При взбалтывании смеси части­цы металлов обволакиваются пленкой масла. Через суспензию, состоящую из руды, воды и масла, вдувается воздух. Частицы ценных маталлов при­липают к образовавшимся пузырькам воздуха и поднимаются на поверх­ность водной суспензии (пульпы). Частицы же каменных пород не прили­пают к пузырькам воздуха и падают на дно. В результате происходит от­деление цепной породы от пустой. После того как смесь устоится, полез­ные металлы снимают с поверхности и направляют в дальнейшую обра­ботку для получения так называемого концентрата, в котором содержание пустой породы уменьшено в десятки раз.

С помощью пенной флотации, применяемой для разделения свинца, цинка, серебра, ежегодно разделяют миллионы тонн руды. Существуют ве­щества, которые способны отделять в смешанных рудах один металл от другого. В последнее время пенная флотация нашла много новых приме­нений, в частности для отделения грибка спорыньи от спелого зерна, сор­тировки гороха, для консервирования, улавливания потерянных частичек каучука и др.

' Одной из самых актуальных проблем сегодняшнего дня является про­блема загрязнения вод суши и Мирового океана. Естественные поверхност­но-активные вещества, адсорбирующиеся на поверхности жидкости, служат центрами концентрации органических веществ — главного источника пи­тания низших морских организмов (бактерий, водорослей и др.). Органи­ческие загрязнения и прежде всего нефть и продукты се переработки явля­ются также поверхностно-активными веществами. Они адсорбируются на поверхности воды и на взвешенных частицах, в' том числе на мельчайших организмах планктона и нейстона, представляющих собой ценные пита­тельные продукты многих морских животных. В результате адсорбция ес­тественных поверхностно-активных веществ, выносящих на поверхность моря органические вещества, резко снижается или даже полностью прекра­щается. Поэтому при загрязнениях состав жизненной среды морей и океа­нов изменяется в худшую сторону, нарушаются естественные физико-хи­мические процессы, которым обязано своим существованием множество приповерхностных обитателей морей. В связи с этим борьба за чистоту поверхности морей и океанов имеет особо важное значение.