Estrutura molecular Características de Surfactantes

Tensão superficial e substâncias ativas de superfície

Os solutos que se adsorvem positivamente em uma solução aquosa reduzem a tensão superficial da água, enquanto os solutos que se adsorvem negativamente aumentam a tensão superficial da água.

Materiais ativos de superfície (materiais ativos de superfície): um grande grupo de substâncias que podem produzir adsorção positiva em solução aquosa e, assim, reduzir significativamente a tensão superficial da água. Por exemplo, etanol, ácido propiônico, dodecil sulfato de sódio e assim por diante.

A natureza de tais substâncias para reduzir a tensão superficial da água é chamada de atividade superficial (surfaceactivity); portanto, não pode produzir adsorção positiva que não pode reduzir a tensão superficial da água é chamada de substâncias não-ativas de superfície, como sais inorgânicos, glicose e assim por diante.

Surfactantes (surfactantes): nas substâncias tensoativas, há uma classe de substâncias que, em uma concentração muito baixa, podem fazer com que a tensão superficial da água diminua significativamente, mas quando a concentração aumenta até um determinado valor, a tensão superficial não diminui mais ou diminui muito lentamente. Surfactantes, como dodecil sulfato de sódio, brometo de dodeciltrimetilamônio e éter de nonilfenol polioxietileno (9) e outras substâncias.

Estrutura molecular dos surfactantes

Os primeiros surfactantes usados por humanos foram os sais de sódio (ou potássio) de ácidos graxos, comumente conhecidos como sabões.

Nos primórdios, as pessoas misturavam gorduras vegetais e animais e solução aquosa de cinzas de grama e aqueciam para fazer sabão.

Posteriormente, com o progresso da indústria química, a soda cáustica (NaOH) foi utilizada na saponificação alcalina de gorduras e óleos para produzir sabão.

Nas décadas de 1920 e 1930, a Primeira Guerra Mundial levou a uma escassez de gorduras e óleos. Para desenvolver substitutos para o sabão, surgiram na Alemanha os surfactantes sintéticos, como sulfonatos de alquilbenzeno, sulfatos de álcoois graxos etc. Esses surfactantes têm moléculas comuns.

Essas moléculas de surfactante têm uma estrutura molecular comum, ou seja, as moléculas contêm grupos hidrofílicos e lipofílicos, por exemplo, o grupo hidrofílico no sabão é -COONa, e no alquilbenzenossulfonato de sódio o grupo hidrofílico é -SO3Na, e os grupos lipofílicos são todos cadeias alquílicas longas.

Hoje em dia, esse tipo de molécula é chamado de molécula anfifílica, na qual o grupo hidrofílico é a estrutura da molécula anfifílica iônica, muito semelhante aos fósforos, a parte esférica é o grupo hidrofílico, a parte do pedúnculo é o grupo alquil e o grupo lipofílico.
Conforme mostrado na Figura 1

Figura 1 Diagrama esquemático do modelo de bola e bastão dos surfactantes e sua disposição direcional na interface água/ar (óleo).

O grupo hidrofílico faz com que as moléculas tenham certa solubilidade em água.
O grupo lipofílico faz com que esse tipo de molécula tenha certa solubilidade em óleo.

Quando essas moléculas estão em contato com a água, o grupo hidrofílico na molécula tem uma forte hidratação com as moléculas de água e leva à dissolução, enquanto o grupo lipofílico na molécula tem uma forte tendência a escapar do ambiente aquoso devido à falta de afinidade com as moléculas de água, e esses dois efeitos diametralmente opostos fazem com que as moléculas sejam enriquecidas na interface água/ar ou na interface água/óleo, com o grupo hidrofílico na fase aquosa e o grupo lipofílico na fase de ar ou na fase de óleo, na interface. A interface é orientada para um arranjo orientado, conforme mostrado na Fig. 1.

O resultado combinado é uma adsorção positiva do surfactante em uma solução aquosa, resultando em uma diminuição significativa da tensão superficial da água ou da tensão na interface óleo/água.

A estrutura molecular dos surfactantes tem uma coisa em comum: sua molécula consiste em duas partes: uma parte é amante do solvente; a outra parte é amante do solvente.
Uma parte é pró-solvente; a outra parte é odiosa ao solvente (hidrofóbica).

Como os surfactantes são normalmente usados em soluções aquosas, eles costumam ser chamados de grupo hidrofílico (parte polar) e grupo hidrofóbico (parte não polar), o grupo hidrofóbico também é chamado de grupo lipofílico.
Conforme mostrado na Fig. 2 (a).

Figura 2 Diagrama esquemático da estrutura molecular dos surfactantes (a)
Tamanho do CH3 (CH2)11SO4 (b)

Tomando um surfactante comum, o dodecil sulfato de sódio [CH3(CH2)11SO4Na], como exemplo.
Em solução aquosa, o CH3(CH2)11 SO4Na é ionizado em CH3(CH2)11SO4 e Na+, e é o CH3(CH2)11SO4, conhecido como íon tensoativo, que desempenha o papel principal.

Ele é composto pelo CH3(CH2)11- não polar, que é um grupo hidrofóbico (lipofílico), e pelo SO4 polar, que é um grupo hidrofílico. O Na+, por outro lado, é chamado de contra-íon. A magnitude do CH3 (CH2)11SO4 é mostrada na Fig. 2 (b).

Essa estrutura específica dos surfactantes é chamada de estrutura anfifílica (o grupo hidrofílico é hidrofílico e o grupo hidrofóbico é lipofílico). Assim, os surfactantes são uma classe de compostos anfifílicos.

O grupo hidrofóbico de um surfactante é geralmente composto por um grupo de hidrocarboneto de cadeia longa, dominado por uma cadeia de hidrocarboneto, enquanto o grupo hidrofílico (grupo polar, grupo principal) tem uma grande variedade de grupos, incluindo grupos iônicos carregados e grupos polares não carregados.

 

Todas as moléculas de substâncias tensoativas têm uma estrutura molecular anfifílica. Em termos de solução aquosa, a hidrofilicidade do grupo hidrofílico e a lipofilicidade do grupo lipofílico devem ser basicamente compatíveis para que haja uma atividade de superfície significativa; um lado muito forte ou muito fraco enfraquecerá significativamente as moléculas anfifílicas de atividade de superfície.

Quando o número de átomos de carbono é inferior a 8, a hidrofilicidade é muito forte, por exemplo, o ácido fórmico, o ácido acético, o ácido propiônico e o ácido butírico têm estrutura anfifílica, mas só têm atividade superficial, não podem ser surfactantes.

A cadeia hidrofóbica de um surfactante no sentido geral deve ser grande o suficiente, geralmente acima de 8 átomos de carbono (não há um limite rígido).

Ao contrário, quando o número de átomos de carbono está acima de 20, a lipofilicidade é muito forte, a solubilidade em água é muito pequena e não pode ser um surfactante típico. Por exemplo, no caso do sabão, os ácidos graxos se tornam bons surfactantes quando seus átomos de carbono estão na faixa de 8 a 20.

 

Funções básicas dos surfactantes

Os surfactantes são produtos químicos finos funcionais.

 

Há duas funções mais básicas dos surfactantes:

 

A primeira é

 

Adsorção na superfície (limite), formando um filme de adsorção (geralmente um filme monomolecular);.

 

A segunda é

 

Auto-polimerização dentro da solução, formando muitos tipos de conjuntos ordenados molecularmente.

 

A partir dessas duas funções, uma variedade de outras

funções do aplicativo.

 

A adsorção de surfactantes na superfície resulta em uma redução da tensão superficial e em uma mudança na química da superfície do sistema.

 

Assim, o surfactante tem as funções de espumar, antiespumar, emulsificar, desemulsificar, dispersar, flocular, umedecer, espalhar, penetrar, lubrificar, antiestático e bactericida.

 

Os surfactantes se autopolimerizam na solução para formar várias formas de conjuntos ordenados molecularmente, como micelas, anticolóides, vesículas, cristais líquidos e assim por diante. Esses conjuntos molecularmente ordenados apresentam uma ampla variedade de funções de aplicação.

A mais básica delas é a função de solubilização (também conhecida como solubilização) das micelas.

 

Com base no efeito solubilizante das micelas e de outros conjuntos ordenados molecularmente, foram derivadas funções como catálise de micelas, formação de microemulsões e uso como meios de reação espaçadores e microrreatores, transportadores de medicamentos, etc.

 

A função detergente dos surfactantes também está amplamente relacionada ao efeito solubilizante das micelas no óleo.

 

O tamanho das composições ordenadas molecularmente do surfactante ou a espessura das camadas moleculares agregadas está próximo da escala nanométrica, o que pode proporcionar um local e condições adequados para a formação de partículas ultrafinas com "efeito de tamanho quântico".

Portanto, os conjuntos ordenados molecularmente de surfactantes podem ser usados como modelos (função de modelo) para a preparação de partículas ultrafinas (por exemplo, nanopartículas).

 

A estrutura especial dos conjuntos ordenados molecularmente os torna ideais para a modelagem de biofilmes.

Os conjuntos ordenados molecularmente também podem ser reorganizados para formar estruturas ordenadas avançadas (estruturas supramoleculares), cujas soluções exibem um comportamento de fase novo e complexo ou propriedades reológicas incomuns, propriedades ópticas, reatividade química e assim por diante. Assim, eles têm outras funções especiais de aplicação.

Princípios de aplicação de surfactantes em detergentes

Aplicação de surfactantes em campos tradicionais

Os surfactantes têm uma série de propriedades superiores, como umectante, emulsificante, dispersante, solubilizante, espumante e antiespumante, penetrante, lavante, antiestático, bactericida, etc. Eles têm uma ampla gama de aplicações em campos civis tradicionais, como detergentes, cosméticos, produtos de higiene pessoal, etc., bem como em campos industriais e tecnológicos, como têxteis, alimentos, medicamentos e pesticidas, tintas e revestimentos, construção, flotação mineral, energia, papel e celulose, curtume e outros setores.

Nos últimos anos, o desenvolvimento de alta e nova tecnologia está mudando a cada dia, e os surfactantes, com suas funções exclusivas em nanotecnologia, proteção ambiental, novos materiais, ciências da vida e outros campos de alta tecnologia, tornaram-se produtos indispensáveis.

Princípio de aplicação de surfactantes em detergentes

Os detergentes são produtos químicos de uso diário formulados a partir de surfactantes, detergentes e auxiliares para remover a sujeira da superfície dos objetos e atingir a finalidade de limpeza e higienização.

Atualmente, os detergentes comumente usados na área civil incluem principalmente detergente para roupas e amaciante de roupas para a limpeza de roupas, detergente e líquido para lavar louça para a limpeza de louças, frutas e legumes, removedor de gordura para a cozinha, limpador de vaso sanitário para a limpeza do vaso sanitário e outras categorias importantes.

O surfactante é o principal ingrediente do detergente, portanto, o detergente e o surfactante, além da excelente capacidade de lavagem e descontaminação, também têm boa capacidade de umectação, formação de espuma, emulsificação, dispersão e solubilização.

Os primeiros detergentes geralmente usavam um único surfactante, como o alquilbenzeno sulfonato de sódio. No entanto, os detergentes atuais geralmente usam surfactantes complexos, como complexo aniônico/aniônico ou complexo aniônico/não iônico.

Devido ao efeito sinérgico entre as misturas de surfactantes, os detergentes às vezes apresentam boa detergência detergente com teores mais baixos de surfactantes.

O processo de descontaminação por detergente e o mecanismo relacionado foram brevemente apresentados. A essência do processo é separar a sujeira da superfície do objeto a ser limpo por meio da ação físico-química dos surfactantes e da ação mecânica e aquosa do fluxo de água, e ser levada pelo fluxo de água.

A adsorção do surfactante na superfície da sujeira e do substrato é a chave, e isso leva à seguinte série de ações básicas.

(1) Penetração e umedecimento

Durante o processo de lavagem, as moléculas de surfactante são capazes de se adsorver na superfície do artigo e da sujeira, reduzindo a tensão interfacial entre o meio (geralmente água) e a superfície do artigo, bem como entre o meio e a superfície da sujeira, de modo que o meio é capaz de penetrar entre a superfície do artigo e a sujeira e penetrar no interior do artigo. Essa ação é chamada de ação de penetração de umedecimento do detergente.

O umedecimento do líquido de lavagem no artigo de lavagem é um pré-requisito para a lavagem. Se o líquido de lavagem não conseguir molhar bem o artigo, não haverá um bom efeito de lavagem e descontaminação.

O efeito de penetração molhante da solução detergente não apenas reduz a atração entre a superfície do artigo e a superfície da sujeira, mas também reduz a atração entre as partículas da sujeira, que podem ser quebradas em partículas finas e dispersas no meio quando a força externa apropriada é aplicada.

Imagem

(2) Emulsificação e dispersão

No processo de lavagem, com a ajuda dos efeitos físicos e químicos dos surfactantes e da agitação mecânica, o óleo é emulsionado para formar uma emulsão O/W. A maioria das soluções aquosas de detergentes com bom desempenho tem baixa tensão superficial e tensão interfacial óleo/água.

Na tensão interfacial mais baixa, ao mesmo tempo, o surfactante na interface óleo/água forma uma certa resistência do filme interfacial, pode impedir a agregação de grânulos de óleo e favorece a estabilidade da emulsão, de modo que as manchas de óleo não se depositem facilmente na superfície dos produtos novamente. A tensão interfacial mais baixa favorece a emulsificação da sujeira líquida e, portanto, favorece a remoção da sujeira líquida.

É claro que, durante o processo de lavagem, a sujeira líquida não é dissolvida diretamente no meio, mas, sob a ação do surfactante, ela é primeiramente "enrolada" e, em seguida, desprendida da superfície do artigo sob a ação do fluxo de água, emulsificada e suspensa no meio.

 

Imagem

(3) Efeito solubilizante

Quando a concentração de surfactante é maior do que a concentração micelar crítica (cmc), formam-se micelas na solução. Algumas substâncias insolúveis ou levemente solúveis no meio aquoso se difundirão nas micelas, aumentando significativamente sua solubilidade no meio.

 

Imagem

Além da emulsificação, a solubilização do óleo por micelas pode ser a outra principal maneira de remover a sujeira líquida de superfícies sólidas.

Os óleos não polares geralmente são solubilizados no núcleo não polar das micelas, enquanto os óleos polares podem ser solubilizados na região do grupo polar do invólucro micelar, dependendo de sua polaridade e estrutura molecular; no caso de óleos anfifílicos, o grupo polar da molécula de óleo será "ancorado" na superfície da micela, enquanto a cadeia de hidrocarboneto não polar será inserida no núcleo micelar.

Foi demonstrado que, quando a concentração de surfactante é maior que a cmc, o aumento da detergência é muito limitado, de modo que a solubilização não é um fator importante no processo de lavagem.

No entanto, no processo de lavagem local (como esfregar a roupa localmente com sabão ou outros detergentes, bem como lavar o rosto e as mãos com sabão, etc.), a quantidade de detergente é grande, a concentração de surfactante é muito alta e, nesse momento, a solubilização do óleo nas micelas será o principal mecanismo de remoção de óleo.

(4) Efeito de espuma

O detergente reduz a tensão interfacial entre o meio/ar, de modo que o ar possa ser disperso no meio e a formação de bolhas. Ao mesmo tempo, o surfactante na superfície da bolha forma uma camada sólida de disposição direcional do filme, para manter a estabilidade da espuma, que é a formação de espuma e a estabilização da bolha.

Embora a espuma e o efeito de lavagem não tenham uma relação direta correspondente, ela pode adsorver a sujeira que foi dispersa, de modo que ela se acumule na espuma, e a sujeira na superfície da solução de mídia.

No entanto, no processo de lavagem industrial ou no processo de lavagem da máquina de lavar roupas da família, o surgimento de espuma dá a impressão de que o enxágue não é limpo, sendo necessário aumentar o número de enxágues.