Substancje powierzchniowo czynne, Publikacje z Chemia

Pobierz Substancje powierzchniowo czynne i więcej Publikacje w PDF z Chemia tylko na Docsity!

Substancje powierzchniowo czynne

Wprowadzenie Przeczytaj Grafika interaktywna Sprawdź się Dla nauczyciela

Rozwój nauki jest pierwszą i najważniejszą przyczyną wzrostu poziomu, jakości oraz długości naszego życia. Przyczyniło się do tego m.in. odkrycie związków chemicznych o unikalnych właściwościach wykorzystywanych w produkcji leków, środków dezynfekcyjnych czy środków chemii gospodarczej. Tych ostatnich używamy codziennie w swoich domach, miejscach pracy bądź nauki. Jesteśmy z nimi związani, ponieważ ułatwiają nam sprzątanie i utrzymywanie higieny. Czy wiesz, o jakich związkach mowa? A może wiesz, z czego wynikają ich unikalne właściwości?

Twoje cele

Zdefiniujesz pojęcie substancji powierzchniowo czynnej. Przedstawisz budowę surfaktantów. Powiążesz budowę surfaktantów z właściwościami. Dokonasz podziału surfaktantów pod względem budowy i zastosowań.

Związki powierzchniowo czynne powodują obniżanie napięcia powierzchniowego cieczy. Dzięki tej właściwości wykorzystuje się je praktycznie w każdej dziedzinie przemysłu. Źródło: dostępny w internecie: pixabay.com, domena publiczna.

Substancje powierzchniowo czynne

resztę zasadową lub resztę kwasową. Takie ugrupowanie to najczęściej prosty, długi alifatyczny łańcuch węglowodorowy w tym surfaktancie.

Ciekawostka

Naturalne surfaktanty możemy znaleźć w płucach jako związek powierzchniowy, który zmniejsza napięcie w pęcherzykach płucnych. Chroni je przed nadmiernym rozciąganiem oraz zapobiega zapadaniu i sklejaniu się ich ścianek w trakcie funkcji oddechowych. Surfaktanty składają się z cząsteczek lipoprotein, wydzielanych przez pneumocyty typu II.

Klasyfikacja surfaktantów

Substancje powierzchniowo czynne można klasyfikować na wiele różnych sposobów. Do najpopularniejszych kryteriów klasyfikacji zalicza się ich budowę, właściwości fizykochemiczne oraz funkcje użytkowe. Analizując budowę, wyróżniamy surfaktanty:

klasyczne – część hydrofilowa położona jest terminalnie na końcu hydrofobowego łańcucha; bolaformowe – dwie części hydrofilowe są ulokowane terminalnie na końcach hydrofobowego łańcucha; geminalne – dwie hydrofilowe części są rozdzielone grupą łączącą i posiadają długie łańcuchy hydrofobowe; związki trimeryczne; związki polimeryczne.

Surfaktanty o różnej budowie Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Surfaktanty znajdują się też naturalnie w płucach. Źródło: dostępny w internecie: pixabay.com, domena publiczna.

Istnieją również surfaktanty zwierające zwielokrotnioną liczbę części hydrofobowych i hydrofilowych. Najbardziej znanym podziałem surfaktantów jest klasyfikacja oparta o zdolność hydrofilowej „głowy” do dysocjacji w roztworach wodnych. Podział ten dzieli substancje powierzchniowo czynne na niejonowe oraz jonowe. Do jonowych należą surfaktanty: amfoteryczne, anionowe, kationowe i mezojonowe.

Klasyfikacja surfaktantów w oparciu o zdolność części hydrofilowej do dysocjacji w roztworze wodnym Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Funkcje użytkowe, dzięki którym surfaktanty znajdują zastosowanie, klasyfikujemy na:

emulgatory/antyemulgatory, solubilizatory, środki pieniące/środki antypieniące, środki myjące, piorące, czyszczące, środki zwilżające, środki dyspergujące, środki antyzbrylające.

Surfaktanty niejonowe

Model surfaktantu niejonowego Źródło: GroMar sp.z.o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Niejonowe surfaktanty posiadają niejonowe grupy hydrofilowe – „głowy” – połączone z łańcuchem hydrofobowym. Przykładami tych związków są monoestry, monoglicerydy,

Model surfaktantu amfoterycznego Źródło: GroMar sp.z.o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Przykładami tych związków są alkilobetainy i alkiloamidobetainy (posiadające grupę aminową i karboksylową), siarczanobetainy (zawierające grupę aminową i siarczanową) oraz sulfobetainy (zawierające grupę aminową i sulfonową). Surfaktanty oparte o alkilobetainy i alkiloamidobetainy posiadają właściwości deodorujące oraz bakteriobójcze.

Przykłady amfoterycznych surfaktantów Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Kationowe surfaktanty posiadają kationowe grupy hydrofilowe – „głowy” – połączone z grupą hydrofobową. Łańcuch hydrofobowy może ulegać rozgałęzieniom i zawierać m.in. pierścienie aromatyczne.

Są to m.in. sole amin, sole alkiloamoniowe oraz czwartorzędowe sole amoniowe zawierające układ heterocykliczny, np. pirydyniowe, imidazoliniowe.

Model surfaktantu kaonowego Źródło: GroMar sp.z.o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Surfaktanty kationowe, oparte o czwartorzędowe sole amoniowe, mają szerokie zastosowanie aplikacyjne i są stosowane jako zagęstniki, emulgatory, dyspergatory, związki antystatyczne oraz biocydy.

Przykłady kaonowych surfaktantów Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Anionowe surfaktanty posiadają anionowe grupy hydrofilowe – „głowy” – przyłączone do hydrofobowego łańcucha. Stanowią najliczniejszą grupę surfaktantów wród artykułów użytkowych, dlatego też wg klasyfikacji Hetzer’a występuje sześć podgrup.

Model surfaktantu mezojonowego Źródło: GroMar sp.z.o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Przykłady mezojonowych surfaktantów (sydnonów) Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ciekawostka

Surfaktanty początkowo produkowano wyłącznie z surowców petrochemicznych. Obecnie duży nacisk kładzie się na ochronę środowiska, więc czerpie się surowce do ich produkcji z oleochemikaliów, czyli węglowodorów i kwasów tłuszczowych pochodzenia roślinnego. Taka modernizacja produkcji może doprowadzić do redukcji emisji gazów cieplarnianych w procesie produkcyjnym o około 37% dla. Innymi przykładami ekologicznych surfaktantów są biosurfaktanty.

Biosurfaktanty

CO 2

Żródło: V. Dornburg, I. Lewandowski and M. Patel, Comparing the Land Requirements, Energy Savings, and Greenhouse Gas Emissions Reduction of Biobased Polymers and Bioenergy J. Ind. Ecol., 2003, 7, 93.

Biosurfaktanty to substancje powierzchniowo czynne produkowane w procesach biotechnologicznych z udziałem mikroorganizmów. Przykładami tych związków są glikolipidy, fosfolipidy, lipopeproteiny/lipopeptydy i związki polimerowe. Biosurfaktanty są na ogół biodegradowalne, charakteryzuje je niska toksyczność w stosunku do syntetycznych tenzydów. Niektóre z nich są aktywne w warunkach ekstremalnych (100°C, zasolone roztwory).

Właściwości fizykochemiczne surfaktantów

Aplikacyjna atrakcyjność surfaktantów jest związana z ich rozpuszczalnością. Ze względu na swoją specyficzną budowę wykorzystuje się je często w układach dwufazowych (woda:rozpuszczalnik organiczny). W zależności od stężenia wodnych roztworów tenzydów, cząsteczki tych związków mogą występować w postaci monomerycznej, tworzyć na powierzchni roztworu warstwę lub tworzyć układy micelarne. W warstwie powierzchniowej hydrofilowe „głowy” zwrócone są w stronę polarnego roztworu, natomiast hydrofobowe „ogony” w kierunku przeciwnym. Równowagę pomiędzy postaciami monomerycznymi a zagregowanymi określa krytyczne stężenie micelarne (CMC). Jest to minimalne stężenie surfaktantu, przy którym obie te formy istnieją w roztworze.

Przykład naturalnego biosurfaktantu Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

(izotermicznych) zmiana energii swobodnej jest równa pracy wykonanej nad układem

mezomeria

służy najczęściej do opisu cząsteczek, które mają sprzężone wiązania π‐elektronowe, np. cząsteczek związków aromatycznych, polialkenów o sprzężonych wiązaniach, oraz niektórych grup funkcyjnych (np. karboksylowa). Cząsteczki takich związków i ich właściwości fizykochemiczne opisuje się tzw. strukturą mezomeryczną, w której występują wiązania o niecałkowitej krotności, lecz wzajemnie równoważne; struktura mezomeryczna jest strukturą wypadkową (pośrednią) wielu możliwych struktur granicznych cząsteczki danego związku, np. w anionie karboksylanowym ładunek ujemny jest zlokalizowany równomiernie na obydwu atomach tlenu połączonych z węglem wiązaniami o identycznej długości

Bibliografia

Encyklopedia PWN

Encyklopedia Zdrowia

Dornburg V., Lewandowski I., Patel M., Comparing the Land Requirements, Energy Savings and Greenhouse Gas Emissions Reduction of Biobased Polymers and Bioenergy, J. Ind. Ecol. 2003, 7, s. 93‐116.

Foley P., Kermanshahi A., Beach E. S., Zimmerman J. B., Derivation and synthesis of renewable surfactants, Chem. Soc. Rev. 2012, 41, s. 1499‐1518.

Hill K., Fats and oils as oleochemical raw materials, Pure Appl. Chem. 2000, 72, 7, s. 1255.

Zieliński R., Surfaktanty: budowa, właściwości, zastosowania, Poznań 2013, wyd. 2.

RCOO−

Grafika interaktywna

Polecenie 1

Czy wiesz, co to jest punkt Kraa? I co ma wspólnego z surfaktantami? Zapoznaj się z grafiką, a następnie spróbuj wykonać ćwiczenia.

Grafika interaktywna pt. „Punkt Kraa a surfaktanty” Źródło: GroMar Sp. z o.o., Y. Nakama, 2017, Cosmec Science and Technology, Elsevier., licencja: CC BY-SA 3.0.

Polecenie 2

Czy wiesz, jakie zastosowania mają środki powierzchniowo czynne? Czy potrafisz podać ich przykłady? Poniższa grafika przedstawia surfaktanty używane w codziennym życiu. Zapoznaj się z grafiką interaktywną, a następnie wykonaj ćwiczenia.

Grafika interaktywna pt. „Przykłady i zastosowania środków powierzchniowo czynnych” Źródło: Y. Nakama, 2017, Cosmec Science and Technology, Elsevier., domena publiczna.

Ćwiczenie 1 Wybierz prawidłowe odpowiedzi opisujące punkt Kraa.

Punkt Kraa to temperatura, w której drastycznie wzrasta rozpuszczalność niejonowych środków powierzchniowo czynnych w wodzie.

Punkt Kraa to temperatura, w której drastycznie wzrasta rozpuszczalność jonowych środków powierzchniowo czynnych w rozpuszczalnikach organicznych.

Punkt Kraa to temperatura, w której drastycznie wzrasta rozpuszczalność jonowych surfaktantów w wodzie.

Punkt Kraa to temperatura, w której drastycznie wzrasta rozpuszczalność jonowych środków powierzchniowo czynnych w wodzie.

Sprawdź się

Pokaż ćwiczenia: (^) 輸 醙 難

Ćwiczenie 1

Zaznacz prawidłową definicję surfaktantu.

To związek amfifilowy, którego cząsteczki składają się z części hydrofobowej (lipofilowej) części hydrofilowej (lipofobowej). Posiada zdolność do obniżania napięcia powierzchniowego cieczy.

To związek amfifilowy, którego cząsteczki składają się z części hydrofilowej (lipofilowej) oraz części hydrofobowej (lipofobowej). Posiada zdolność do obniżania napięcia powierzchniowego cieczy.

To związek amfifilowy, którego cząsteczki składają się z części hydrofilowej (lipofobowej) oraz części hydrofobowej (lipofilowej). Posiada zdolność do obniżania napięcia powierzchniowego cieczy.

To związek amfifilowy, którego cząsteczki składają się z części hydrofobowej (lipofobowej) oraz części hydrofilowej (lipofilowej). Posiada zdolność do obniżania napięcia powierzchniowego cieczy.

Ćwiczenie 2

Zaznacz, w jakiej postaci surfaktanty występują w roztworze wodnym?

W postaci liniowej.

W postaci odwróconej miceli.

W postaci pojedynczych monomerów.

W postaci miceli.

輸

輸

Ćwiczenie 3

Uzupełnij schemat podziału surfaktantów ze względu na charakter grupy hydrofilowej, korzystając z podanych wyrazów: jonowe, anionowe, mezojonowe, niejonowe, kaonowe, amfoteryczne.

SURFAKTANTY

Ćwiczenie 4

Uzupełnij pojęcie podanej definicji.

• ułożony na kształt kuli zespół cząsteczek związku powierzchniowo czynnego (surfaktantu) lub jonów w roztworze. Posiada działanie solubilizujące, umożliwiające substancji nierozpuszczalnej w wodzie wprowadzenie do fazy wodnej.

Ćwiczenie 5

Wymień cztery funkcje użytkowe, które posiadają surfaktanty.

Odpowiedź:

輸

輸

輸

Ćwiczenie 7

Narysuj model budowy surfaktantu i nazwij odpowiednie fragmenty.

Odpowiedź zapisz w zeszycie do lekcji chemii, zrób zdjęcie, a następnie umieść je w wyznaczonym polu.

Zaloguj się, aby dodać ilustrację.

Ćwiczenie 8

Na podstawie właściwości i budowy surfaktantów wyjaśnij, na czym polega ich funkcja myjąca/piorąca.

Odpowiedź:

難

難

Dla nauczyciela

Scenariusz zajęć

Autor: Aleksandra Marszałek‐Harych, Krzysztof Błaszczak

Przedmiot: chemia

Temat: Substancje powierzchniowo czynne

Grupa docelowa: uczniowie III etapu edukacyjnego, liceum, technikum, zakres podstawowy i rozszerzony; uczniowie III etapu edukacyjnego – kształcenie w zakresie podstawowym i rozszerzonym

Podstawa programowa

Zakres podstawowy

XVII. Estry i tłuszcze. Uczeń:

10. wyjaśnia, na czym polega proces usuwania brudu i bada wpływ twardości wody na powstawanie związków trudno rozpuszczalnych; zaznacza fragmenty hydrofobowe i hydrofilowe we wzorach cząsteczek substancji powierzchniowo czynnych.

Zakres rozszerzony

XVII. Estry i tłuszcze. Uczeń:

11. wyjaśnia, na czym polega proces usuwania brudu; bada wpływ twardości wody na powstawanie związków trudno rozpuszczalnych; zaznacza fragmenty hydrofobowe i hydrofilowe we wzorach cząsteczek substancji powierzchniowo czynnych.

Kształtowane kompetencje kluczowe:

kompetencje w zakresie rozumienia i tworzenia informacji; kompetencje matematyczne oraz kompetencje w zakresie nauk przyrodniczych, technologii i inżynierii; kompetencje cyfrowe; kompetencje osobiste, społeczne i w zakresie umiejętności uczenia się.

Cele operacyjne

Uczeń:

definiuje pojęcie substancji powierzchniowo czynnej;