Transcript tenzidi_3

TENZIDI
3. Micele, solubilizacija
Stvaranje micela u vodenom mediju
Kritična micelarna koncentracija (KMK)
Molekule tenzida kada su u vrlo malim koncentracijama
stvaraju prave otopine; u otapalu se nalaze kao pojedinačne
molekule (monomeri).
S povećanjem koncentracije molekule tenzida se grupiraju u
veće agregate (micele).
U vodenim otopinama se molekule vode vežu na polarne
grupe tenzida putem vodikovih mostova, solvatiziraju ih i teže
da ih održe u otopini. Nasuprot tome, molekule vode teže da
istisnu iz otopine (svojim kohezionim silama) nepolarne
dijelove tenzida prema kojima nemaju afiniteta (hidrofobni
efekt).
Stvaranje agregata više molekula tenzida posljedica je
hidrofobnog efekta.
U razrijeđenim otopinama agregati su obično dimeri, koji nisu
stabilni i lako se razdvajaju.
Kod povećanih koncentracija tenzida počinju se formirati
termodinamički stabilne micele.
Molekule tenzida u micelama su tako orjentirane da se
polarni dijelovi nalaze u vodi, a nepolarni u unutrašnjosti
micele.
Hidrofobni dijelovi u unutrašnjosti micele međusobno se drže
silama hidrofobnog međudjelovanja tj. disperzionim silama.
Ove sile su jače ukoliko je broj –CH2- grupa u molekuli veći.
U micelama između molekula tenzida djeluju i druge sile,
koje se suprotstavljaju stvaranju micela. Ove sile se javljaju
između hidrofilnih dijelova zbog međusobnog odbijanja.
Kod micela ionskih tenzida odbijanje između hidrofilnih grupa
nastaje zbog disocijacije i prisustva istoimenog naboja.
Kod micela neionskih tenzida polarne grupe teže da prijeđu u
otopinu zbog pojave osmotskih sila tj. zbog razlike u
koncentraciji ovih grupa u vodi i na površini micela.
Područje koncentracije tenzida u kojem se stvaraju micele
relativno je usko , ali se može odrediti sa priličnom točnosti.
Ova karakteristična koncentracija tenzida pri kojoj se micele
mogu smatrati formiranim naziva se kritična micelarna
koncentracija ( KMK ).
U području koncentracija pri kojima dolazi do formiranja
micela, dolazi i do naglih promjena različitih osobina
otopine tenzida kao što su npr.:
•
osmotski tlak
•
površinska napetost
•
električna vodljivost
•
rasipanje svjetla (promjena mutnoće)
Mjerenjem promjena ovih osobina sa koncentracijom
tenzida može se odrediti KMK.
i dr.
Promjena površinske napetosti (a) i mutnoće (b) otopine tenzida u
području KMK
PAM=površinski aktivna tvar ili tenzid
 = površinska napetost
 = mutnoća
SLIKA
Pojedinačne molekule tenzida slabo su topive u vodi i nagomilavaju se na
graničnim površinama, pa se s malim promjenama koncentracije tenzida
jako smanjuje površinska napetost otopine, , (silazni dio krivulje a )
Otapanjem daljnjih količina tenzida u otopini se formiraju micele, koje su
vrlo topive u vodi i ne utječu na površinsku napetost otopine. Micele se
nalaze u termodinamičkoj ravnoteži s pojedinačnim molekulama
(monomerima) tenzida. Nakon formiranja micela koncentracija monomera
se s povećanjem koncentracije tenzida vrlo malo mijenja.
Budući da se nakon stvaranja micela (tj. nakon KMK) ne povećava
koncentracija površinski aktivnih monomera a raste samo koncentracija
micela, koje nisu površinski aktivne, daljnjim se povećanjem
koncentracije tenzida površinska napetost samo neznatno mijenja
(krivulja a).
Pojedinačne molekule u otopini slabo rasipaju vidljivo svjetlo i imaju velik
koeficijent difuzije. Pri formiranju micela dolazi do intenzivnog rasipanja
svjetla i porasta mutnoće, , (krivulja b).
Kraftova točka i točka zamućenja
Topivost tenzida naglo raste na nekoj kritičnoj temperaturi,
koja se naziva Kraftova točka.
Pri temperaturama nižim od Kraftove točke topivost tenzida
je mala i slabo se mijenja s temperaturom, a koncentracija
tenzida u otopini je nedovoljna da bi se formirale micele.
Iznad Kraftove točke , pri dovoljno visokim koncentracijama
(iznad KMK) , u otopini pored pojedinačnih molekula
postoje i micele čija je topivost velika, pa naglo raste i
količina otopljenog tenzida.
Struktura micela u vodenom mediju
U razrijeđenim otopinama ionskih tenzida u vodi, kod
koncentracija tenzida koje nisu mnogo veće od KMK,
formiraju se micele sfernog oblika u kojima je najčešće
agregirano 20-100 molekula.
Hartleyjev model sfernih micela
U sfernim micelama hidrofilni dijelovi molekula orjentirani su
prema vodi, a hidrofobni ugljikovodični lanci istisnuti su u
unutrašnjost micele.
Promjeri sfernih micela su prilično ujednačeni i iznose
otprilike dvostruku dužinu molekule tenzida. Prema tome
veličina micela pretežno zavisi od dužine hidrofobnog dijela
(“repa”)
Molekule površinski aktivnih tvari (tenzida) kada se želi
naglasiti njihova osobina da stvaraju agregate više molekula,
često se nazivaju “monomeri”
Veličina micela najčešće se izražava brojem monomera koji
su u njima agregirani i koji se naziva agregacioni broj.
Veličina micela može se izraziti i promjerom micela ako su
sferne, ili drugim veličinama koje karakteriziraju dimenzije i
oblik micele.
Veličina micela može se izraziti i micelarnom masom, koja
predstavlja masu svih molekula koje sačinjavaju jednu
micelu.
Agregacioni broj u velikoj mjeri zavisi od koncentracije
tenzida; sa povećanjem koncentracije mijenja se i veličina
micela, ali također i njihov oblik.
Područje koncentracija u kojem su micele sfernog oblika je
različito, ali obično ne prelazi 10 % tenzida.
Pri koncentracijam većim od 10 % tenzida (ponekad i
manjim) zapaženo je da se u otopinama formiraju micele
cilindričnog oblika.
Daljnjim povećanjem koncentracije tenzida cilindrične micele
formiraju heksagonalne agregate.
Daljnjim povećanjem koncentracije dolazi do formiranja
slojevitih lamelarnih micelarnih struktura u kojima su
molekule raspoređene u vidu bimolekularnih paralelnih
slojeva u kojima su polarne glave paralelno postavljene.
Različiti idealizirani oblici agregacionih struktura molekula tenzida u
vodenim otopinama
A. Dinamička ravnoteža micela-monomeri
B. Cilindrična micela
C. Heksagonalno pakovane cilindrične micela
D. Lamelarne micela
Faktori koji utječu na KMK i veličinu micela
Na KMK i veličinu micela utječu:
•Duljina ugljikovodičnog lanca (niza)
•Priroda i položaj polarne grupe
•Udio polarnog i nepolarnog dijela u molekuli tenzida
•Temperatura
•Prisustvo dodataka
i dr.
Duljina ugljikovodičnog lanca (niza)
Kod svih tenzida koji sadrže ugljikovodični niz, sa
povećanjem C atoma u nizu , opada KMK :
log KMK = A0 – A1 nC
A0, A1 = konstante
A0 zavisi o građi polarne grupe; iznosi 1,0 -3,5
A1 zavisi o tipu tenzida ; iznosi kod ionskih 0,3, ako kod neionskih 0,5
nC = broj C atoma u nepolarnom nizu molekule tenzida
Priroda i položaj polarne grupe
Što je polarna grupa bliže sredini ugljikovodičnog lanca to
je veća vrijednost KMK, jer je u tom slučaju manje izražena
tendencija ka micelizaciji.
Utjecaj prirode polarne grupe
Utjecaj je mnogo manje izražen kod ioniziranih polarnih
grupa u ionskim tenzidima nego kod polarnih grupa u
neionskim tenzidima.
Npr. kod neionskih tenzida koji imaju polioksietilenske
polarne grupe –(O-CH2-CH2)- povećanje duljine
polioksietilenskog lanca dovodi do povećanja KMK i
smanjenja micelarne mase.
Što je veći broj polarnih grupa u molekuli to je veća KMK
Temperatura
Obzirom da se tenzidi često koriste na povišenim
temperaturama (npr. detergenti) značajno je istražiti utjecaj
temperature.
Utjecaj temperature na KMK različit je kod ionskih i neionskih
tenzida.
Kod ionskih povećanjem temperature KMK najprije opada, do
oko 25°C, pa zatim pri daljnjem povećanju temperature raste.
Kod neionskih sa povećanjem temperature KMK opada.
Objašnjenje:
•Smanjenje KMK sa povećanjem temperature kod neionskih tenzida
Smanjenje hidratacije polarnog dijela molekule čime se povećavaju
agregacione sile i smanjuju efekti razrušivanja micela zbog toplinskog
kretanja molekula.
•Povećanje KMK pri povećanju temperature kod ionskih tenzida
Teže formiranje micela zbog pojačane disocijacije i pojačanog
djelovanja elektrostatskih sila odbijanja na višim temperaturama.
Sa povećanjem temperature opada veličina micela kod
ionskih tenzida zbog pojačanog električnog efekta i toplinskog
kretanja molekula.
Sa povećanjem temperature raste veličina micela kod
neionskih tenzida zbog pojačane hidrofobnosti uslijed
smanjenja solvatacije
Ako su u otopini prisutne dvije ili više vrsta tenzida onda
njihove molekule formiraju miješane micele.
Miješane micele ionskih i neionskih tenzida često su veće po
agregacionom broju i dimenzijama nego micele pojedinačnih
tenzida. Prisustvo neionskih tenzida smanjuje efekte
elektriziranja i omogućava bolje pakovanje molekula u miceli.
SOLUBILIZACIJA
Mnoge tvari koje su inače u vodi netopive mogu se otopiti u
micelarnoj otopini tenzida u vodi. Ova pojava naziva se
solubilizacija, tvar koja se otapa solubilizat ili aditiv.
Solubilizacija je moguća samo pri koncentracijama tenzida
koje su veće od KMK.
Za svaku koncentraciju tenzida postoji neka maksimalna
koncentracija solubilizata ili aditiva koja može biti prihvaćena
od strane micelarne otopine, a koja se naziva maksimalna
koncentracija aditiva (MKA)
Kad su micele zasičene aditivom –solubilizatom, on ne
ulazi u micele nego ostaje u otapalu i uzrokuje niz pojava
kao što su:
•
promjena indeksa loma svjetla
•
zamućenje
•
promjena električne vodljivosti
Na osnovu ovih pojava može se odrediti MKA.
i dr.
Na solubilizaciju i maksimalnu koncentraciju aditiva utječu
razni faktori kao što su:
•Koncentracija i tip tenzida
•Priroda solubilizata
•Temperatura
•Prisustvo elektrolita i drugih tvari
i dr.
•Solubilizaciona sposobnost tenzida temelji se na njihovoj
difilnosti i sposobnosti micela da vezuju različite tvari na
svoje nepolarne i polarne grupe.
Priroda solubilizata i njegove osobine kao što su:
•
polarnost
•
konfiguracija molekula
•
molekularna masa
•
kemijska struktura
i dr.
Imaju utjecaja na sposobnost i mehanizam solubilizacije.
Solubilizacija nepolarnih spojeva (a) i onih koji sadrže polarne
grupe (b) u micelama tenzida
Objašnjenje
(1) Slika a
Ako je solubilizat neka nepolarna tvar netopljiva u vodi (npr. neki
ugljikovodik) , ona će se nagomilavati u unutrašnjosti micela gdje se
nalaze nepolarni dijelovi molekule tenzida. Pri tome kao molekule
solubilizata zalaze u unutrašnjost micele i razmiču alkilne lance tenzida
micela “bubri”.
Topivost molekula nepolarnih solubilizata u micelama je veća ako im je
molekularna masa manja
(2) Slika b
Ako je solubilizat tvar netopiva u vodi i sadrži polarne grupe (npr.
alkoholi, amini) ona zalazi između molekula tenzida u miceli svojim
nepolarnim grupama dok polarne grupe ostaju u dodiru s vodenom
fazom.
Pomoću tenzida putem solubilizacije mogu se prevesti u otopinu različiti
spojevi organskog porijekla, kao što su:
•Ulja
•Steroidi
•Antibiotici
•Sulfonamidi
•Analgetici
i dr.
Solubilizacija ima primjenu i u:
•Tekstilnoj industriji (bojenje)
•Kozmetici
•Proizvodnji herbicida, fungicida , insekticida
•Procesu emulzione polimerizacije
•Industriji nafte
i dr.
MICELE U NEVODENOM MEDIJU
Obzirom na dvojnost kemijskog karaktera (difilnost)
molekule tenzida (micelarnih koloida) mogu formirati micele
i u nevodenom mediju kao npr. u različitim organskim
otapalima.
Za formiranje micela u nevodenom mediju od bitnog je
značaja priroda samog otapala.
U tipičnim ugljikovodičnim otapalima (nepolarnim) kao što
su benzen, cikloheksan i sl. polarni dio molekula tenzida je
liofoban i nema afiniteta prema otapalu, dok je nepolarni
dio liofilan odn. ima afinitet prema otapalu.
U takvom mediju molekule otapala stupaju u
međudjelovanje s ugljikovodičnim lancima (nepolarnim
dijelom) tenzida i solvatiziraju ih dok polarne grupe tenzida
, prema kojima nemaju afiniteta, istiskuju iz otopine.
Struktura micela je obrnuta onoj u vodi (“obrnute micele”).
Polarne grupe čine jezgru micele, dok su nepolarni
ugljikovodični lanci orjentirani prema otapalu.
Između polarnih grupa u miceli stvaraju se vodikovi mostovi
(dipolne veze) i oni doprinose stabilnosti micele i
predstavljaju agregacione sile.
Ovakve obrnute micele mogu u svojoj unutrašnjosti vezati
polarne molekule kao što su npr. molekule vode.
Molekule vode vežu se za polarne grupe tenzida u jezgru
micela putem vodikovih mostova pri čemu micela bubri i
povećava joj se promjer.
Ova pojava je u stvari solubilizacija vode u micelarnim
otopinama tenzida u organskim otapalima.
Molekule vode u velikoj mjeri pomažu formiranje micela u
organskim otapalima.
Struktura micela tenzida u organskom (ugljikovodičnom,
nepolarnom) otapalu u prisustvu molekula vode
KMK, veličina i oblik micela u nepolarnim otapalima mogu se
odrediti mjerenjem
•
rasipanja svjetla
•
površinske napetosti
•
viskoziteta
•
koeficijenta difuzije solubilizacije vode
i dr.
Micele su manje nego u vodenim otopinama (agregacioni broj
manji od 25) .
Micele mogu biti sfernog ili cilindričnog oblika.
Ali, polarna grupa tenzida utječe na asocijaciju, tako da
molekule anionskih tenzida mnogo jače agregiraju od
kationskih , a ovi od neionskih.
U organskim otapalima koja sadrže jednu polarnu grupu i
kratki ugljikovodični niz ne formiraju se micele tenzida.
Takva otapala su npr. etanol, metanol i dimetilformamid.
U organskim otapalima polarnog karaktera formirat će se
micela slične onima u vodi. No, teže je formiranje micela
nego u vodi i veća je KMK.
Takva otapala su npr. etilenglikol, aminoetanol, mravlja
kiselina.