Повърхностно активните вещества (ПАВ) по своята природа представляват амфифили, което се обуславя от тяхната характеристична молекулна структура, съдържаща група с малък афинитет към разтворителя - нар. лиофобна група и група, притежаваща силен афинитет към разтворителя - нар. лиофилна група. Когато вещество с такава молекула е разтворено в разтворител, лиофобната група може да наруши структурата на разтворителя и да повиши свободната енергия на системата. Тъй като това съответства на преминаване на системата в ‘по-неизгодно’ термодинамично състояние, в нея възникват процеси, водещи до минимизиране на контакта между лиофобните групи и разтворителя. В случая когато ПАВ е разтворен във водна среда, лиофобната (хидрофобната) група нарушава структурата на водата чрез разкъсване на водородните връзки между водните молекули. За да се намали степента на нарушение на структурата на разтворителя част от ПАВ молекулите се ‘изблъскват’ към граничната повърхност вода-въздух и техните хидрофобни групи се ориентират по начин, осигуряващ минимален контакт с водните молекули. В резултат на това повърхността на водата се покрива от монослой от ПАВ молекули с ориентация на техните хидрофобни групи към въздуха (фиг. 2). От друга страна наличието на лиофилни (хидрофилни) групи в ПАВ молекулите предотвратява тяхното пълно изключване от разтворителя като отделна фаза, тъй като това е свързано с дехидратация на тези хидрофилни групи.
На фиг. 1 е представен възприетият графичен начин за изобразяване на една ПАВ молекула, в случая когато разтворителят е вода. Обикновено хидрофобната група представлява остатък от дълга въглеводородна верига (по рядко халогениран или оксигениран въглеводород или силоксан); хидрофилната група представлява йонна или силно полярна група.
По-горе бе разгледан механизма за намаляване на свободната енергия на системата ПАВ-вода-въздух, чрез образуване на ориентиран монослой от ПАВ молекули на фазовата граница вода-въздух. Същевременно съществува и друг алтернативен механизъм за преминаване на системата ПАВ-вода в термодинамично по-стабилно състояние. Нарушаването на структурата на разтворителя може да бъде намалено (съответно намаление на свободната енергия на системата) чрез агрегация на ПАВ молекулите в кластери (нар. мицели) с техните хидрофобни групи ориентирани към вътрешността на кластера (ограничаване на техния контакт с разтворителя) и техните хидрофилни групи насочени към водната фаза (фиг. 2). В действителност в много разредени разтвори ПАВ молекулите съществуват под формата на разтворени мономери във водната фаза, но при повишаване на тяхната концентрация над определен минимум (нар. “Критична Мицеларна Концентрация”, к.м.к. на ПАВ-а), мономерите спонтанно се асоциират, образувайки мицели с колоидни размери.
Когато концентрацията на повърхностно активното вещество е над к.м.к., добавянето на нови количества от мономера води до образуването на нови мицели, като концентрацията на мономера във водната фаза при дадени условия се запазва относително постоянна и е приблизително равна на к.м.к. Реално мицелите се намират в динамично равновесие с разтворените мономерни молекули на ПАВ-а, чиято концентрация остава сравнително постоянна след достигането на к.м.к.
Геометричната форма на мицелите (сферична, елипсоидална или плоско-ламеларна), както и тяхната големина, определена от агрегационното им число (броя на мономерите изграждащи един мицел) зависят от такива фактори като структура и концентрация на ПАВ-а, температурата, присъствие в системата на странични йонни или полярни вещвства и др. Във всички случаи, обаче, мицелите формално могат да бъдат разглеждани като пространствени обекти, изградени от външна хидрофилна обвивка, осигуряваща тяхната разтворимост във водната фаза и хидрофобно ядро.
В мицеларната среда се постига разпределение на хидрофобни вещества между водната фаза и неполярната вътрешност на мицелите. При загряване на системата над определена температура (нар. температура на помътняване) тя става двуфазна и може да се изолира ПАВ-обогатена фаза, съдържаща хидрофобните вещества (фиг. 3). Този метод за разделяне и преконцентриране на хидрофобни вещества е наречен Cloud Point Extraction.
Автор: Кирил Симитчиев, докторант в катедра
“Аналитична химия” на Химически факултет
на ПУ “П. Хилендарски”.
[ това е статия от брой 3 на списание "Коснос" www.kosnos.com]