Поверхностно-активные вещества и моющие средства.

Введение

Поверхностно-активные вещества с моющими свойствами

Моющее средство – это поверхностно-активное вещество или смесь поверхностно-активных веществ, обладающих моющими свойствами в разбавленных растворах. Существует большое разнообразие моющих средств, одним из распространенных семейств которых являются алкилбензолсульфонаты – соединения, подобные мылу, но более растворимые в жесткой воде, поскольку полярный сульфонат (в моющих средствах) менее склонен, чем полярный карбоксилат (в мыле), связываться с кальцием и другими ионами, содержащимися в жесткой воде.

Определения

Слово "детергент" происходит от латинского прилагательного *detergens*, от глагола *detergere*, означающего "вытирать" или "полировать". Детергент можно определить как поверхностно-активное вещество (ПАВ) или смесь ПАВ, обладающих очищающими свойствами в разбавленных растворах. В быту термин "детергент" обычно относится к бытовым чистящим средствам, таким как стиральный порошок или средство для мытья посуды, которые на самом деле представляют собой сложные смеси различных соединений, и не все из них сами по себе являются детергентами. Детергенция – это способность удалять нежелательные вещества, называемые "загрязнениями", с поверхности (например, ткани).

Структура и свойства

Моющие средства – это группа соединений с амфифильной структурой, в которой каждая молекула имеет гидрофильную (полярную) головку и длинный гидрофобный (неполярный) хвост. Гидрофобная часть этих молекул может представлять собой углеводороды с прямой или разветвленной цепью или иметь стероидную структуру. Гидрофильная часть более разнообразна: она может быть ионной или неионной и варьироваться от простой до относительно сложной структуры. Моющие средства являются поверхностно-активными веществами (ПАВ), поскольку способны снижать поверхностное натяжение воды. Их двойственная природа способствует смешиванию гидрофобных соединений (таких как масло и жир) с водой. Поскольку воздух не является гидрофильным, моющие средства также в различной степени являются пенообразователями. Молекулы моющих средств агрегируют, образуя мицеллы, что обеспечивает их растворимость в воде. Гидрофобная группа моющего средства является основной движущей силой формирования мицелл, а ее агрегация образует гидрофобное ядро мицелл. Мицеллы способны удалять жир, белки или частицы загрязнений. Концентрация, при которой начинается образование мицелл, называется критической концентрацией мицелл (ККМ), а температура, при которой мицеллы дополнительно агрегируются, вызывая разделение раствора на две фазы, – точкой помутнения, при которой раствор становится мутным и достигается оптимальная моющая способность.

Химическая классификация моющих средств

Моющие средства классифицируются на четыре основные группы в зависимости от электрического заряда поверхностно-активных веществ.

Анионные моющие средства

Типичными анионными поверхностно-активными веществами (ПАВ) являются сульфонаты алкилбензола. Алкилбензольная часть этих анионов липофильна, а сульфонатная группа – гидрофильна. Существует два основных типа: с разветвленными и с линейными алкильными группами. Первые в значительной степени были выведены из использования в экономически развитых странах из-за их плохой биоразлагаемости. Анионные ПАВ – наиболее распространенная форма ПАВ, и ежегодно производится около 6 миллиардов килограммов анионных ПАВ для внутреннего потребления. Желчные кислоты, такие как дезоксихолевая кислота (DOC), являются анионными ПАВ, вырабатываемыми печенью для облегчения переваривания и всасывания жиров и масел.

Катионные моющие средства

Катионные моющие средства аналогичны анионным, но в них кватернарный аммоний заменяет гидрофильную анионную сульфонатную группу. Центр аммоний-сульфата имеет положительный заряд. В Древнем Египте сода использовалась как добавка при стирке. В XIX веке началось создание синтетических поверхностно-активных веществ, например, из оливкового масла. В 1876 году компания Henkel продавала продукт на основе силиката натрия, который можно было использовать с мылом и который рекламировался в Германии как «универсальное моющее средство» (Universalwaschmittel). Затем соду смешивали с силикатом натрия для производства первого в Германии моющего средства под торговой маркой Bleichsoda. В 1907 году компания Henkel добавила отбеливатель – перборат натрия – и выпустила первое «самодействующее» стиральное средство Persil, чтобы избавить от трудоемкой ручной стирки. Во время Первой мировой войны возникла нехватка масел и жиров, необходимых для производства мыла. Чтобы найти альтернативу мылу, немецкие химики стали производить синтетические моющие средства из сырья, полученного из каменноугольной смолы. Однако эти первые продукты не обеспечивали достаточной моющей способности. В 1928 году был создан эффективный моющий препарат путем сульфатирования жирного спирта, но крупномасштабное производство стало возможным только в начале 1930-х годов, когда стали доступны недорогие жирные спирты. Развитие нефтехимической промышленности после Второй мировой войны также предоставило материалы для производства широкого спектра синтетических поверхностно-активных веществ, и сульфонаты алкилбензола стали наиболее важными моющими поверхностно-активными веществами. К 1950-м годам стиральные порошки получили широкое распространение и во многом заменили мыло для стирки одежды в развитых странах. За прошедшие годы было разработано множество типов моющих средств для различных целей, например, моющие средства с низким пенообразованием для использования в стиральных машинах с фронтальной загрузкой, мощные моющие средства, эффективно удаляющие жир и грязь, универсальные и специальные моющие средства. Они также включаются в различные продукты, не предназначенные для стирки, например, в моющие средства для посудомоечных машин, шампуни, зубные пасты, промышленные очистители, а также в смазочные материалы и топлива для уменьшения или предотвращения образования шлама или отложений. В состав моющих средств могут входить отбеливатели, ароматизаторы, красители и другие добавки. Однако использование фосфатов в моющих средствах вызвало опасения по поводу загрязнения питательными веществами и потребовало изменения состава моющих средств. Также были высказаны опасения по поводу использования поверхностно-активных веществ, таких как разветвленный сульфонат алкилбензола (сульфонат тетрапропиленбензола), которые долго сохраняются в окружающей среде, что привело к их замене на более биоразлагаемые поверхностно-активные вещества, такие как линейный сульфонат алкилбензола.

Cationic detergents are similar to anionic ones, but quaternary ammonium replaces the hydrophilic anionic sulfonate group. The ammonium sulfate center is positively charged. In ancient Egypt, soda was used as a wash additive. In the 19th century, synthetic surfactants began to be created, for example from olive oil. and in 1876, Henkel sold a sodium silicate based product that can be used with soap and marketed as a "universal detergent" (Universalwaschmittel) in Germany. Soda was then mixed with sodium silicate to produce Germany's first brand name detergent Bleichsoda. In 1907, Henkel also added a bleaching agent sodium perborate to launch the first 'self acting' laundry detergent Persil to eliminate the laborious rubbing of laundry by hand. During the First World War, there was a shortage of oils and fats needed to make soap. In order find alternatives for soap, synthetic detergents were made in Germany by chemists using raw material derived from coal tar. These early products, however, did not provide sufficient detergency. In 1928, effective detergent was made through the sulfation of fatty alcohol, but large scale production was not feasible until low cost fatty alcohols become available in the early 1930s. The development of the petrochemical industry after the Second World War also yielded material for the production of a range of synthetic surfactants, and alkylbenzene sulfonates became the most important detergent surfactants used. By the 1950s, laundry detergents had become widespread, and largely replaced soap for cleaning clothes in developed countries. Over the years, many types of detergents have been developed for a variety of purposes, for example, low sudsing detergents for use in front loading washing machines, heavy duty detergents effective in removing grease and dirt, all purpose detergents and specialty detergents. They become incorporated in various products outside of laundry use, for example in dishwasher detergents, shampoo, toothpaste, industrial cleaners, and in lubricants and fuels to reduce or prevent the formation of sludge or deposits. The formulation of detergent products may include bleach, fragrances, dyes and other additives. The use of phosphates in detergent, however, led to concerns over nutrient pollution and demand for changes to the formulation of the detergents. Concerns were also raised over the use of surfactants such as branched alkylbenzene sulfonate (tetrapropylenebenzene sulfonate) that lingers in the environment, which led to their replacement by surfactants that are more biodegradable, such as linear alkylbenzene sulfonate.

Уборка в домашних условиях

Одно из самых распространенных применений моющих средств – это уборка в быту и в магазинах, включая мытье посуды и стирку белья. Эти моющие средства обычно доступны в виде порошков или концентрированных растворов, а их составы часто представляют собой сложные смеси различных химических веществ, помимо поверхностно-активных веществ, что отражает широкий спектр требований к применению и высокую конкуренцию на потребительском рынке. Эти моющие средства могут содержать следующие компоненты:

Биологический реагент

Реагентные моющие средства используются для выделения и очистки интегральных мембранных белков, обнаруженных в биологических клетках. Для солюбилизации бислоев клеточных мембран требуется моющее средство, способное проникать во внутренний монослой мембраны. Улучшение чистоты и усовершенствование моющих средств способствовали структурной и биофизической характеристике важных мембранных белков, таких как ионные каналы, а также разрушают мембраны, связываясь с липополисахаридами, транспортерами, сигнальными рецепторами и фотосистемой II.