Moleküler Yapı Özellikleri Yüzey Aktif Maddeler
Yüzey Gerilimi ve Yüzey Aktif Maddeler
Sulu çözeltide pozitif olarak adsorbe olan çözeltiler suyun yüzey gerilimini azaltırken, negatif olarak adsorbe olan çözeltiler suyun yüzey gerilimini artırır.
Yüzey aktif malzemeler (yüzey aktif malzemeler),: sulu çözeltide pozitif adsorpsiyon üretebilen ve böylece suyun yüzey gerilimini önemli ölçüde azaltan geniş bir madde grubu. Örneğin, etanol, propiyonik asit, sodyum dodesil sülfat vb.
Bu tür maddelerin suyun yüzey gerilimini azaltma özelliğine yüzey aktivitesi (surfaceactivity) denir; buna göre suyun yüzey gerilimini azaltamayan pozitif adsorpsiyon üretemeyen inorganik tuzlar, glikoz ve benzeri gibi yüzey-aktif olmayan maddeler olarak adlandırılır.
Yüzey aktif maddeler (sürfaktanlar): yüzey aktif maddelerde, çok düşük konsantrasyonda suyun yüzey gerilimini önemli ölçüde azaltabilen bir madde sınıfı vardır, ancak konsantrasyon belirli bir değere yükseldiğinde, yüzey gerilimi artık azalmaz veya çok yavaş azalır, insanlar bu yüzey aktif madde sınıfını sodyum dodesil sülfat, dodesil trimetil amonyum bromür ve nonil bromür gibi yüzey aktif maddeler (sürfaktanlar) olarak adlandırırlar. Sodyum dodesil sülfat, dodesiltrimetilamonyum bromür ve nonilfenol polioksietilen (9) eter ve diğer maddeler gibi yüzey aktif maddeler.
Yüzey Aktif Maddelerin Moleküler Yapısı
İnsanlar tarafından kullanılan ilk yüzey aktif maddeler, genellikle sabun olarak bilinen yağ asitlerinin sodyum (veya potasyum) tuzlarıydı.
İlk zamanlarda insanlar bitkisel ve hayvansal yağlar ile ot külünü sulu çözeltide karıştırıp sabun yapmak için ısıtıyorlardı.
Daha sonra, kimya endüstrisinin ilerlemesiyle, kostik soda (NaOH), insanlar tarafından katı ve sıvı yağların alkali sabunlaştırılması yoluyla sabun üretilmiştir.
1920'lerde ve 1930'larda, I. Dünya Savaşı katı ve sıvı yağ sıkıntısına yol açtı, sabun ikameleri geliştirmek için Almanya'da alkil benzen sülfonatlar, yağ alkolleri sülfatlar vb. gibi sentetik yüzey aktif maddeler doğdu. Bu yüzey aktif maddeler ortak moleküllere sahiptir.
Bu yüzey aktif madde molekülleri ortak bir moleküler yapıya sahiptir, yani moleküller hem hidrofilik hem de lipofilik gruplar içerir, örneğin sabundaki hidrofilik grup -COONa'dır ve sodyum alkilbenzensülfonatta hidrofilik grup -SO3Na'dır ve lipofilik grupların tümü uzun alkil zincirleridir.
Günümüzde bu tür moleküller amfifilik molekül olarak adlandırılmaktadır; burada hidrofilik grup iyonik amfifilik molekül yapısı kibritlere çok benzer, top kısmı hidrofilik grup, sap kısmı alkil grubu, lipofilik gruptur.
Şekil 1'de gösterildiği gibi
Şekil 1 Yüzey aktif maddelerin top ve çubuk modelinin şematik diyagramı ve su/hava (yağ) arayüzündeki yönsel düzenlemeleri.
Hidrofilik grup, moleküllerin belirli bir suda çözünürlüğe sahip olmasını sağlar.
Lipofilik grup, bu tür moleküllerin belirli bir yağ çözünürlüğüne sahip olmasını sağlar.
Bu moleküller su ile temas ettiğinde, moleküldeki hidrofilik grup su molekülleri ile güçlü bir hidrasyona sahip olup çözünmeye yol açarken, moleküldeki lipofilik grup su molekülleri ile afinite eksikliği nedeniyle su ortamından kaçmak için güçlü bir eğilime sahiptir ve bu iki taban tabana zıt etki, molekülleri su/hava arayüzünde veya su/yağ arayüzünde zenginleştirir, hidrofilik grup sulu fazda ve lipofilik grup hava fazında veya yağ fazında, arayüzde. Şekil 1'de gösterildiği gibi yönlendirilmiş düzenleme.
Birleşik sonuç, yüzey aktif maddenin sulu çözeltide pozitif adsorpsiyonudur ve bu da suyun yüzey geriliminde veya yağ/su arayüzündeki gerilimde önemli bir düşüşe neden olur.
Yüzey aktif maddelerin moleküler yapısının ortak bir özelliği vardır, molekülü iki kısımdan oluşur: bir kısım çözücü seven; diğer kısım çözücü sevmeyen.
Bir kısım çözücü yanlısıdır; diğer kısım çözücüden nefret eder (hidrofobik).
Yüzey aktif maddeler genellikle sulu çözeltilerde kullanıldığından, genellikle yüzey aktif maddenin iki kısmı hidrofilik grup (polar kısım) ve hidrofobik (hidrofobik) grup (polar olmayan kısım) olarak adlandırılır, hidrofobik gruba lipofilik grup da denir.
Şekil 2 (a)'da gösterildiği gibi.
Şekil 2 Yüzey aktif maddelerin moleküler yapısının şematik diyagramı (a)
CH3 (CH2)11SO4 boyutu (b)
Yaygın bir yüzey aktif madde olan sodyum dodesil sülfatı [CH3(CH2)11SO4Na] örnek olarak ele alalım.
Sulu çözeltide CH3(CH2)11 SO4Na, CH3(CH2)11SO4 ve Na+ 'ya iyonize olur ve yüzey-aktif iyon olarak bilinen CH3(CH2)11SO4 başlıca rolü oynar.
Hidrofobik (lipofilik) bir grup olan polar olmayan CH3(CH2)11- ve hidrofilik bir grup olan polar SO4'ten oluşur. Na+ ise karşı iyon olarak adlandırılır.CH3(CH2)11SO4'ün büyüklüğü Şekil 2 (b)'de gösterilmiştir.
Sürfaktanların bu özel yapısı amfifilik yapı olarak adlandırılır (hidrofilik grup hidrofilik ve hidrofobik grup lipofiliktir). Bu nedenle yüzey aktif maddeler amfifilik bileşiklerin bir sınıfıdır.
Bir yüzey aktif maddenin hidrofobik grubu genellikle bir hidrokarbon zincirinin hakim olduğu uzun zincirli bir hidrokarbon grubundan oluşurken, hidrofilik grup (polar grup, baş grup) yüklü iyonik gruplar ve yüksüz polar gruplar dahil olmak üzere çok çeşitli gruplara sahiptir.
Yüzey-aktif maddelerin tüm molekülleri amfifilik bir moleküler yapıya sahiptir. Sulu çözelti açısından, hidrofilik grubun hidrofilikliği ve lipofilik grubun lipofilikliği, önemli yüzey aktivitesine sahip olmak için temel olarak eşleşmelidir, her iki tarafın da çok güçlü veya çok zayıf olması, yüzey aktivitesinin amfifilik moleküllerini önemli ölçüde zayıflatacaktır.
Karbon atomu sayısı 8'in altında olduğunda, hidrofiliklik çok güçlüdür, örneğin formik asit, asetik asit, propiyonik asit, bütirik asit amfifilik yapıya sahiptir, ancak sadece yüzey aktivitesine sahiptir, yüzey aktif madde olamaz.
Genel anlamda bir yüzey aktif maddenin hidrofobik zinciri yeterince büyük, genellikle 8 karbon atomunun üzerinde olmalıdır (kesin bir sınır yoktur).
Aksine, karbon atomlarının sayısı 20'nin üzerinde olduğunda, lipofiliklik çok güçlüdür, sudaki çözünürlük çok azdır ve tipik bir yüzey aktif madde olamaz. Örneğin, sabun söz konusu olduğunda, yağ asitleri karbon atomları 8 ila 20 aralığında olduğunda iyi yüzey aktif maddeler haline gelir.
Yüzey aktif maddelerin temel işlevleri
Yüzey aktif maddeler işlevsel ince kimyasallardır.
Yüzey aktif maddelerin en temel iki işlevi vardır:
Birincisi
Adsorpsiyon filmi (genellikle monomoleküler film) oluşturan yüzey (sınır) yüzeyinde adsorpsiyon;.
İkincisi ise
Çözelti içinde kendi kendine polimerizasyon, moleküler olarak düzenlenmiş birçok montaj türü oluşturur.
Bu iki işlevden, diğer çeşitli işlevler
uygulama fonksiyonları.
Yüzey aktif maddelerin yüzeyde adsorpsiyonu, yüzey geriliminin azalmasına ve sistemin yüzey kimyasında bir değişikliğe neden olur.
Böylece yüzey aktif madde köpürme, köpük giderme, emülsifiye etme, demülsifiye etme, dağıtma, floküle etme, ıslatma, yayma, nüfuz etme, yağlama, antistatik ve bakterisit işlevlerine sahiptir.
Yüzey aktif maddeler çözelti içinde kendiliğinden polimerleşerek miseller, antikolloidler, veziküller, sıvı kristaller ve benzeri gibi çeşitli moleküler olarak düzenlenmiş düzenekler oluşturur. Bu moleküler olarak düzenlenmiş düzenekler çok çeşitli uygulama işlevleri sergiler.
Bunlardan en temel olanı misellerin çözünürleştirme (çözündürme olarak da bilinir) işlevidir.
Misellerin ve diğer moleküler olarak düzenlenmiş düzeneklerin çözündürme etkisine dayanarak, misel katalizi, mikroemülsiyon oluşumu ve ara reaksiyon ortamı ve mikroreaktörler, ilaç taşıyıcıları vb. gibi işlevler türetilmiştir.
Yüzey aktif maddelerin deterjan işlevi de büyük ölçüde misellerin yağ üzerindeki çözündürücü etkisiyle ilgilidir.
Sürfaktan moleküler olarak düzenlenmiş bileşimlerin boyutu veya toplanmış moleküler katmanların kalınlığı nanometre ölçeğine yakındır, bu da "kuantum boyutu etkisi" ile ultra ince parçacıkların oluşumu için uygun bir yer ve koşullar sağlayabilir.
Bu nedenle, yüzey aktif madde moleküler olarak düzenlenmiş düzenekler, ultra ince partiküllerin (örneğin nanopartiküller) hazırlanması için şablon (şablon işlevi) olarak kullanılabilir.
Moleküler olarak düzenlenmiş düzeneklerin özel yapısı, onları biyofilmleri modellemek için en uygun hale getirir.
Moleküler olarak düzenlenmiş düzenekler, çözeltileri yeni ve karmaşık faz davranışı veya olağandışı reolojik özellikler, optik özellikler, kimyasal reaktivite vb. sergileyen gelişmiş düzenlenmiş yapılar (supramoleküler yapılar) oluşturmak üzere yeniden düzenlenebilir. Böylece, başka özel uygulama işlevlerine de sahip olurlar.
Deterjanlarda yüzey aktif madde uygulama prensipleri
Yüzey aktif maddelerin geleneksel alanlarda uygulanması
Yüzey aktif maddeler ıslatma, emülsifiye etme, dağıtma, çözündürme, köpürme ve köpük giderme, nüfuz etme, yıkama, antistatik, bakterisit vb. gibi bir dizi üstün özelliğe sahiptir. Deterjanlar, kozmetikler, kişisel hijyen ürünleri gibi geleneksel sivil alanların yanı sıra tekstil, gıda, ilaç ve pestisitler, boya ve kaplamalar, inşaat, mineral flotasyonu, enerji, kağıt hamuru ve kağıt, tabaklama ve diğer endüstriler gibi endüstriyel ve teknolojik alanlarda geniş bir uygulama yelpazesine sahiptirler.
Son yıllarda, yüksek ve yeni teknolojinin gelişimi her geçen gün değişmekte ve yüzey aktif maddeler nanoteknoloji, çevre koruma; yeni malzemeler, yaşam bilimleri ve diğer yüksek teknoloji alanlarında benzersiz işlevleriyle vazgeçilmez ürünler haline gelmektedir.
Deterjanlarda yüzey aktif maddelerin uygulama prensibi
Deterjanlar, nesnelerin yüzeyindeki kiri çıkarmak ve temizlik ve temizleme amacına ulaşmak için yüzey aktif maddeler, deterjanlar ve yardımcı maddelerden formüle edilen günlük kullanım kimyasallarıdır.
Şu anda sivil alanda yaygın olarak kullanılan deterjanlar temel olarak giysilerin temizlenmesi için çamaşır deterjanı ve yumuşatıcı, sofra takımlarının, meyve ve sebzelerin temizlenmesi için deterjan ve bulaşık deterjanı, mutfak için yağ sökücü, tuvalet temizliği için klozet temizleyici ve diğer ana kategorileri içermektedir.
Yüzey aktif madde deterjanın ana bileşenidir, bu nedenle deterjan ve yüzey aktif madde, mükemmel yıkama ve dekontaminasyon kabiliyetine ek olarak, aynı zamanda iyi ıslatma, köpürme, emülsifikasyon, dispersiyon, çözünürleştirme kabiliyetine sahiptir.
İlk deterjanlarda genellikle sodyum alkilbenzen sülfonat gibi tek bir yüzey aktif madde kullanılırdı. Ancak günümüzde deterjanlar genellikle anyonik/anyonik kompleks veya anyonik/noniyonik kompleks gibi kompleks yüzey aktif maddeler kullanmaktadır.
Yüzey aktif madde karışımları arasındaki sinerjik etki nedeniyle, deterjanlar bazen daha düşük yüzey aktif madde içeriklerinde iyi deterjan deterjanına sahiptir.
Deterjan dekontaminasyon süreci ve ilgili mekanizma kısaca tanıtılmıştır. Prosesin özü, yüzey aktif maddelerin fizikokimyasal etkisi ve su akışının mekanik ve sulu etkisi yoluyla kirin temizlenecek nesnenin yüzeyinden ayrılması ve su akışı tarafından taşınmasıdır.
Yüzey aktif maddenin kir ve alt tabaka yüzeyine adsorpsiyonu anahtardır ve bu aşağıdaki temel eylemler dizisine yol açar.
(1) Penetrasyon ve ıslatma
Yıkama işlemi sırasında, yüzey aktif madde molekülleri eşyanın ve kirin yüzeyine adsorbe olabilir, ortam (genellikle su) ile eşyanın yüzeyi arasındaki ve ayrıca ortam ile kirin yüzeyi arasındaki ara yüzey gerilimini azaltabilir, böylece ortam eşyanın yüzeyi ile kir arasına nüfuz edebilir ve eşyanın içine girebilir. Bu eylem deterjanın ıslatma penetrasyon eylemi olarak adlandırılır.
Yıkama sıvısının yıkama maddesi üzerinde ıslanması, yıkama için bir ön koşuldur, yıkama sıvısı maddeyi iyi ıslatamazsa, iyi bir yıkama ve dekontaminasyon etkisi olmaz.
Deterjan çözeltisinin ıslatıcı penetrasyon etkisi sadece eşyanın yüzeyi ile kirin yüzeyi arasındaki çekimi azaltmakla kalmaz, aynı zamanda uygun dış kuvvet uygulandığında ince parçacıklara ayrılabilen ve ortamda dağılabilen kir parçacıkları arasındaki çekimi de azaltır.
Resim
(2) Emülsifikasyon ve dispersiyon
Yıkama işleminde, yüzey aktif maddelerin fiziksel ve kimyasal etkileri ve mekanik çalkalama yardımıyla, yağ bir O/W emülsiyonu oluşturmak üzere emülsifiye edilir. İyi performansa sahip deterjanların sulu çözeltilerinin çoğu düşük yüzey gerilimine ve yağ/su arayüzey gerilimine sahiptir.
Aynı zamanda daha düşük ara yüzey geriliminde, ara yüzey filminin belirli bir mukavemetini oluşturmak için yağ / su arayüzündeki yüzey aktif madde, yağ boncuklarının toplanmasını önleyebilir, emülsiyonun stabilitesine yardımcı olur, böylece yağ lekelerinin tekrar malların yüzeyinde birikmesi kolay değildir. Düşük arayüzey gerilimi, sıvı kirin emülsifikasyonuna yardımcı olur ve bu nedenle sıvı kirin çıkarılmasına yardımcı olur.
Elbette, yıkama işlemi sırasında, sıvı kir doğrudan ortamda çözülmez, ancak yüzey aktif maddenin etkisi altında, önce "sarılır" ve daha sonra su akışının etkisi altında eşyanın yüzeyinden ayrılır ve emülsifiye edilir ve ortamda askıya alınır.
Resim
(3) Çözündürücü etki
Yüzey aktif madde konsantrasyonu kritik misel konsantrasyonundan (cmc) daha yüksek olduğunda, çözeltide miseller oluşur. Sulu ortamdaki bazı çözünmeyen veya az çözünen maddeler misellerin içine difüze olur, böylece ortamdaki çözünürlükleri önemli ölçüde artar, bu etkiye misellerin çözünürleştirilmesi denir.
Resim
Emülsifikasyona ek olarak, yağın miseller tarafından çözündürülmesi, katı yüzeylerden sıvı kiri çıkarmanın diğer ana yolu olabilir.
Polar olmayan yağlar genellikle misellerin polar olmayan çekirdeğinde çözünürleştirilirken, polar yağlar polaritelerine ve moleküler yapılarına bağlı olarak misel kabuğunun polar grup bölgesinde çözünürleştirilebilir; amfifilik yağlar söz konusu olduğunda, yağ molekülünün polar grubu misel yüzeyine "demirlenirken", polar olmayan hidrokarbon zinciri misel çekirdeğine yerleştirilecektir.
Yüzey aktif madde konsantrasyonu cmc'den büyük olduğunda, deterjandaki artışın çok sınırlı olduğu, bu nedenle çözünürleştirmenin yıkama işleminde önemli bir faktör olmadığı gösterilmiştir.
Bununla birlikte, yerel yıkama işleminde (sabun veya diğer deterjanlarla ovulan yerel giysilerin yanı sıra yüzün ve ellerin sabunla yıkanması gibi), deterjan miktarı büyüktür, yüzey aktif madde konsantrasyonu çok yüksektir, bu sırada misellerdeki yağın çözünürleştirilmesi, yağın giderilmesinin ana mekanizması olacaktır.
(4) Köpürme etkisi
Deterjan, ortam / hava arasındaki arayüzey gerilimini azaltır, böylece hava ortamda dağılabilir ve kabarcık oluşumu sağlanabilir. Aynı zamanda kabarcık yüzeyindeki yüzey aktif madde, köpüğün stabilitesini korumak için filmin yönlü düzenlemesinin katı bir tabakasını oluşturur, bu da köpürme, kabarcık stabilizasyonudur.
Köpük ve yıkama etkisinin doğrudan bir ilişkisi olmamasına rağmen, kiri adsorbe edebilir, böylece köpükte toplanır ve kir medya çözeltisinin yüzeyine gelir.
Bununla birlikte, endüstriyel yıkama işleminde veya aile çamaşır makinesi yıkama işleminde, köpüğün ortaya çıkması, temiz durulanmadığı izlenimini verir, durulama sayısını artırma ihtiyacı, bu nedenle makine yıkama genellikle düşük köpüklü tip deterjandır.