Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Pobierz materiał do PDF Zaloguj się, aby dodać do ulubionych Zaloguj się, aby skopiować i edytować materiał Zaloguj się, aby udostępnić materiał Zaloguj się, aby dodać całą stronę do teczki
bg‑azure

Substancje powierzchniowo czynne

SurfaktantysurfaktantySurfaktanty to inaczej substancje powierzchniowo czynne amfifilowe, zbudowane z części hydrofilowej tzw. „głowy” i części hydrofobowej tzw. „ogonem”. Ze względu na swoją amfifilową (hydrofobowo‑hydrofilową) budowę mają zdolność do obniżania napięcia powierzchniowego na granicy faz układu cieczy, zmieniając tym samym jej energię swobodnąenergia swobodnaenergię swobodną.

RdG1SELscTfAI
Schemat budowy surfaktantów
Źródło: GroMar sp.z.o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Polarna część hydrofilowa, zwana też lipofobową, charakteryzuje się powinowactwem do cieczy polarnych, dzięki czemu surfaktanty ulegają rozpuszczaniu w wodzie i w innych cieczach polarnych. Tę część surfaktantu stanowi zwykle reszta kwasowa (np. grupa karboksylowa -COOH, grupa sulfonowa -SO3H, grupa fosforanowa -O-PO-OH2) lub zasadowa (np. pierwszorzędowa grupa aminowa – NH 2 , drugorzędowa grupa aminowa -NHR, trzeciorzędowa grupa aminowa -NR2 lub grupa pirydyniowa 
-NC5H5).

Niepolarna część hydrofobowa, zwana też lipofilową, wykazuje powinowactwo do cieczy niepolarnych. Ta z kolei część surfaktantu ma charakter soli organicznej i może zawierać resztę zasadową lub resztę kwasową. Takie ugrupowanie to najczęściej prosty, długi alifatyczny łańcuch węglowodorowy w tym surfaktancie.

Ciekawostka
R7CuaX1ModtWy1
Surfaktanty znajdują się też naturalnie w płucach.
Źródło: dostępny w internecie: pixabay.com, domena publiczna.

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.

bg‑azure

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.

RGmAoGhddzyaN1
Ilustracja interaktywna przedstawia surfaktanty o różnej budowie. 1. Na ilustracji jest niebieska kulka połączona z prawej strony z falistą linią. Na kulce jest minus, przed kulką jest mała, żółta kulka oznaczona jako plus. To surfaktant o budowie KLASYCZNEJ., 2. Na ilustracji dwie niebieskie kulki połączone są w poziomie falistą linią. To surfaktant o budowie BOLAFORMOWEJ., 3. Na ilustracji dwie niebieskie kulki połączone są w poziomie falistą linią. Kulki po lewej lub prawej stronie także mają faliste linie. To surfaktant o budowie GEMINALNEJ., 4. Na ilustracji trzy kulki są połączone falistą linią. Każda w dół również ma linię falistą. To surfaktant o budowie ZWIĄZKI TRIMERYCZNEJ., 5. Na ilustracji kilka niebieskich kulek jest ze sobą w linii poziomej połączonych falistymi liniami. Dodatkowo kulki mają faliste linie przyczepione na górze lub na dole. To surfaktant o budowie ZWIĄZKI POLIMERYCZNEJ.
Surfaktanty o różnej budowie
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

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.

REmUSrpGcLV3R1
Mapa myśli. Lista elementów: Nazwa kategorii: SURFAKTANTYElementy należące do kategorii SURFAKTANTYNazwa kategorii: NIEJONOWEElementy należące do kategorii NIEJONOWENazwa kategorii: grupy hydrofilowe nie tworzą soliKoniec elementów należących do kategorii NIEJONOWENazwa kategorii: JONOWEElementy należące do kategorii JONOWENazwa kategorii: ANIONOWE (AZPC)Elementy należące do kategorii ANIONOWE (AZPC)Nazwa kategorii: czynną częścią jest anionKoniec elementów należących do kategorii ANIONOWE (AZPC)Nazwa kategorii: KATIONOWE (KZPC)Elementy należące do kategorii KATIONOWE (KZPC)Nazwa kategorii: czynną częścią jest kationKoniec elementów należących do kategorii KATIONOWE (KZPC)Nazwa kategorii: AMFOTERYCZNEElementy należące do kategorii AMFOTERYCZNENazwa kategorii: grupy hydrofilowe o charakterze kwaśnym i zasadowymKoniec elementów należących do kategorii AMFOTERYCZNENazwa kategorii: MEZOJONOWEElementy należące do kategorii MEZOJONOWENazwa kategorii: grupa polarna cząsteczki ma charakter grupy mezojonowejKoniec elementów należących do kategorii MEZOJONOWEKoniec elementów należących do kategorii JONOWEKoniec elementów należących do kategorii SURFAKTANTY
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.

bg‑azure

Surfaktanty niejonowe

RNWvrMXDEBlby
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, alkoholoamidy. Mogą się rozpuszczać w wodzie lub przeciwnie (wówczas rozpuszczają się w tłuszczach) lub mogą ulegać dyspersji.

RbRb5tOWLylEv
Przykłady niejonowych surfaktantów
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
bg‑azure

Surfaktanty jonowe

Amfoteryczne surfaktanty wykazują budowę typową dla jonów obojnaczych, ich polarna „głowa” posiada zarówno ładunek dodatni, jak i ujemny. W zależności od pH roztworu, mogą występować w postaci anionu, kationu oraz jonu obojnaczego.

R64Hu3rCVGO2U
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.

R1D10uzTl4xNS
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.

RlhaYWixoNdyh
Model surfaktantu kationowego
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.

RMWMHV4avuniL
Przykłady kationowych 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.

Rr67ZLNNJY6QI
Model surfaktantu anionowego
Źródło: GroMar sp.z.o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Pierwszą podgrupę reprezentują związki o właściwościach zwilżających i pianotwórczych: alkilosiarczany, alkilosulfoniany, alkilonaftalenosulfoniany oraz pochodne niższych kwasów tłuszczowych. Druga podgrupa wykazuje dobre właściwości piorące i pianotwórcze – to pochodne wyższych kwasów tłuszczowych, alkenosulfoniany, alkilopolioksyetylenosiarczany oraz pochodne kondensacji aminokwasów z kwasami tłuszczowymi. Kolejna podgrupa zawiera alkanosulfoniany i sulfonowane estry nasyconych kwasów tłuszczowych, które posiadają dobre właściwości zwilżające. Czwartą podgrupę reprezentują związki o dobrych właściwościach dyspergujących i zwilżających. Należą do niej produkty sulfonowania kwasu oleinowego i olejów. Dwie ostatnie podgrupy to przykłady substancji powierzchniowo czynnych o dobrych właściwościach dyspergujących. Podgrupa piąta zawiera związki z dwiema grupami hydrofilowymi (w środku cząsteczki) i jednym długim łańcuchem hydrofobowym, a szósta reprezentowana jest przez surfaktanty, które zawierają trzy grupy hydrofilowe (dwie w środku cząsteczki) z pojedynczym hydrofobowym łańcuchem.

Rh9hbMXo8M18h
Przykłady surfaktantu anionowego (SDS‑laurylosiarczan sodu)
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Mezojonowe surfaktanty to związki posiadające hydrofilową „głowę” o rezonansowym rozkładzie ładunku. Przykładami tej grupy związków są aminoimidy oraz pochodne alkilosydnonowe, które powstają w wyniku reakcji N‑alkiloglicyny z kwasem azotowym(III).

R1LEKWg6ZvwAw
Model surfaktantu mezojonowego
Źródło: GroMar sp.z.o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
R1blBaqMrYhp2
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 CO 2 . Innymi przykładami ekologicznych surfaktantów są biosurfaktanty.

Indeks górny 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. Indeks górny koniec

bg‑azure

Biosurfaktanty

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).

bg‑azure

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 micelarnemicelamicelarne. 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)krytyczne stężenie micelarnekrytyczne stężenie micelarne (CMC). Jest to minimalne stężenie surfaktantu, przy którym obie te formy istnieją w roztworze.

RPcgtll82DJBV
Orientacja surfaktantów w fazie wodnej
Źródło: GroMar sp.z.o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Słownik

surfaktanty
surfaktanty

(ang. Surface Active Agent) inaczej tenzydy, substancje powierzchniowo czynne (ZPC) - związki amfifilowe, których cząsteczki zbudowane są z części hydrofobowej (o małym powinowactwie do wody) oraz części hydrofilowej (o dużym powinowactwie do wody), dzięki czemu charakteryzują się zdolnościami obniżającymi napięcie powierzchniowe na granicy faz danego układu cieczy

krytyczne stężenie micelarne
krytyczne stężenie micelarne

wartość stężenia surfaktantu w roztworze, powyżej którego znajduje się on w formie zagregowanej, poniżej zaś w postaci pojedynczych cząsteczek

micela
micela

(łac. mica „okruszyna”) ułożony na kształt kuli zespół cząsteczek związku powierzchniowo czynnego (surfaktantu) lub jonów w roztworze. Posiadają działanie solubilizujące, które umożliwia substancji nierozpuszczalnej w wodzie wprowadzenie do fazy wodnej

energia swobodna
energia swobodna

jest potencjałem termodynamicznym w procesach przebiegających bez zmiany temperatury i objętości; w procesach odwracalnych zachodzących w stałej temperaturze (izotermicznych) zmiana energii swobodnej jest równa pracy wykonanej nad układem

mezomeria
mezomeria

służy najczęściej do opisu cząsteczek, które mają sprzężone wiązania pi‑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 RCOO- 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.