В настоящее время во всех областях промышленности, народного хозяйства и биологии применяют поверхностно-активные вещества (ПАВ). По объему производства, ассортименту на мировом рынке и важности в хозяйстве ПАВ стоят на одном уровне с каучуками, красителями, взрывчатыми веществами и др.

ПАВ применяют для самых различных целей: в качестве моющих агентов, для стабилизации дисперсных систем — эмульсий, пен, суспензий, для понижения прочности обрабатываемых материалов покрытия поверхностей, например, с целью гидрофобизации или защиты от испарения, для флотации и т. д.

Основные объекты применения связаны с использованием тех физических свойств ПАВ, которые обусловливают их адсорбционную способность. Несмотря на это именно физические свойства ПАВ изучены недостаточно и неполно разработана теория применения ПАВ.

Теоретически любое химическое соединение, имеющее в молекуле гидрофильные и гидрофобные участки, будет поверхностно-активным. Однако в действительности только некоторые из них являются эффективными моющими средствами, стабилизаторами эмульсий и пен, пленкообразователями и т. д.

В книге рассмотрена взаимосвязь строения молекул и тех свойств ПАВ, которые определяют их применение и для данных соединений наиболее важны. К таким свойствам относятся когезионные и адгезионные, являющиеся функцией конституции молекул и межмолекулярных сил: поверхностные и адсорбционные, испарение, растворение, мицеллообразование и т. д.

Книга не претендует на полноту рассмотрения всех свойств и применений ПАВ (для этого потребовалась бы многотомная монография), а является обобщением работ автора.

Построение книги обусловлено следующей логической цепочкой.

В главе I рассматриваются объемные свойства ПАВ и особенности их межмолекулярного взаимодействия. На основании аддитивности межмолекулярного взаимодействия по входящим в молекулу группам разработана шкала межмолекулярных связей.

По данным шкалы, в главе II анализируются и рассчитываются поверхностные свойства ПАВ (например, адсорбция, поверхностное натяжение, поверхностная активность), которые являются функцией межмолекулярных сил.

С учетом поверхностных свойств в главе III рассматриваются эмульгирующие и пенообразующие свойства ПАВ.

Глава IV посвящена высокомолекулярным поверхностно-активным веществам.

Принимая во внимание недостаточную изученность метрологии таких важных систем, как эмульсии, и почти полное отсутствие литературных обзоров в этой области, мы сочли необходимым поместить в книгу главу V — Методы и приборы анализа эмульсий. Глава написана автором совместно с канд. техн. наук А. А. Рохленко.

В заключение автор считает своим приятным долгом поблагодарить проф. А. Б. Таубмана и ст. науч. сотр. Л. Я. Сквирского за ряд ценных критических замечаний при рецензировании и редактировании книги.

Основные понятия. В принципе, любое вещество, понижающее поверхностное натяжение, является поверхностно-активным, однако термином ПАВ обозначают вещества с определенными свойствами, строением и адсорбционной способностью.

Выделяют два больших класса ПАВ, различающихся характером адсорбции и механизмом стабилизации дисперсных систем.

К первому классу относятся низкомолекулярные соединения дифильного характера, т. е. соединения, имеющие гидрофильную “голову” (одну или несколько полярных групп, например, —ОН, -СООH, —SO₃H, — OSO₃H, —СООМе, —N⁺ (СH₃)₃I^- — NH₂) и гидрофобный “хвост” (как правило, алифатическую цепь, иногда включающую и ароматическую группу). По своему применению ПАВ данного класса делятся на смачиватели, солюбилизаторы, эмульгаторы, моющие агенты, пенообразователи и т. д. По химическим свойствам они разделяются на: 1) анионоактивные (например, соли карбоновых кислот, алкилсульфаты, алкилсульфонаты); 2) катионоактивные (например, четвертичные аммониевые основания, соли аминов); 3) неионогенные (спирты, эфиры и т. д.).

Ко второму классу относятся высокомолекулярные ПАВ, в которых чередуются гидрофильные и гидрофобные группы, равномерно распределенные по всей длине полимерной цени. От них следует отличать высокомолекулярные соединения, построенные из двух или трех отрезков, каждый из которых состоит из гидрофильных или гидрофобных блоков мономеров. В качество примера можно назвать плюроник, состоящий из гидрофильной цепи оксиэтилена и гидрофобной цепи оксипропилена. По механизму адсорбции и эмульгирующим свойствам такие соединения следует относить к поверхностно-активным веществам первого класса.

Примерами высокомолекулярных ПАВ могут служить поливиниловые спирты, желатина, казеин, полиакриламид и т. д.

Классификация свойств веществ. Физические и химические свойства органических соединений зависят от массы молекул, расположения в ней атомов, взаимодействия молекул друг с другом (межмолекулярные силы или связи) и атомов в молекуле (внутримолекулярные силы или связи).

Обычно выделяют три вида свойств.

Коллигативные свойства веществ являются функцией кинетической анергии RT, а аддитивные свойства — функцией массы молекулы и молекулярных сил.

Чтобы понять связь физических свойств веществ c их строением, необходимо знать природу сил, действующих между молекулами. До сих пор не существует строгой теории межмолекулярных сил. Суть современных теорий сводится к тому, что выявлены три наиболее вероятные причины, обусловливающие межмолекулярное взаимодействие неионогенных соединений (вандерваальсовы силы) — взаимодействие постоянных диполей (ориентационные силы Кеезома); взаимодействие наведенных диполей (индукционные силы Дебая); взаимодействие мгновенных диполей, образованных благодаря определенному положению электронов в молекуле (дисперсионные силы Лондона). К этим трем видам сил можно добавить силы слабого химического взаимодействия типа водородных связей и слабых комплексоподобных взаимодействий. Иногда водородные связи не выделяют из ориентационных сил, отмечая их одинаковую природу. Мелвин-Хьюз относит к межмолекулярным силам взаимодействие между ионами, хотя в равной степени их можно отнести к внутримолекулярным связям.

Иногда при расчетах исследователи не разделяют межмолекулярные вандерваальсовы силы на составляющие, а используют полуэмпирические приемы, дающие сумму сил.

• Введение.
• Явления распределения. Давление насыщенного пара. Растворение. Распределение вещества между двумя несмешивающимися жидкими фазами.
• Явление переноса.
• Шкала межмолекулярных связей органических соединений. Энергия межмолекулярного взаимодействия различных групп органических соединений. Энергия межмолекулярного взаимодействия на единицу поверхности группы (силовое поле молекул и отдельных групп).

• Роль эмульсий и пен.
• Виды устойчивости эмульсий.
• Эмульгирующая способность ПАВ. Устойчивость эмульсий к коалесценции. Количество эмульсии, стабилизированное ПАВ. Нижний предел концентрации ПАВ.
• Тип эмульсии. Основные факторы, влияющие на тип эмульсии. Влияние добавок. Влияние соотношения объемов фаз.
• Влияние внешних факторов на свойства эмульсий.
• Связь между строением молекул ПАВ и свойствами эмульсий.
• Выбор ПАВ для стабилизации эмульсии.
• Самоэмульгирование.
• Пенообразующая способность ПАВ. Методы оценки пенообразующей способности ПАВ. Факторы, определяющие устойчивость пен. Показатель количества пены, получаемой с помощью данного раствора ПАВ. Нижний предел концентрации, при которой ПАВ является пенообразователем.

• Общие сведения о высокомолекулярных ПАВ.
• Адсорбция высокомолекулярных ПАВ. Структура высокомолекулярных ПАВ на поверхности раздела фаз. Факторы, влияющие на поверхностную активность высокомолекулярных ПАВ.
• Пленки нерастворимых высокомолекулярных ПАВ на поверхности воды.
• Смешанные пленки.
• Высокомолекулярные ПАВ как стабилизаторы эмульсий. Свойства высокомолекулярных ПАВ и их эмульгирующая способность. Определение количества высокомолекулярного ПАВ, необходимого для стабилизации. Влияние различных факторов на стабилизирующие свойства высокомолекулярных ПАВ.
• Микрокапсулы. Значение микрокапсул и механизм микрокапсулирования. Примеры получения микрокапсул.
• Защитные оболочки природных эмульсий.