ПОВЕРХНОСТІ
ПОВЕРХНОСТІ
1) Визначення - Конституція:
Поверхнево-активні речовини (також звані поверхнево-активні речовини, англ. Термін сурфактанти) - це речовини, розчинні у воді та мають властивість концентруватися, агрегуватися на межі розділу між водою та іншими речовинами, погано розчиняними у воді, зокрема жирними речовинами.
Ці молекули мають принаймні дві частини різної спорідненості, одна гідрофільна (спорідненість до води), а інша ліпофільна (спорідненість до жирів); такі речовини називаються амфіфільними (від грец лекційна аудиторія, “По обидва боки” та філософія, "друг").
Гідрофільна частина є, як правило, іонним кінцем молекули; це може бути:
- аніонний:
це стосується карбоксилатних іонів -COO - а також сульфонатних іонів R (або Ar) -SO3 - .
це стосується протонованих амінів,
або четвертинний амоній
бетапіни, фосфоліпіди (наприклад, лецитини): в основному середовищі ці молекули поводяться як аніони, а в кислому середовищі - як катіони.
Іноді гідрофільна частина не є іонною
але тоді він має полярні групи, здатні давати водневі зв’язки з водою (наприклад, спиртові або ефірно-оксидні функції): R-O- (CH2CH2O) n-H.
Ліпофільна частина зазвичай складається з досить довгого вуглецевого ланцюга, який повинен бути лінійним (нерозгалуженим), щоб бути біологічно розкладаним.
2) Спосіб дії:
На межі розділу вода-жир поверхнево-активні речовини концентруються, їх ліпофільна частина занурюється в жирову речовину, а гідрофільна частина - у воду. Ці агрегати молекул ПАР, що утворюються таким чином, називаються міцелами.
Їх використання в якості миючого засобу можна пояснити наступним чином:
Втираючи (ручне або машинне прання тканини), кулі жиру, оточені поверхнево-активною речовиною, розпадаються, отримуючи менші глобули, які негайно оточують поверхнево-активною речовиною, і це кілька разів, поки вони не відірвуться від тканини і не зійдуться. форма емульсії, яка усувається під час спорожнення. Цьому процесу сприяє той факт, що поверхнево-активна речовина також розташована на межі розділу вода-повітря, її гідрофільна частина у воді, і таким чином зменшується поверхневий натяг води (утворення мильної піни), сприяючи змочуванню тканини.
Залежно від їх природи та концентрації ПАР можуть виконувати декілька ролей:
- миючого засобу: вони видаляють плями, особливо жир.
- змочування: вода, розміщена на поверхні твердої речовини, має тенденцію утворювати крапельки. Зменшуючи поверхневий натяг, змочувальний агент дозволяє цій воді поширюватися, збільшуючи, таким чином, її поверхню контакту з твердим тілом.
- емульгатор: емульгатор розсіює рідину у вигляді дуже дрібних крапель у межах іншої рідини, в якій він не розчинний.
Кожному ПАР присвоюється число від 1 до 20, що складає шкалу Гріффіна. Це число називається індексом HLB (Hідрофільний /Lіпофільний alance) індекс 1 призначається олеїновій кислоті, а індекс 20 - олеату калію.
Ця шкала дає можливість оцінити досить ліпофільний або навпаки досить гідрофільний характер амфіфільного і знати, для якого застосування він найкраще підходить. Індекс HLB менше 9 скаже про амфіфіл, що це так ліпофільний (потім він буде використовуватися як засіб проти піноутворення (якщо HLB
Кремнійорганічні групи іноді розміщують на молекулах ПАР, щоб збільшити їх гідрофобність. Потім його використовують як антифлауленти.
Заміщення водню вуглеводневого ланцюга атомами фтору також посилює гідрофобний характер молекули.
3) Основні сімейства ПАР та деякі приклади:
3-1) знати:
Історично першим застосуванням ПАР було промивання після відкриття мила; ще з античності було відомо, як зробити його з тваринних або рослинних жирів, що нагрівалися попелом (найдавніший режим миловаріння був знайдений в руїнах Шумера, на глиняній табличці, датованій 2500 роком до н. е.). Таким чином, один емпірично приступив до омилення тристерів гліцерину підставами, що містяться в золі, і одне, отримане елементарним милом, яке є солями натрію або калію жирних кислот, що складають жири.
Мило - це аніонне поверхнево-активна речовина, гідрофільною частиною якого є карбоксилатний іон -COO -, а ліпофільною частиною - довгий лінійний вуглецевий ланцюг жирної кислоти.
Приклад:
октадеканоат натрію також називають стеаратом натрію:
СН3- (СН2) 16-СОО- Na+
3-2) Миючі засоби:
З появою нафтохімії в середині XX століття спостерігається розвиток синтетичних ПАР, арилсульфонатів з бічним ланцюгом (алкилбензолсульфонати); перший повністю синтетичний миючий засіб "Некал", отриманий з нафталіну, пропан-2-олу та сірчаної кислоти, було виготовлено в Німеччині в 1916 р.
Вони також є аніонними поверхнево-активними речовинами, гідрофільною частиною яких є іон -SO3 -. Перші виготовлені мали розгалужені бічні ланцюги і не піддавалися біологічному розкладанню.
Рідкі або порошкові миючі засоби від нафтохімічних виробів досі становлять більшість поверхнево-активних речовин, що використовуються сьогодні як засоби для чищення чи миття.
Приклад:
сульфонати додецилбензину натрію:
Перший показаний ізомер належить до сімейства сульфонатів додецилбензолу натрію, але його систематична назва - пара- (1-метилундецил) бензолсульфонат
· Останній представлений ізомер (той, в якому алкільна група прикріплюється до ядра бензолу на його кінці), є дуже незначним, коли додецилбензини синтезуються за реакцією Фріделя та Крафта або дією додек-1-ен на бензин; його систематична назва - додецилбензолсульфонат натрію.
3-3) Інше використання:
Поверхнево-активні речовини також використовуються для інших цілей, крім очищення чи миття; наприклад, їх емульгуючі або змочувальні властивості використовуються в косметології, а також у різних галузях промисловості: буріння та переробка нафти, переробка бітуму, металургійна промисловість, сільське господарство.
Найбільш використовувані ПАР мають неіоногенну або аніонну гідрофільну частину.
Ось два приклади ПАР, широко використовуваних у промисловості:
- SDS або SLS: Додецилсульфат натрію (позначений абревіатурою SDS, що походить від його англійської назви), який також називають лаурилсульфатом натрію (або SLS) - це аніонне ПАР, що широко використовується як піноутворювач у шампунях, пінах для гоління, зубних пастах, міхурових ваннах.
Його молекула отримується з додеканолу (або додецилового спирту: CH3 (CH2) 11OH) шляхом сульфування, а потім дії карбонату натрію:
Він також використовується для поділу білків і ліпідів за допомогою електрофорезу.
- The: що не слід плутати з попередньою молекулою, це сульфат лаурилового ефіру натрію або лауретсульфат натрію. Він також є ефективним піноутворювачем і широко використовується в косметології. Його молекула має таку формулу:
при n часто дорівнює 3.
3-4) Приклад катіонного ПАР:
триметилдециламмоній хлорид:
Застосовується в кондиціонерах, проти лупи, деяких настоянках та дезодорантах.
3-5) Приклад неіоногенного поверхнево-активної речовини та розрахунок HLB:
Конденсація лаурилового спирту CH3 (CH2) 11OH з десятьма молекулами етиленоксиду (або оксирану) призводить до отримання неіонного поверхнево-активної речовини формули:
Ліпофільна частина цієї молекули складається з вуглеводневого ланцюга СН3- (СН2) 11- (з молярною масою 169 г моль -1), а гідрофільна частина - з решти молекули (з молярною масою 457 г .mol -1). Молярна маса всієї молекули поверхнево-активної речовини становить 626 гмоль -1 .
Індекс HLB отримують за формулою:
HLB = 20x (молярна маса гідрофільної частини)/(молярна маса цілої молекули). Або цифровим способом:
HLB = 20x457/626 = 14,6.
Це ПАР має переважно миючі властивості.
3-6) Поверхнево-активні речовини в організмі:
У царстві тварин або рослин поверхнево-активні речовини, синтезовані живим організмом, відіграють значну роль; Жовчні кислоти (глікохолева кислота та таурохолева кислота) разом з іонами лужних металів утворюють високорозчинні у воді розчинні у воді солі. Жовчні кислоти елімінуються в дванадцятипалій кишці за допомогою загальної жовчної протоки. Вони стикаються з неперетравленими жирами та емульгують їх (розщеплюють на дуже дрібні крапельки), що полегшує їх метаболізм. Лецитини сприяють проникності мембран, покращуючи проходження продуктів травлення в кров через слизові оболонки кишечника.
Інший фосфоліпід (дипальмітоїлфосфатидилхолін або DPPC) дозволяє, виконуючи свою роль ПАР, утворювати поверхневу плівку, що покриває всю альвеолярну поверхню легенів; таким чином, це полегшує розширення альвеол на вдиху і утримує їх відкритими під час видиху. Це ПАР також відіграє роль у альвеолярній проникності та в захисному механізмі від мікроорганізмів.
Більшість поверхнево-активних речовин, що використовуються організмом, походять з печінки. Доросла людина синтезує в середньому більше 5 кг на рік.
Ми говоритимемо про запис поверхнево-активних властивостей сапонінів, таких як гередин або есцин.
1) Визначення: Деградація так званої біологічно розкладається речовини повинна відбуватися природним шляхом за допомогою мікроорганізмів, що знаходяться у воді або в грунті, і призводити до закінчення ферментативного процесу на декількох етапах - у вуглекислому газі, воді або солях, це називається остаточна аеробна біологічна здатність до розкладання. Показник біологічного розкладання 90% означає, що в довгостроковій перспективі 90% початкової кількості речовини має бути перетворено; правила часто вимагають більш ніж 60% біологічного розкладу протягом 28 днів.
Окрім цієї остаточної біологічної здатності існувати основна біологічна здатність що є тією властивістю, якою має володіти тіло, щоб деградувати під впливом мікроорганізмів і перетворити себе на продукт, який втратив свої початкові властивості (наприклад, для поверхнево-активної речовини воно більше не повинно пінитися або знижувати поверхневий натяг). поверхнево-активні речовини первинна біологічна здатність перевищувати 80% за 21 день.
2) Процес біодеградації:
Розглянемо аніонний миючий засіб; ми вже говорили вище, що арилсульфонат повинен мати нерозгалужений бічний ланцюг легко піддаватися біологічному розкладанню.
Розглянемо стадії деградації додецилсульфонату натрію алкільною групою, прикріпленою до бензольного кільця його кінцем:
Перша стадія - це ферментативне ω-окислення, за яким слідує β-окислення у чотири стадії, кожна з яких відбувається під дією іншого ферменту. Це скорочує ланцюг на два вуглецю.
Процес (β-окислення) починається знову, поки ми не отримаємо бутанопк-4-бензин сульфонат натрію; Потім він гідроксилюється, зазнає окисного циклу, десульфонується, потім мінералізується під дією коферменту А.