В мире ежегодно на каждого жителя Земли выпускается более трёх килограмм этих веществ. И это не продукты питания, а соединения, понижающие поверхностное натяжение жидкостей.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №11(27). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Самым популярным поверхностно-активным веществом (ПАВ), по праву, можно считать мыло. Натриевые или калиевые соли жирных кислот составляют ядро моющего средства и имеют сложное строение. Молекула у таких кислот «двусторонняя»: одна половина боится воды (гидрофобная), а вторая — притягивается к воде (гидрофильная). Когда вы намыливаете руки, в работу вступают гидрофобные части молекул, они смачивают жировые загрязнения. Когда мы подносим руки к воде, за дело принимается гидрофильная сторона, она прикрепляется к воде и увлекает за собой всю молекулу вместе с вредными веществами и бактериями в канализационную систему. Если просто ополаскивать руки водой, жировые частички с накопленным в них загрязнением так и останутся на коже.

Гидрофобная часть молекулы активна в любых неполярных растворителях — бензин или масло, поэтому мыло хорошо подходит для удаления таких загрязнений. Интересно, что работать ПАВы могут только на границе раздела двух фаз: жидкости — газа, жидкости — твёрдого вещества или двух несмешивающихся жидкостей. Границу раздела фаз они ищут, словно разведчики, и, возможно, поэтому в англоязычных странах вещества, снижающие поверхностное натяжение, получили название сурфактанты (англ. surface-active agent — поверхностно-активный агент). Для перехода из жидкого раствора к границе раздела фаз сурфактанты освоили целую процедуру — адсорбцию, суть которой в накоплении веществ в поверхностном слое. Молекулы ПАВ способны самостоятельно перемещаться к границе раздела двух веществ.

Если сурфактантов слишком много, значительно больше, чем вмещает граница, молекулы собираются в микроскопические шарообразные капельки мицеллы (лат. micella — маленькая частичка).

Мицелла — это шар с торчащими гидрофильными концами молекул, диаметром в несколько нанометров.

Получить мицеллярный раствор просто — для этого в воду наливают тонкой струйкой жидкое мыло до помутнения. Такой раствор с микрочастицами жидкого мыла, способный смачивать множество поверхностей, получил название коллоидного раствора. Кстати, к коллоидным растворам относят молоко и кровь.

99% всех ПАВов являются органическими веществами — спирты, жирные кислоты и их соли, а также другие соединения на основе углерода и водорода. По рассказам древнеримского писателя Плиния Старшего, люди умели использовать подобные соединения в качестве ПАВов ещё до нашей эры. Для этого древесную золу от бука смешивали с козьим жиром — так появилось первое мыло. Позже алхимики придумали воздействовать серной кислотой на природные масла, а французский учёный Энрике Ферми в 1831 году приготовил моющие вещества уже из оливкового и миндального масел.

В Германии в 1843 году в варочный котёл для мыла добавили кокосовое масло. В первое время такое ароматическое мыло плохо раскупали. У нового продукта не было неприятного запаха прогорклого жира, к которому обыватели привыкли, поэтому считали кокосовое мыло некачественным.

Современные сурфактанты делят на ионные и неионные. Их различают по поведению в водных растворах — ионные ПАВы при растворении распадаются на ионы. Проявлять поверхностную активность могут как ионы с положительным зарядом (катионы), так и ионы с отрицательным зарядом (анионы). Их так и называют: катионными и анионными. Катионные сурфактанты являются органическими основаниями и их солями, а анионные — органическими кислотами и их солями.

«Двуликим Янусом» среди ионогенных веществ можно считать амфотерные ПАВы за их способность в кислом растворе проявляться как катионные, а в щелочном — как анионные вещества. Неионогенные вещества в воде не распадаются на ионы, но отлично растворяются за счёт образования водородной связи между молекулой H2O и функциональной группой ПАВа. Такие сурфактанты появились сравнительно недавно — в 30‑х годах прошлого столетия в Германии, но уже занимают уверенную вторую позицию в мире по объёмам производства, уступая лишь анионным ПАВ.

Около половины всех производимых ПАВов идёт на получение моющих средств — мыла, стиральных порошков и шампуней. Нефтяники добавляют сурфактанты в водонефтяные эмульсии для быстрого избавления от примесей воды, а также для повышения нефтеотдачи подземных пластов.

Также не обойтись без ПАВов при смешивании жидкостей, которые не хотят быть в одном растворе, к примеру, масляные смазывающие смеси. ПАВы применяются для получения нанообъектов в процессах диспергирования (измельчения твёрдого тела) и эмульгирования (получения эмульсии) жидкостей.

В металлообработке поверхностно-активные соединения снижают прочность стали, что упрощает её резку и фрезерование.