Surfaktanter

Från KFKA10
Hoppa till: navigering, sök

Ämnen som har en stark tendens att anrikas i gränsskiktet luft–vatten eller olja–vatten kallas på svenska för ytaktiva ämnen, men beteckningarna tensid och surfaktant används också.

Figur 1. Amfil molekyl med det hydrofila huvudet till vänster och den hydrofoba svansen till höger

En ytaktiv molekyl är oftast uppbyggd av en hydrofil del ( vattenälskande ) och en hydrofob del ( vattenundvikande ), se figur 1 till höger. Eftersom molekyler med denna typ av heterogena uppbyggnad kallas för amfifila molekyler, används också beteckningen amfifila ämnen för att beteckna ett ytaktivt ämne.

Den hydrofoba delen

För de flesta ytaktiva molekyler utgörs den hydrofoba delen av ett eller flera kolvätesegment, men även fluorerade kolkedjor kan förekomma. I naturligt förekommande amfifiler består den hydrofoba delen oftast av ogrenade kolvätekedjor. Dessa kedjor kan vara mättade eller omättade. Med omättad menas att det finns en eller flera dubbelbindningar i kolvätekedjan.

Industriellt framställda tensider med olja som utgångskemikalie kan också ha grenade kedjor. Idag försöker man så långt som möjligt att använda tillverkningsprocesser som ger tensider med raka kolvätekedjor. Detta eftersom dessa tensider har en mycket snabbare bionedbrytbarhet än tensider med grenade kolvätekedjor.

Storleken på en amfifil molekyls hydrofoba del har en avgörande betydelse på amfifilens fördelningsjämvikt mellan att vara placerad i gränsskiktet luft/vatten jämfört med att vara placerad i det inre av en vattenlösning. Orsaken till detta är att många H2O–H2O ”bindningar” störs när en stor opolär molekyl skall placeras inne i en vattenlösning. Denna effekt brukar kallas för den hydrofoba effekten.

Tensider för tekniska applikationer har oftast 8-18 kolatomer i den hydrofoba delen.

Den hydrofila delen

Den amfifila molekylens hydrofila del består antingen av en eller flera joniska eller starkt polära grupper. Vanligtvis delar man in ytaktiva ämnen i olika klasser beroende på den hydrofila delens karaktär. De vanligast förekommande klasserna är:

  • Anjoniska tensider, denna klass har olika anjoniska grupper som hydrofil del.
  • Katjoniska tensider, denna klass har en katjonisk grupp som hydrofil del.
  • Zwitterjoniska (amfotära) tensider, denna klass har som hydrofil del en zwitterjonisk grupp ( en grupp med en positiv del och en negativ del ).
  • Ickejoniska (nonjoniska) tensider, denna klass har som hydrofil del en

eller flera starkt polära grupper.

Anjoniska tensider förekommer både i naturliga produkter och i kemiskt framställda tensidformuleringar. Det är den största tensidklassen med avseende på tillverkad volym, framför allt beroende på att den är så lätt att tillverka samt att den är ett utmärkt tvättmedel vid rätta förhållanden. Känsligheten mot hårt vatten är klassens största nackdel. Salter av mättade eller omättade fettsyror tillhör denna klass och brukar kallas tvål om den positiva jonen är natrium och såpa om den är kalium.

Katjoniska tensider har en stark tendens att adsorbera på negativa fasta ytor och används framförallt till att förändra ytegenskaperna för sådana ytor. Exempel på negativt laddade ytor är metaller, mineraler, cellulosafibrer, plaster, cellmembran mm.

Zwitterjoniska tensider är huvudkomponent i alla cellmembran och är därför ur biologisk och medicinsk synpunkt mycket viktiga. Den tekniska användningen av denna tensidklass ökar, t.ex. i hår- och hudvårdsprodukter, eftersom zwitterjoniska tensider oftast uppvisar en låg hud- och ögonirritation.

Ickejoniska tensider används mer och mer istället för anjoniska tensider i t.ex. tvättmedel, eftersom de är mindre känsliga för hårt (kalciumrikt) vatten.

Aggregatbildning

För alla tensider gäller att de redan vid låga koncentrationer ger en kraftig sänkning av ytspänningen. Oftast är affiniteten till gränsytan så stor att ett tätpackat ytskikt bildas redan vid låga tensidkoncentrationer. Vid dessa förhållanden kommer ytöverskottet att vara mycket svagt beroende på tensidkoncentrationen i ett stort koncentrationsintervall. Som visats i avsnittet om adsorption ger detta upphov till ett karakteristiskt logaritmiskt koncentrationsberoende.

En vattenlösning som innehåller låga koncentrationer av amfifila molekyler uppför sig oftast ganska idealt. Blandningsentropin för systemet är vid låga amfifilkoncentrationer stor nog för att fullständigt blanda alla molekyler som befinner sig i bulklösningen. Vid högre amfifilkoncentrationer räcker däremot inte blandningsentropin till för att få systemets alla amfifila molekyler att blandas med bulklösningens H2O-molekyler. Istället kommer en del av de amfifila molekylerna att bilda fasta kristaller, en fällning uppstår, se figuren nedan. Detta gäller vid låga temperaturer. Vid högre temperaturer kan de amfifila molekylerna även bilda andra typer av aggregat. Drivkraften för bildandet av kristaller, eller små aggregat, är den stora ”kostnaden” i fri energi som uppkommer när amfifila molekylers hydrofoba delar placeras i en vattenmiljö. Genom att bilda kristaller, eller små aggregat, kan kontaktytan mellan de amfifila molekylernas hydrofoba delar och omgivande lösning minskas.

Amfifilkonc.png
Figur 2. a) Vid låga koncentrationer är de amfifila molekylerna i en vattenlösning antingen upplösta i monomer form inne i lösningen eller i monomer form vid gränsytan mot luft. b) Vid högre amfifilkoncentrationer blir gränsytan mot luft till slut tätpackad. c) När den totala amfifilkoncentrationen ökas ytterligare sker detta endast i bulklösningen. d) Vid en viss amfifilkoncentration börjar en kristallin fällning att falla ut eller aggregat att bildas.

Miceller

Figur 3. Micell av oktanoat.
Figur 4. Del av ett fasdiagram för ett amfifil/vatten-system Krafft-temperaturen är markerad med . Den prickade linjen anger cmc.

Vid låga temperaturer leder sammanslagningen av amfifila molekyler i de flesta fall till att en fällning av fasta kristaller bildas, men vid högre temperaturer kan även små aggregat av löst sammanbundna amfifila molekyler bildas, se figur 3. Dessa aggregat kallas oftast för miceller. Vid låga amfifilkoncentrationer bildas i de flesta fall miceller som är uppbyggda av 30–100 molekyler ( monomerer ). Formen på dessa miceller är i de flesta fall ganska sfärisk. Vid högre amfifilkoncentrationer är det inte ovanligt att micellerna växer i storlek i en eller två dimensioner och bildar avlånga eller platta aggregat.

I micellens inre, som till största del består av amfifilernas hydrofoba kolvätedelar, har varje kolvätekedja stor intern frihet att omformas till olika konformationer. Miljön är alltså inte kristallin, utan kan närmast beskrivs som en kolvätevätska ( olja ). Detta får till följd att olika organiska molekyler ganska lätt kan solubiliseras ( lösas upp ) i det inre av en micell, medan hydrofila molekyler är utestängda.

Eftersom de hydrofila grupperna på de micellbildande amfifilerna oftast har en mycket låg löslighet i den kolvätemiljö som uppkommer i det inre av en micell är dessa grupper förvisade till micellens yta, eller till ett område i närheten av micellens yta, se figur 3. I denna miljö kan amfifilernas hydrofila grupper delvis interagera med omgivande H2O-molekyler.

Det är här viktigt att påpeka att en micell är en dynamisk struktur som snabbt kan bildas, eller försvinna, i en lösning. De amfifila molekylerna i en micell byts oftast ut många gånger under en micells livstid, som för en SDS-micell är cirka 0.1 sekunder i en 0.2 M SDS-lösning ( vid cmc är livstiden cirka 0.01 sekunder ). Orsaken till det snabba utbytet är att den termiska energin, vid de temperaturer där miceller förekommer, är jämförbar med de intermolekylära interaktioner som håller ihop en micell.

Den lägsta temperatur vid vilken micellbildning kan ske kallas Krafft-temperaturen. Det finns också en lägsta amfifilkoncentration vid vilken miceller börjar bildas, denna koncentration kallas den kritiska micellbildningskoncentrationen, cmc.


För att förtydliga definitionen av begreppen Krafft temperatur och cmc kan ett fasdiagram konstrueras, se figur 4.


Vad påverkar cmc

Faktorer som påverkar cmc-värdet är framförallt: Storleken på tensidens hydrofoba del. Värdet på cmc minskar med cirka en faktor 3 per kol i denna del. En annan faktor är vilken typ av hydrofil del som tensiden har. Joniska tensider har högre cmc än icke joniska tensider med samma längd på tensidens hydrofoba del. Joniska tensiders cmc-värde är också känsligt för den totala saltkoncentrationen i lösningen.

Figur 5. Schematisk bild på några av de aggregatstrukturer som kan bildas när amfifila molekyler aggregerar.

Notera att den lilla sfäriska micellen är inte alltid den optimala typen av aggregat för amfifila molekyler. Vissa amfifiler bildar aldrig miceller, medan andra endast bildar miceller i vissa koncentrationsintervall. Det finns många olika typer av ”aggregat” som amfifiler kan bilda, de vanligaste är: Normala och omvända miceller, hexagonala flytande kristaller och lamellära flytande kristaller, men även bikontinuerliga kubiska flytande kristaller kan förekomma (se figur 5)