Estructura molecular. Características de los surfactantes.

Tensión superficial y sustancias tensioactivas.

Los solutos que se adsorben positivamente en una solución acuosa reducen la tensión superficial del agua, mientras que los solutos que se adsorben negativamente aumentan la tensión superficial del agua.

Materiales tensioactivos: un gran grupo de sustancias que pueden producir adsorción positiva en una solución acuosa y, por lo tanto, reducir significativamente la tensión superficial del agua. Por ejemplo, etanol, ácido propiónico, dodecilsulfato de sodio, etc.

La naturaleza de tales sustancias para reducir la tensión superficial del agua se denomina actividad superficial (actividad superficial); en consecuencia, no pueden producir adsorción positiva que no pueda reducir la tensión superficial del agua se denominan sustancias no tensioactivas, como sales inorgánicas, glucosa, etc.

Tensioactivos (surfactantes): en las sustancias tensioactivas, hay una clase de sustancias en una concentración muy baja que pueden hacer que la tensión superficial del agua disminuya significativamente, pero cuando la concentración aumenta a un cierto valor, la tensión superficial ya no disminuirá o disminuirá muy lentamente, la gente llama a esta clase de sustancias tensioactivas tensioactivos (surfactantes), como el dodecilsulfato de sodio, el bromuro de dodeciltrimetilamonio y el bromuro de nonilfenol polioxietileno (9) éter y otras sustancias. Tensioactivos, como el dodecilsulfato de sodio, el bromuro de dodeciltrimetilamonio y el nonilfenol polioxietileno (9) éter y otras sustancias.

Estructura molecular de los tensioactivos

Los primeros tensioactivos utilizados por los seres humanos fueron las sales sódicas (o potásicas) de ácidos grasos, comúnmente conocidas como jabones.

En los primeros tiempos, la gente mezclaba grasas vegetales y animales y una solución acuosa de ceniza de hierba y la calentaba para hacer jabón.

Más tarde, con el progreso de la industria química, la sosa cáustica (NaOH), la gente a través de la saponificación alcalina de grasas y aceites para producir jabón.

En los años 20 y 30, la Primera Guerra Mundial provocó una escasez de grasas y aceites, con el fin de desarrollar sustitutos del jabón, en Alemania nacieron tensioactivos sintéticos, como los alquilbencenosulfonatos, los sulfatos de alcoholes grasos, etc. Estos tensioactivos tienen moléculas comunes.

Estas moléculas tensioactivas tienen una estructura molecular común, es decir, las moléculas contienen grupos tanto hidrofílicos como lipofílicos, por ejemplo, el grupo hidrofílico en el jabón es -COONa, y en el alquilbencenosulfonato de sodio el grupo hidrofílico es -SO3Na, y los grupos lipofílicos son todos cadenas alquílicas largas.

Hoy en día, este tipo de molécula se denomina molécula anfifílica, en la que el grupo hidrófilo es iónico. La estructura de la molécula anfifílica es muy similar a la de los fósforos: la parte esférica es el grupo hidrófilo, la parte del tallo es el grupo alquilo y el grupo lipófilo.
Como se muestra en la Figura 1

Figura 1 Diagrama esquemático del modelo de esfera y varilla de los tensioactivos y su disposición direccional en la interfaz agua/aire (aceite).

El grupo hidrófilo hace que las moléculas tengan cierta solubilidad en agua.
El grupo lipófilo hace que este tipo de moléculas tengan cierta solubilidad en aceite.

Cuando estas moléculas están en contacto con el agua, el grupo hidrófilo de la molécula tiene una fuerte hidratación con las moléculas de agua y conduce a la disolución, mientras que el grupo lipofílico de la molécula tiene una fuerte tendencia a escapar del entorno acuoso debido a la falta de afinidad con las moléculas de agua, y estos dos efectos diametralmente opuestos hacen que las moléculas se enriquezcan en la interfaz agua/aire o en la interfaz agua/aceite, con el grupo hidrófilo en la fase acuosa y el grupo lipófilo en la fase aérea o en la fase oleosa, en la interfaz. disposición orientada, como se muestra en la Fig. 1.

El resultado combinado es una adsorción positiva del surfactante en solución acuosa, lo que da lugar a una disminución significativa de la tensión superficial del agua o de la tensión en la interfase aceite/agua.

La estructura molecular de los surfactantes tiene una cosa en común: su molécula consta de dos partes: una parte es solvente-amante; la otra parte es solvente-amante.
Una parte es pro-solvente; la otra parte es solvente-odiadora (hidrofóbica).

Dado que los tensioactivos se utilizan normalmente en soluciones acuosas, a menudo se denominan las dos partes del tensioactivo grupo hidrófilo (parte polar) y grupo hidrófobo (hidrofóbico) (parte no polar), el grupo hidrófobo también se denomina grupo lipofílico.
Como se muestra en la Fig. 2 (a).

Figura 2 Diagrama esquemático de la estructura molecular de los tensioactivos (a)
Tamaño de CH3 (CH2)11SO4 (b)

Tomemos como ejemplo un tensioactivo común, el dodecilsulfato de sodio [CH3(CH2)11SO4Na].
En solución acuosa, el CH3(CH2)11SO4Na se ioniza en CH3(CH2)11SO4 y Na+, y es el CH3(CH2)11SO4, conocido como ion tensioactivo, el que desempeña el papel principal.

Está compuesto por el CH3(CH2)11-, no polar, que es un grupo hidrofóbico (lipofílico), y el SO4, polar, que es un grupo hidrofílico. Na+, por otro lado, se denomina contraión. La magnitud de CH3 (CH2)11SO4 se muestra en la Fig. 2 (b).

Esta estructura particular de los tensioactivos se denomina estructura anfifílica (el grupo hidrófilo es hidrófilo y el grupo hidrófobo es lipófilo). Por lo tanto, los tensioactivos son una clase de compuestos anfifílicos.

El grupo hidrófobo de un tensioactivo se compone generalmente de un grupo hidrocarbonado de cadena larga, dominado por una cadena hidrocarbonada, mientras que el grupo hidrófilo (grupo polar, grupo de cabeza) tiene una amplia variedad de grupos, incluidos grupos iónicos cargados y grupos polares sin carga.

Todas las moléculas de sustancias tensioactivas tienen una estructura molecular anfifílica. En términos de solución acuosa, la hidrofilia del grupo hidrófilo y la lipofilia del grupo lipófilo deben coincidir básicamente para tener una actividad superficial significativa; si uno de los lados es demasiado fuerte o demasiado débil, se debilitarán significativamente las moléculas anfifílicas de actividad superficial.

Cuando el número de átomos de carbono es inferior a 8, la hidrofilia es demasiado fuerte; por ejemplo, el ácido fórmico, el ácido acético, el ácido propiónico y el ácido butírico tienen estructura anfifílica, pero solo tienen actividad superficial, no pueden ser tensioactivos.

La cadena hidrofóbica de un tensioactivo en sentido general debe ser lo suficientemente grande, generalmente por encima de 8 átomos de carbono (no hay un límite estricto).

Por el contrario, cuando el número de átomos de carbono es superior a 20, la lipofilia es demasiado fuerte, la solubilidad en agua es muy pequeña y no puede ser un tensioactivo típico. Por ejemplo, en el caso del jabón, los ácidos grasos se convierten en buenos tensioactivos cuando sus átomos de carbono están en el rango de 8 a 20.

Funciones básicas de los tensioactivos

Los tensioactivos son productos químicos finos funcionales.

Los tensioactivos tienen dos funciones básicas:

La primera es

La adsorción en la superficie (límite) de la superficie, formando una película de adsorción (generalmente una película monomolecular).

La segunda es

La autopolimerización dentro de la solución, formando muchos tipos de conjuntos ordenados molecularmente.

A partir de estas dos funciones, se derivan otras

funciones de aplicación.

La adsorción de surfactantes en la superficie da como resultado una reducción de la tensión superficial y un cambio en la química superficial del sistema.

Por lo tanto, el surfactante tiene las funciones de espumar, desespumar, emulsionar, desemulsionar, dispersar, flocular, humedecer, esparcir, penetrar, lubricar, antiestático y bactericida.

Los tensioactivos se autopolimerizan dentro de la solución para formar diversas formas de ensamblajes ordenados molecularmente, como micelas, anticoloides, vesículas, cristales líquidos, etc. Estos ensamblajes ordenados molecularmente presentan una amplia variedad de funciones de aplicación.

La más básica de ellas es la función solubilizante (también conocida como solubilizante) de las micelas.

A partir del efecto solubilizante de las micelas y otros conjuntos ordenados molecularmente, se han derivado funciones como la catálisis de micelas, la formación de microemulsiones y el uso como medios de reacción espaciadores y microrreactores, portadores de fármacos, etc.

La función detergente de los tensioactivos también está relacionada en gran medida con el efecto solubilizante de las micelas sobre el aceite.

El tamaño de las composiciones de tensioactivos ordenados molecularmente o el grosor de las capas moleculares agregadas se acerca a la escala nanométrica, lo que puede proporcionar un lugar y unas condiciones adecuadas para la formación de partículas ultrafinas con «efecto de tamaño cuántico».

Por lo tanto, los ensamblajes de tensioactivos ordenados molecularmente pueden utilizarse como plantillas (función de plantilla) para la preparación de partículas ultrafinas (por ejemplo, nanopartículas).

La estructura especial de los ensamblajes ordenados molecularmente los hace óptimos para modelar biopelículas.

Los ensamblajes ordenados molecularmente también pueden reorganizarse para formar estructuras ordenadas avanzadas (estructuras supramoleculares), cuyas soluciones exhiben un comportamiento de fase novedoso y complejo o propiedades reológicas inusuales, propiedades ópticas, reactividad química, etc. Por lo tanto, tienen otras funciones de aplicación especiales.

Principios de aplicación de surfactantes en detergentes

Aplicación de surfactantes en campos tradicionales

Los tensioactivos tienen una serie de propiedades superiores como humectantes, emulsionantes, dispersantes, solubilizantes, espumantes y antiespumantes, penetrantes, lavantes, antiestáticos, bactericidas, etc. Tienen una amplia gama de aplicaciones en campos civiles tradicionales como detergentes, cosméticos, productos de higiene personal, etc., así como en campos industriales y tecnológicos como textiles, alimentos, medicina y pesticidas, pinturas y recubrimientos, construcción, flotación de minerales, energía, pulpa y papel, curtido y otras industrias.

En los últimos años, el desarrollo de la alta y nueva tecnología está cambiando día a día, y los tensioactivos, con sus funciones únicas en nanotecnología, protección medioambiental, nuevos materiales, ciencias de la vida y otros campos de alta tecnología, se convierten en productos indispensables.

Principio de aplicación de los tensioactivos en los detergentes

Los detergentes son productos químicos de uso diario formulados a partir de tensioactivos, detergentes y auxiliares para eliminar la suciedad de la superficie de los objetos y lograr el propósito de limpiar y desinfectar.

En la actualidad, los detergentes que se utilizan habitualmente en el ámbito civil incluyen principalmente detergente para la ropa y suavizante para limpiar la ropa, detergente y lavavajillas líquido para limpiar la vajilla, frutas y verduras, desengrasante para la cocina, limpiador de inodoros para limpiar el inodoro y otras categorías importantes.

El tensioactivo es el ingrediente principal del detergente, por lo que el detergente y el tensioactivo, además de una excelente capacidad de lavado y descontaminación, también tienen una buena capacidad de humectación, espumación, emulsificación, dispersión y solubilización.

Los primeros detergentes solían utilizar un único tensioactivo, como el alquilbencenosulfonato de sodio. Sin embargo, hoy en día los detergentes suelen utilizar tensioactivos complejos, como el complejo aniónico/aniónico o el complejo aniónico/no iónico.

Debido al efecto sinérgico entre las mezclas de tensioactivos, los detergentes a veces tienen una buena detergencia con un menor contenido de tensioactivos.

Se ha presentado brevemente el proceso de descontaminación de los detergentes y el mecanismo relacionado. El núcleo del proceso consiste en separar la suciedad de la superficie del objeto que se va a limpiar mediante la acción fisicoquímica de los tensioactivos y la acción mecánica y acuosa del flujo de agua, y que el agua se lleve la suciedad.

La adsorción del tensioactivo en la superficie de la suciedad y el sustrato es la clave, y esto conduce a la siguiente serie de acciones básicas.

(1) Penetración y humectación

Durante el proceso de lavado, las moléculas de surfactante pueden adsorberse en la superficie del artículo y la suciedad, reduciendo la tensión interfacial entre el medio (generalmente agua) y la superficie del artículo, así como entre el medio y la superficie de la suciedad, de modo que el medio puede penetrar entre la superficie del artículo y la suciedad y penetrar en el interior del artículo. Esta acción se denomina acción de penetración humectante del detergente.

La humectación del líquido de lavado en el artículo de lavado es un requisito previo para el lavado; si el líquido de lavado no puede humedecer bien el artículo, no hay un buen efecto de lavado y descontaminación.

El efecto de penetración humectante de la solución detergente no solo reduce la atracción entre la superficie del artículo y la superficie de la suciedad, sino que también reduce la atracción entre las partículas de la suciedad, que pueden romperse en partículas finas y dispersarse en el medio cuando se aplica la fuerza externa adecuada.

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(2) Emulsificación y dispersión

En el proceso de lavado, con la ayuda de los efectos físicos y químicos de los tensioactivos y la agitación mecánica, el aceite se emulsiona para formar una emulsión O/W. La mayoría de las soluciones acuosas de detergentes con buen rendimiento tienen baja tensión superficial y tensión interfacial aceite/agua.

Al mismo tiempo, la tensión interfacial más baja, el tensioactivo en la interfaz aceite/agua para formar una cierta resistencia de la película interfacial, puede evitar la agregación de gotas de aceite, favorece la estabilidad de la emulsión, de modo que las manchas de aceite no se depositan fácilmente en la superficie de los artículos. La tensión interfacial más baja favorece la emulsificación de la suciedad líquida y, por lo tanto, favorece la eliminación de la suciedad líquida.

Por supuesto, durante el proceso de lavado, la suciedad líquida no se disuelve directamente en el medio, sino que, bajo la acción del tensioactivo, primero se «enrolla» y luego se desprende de la superficie del artículo bajo la acción del flujo de agua y se emulsiona, quedando suspendida en el medio.

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(3) Efecto solubilizante

Cuando la concentración de surfactante es superior a la concentración micelar crítica (cmc), se forman micelas en la solución. Algunas sustancias insolubles o ligeramente solubles en el medio acuoso se difundirán en las micelas, aumentando así significativamente su solubilidad en el medio. Este efecto se denomina solubilización de micelas.

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Además de la emulsificación, la solubilización del aceite por las micelas puede ser la otra forma principal de eliminar la suciedad líquida de las superficies sólidas.

Los aceites no polares se solubilizan generalmente en el núcleo no polar de las micelas, mientras que los aceites polares pueden solubilizarse en la región del grupo polar de la cubierta micelar, dependiendo de su polaridad y estructura molecular; en el caso de los aceites anfifílicos, el grupo polar de la molécula de aceite se «anclará» a la superficie de la micela, mientras que la cadena de hidrocarburos no polar se insertará en el núcleo micelar.

Se ha demostrado que cuando la concentración de surfactante es superior a cmc, el aumento de la detergencia es muy limitado, por lo que la solubilización no es un factor importante en el proceso de lavado.

Sin embargo, en el proceso de lavado local (como el lavado de la ropa con jabón u otros detergentes, así como el lavado de la cara y las manos con jabón, etc.), la cantidad de detergente es grande, la concentración de surfactante es muy alta, en este momento la solubilización del aceite en las micelas será el principal mecanismo de eliminación del aceite.

(4) Efecto espumante

El detergente reduce la tensión interfacial entre el medio y el aire, de modo que el aire puede dispersarse en el medio y se forman burbujas. Al mismo tiempo, el tensioactivo en la superficie de la burbuja forma una capa sólida de disposición direccional de la película, para mantener la estabilidad de la espuma, que es la formación de espuma, la estabilización de la burbuja.

Aunque la espuma y el efecto de lavado no tienen una relación directa correspondiente, la suciedad adsorbida se ha dispersado de manera que se ha acumulado en la espuma, y la suciedad se ha acumulado en la superficie de la solución del medio.

Sin embargo, en el proceso de lavado industrial o en el proceso de lavado en lavadora doméstica, la aparición de espuma da la impresión de que no se enjuaga bien, por lo que es necesario aumentar el número de aclarados, por lo que el detergente utilizado en el lavado a máquina suele ser de tipo de baja espuma.