Лекция 9. Тақырыбы: Беттік –активті заттар

1.1.БАЗ-дың жалпы сипаттамасы, классификациясы: анионактивті, катионактивті, ионогенді емес және амфолитті.

1.2.БАЗ-ң құрылыста және байланыстырғыш заттар технологиясында қолданылуы

Беттік-активті заттар, олардың жіктелуі

Беттік-активті заттар (БАЗ) әртүрлі фазалардың бөліну бетінде адсорбцияланып, осы беттің бос энергиясын кемітеді. Көптеген БАЗ-дар белгілі жағдайда ерітінділерде ондық және жүздік БАЗ молекулалары мен иондарынан тұратын өздігінен біріккен наноагрегаттар (мицеллалар) түзеді. Осы қасиеттеріне байланысты БАЗ-дар көптеген технологиялық үдерістер мен тұрмыста кеңінен қолданылады. БАЗ-дардың жалпы өндіріс көлемі- жылына 10 млн. тоннаға жақын.

Беттік активті заттарды:

БАЗ-дың адсорбциясына негізделген коллоидтық жүйелердің беттік қасиеттерін ретеу үшін;

БАЗ-дар адсорбциясының қабаттарының құрылымдық-механикалық қасиеттеріне негізделген коллоидтық жүйелердің тұрақтылығын қамтамасыз ету үшін;

Беріктікті адсорбциялық төмендету арқылы материалдардың механикалық қасиеттерін өзгерту үшін;

Коллоидтық-химиялық технологияларда (флотация, қабыршықтарды қондыру, полиграфия, эмульсиялық полимерлеу және т.б.), биотехнологияда және басқа да көптеген салаларда қолданады.

Беттік-активті заттардың молекулалары полярлы және полярсыз топтардан тұрады. Мұндай молекулаларды дифилді деп атайды. Шетнл әдебиетінде амфифилді молекулалар деген термин де пайдаланылады.

Өндірісте, медицинада, ауыл шаруашылығында, ғылыми зерттеулерде және т.б. салаларда БАЗ-дардаң мыңдаған түрлері қолданылады.

Беттік активті заттар бірнеше көрсеткіштері:

полярлы (су) немесе полярсыз сұйықтықтағы ерігіштігі;

судағы диссоциациялануы (ыдырауы);

молекулалық салмағы (массасы);

ерітіндідегі агрегаттану қабілеті (мицелла түзгіш қабілеті);

шығу тегі (синтетикалық және табиғи);

БАЗ ықпалының (әрекетінің) физикалық механизмдері бойынша жіктеледі:

БАЗ-дар жіктелуінің кейбір нұсқауларын қарастырайық.

суда жақсы еритін, ал полярсыз сұйықтықта, мысалы, төменгі спирттер мен карбон қышқылдарында, аз еритін БАЗ-дар;

суда еримейтін, бірақ полярсыз сұйықтықта, мысалы спирттер мен май қышқылдарының жоғарғы гомологтарында (көміртек атомдар саны> 20) жақсы ериді;

суда да, полярсыз сұйықтықта да еритін (мұндай қасиетті көмірсутек тізбегінде көміртек атомдарының саны 10-18 болатын БАЗ-дар көрсетеді) БАЗ-дар.

Полярлы және полярсыз сұйықтықтардағы БАЗ-дың ерігіштігі оның гидрофилді және гидрофобты (липофильді) бөліктерінің қатынасымен анықталады. Мұндай қатынастың сандық өлшемі ретінде гидрофилді-липофилді баланс (ГЛБ) және орналасудың критикалық параметрі қолданылады.

БАЗ-дардың судағы ыдырауы бойынша жіктелуі. Өндірістік БАЗ-дарды көбінесе олардың судағы диссоцациясы бойынша жіктейді. Мұндай көрсеткіш бойынша БАЗ-дардың негізгі бес тобын ажыратады.

Аниондық БАЗ-дар. Аниондық БАЗ-дар суда диссоциацияланып, беттік-активті анион түзеді.

Жылына 6 млн. Тоннаға жуық аниондық БАЗ-дар өндіріледі, бұл БАЗ-дардың барлық көлемінің 60% құрайды. Аниондық БАЗ-дардың негізгі ерекшелігі- оларды өндірудің қарапайымдылығы мен арзандығы. Аниондық БАЗ-дар көптеген жуғыш заттардың құрамына кіреді.

Аниондық БАЗ-дардың құрамында-COO^-, SO₄^2-, PO₄^3- полярлы топтары мен – Na⁺, K⁺, NH⁺_4, Ca²⁺ Mg²⁺ қарсы иондары кездеседі. Натрий иондары БАЗ-дардың судағы ерігіштігін арттырады; екі валентті катиондар БАЗ-дардың полярсыз сұйықтықтағы (майлардағы) ерігіштігін қамтамасыз етеді.

Аниондық БАЗ-дардың басты кемшілігі олардың қасиеттерінің кермек суда нашарлайтындығында. БАЗ-дардың су кермектілігіне сезімталдығы келесі қатарда: карбоксилаттар> фосфаттар> сульфаттар, сульфонаттар, кемиді.

2. Катиондық БАЗ-дар. Мұндай БАЗ-дар суда ыдырап, беттік-активті катиондар түзеді. Олардың алифаттық және ароматтық аминдер мен олардың тұздары, төртіншілік аммоний негіздері, пиридиний қосылыстары жатады. Катионды БАЗ-дарның негізгі бөлігін азотты қосылыстар құрайды. Сонымен қатар, фосфоний, сульфоний, сульфооксоний БАЗ-дары да кеңінен қолданылады.

Катионды БАЗ-дар теріс зарядталған беттерге – металдарға, көптеген минералдарға, жасуша мембраналарына, - жақсы адсорбцияланады. Сондықтан катиондық БАЗ-дарды әртүрлі салаларда: антистатик пен антикоррозиялық заттар ретінде, минералдарды флотациялау үшін, бактерицидтік препарадтардың құрамында және т.б. қолданады. Катиондық БАЗ-дардың адсорбциялану қабілеті жоғары болғандықтан, олар химиялық табиғаты әр түрлі қатты беттерді өңдеу үшін қолданылады.

Аниондық және ионогенді емес БАЗ-дардан кейін қолдану көлемі бойынша катиондық БАЗ-дар үшінші орында тұр және жалпы өндірілетін БАЗ-дардың 10% құрайды.

3. Ионогенді емес БАЗ-дар суда диссоциацияланбайды. Анионды БАЗ-дардан кейін қолдану бойынша екінші орын алады (жалпы өндірудің 30%). Олар судың кермектілігіне сезімтал емес және оларды басқа БАЗ-дармен қатар қолдануға болады.

Полярлы топтар ретінде ионогенді емес БАЗ-дардың құрамында полиэфир немесе полигидроксил фрагменттері кіреді.

Ионогенді емес БАЗ-дардың маңызды тобы – этоксидтелген (этоксилденген) алифаттық спирттер, олар көптеген жуғыш заттардың құрамына кіреді. Екінші маңызды топ – май қышқылдарының этоксидтелген митил эфирлері. Митил спиртінің этоксиладтары суда жақсы ериді және олардың беттік активтілігі жоғары болады. Плюрониктер деп аталатын молекулалалық массасы 20000 жететін этилен мен пропилен оксидтерінің блоксопилемерлері кейінгі кезде көп қолданылады. Температураның артуымен ионогенді емес БАЗ-дардың ерігіштігі нашарлайды.

4. Амфотерлі (амфолиттік) БАЗ-дар. Құрамында қышқылдық та, негіздік те топтары бар. Мұндай БАЗ-дардың қасиеті ерітіндінің рН көрсеткішіне тәуелді: рН<4 болғанда катиондық БАЗ-дарға сәйкес, ал рН>9 болғанда – аниондық БАЗ-дарға сәйкес диссоциацияланады; рН=4-9 аралығында диссоциацияланбайды. Яғни ионогенді емес БАЗ-дарға ұқсас болады. Бұл топқа аминқышқылдары, ақуыздар (белоктар) және табиғи БАЗ-дар жатады.

5. Цвиттер-ионды БАЗ-дар. Цвиттер-ионды БАЗ молекулаларының құрамында оң зарядты және теріс зарядты топтар бар. Цвиттер-ионды БАЗ-дар: амин қышқылдарының N-алкил туындылары, имидазолиндер. Цвиттер-ионды БАЗ-дар қасиеттері бойынша ионогенді және ионогенді емес беттік-активті заттардың арасында жатыр. Цвиттер-ионды БАЗ-дар көзбен теріні тітіркендірмейді, сондықтан оларды жуғыш заттар мен емдік кремдерге қосады.

Мицелла түзгіш қасиеті бойынша жіктелуі. Барлық БАЗ-дар үшін қатты және сұйық беттерде адсорбцияланып, осы беттің беттік энергиясын азайту қасиеті тән. Сонымен қатар, көптеген БАЗ-ң тағы бір қасиеті әйгілі. Белгілі жағдайда (температура, концентрация) олар ерітіндіде ондаған немесе жүздеген БАЗ молекулалары, не иондарынан тұратын наноөлшемді агрегаттар түзеді. Мұндай агрегаттар мицеллалар деп аталады, ал мицелла түзгіш заттарды-мицеллярлы (мицеллалық) БАЗ-дар деп атайды.

Мицелла түзгіш БАЗ-дарды «коллоидтық БАЗ-дар» деп атайды. Мицелланы наноөлшемді дисперсті бөлшек ретінде қарастыруға болады. Оларға тізбектегі көміртек саны 10-20 аралығында болатын БАЗ-дар жатады. Физика-химиялық әрекеті бойынша мицеллалық БАЗ-дар жуғыш қасиеті бар БАз-дарға жатады.

Жұқтырғыштар мен көбік түзгіштер –сулы ерітінді –газ шекарасының беттік керілуін біркелкі өзгертетін БАЗ-дар (спирттер мен майлы қышқылдардың орта және жоғарғы гомологтары).

Диспергаторлар (дисперсиялағышткр) –кез келнке фазфаралық шекарада (сұйық-газ, сұйық-қатты, сұйық-сұйық) адсорбцияланып, оның беттік керілуін елеулі азайтып, дененің беріктігін кемітеді.

Тұрақтандырғыштар- мұндай БАЗ-дардың адсорбциялық қабаттарының беріктігі жоғары болады, сондықтан олар эмульсиялар, көбірек және басқа дисперсті жүйелердің тұрақтылығын қамтамасыз етеді. Мұндай қасиеттерге полярлы топтары көп жоғары молекулалы БАЗ-дар – ақуыздар, целлюлозаның туындылары, поливинил спирті ие.

Жуғыш БАЗ-дар –БАЗ-дардың жоғарыда айтылған барлық қасиетеріне ие. Сонымен қатар, белгілі жағдайларда мицелла түзгіш қабілеттілігі көрсетеді. Мицелла түзу жуу әрекетінің маңызды шарты, себебі органикалық ыластар мицеллаларда коллоидтық еруге ұшырайды (солюбилизденеді).

БАЗ-дардың шығу тегі бойынша жіктелуі.

Бұл көрсеткіш бойынша беттік-активті заттарды синтетикалық және табиғи БАЗ-дар деп екіге бөлінеді.

Синтетикалық БАЗ-дарды мұнай-химиялық технологиялардың негізінде алады. Қазіргі синтетикалық БАЗ-дардың ассортименті кең –бірнеше мың қосылыстар. Синтетикалық БАЗ-дардың негізгі топтарының бірі-жуғыш заттар.

Табиғи БАЗ-дар дегеніміз полярлы липидтер: гликолипидтер, фосфолипидтер және т.б. Олар биологиялық жүйелердегі жүретін коллоидтық –химиялық үдерістерде әртүрлі қызмет атқарады. Табиғи БАЗ-дарды табиғи өнімдерден ферменттік реакциялар алуға болады.