Adsorbția substanțelor tensioactive la interfețe

ADSORBŢIA SURFACTANŢILOR LA INTERFETE

Proprietăţi generale ale surfactanţilor

Surfactanţii sunt molecule cu structură amfifilă alcătuite dintr-o parte hidrocarbonată, nepolară (hidrofobă) şi o parte polară (hidrofilă) cu o comportare specifică, legată de existenţa celor două părţi cu solubilităţi diametral opuse. (figura 1.1).

Partea nepolară este constituită din una sau mai multe catene hidro sau fluorocarbonate, liniare sau ramificate, saturate sau nesaturate, alchilice sau aril-alchilice.

Figura 1.1 Structura moleculei de surfactant (molecula amfifilă)

Comportarea surfactanţilor este legată de tendinţa lor de a minimaliza interacţiile nefavorabile cu mediul înconjurător şi a maximiza interacţiile favorabile energetic.

ADSORBŢIA SURFACTANŢILOR LA INTERFETE

Datorită acestor două tendinţe fundamentale, surfactanţii au reprezentat o provocare pentru oamenii de ştiinţă pentru elucidarea mecanismelor prin care ei acţionează, dar în acelaşi timp s-au dezvoltat numeroase aplicaţii practice fără de care viaţa omului modern ar fi de neconceput.

Datorită structurii lor amfifile, surfactanţii sunt parţial solubili atât în mediu polar (apa) cât şi în mediu nepolar (ulei, aer).

ADSORBŢIA SURFACTANŢILOR LA INTERFETE

Surfactanţii se concentrează la interfeţe sau se asociază cu alte molecule asemănătoare (figura 1.2).

c1 < c2=CCM < c3

a b c

Figura 1.2. Adsorbţia (a) şi autoasocierea (b şi c) surfactanţilor

Primul fenomen este definit prin adsorbţia la diverse interfeţe, de unde şi denumirea lor de surfactanţi sau substanţe superficial active (SSA), adică molecule capabile să reducă substanţial tensiunile interfaciale.

A doua cale de satisfacere a necesităţilor energetice o reprezintă autoasocierea cu formarea micelelor de asociaţie cu cele mai diverse structuri de unde caracterul lor de coloid de asociaţie.

Micelele de asociaţie încep să se formeze la o anumită concentraţie numită concentraţie critică micelară (CCM). La CCM fenomenul de adsorbţie se termină şi începe procesul de micelizare.

Nu toate moleculele amfifile formează însă coloizi de asociaţie.

Factorii limitatori care determină caracterul de coloid de asociaţie sunt: lungimea catenei hidrocarbonate, un lanţ trebuind să conţină cel puţin, 6-8 atomi de carbon, ceva mai puţin în cazul derivaţilor fluoruraţi, şi natura grupei polare.

Deci, nu activitatea interfacială este proprietatea care defineşte un surfactant ci capacitatea de a forma asociate ce conţin un număr mare de molecule amfifile şi care schimbă radical proprietăţile de ansamblu ale soluţiei, schimbări ce au loc pe un domeniu îngust de concentraţie denumit concentraţie critică micelară (CCM).

Mărimea părţii nepolare şi natura grupei polare sunt mărimi ce determină caracterul combinat, hidrofob–hidrofil, definit prin aşa-numita balanţă hidrofob-hidrofilă (HLB).

Acest concept empiric a fost introdus de Griffin. Valorile HLB sunt cuprinse într-o scala cu valori de la 1 la 40.

Surfactanţii cu caracter hidrofil au valori HLB mari (>10), în timp ce surfactanţii cu HLB<10 au caracter lipofil.

Exista numeroase metode, citate în literatură, de determinare a valorii HLB a surfactanţilor, cum ar fi, de exemplu, determinările din date experimentale de coeficient de împrăştiere, constanta dielectrică, coeficient de repartiţie a surfactantului între apa şi ulei, parametrul de solubilitate, concentraţie critică micelară, temperatură de inversie a fazelor, tensiune interfacială.

Davies a dezvoltat o metoda prin care se pot calcula valorile HLB ale surfactantilor direct din formulele lor chimice folosind numerele de grup (tabelul 1.1) determinate empiric:

Dacă se folosesc amestecuri de surfactanţi, HLB se calculează din procentul de masa Pi şi HLBi al fiecărui component cu ajutorul relaţiei:

Amestecurile de surfactanţi sunt mult mai eficiente decât surfactanţii puri, conduc de exemplu la creşterea stabilităţii unor sisteme coloidale de tipul solilor (dispersii de solid în lichid), emulsiilor (lichid/lichid) şi microemulsiilor.

Formarea acetora din urmă este rezultatul efectelor sinergetice ale amestecurilor de surfactanţi la interfeţe.

Stabilitatea mărită este atribuită formării unor complexe intermoleculare la interfaţă apă/ulei, care formează un strat dens împachetat şi reduce tensiunea interfacială pâna la valori foarte mici ( 0,1 mN/m).