Удивительный мир органической химии

Представим молекулу воды, окруженную другими молекулами. Находясь в тесном контакте с ними, молекула испытывает на себе их воздействие. Поскольку такое воздействие одинаково со всех сторон, то все силы, действующие на «нашу» молекулу, взаимно уравновешиваются. Но вот молекула оказалась на поверхности воды (на границе раздела вода — воздух). Теперь она испытывает воздействие только с трех сторон: с боков и снизу, а сверху — нет. При этом силы, которые действуют на молекулу из глубины, будут преобладать. Эти силы тянут молекулу в одном направлении — вниз (рис. 29). Вот почему молекула притягивается к воде — происходит образование поверхностной пленки. Что же касается сил «влево-вправо», то они взаимно компенсируются. Эта пленка обладает относительной прочностью. Помните стакан, наполненный выше краев водой? С помощью двух ниток осторожно положите швейную иглу на поверхность воды. Если с первой попытки это не удастся, то попробуйте еще раз. И вы убедитесь, что иголка будет плавать на поверхности благодаря водяной пленке.

Итак, мыло снижает поверхностное натяжение воды. Однако у обычных мыл имеются существенные недостатки. Они плохо моют, как вы знаете, в жесткой воде. Соли кальция и магния, которые присутствуют в этой воде, за счет обменной реакции образуют нерастворимые в воде кальциевые и магниевые мыла. Кроме того, мыла в воде гидролизуются (омыляются) с образованием щелочи:

Эта щелочь оказывает вредное действие на некоторые ткани (шерсть, шелк и др.).

Есть еще один существенный недостаток. Он связан с расходом огромного количества ценных пищевых жиров (животных и растительных). Правда, сейчас для получения мыла используют высшие карбоновые кислоты, которые получают окислением алканов. Кислоты нейтрализуют щелочью, и полученную соль используют для производства туалетного и хозяйственного мыла (цифры «60» и «72» на кусках мыла означают процент содержания в нем натриевых солей высших кислот).

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, —SO₃H, —SO₃Na и др.), другая — неполярная (различные углеводородные радикалы С₁₂—С₁₈).

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.

13.2. Какими бывают ПАВ?

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.