Химия в нашей жизни
Скачать 4.31 Mb.
|
| Глава 2 ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА Поверхностно-активными веществами (ПАВ) называются вещества, предназначенные для понижения поверхностного натяжения на границе раздела между жидкостью и другой фазой – твердой, жидкой или газовой. Это свойство ПАВ позволяет применять их для множества практических целей. Около половины всех ПАВ потребляет бытовая химия (моющие средства, пятновыводители, косметика и др.). Остальные используются в промышленности и сельском хозяйстве. Поверхностно-активные вещества применяются в более чем 100 отраслях народного хозяйства. Важным направлением применения ПАВ является производство синтетических моющих средств. Среди других направлений можно назвать бурение скважин, повышение нефтеотдачи пластов, флотацию руд металлов, эмульсионную полимеризацию, присадки к минеральным маслам для улучшения их свойств, смазочно-охлаждающие жидкости для обработки металлов, производство химических волокон, производство строительных материалов и др. Разнообразные применения ПАВ рассматриваются и в этой, и в других главах книги. 2.1. Классификация, общие свойства и особенности ПАВ Все ПАВ имеют важное общее свойство. Их молекулы состоят из неполярного углеводородного фрагмента с присоединенными к нему одной или несколькими полярными группами. Углеводородный фрагмент обычно имеет большую молекулярную массу и проявляет сродство к неполярной фазе (к газу, к неполярной жидкости или к неполярной поверхности твердого тела). Полярные группы, наоборот, обладают сродством к полярным жидкостям и воде. Такое двойственное строение ПАВ и определяет их практические ценные свойства. Например, в случае моющих средств это обеспечивает возможность удаления с твердой поверхности неполярных загрязняющих веществ и их перенос в полярную водную фазу (на этом и основаны процессы мытья и стирки). По химической природе ПАВ классифицируют на четыре группы: анионоактивные, катионоактивные, неионогенные и амфотерные [173,174]. Анионоактивные ПАВ. Эти ПАВ диссоциируют в водных растворах на неполярные органические длинноцепочечные анионы и неорганические катионы. Именно анионы и являются у этих ПАВ поверхностно-активными. К числу анионоактивных ПАВ относятся типичные моющие средства: соли высших алифатических карбоновых кислот (мыла), алкилсульфаты, алкилсульфонаты, алкилбензолсульфонаты и др. Анионом в молекулах таких ПАВ обычно является алифатический углеводородный радикал С10-С18, бензольные, нафталиновые ядра, связанные с карбоксильными, сульфоновыми или другими полярными группами. Катионом у этих ПАВ может быть ион металла, ион аммония или органический ион. В последнем случае это, чаще всего, ди- или триэтаноламин. Среди анионоактивных ПАВ наибольшее распространение получили органические соединения серы. Это – первичный додецилсульфат и линейноцепочечный додецилбензолсульфонат, входящие в состав современных моющих средств и других полезных продуктов. Катионоактивные ПАВ. Эти ПАВ дают при диссоциации поверхностно-активный катион с длинной гидрофобной цепью и анион (галогенид, сульфат, фосфат и др.). Это – преимущественно азотсодержащие соединения. Но и в этой группе ПАВ имеются органические соединения серы – соединения сульфония [RR1R2S]+Xˉ и сульфоксония [RR1R2SO]+Xˉ. Такие ПАВ менее активны по сравнению с анионоактивными, но обладают важным свойством химически взаимодействовать с белками. Это обусловливает бактерицидное действие таких ПАВ. Кроме того, полярные группы катионоактивных ПАВ могут взаимодействовать с гидроксильными группами волокон целлюлозы. Это используется в технологии химической переработки древесины и в текстильной промышленности. Неионогенные ПАВ. Эта группа ПАВ не диссоциирует на ионы в водных растворах. Они растворяются в воде благодаря наличию в молекулах гидрофильных групп (чаще всего эфирных и гидроксильных). По химическому строению неионогенные ПАВ разделяют на группы: оксиэтилированные спирты RO(C2H4O)nH, карбоновые кислоты RCOO(C2H4O)nH, алкилфенолы RC6H4O(C2H4O)nH, алкиламиды RCONH(C2H4O)n H и др. Оксиэтилирование осуществляется путем взаимодействия исходных спиртов, карбоновых кислот, алкилфенолов, алкиламидов и т.д. с n молекулами окиси этилена. Сераорганические соединения также применяются в качестве неионогенных ПАВ, например оксиэтилированные сульфамиды RSO2N[(C2H4O)nH]2 и меркаптаны НS-(C2H4O)n-H. В этих ПАВ n= 4-9. Присоединение окиси этилена к сульфамидам или меркаптанам ведут при повышенных температурах под давлением в присутствии катализаторов – около 0,5 % щелочи. Эти ПАВ часто используют, наряду с другими, в производстве синтетических моющих средств. Амфотерные ПАВ (амфолиты). Эти ПАВ содержат в молекулах гидрофильную группу и гидрофобную часть, способную быть акцептором или донором протона в зависимости от pH раствора. Для этого в структуру молекулы ПАВ вводят и кислотные, и основные группы, а иногда еще и неионогенные (полигликолевые) группы. Классификация амфолитов по химической природе включает алкиламинокарбоновые кислоты RNH(CH2)nCOOH, алкиламинофенилкарбоновые кислоты RNHC6H4COOH, полимерные амфолитные ПАВ (в частности белки) и другие. Соединения серы в этой группе ПАВ представлены алкиламиноалкансульфонатами (и сульфатами). 2.2. Новые тенденции в производстве ПАВ В одном из многих сообщений последних лет отмечается, что мировое производство ПАВ в настоящее время исчисляется миллионами тонн в год [175]. Сфера их использования значительно расширилась. Они широко применяются для производства моющих средств, очищающих препаратов, красок, покрытий, бумаги, средств для ухода за кожей, в производстве текстильных изделий и т.д. Поверхностно-активные вещества нового поколения имеют и более широкий спектр действия. Современные ПАВ оказывают смачивающее, эмульгирующее, растворяющее, антистатическое, антисептическое и косметическое действие, изменяют вязкость жидких сред, способствуют образованию пены и обладают рядом других свойств. Первым среди ПАВ по-прежнему является обычное мыло. В статье [175] подробно описано действие ПАВ, перечислены типы современных ПАВ, указаны особенности и области их применения, отмечены создание новых ПАВ. Приведены статистические данные о производстве и потреблении ПАВ по странам мира, дан перечень ведущих фирм по производству ПАВ с указанием ассортимента. По объему производства и потребления ведущими среди ПАВ являются алкиларилсульфонаты. Но в методах их получения отчетливо просматриваются новые подходы. Они заключаются в улучшении химической структуры и повышении эффективности новых ПАВ, расширении сырьевой базы их производства, упрощении и удешевлении технологии, усилении внимания к охране окружающей среды. В частности, германская фирма «Бадише Анилин унд Сода Фабрик» (БАСФ) разработала способ получения алкиларилсульфонатов на основе ароматических углеводородов и С4-олефинов, которые являются весьма доступным видом нефтехимического сырья [176]. н-Бутены выделяют в качестве побочных продуктов крупнотоннажных производств этилена пиролизом бензина, а также процессов термического и каталитического крекинга нефтяных фракций. Они же могут быть получены дегидрированием н-бутана, ресурсы которого весьма велики. Таким образом, способ [176] направлен на существенное расширение сырьевой базы производства анионных ПАВ. Для решения поставленной задачи фирма БАСФ обращается к каталитическим процессам димеризации и диспропоционирования олефинов٭). ______________________ ٭) О процессах димеризации и диспропорционирования см. монографию [177]. Способ [176] включает следующие стадии:
Целевые продукты процесса, алкиларилсульфонаты, используют в качестве ПАВ. Изобретение [176] относится к числу разработок стратегического значения. Оно решает проблему сырьевой базы для производства ПАВ не только на краткосрочную, но и на среднесрочную и даже на долговременную перспективу. Каталитические процессы димеризации и диспропорционирования, положенные в основу этого изобретения, открывают принципиальную возможность создания производства С4-олефинов и ароматических углеводородов на безнефтяной сырьевой базе [177, 178]. Таким образом, перед нами наглядный пример преемственности развития науки: разработки, начатые в СССР, продолжаются в новой России и выходят на новые рубежи в обновленной Германии. 2.3. Синтетические моющие средства и бытовая химия Существует специальная отрасль химической промышленности для разработки и производства химических средств, используемых в быту (бытовая химия). К товарам бытовой химии относятся моющие средства и синтетические моющие средства, текстильно-вспомогательные вещества, отбеливатели, подсиниватели, подкрахмаливатели, чистящие средства и пятновыводители, полироли, клеи, пестициды, репелленты, антистатики, антинакипины, дезодоранты, одоранты, шампуни, замазки, мастики, лаки, краски, автокосметические средства и многие другие. Рассмотрение средств бытовой химии рассредоточено по всей книге, настолько это обширная и многоплановая тема. Ей посвящены и специальные монографии [129,179]. Мировое производство средств бытовой химии составляет около 50 миллионов тонн в год. Применение средств бытовой химии строго регламентировано. Они могут применяться только с разрешения компетентных организаций. При этом учитывают как их эффективность, так и безопасность в применении. В этом разделе мы рассмотрим роль ПАВ в бытовой химии. Как уже отмечалось, основным направлением использования ПАВ является получение на их основе моющих средств, в том числе – синтетических. Синтетические моющие средства (СМС) – основа бытовой химии. Синтетические моющие средства – это смесь различных веществ для удаления загрязнений с поверхности тканей, стекла, металла, керамики и для стирки белья и одежды. Они выпускаются в различной товарной форме: жидкие, сыпучие, пастообразные, кусковые, в виде аэрозолей. Важнейшими компонентами СМС являются поверхностно-активные вещества. В качестве добавок применяют отбеливатели, антиоксиданты, отдушки, консерванты, ингибиторы коррозии, антинакипины, красители и др. Среди ПАВ чаще всего используют анионоактивные на базе органических соединений серы - алкилбензолсульфонатов, алкилсульфатов, алнансульфонатов и т.д. В последние годы значительно повышается роль неионогенных ПАВ: оксиэтилированных спиртов, алкилфенолов, алкиламинов [180–181]. Моющее действие ПАВ – это сложный многостадийный процесс, до конца ещё не изученный. Он начинается со стадии смачивания загрязненной поверхности моющей жидкостью. Затем под воздействием ПАВ происходит отделение загрязнений от поверхности, их переход в жидкую фазу, дезагрегирование крупных частиц пыли, сажи и пр., диспергирование масляных пленок с последующим мицеллообразованием. Решающую роль играет способность ПАВ стабилизировать образующуюся жидкую дисперсную систему и воспрепятствовать укрупнению частиц, их повторному налипанию на очищаемую поверхность. Относительная роль каждой стадии зависит от свойств очищаемой поверхности, состава моющей жидкости, природы загрязнения, условий обработки изделия и т.д. При отмывании тканей важнее всего селективное смачивание, при мытье металлических поверхностей определяющим становится мицеллообразование, при мытье волос шампунями определяющую роль играет пенообразование и т.д. Поэтому для каждого случая подбирается оптимальный состав моющего средства. Развитие биотехнологии привело к использованию в моющих средствах белков и ферментов, которые способствуют гидролизу жиров и липидов и, следовательно, эффективному их удалению с отмываемой поверхности. Такие биотехнологические ПАВ особенно селективны и не оказывают вредного влияния на кожу [182]. Моющие средства для стирки, с целью повышения их моющей эффективности, содержат помимо ПАВ значительное количество неорганических щелочных и нейтральных электролитов (фосфатов, силикатов, карбоната, гидрокарбоната и сульфата натрия и пр.). Большую роль играют ресорбанты, регуляторы пенообразования, гидротропы, антиоксиданты, биологически активные вещества, душистые вещества и др. Бытовые моющие средства делят на группы по их назначению: для мытья посуды; для мытья ванн и туалетов, эмалированных и керамических изделий; для чистки изделий из металлов; для ухода за мебелью, полами, коврами и т.п. Существуют моющие средства для специальной обработки оборудования в пищевой промышленности и на предприятиях общественного питания, для обработки медицинских инструментов, для мытья механизмов и машин, транспортных средств (автокосметика) и др. Особо высокие требования предъявляются к моющим средствам личной гигиены, таким как мыла, шампуни, пасты для мытья рук, пенные средства для ванн, зубные пасты [182]. Особенности современных СМС. Главная особенность современных синтетических моющих средств – их многофункциональность и, соответственно, сложный состав с большим числом компонентов, выполняющих различные функции. Например, средства для стирки бывают универсальными, для машинной стирки сильно загрязненного белья, для стирки тонких и чувствительных к повреждениям тканей, для стирки и отбеливания с кипячением и без такового, средства для низкотемпературной стирки, средства для стирки детского белья и пр. В соответствии с этими особенностями варьируется и рецептура СМС. Основой многих СМС традиционно являются анионные ПАВ: мыла, алкилсульфаты и алкансульфонаты, алкилбензолсульфонаты. Но в мире наметилась тенденция к снижению температуры стирки. Поэтому растет потребление неионогенных ПАВ: оксиэтилированных спиртов, фенолов и аминов. По этой же причине расширяется применение в составе СМС ферментов (биодобавок), катионных антистатиков и мягчителей. Для уменьшения усадки и сохранения внешнего вида изделий после стирки в состав СМС всё чаще вводят добавки катионных ПАВ и полимеров. Всё большее распространение получают рецептуры СМС, содержащие сочетание двух-трех различных ПАВ, которые отличаются друг от друга моющей эффективностью, растворимостью, отношением к солям жесткости и, конечно, стоимостью. Сочетание нескольких ПАВ часто дает синергетический эффект и позволяет оптимизировать технико-экономические характеристики СМС. Моющая эффективность большинства ПАВ усиливается в щелочной среде и в присутствии различных электролитов. По этой причине почти во все СМС добавляют минеральные соли: фосфаты, сульфаты, карбонаты и др. Из фосфатов наиболее употребителен триполифосфат натрия ввиду его способности образовывать комплексы с ионами многих металлов, содержащихся в загрязнениях. Среди сульфатов-электролитов обычно используют сульфат натрия, а для создания щелочной среды применяют добавку соды. Вместо триполифосфата натрия (или наряду с ним) в некоторых рецептурах СМС применяют комплексоны – натриевые соли нитрилотриуксусной кислоты N(CH2COOH)3 («трилон-А»), этилендиаминтетрауксусной кислоты (HOOCCH2)2NCH2CH2N(CH2COOH)2 («трилон-Б»), лимонной кислоты и др. Комплексоны, образуя комплексы с ионами многих металлов, весьма способствуют умягчению воды и повышению эффективности удаления загрязнений [183]. В качестве электролита – усилителя моющего действия и для повышения щелочности среды часто используют силикат натрия (жидкое стекло). В стиральные порошки часто вводят кислородсодержащие (пероксидные) отбеливатели: перборат натрия, пероксосульфат натрия и др. Во всех СМС используют оптические отбеливатели. Для предотвращения налипания грязи на отмытую поверхность вводят антиресорберы: полимеры и сополимеры акриловой кислоты и др. Для улучшения совместимости компонентов СМС добавляют гидротропы (низшие спирты, эфиры, гликоли). Кроме перечисленных добавок в СМС применяются и многие другие: консерванты, пенорегуляторы (пеногасители), антистатики, ароматизаторы (отдушки), стабилизаторы, средства для дезинфекции и др. Ведущие (в основном зарубежные) фирмы-разработчики и производители СМС постоянно и активно занимаются инновациями в этой практически важный сфере. Например, известная фирма «Проктер энд Гэмбл» разработала и запатентовала новое средство для стадии ополаскивания в посудомоечных машинах [184] и новое гранулированное средство для стирки с улучшенной растворимостью [185]. Не менее известная фирма «Колгейт-Палмолив Ко.» предложила новый противобактериальный жидкий состав для мытья посуды с обильным пенообразованием (средство типа «Фейри»), основой которого является новая комбинация анионных и неионогенных ПАВ [186]. Эта же фирма разработала ещё более совершенное средство, которое, наряду с эффективным моющим действием, способно удалять застарелые пятна и, к тому же, является антибактериальным [187]. Общеизвестная германская фирма «Хенкель» запатентовала новое аэрозольное средство для эффективной очистки твердых поверхностей – для мытья посуды, для очистки внутренней поверхности колб термосов, ваз для цветов, графинов, кувшинов и пр. Средство быстро стекает с очищенной поверхности и не оставляет заметного остатка. В основе рецептуры лежит новая комбинация из таких ПАВ, как алкилэфирсульфаты и алкансульфонаты, с рядом добавок для придания эффективности и других полезных свойств [188]. В таблицах 4 и 5 приведены некоторые отечественные синтетические моющие средства бытового и технического назначения, а в таблице 6 - некоторые импортные бытовые СМС. |
Похожие:
 | Аналитическая химия учебно-методический комплекс «Химия», профили подготовки: «Неорганическая химия и химия координационных соединений», «Физическая химия», «Химия окружающей среды,... | | Устный журнал «Химия в нашей жизни» Ведущий 1 Рабочая программа составлена на основании рабочего учебного плана по фгос, переутвержденного ученым советом юргту (нпи) протоколом... |
| Пасха красная «Молитесь за монахов — они корень нашей жизни. И как бы ни рубили древо нашей жизни, оно даст еще зеленую поросль, пока жив его животворящий... | | Высокомолекулярные соединения учебно-методический комплекс «Химия», профили подготовки: «Неорганическая химия и химия координационных соединений», «Физическая химия», «Химия окружающей среды,... |
| Химические основы биологических процессов учебно-методический комплекс «Химия», профили подготовки: «Неорганическая химия и химия координационных соединений», «Физическая химия», «Химия окружающей среды,... | | Информатика в нашей жизни Тематический вечер «Информатика в нашей жизни» — это внеклассное занятие для учащихся viii—xi классов средней школы. Вечер – заключительное... |
 | Урок закрепления-повторения Защита проектов По теме «Средства массовой информации в нашей жизни» Социокультурный аспект – знакомство с мнениями одноклассников о том, какое место занимают сми в нашей жизни, характеристикой различных... | | Рабочая программа элективного курса по химии «Химия в нашей жизни» Программа включает как теоретический материал, так и практический. Кроме того, данный курс направлен на удовлетворение познавательных... |
| Урок в шестом классе по теме «Животные в нашей жизни» Задачи урока: активизация навыков монологической речи по теме «Животные в нашей жизни»;актуализация навыков письма, чтения и аудирования;... | | Программа вступительных экзаменов по специальным дисциплинам, соответствующих... ... |
| Программа вступительных экзаменов по специальным дисциплинам, соответствующих... «Неорганическая химия»; «Аналитическая химия»; «Органическая химия»; «Физическая химия» | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... «Образование». Никто и не мечтал о чуде. Но оно свершилось… «Научно – технический прогресс проник во все области нашей жизни». Так... |
| Рабочая программа по дисциплине б пищевая химия Ооп впо направления 260100. 62 Продукты питания из растительного сырья. Дисциплина преподается в 5 семестре и методически взаимосвязана... | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Один из важных моментов здоровых отношений это умонастроение оптимизма. Но когда это доходит до нашей духовной практики его важность... |
| Урок обобщения по теме: «Право в нашей жизни» Урок – обобщения по теме: «Право в нашей жизни». Для учащихся 11 «А» профильного класса | | Разработка урока одноатомные спирты и их роль в жизни человека По дисциплине «химия» Методическая разработка предназначена для проведения теоретического занятия по дисциплине «Химия» по теме «Одноатомные спирты и их... |
