Почему мыла моют
Мылообразные поверхностноактивные вещества образуют в воде коллоидные
растворы: при определенной концентрации несколько десятков молекул или
ионов мыла объединяются в агрегаты — мицеллы (рис. 4). Мицеллы имеют
шарообразную форму с гидрофильной оболочкой из полярных групп и гидрофобным
ядром из углеводородных цепей. С ростом концентрации мицеллы становятся
пластинчатыми — прослойки из углеводородных цепей покрыты с обеих сторон
полярными группами. Такие пластинчатые мицеллы являются зародышами кристалликов
мыла. Пластинчатые мицеллы сцепляются углеводородными цепями крайних молекул
в пространственные сетки-каркасы, и раствор, как говорят, структурируется
— приобретает свойство упругого твердого тела, напоминающего желе и
называемого гелем.
Поверхности, покрытые такими мицеллярными адсорбционными слоями в растворах
мыл, всегда хорошо смачиваются водой. Этому помогает сильно пониженное
поверхностное натяжение воды на границе с воздухом. Именно поэтому одно
и то же вещество может в очень малой концентрации делать твердую поверхность
гидрофобной, в большей концентрации давать прямо противоположный результат
— смачивать водой любую гидрофобную поверхность (рис. 5).
Рис. 5. Влияние адсорбции мыла на смачивание водой твердых
поверхностей.
Но мыла не только смачиватели; они и сильные стабилизаторы, обеспечивающие
устойчивость жидких пленок (вспомним знакомые всем мыльные пузыри) — пен,
а также всех дисперсных систем — эмульсий и суспензий. В
эмульсиях мелкие капельки одной жидкости, не смешиваясь, распределяются
в другой жидкости. Под действием поверхностной энергии они при соприкосновении
стремятся слиться друг с другом. Подобно этому сцепляются в агрегаты и
частицы твердого тела, образующие суспензию в жидкой среде. Стабилизатор
же создает на поверхности капелек эмульсии или частиц суспензии геле-образный
(структурированный) адсорбционный слой, который препятствует сближению
и взаимодействию частиц.
Нальем в стеклянный сосуд (бутылку) воду и, встряхивая, будем понемногу
добавлять туда керосин или бензин. Капельки бензина тотчас же начнут сливаться
в крупные капли, и смесь разделится на два жидких слоя. Теперь повторим
опыт, добавив к воде 1—5 % мыла. При встряхивании образуется молочно-белая
устойчивая эмульсия, в которой отдельные капельки, не превышающие сотой
доли миллиметра, защищены от слияния адсорбционными оболочками мыла.
Водный раствор мыла занимает двадцатую часть сосуда, но его хватает
на эмульгирование в 20 раз большего объема бензина, если вводить бензин
постепенно, малыми порциями, каждый раз энергично встряхивая. Весь бензин
разобьется на мельчайшие капельки, плотно прижатые друг к другу, но устойчиво
разделенные тонкими прослойками мыльного раствора. Такие концентрированные
эмульсии очень вязки, они напоминают сметану. Кстати, и сметана, и сливки,
и молоко — это эмульсии жира в воде, стабилизованные белковым веществом.
Попробуем разрезать кончиком стеклянной палочки слой ртути толщиной
2—3 мм, покрывающий дно плоской чашечки или блюдца под водой (рис. 6).
Такой разрез сделать нельзя: он тотчас же «залечивается» —смыкается под
действием поверхностного натяжения на границе ртуть — вода. Однако, если
к воде добавить 1 % сапонина — экстракта из мыльного теория, разрез стабилизируется
структурированными адсорбционными слоями. Они примут форму, соответствующую
минимуму свободной энергии, которую можно рассчитать математически. Разрез
должен кончаться у краев слоя ртути или замыкаться на себя, образуя кружок
— кольцо. В одной точке могут пересекаться только три разреза, образуя
равные углы в 120°.
Рис. 6. Формы разрезов слоя ртути, стабилизованных поверхностноактивным
веществом.
Время жизни таких разрезов возрастает по мере насыщения адсорбционного
слоя и характеризует стабилизирующую способность данного поверхностноактивного
вещества. Так почему же мыло моет, почему оно легко отмывает с любой поверхности
грязь — сажу, масло, нефть? Именно потому, что оно обладает смачивающей
и
стабилизирующей способностью. Мыло переводит всю грязь в воду в
виде тонкодисперсных суспензий и эмульсий.
Обычное мыло — натриевые соли жирных кислот — без труда справляется
с грязью в мягкой воде, в которой нет солей кальция и магния. В жесткой
же воде мыло осаждается в виде нерастворимых кальциевых и магниевых мыл,
раствор теряет свою моющую способность. Однако химики создали синтетические
мылообразные (моющие) вещества, пригодные для любой воды, даже для морской;
особенно хороши неионные мыла, совершенно устойчивые к действию солей.
Моющие средства и смачиватели используются в быту, в промышленности
и в сельском хозяйстве. Смачиватели применяют при изготовлении фотокинопленки,
когда прозрачную полимерную ленту надо равномерно полить светочувствительным
составом — высокодисперсной взвесью бромистого серебра на водном растворе
желатины. Смачиватель, добавленный в ванну, где окрашивают волокно и ткань,
ускоряет процесс и делает окрашивание равномерным. Чтобы избавить шахтеров
от вредной пыли, в шахтах распыляют воду с добавкой смачивателя. Пыль улавливается
такой водой, и воздух становится чище. Полное смачивание — необходимое
условие для взаимодействия жидкости с твердым телом, для проникновения
жидкости в тонкие поры. Поэтому-то все ядохимикаты и гербициды, применяемые
в сельском хозяйстве, содержат поверхностноактивные вещества.
Как выдувать мыльные пузыри
Растворите в 100 г теплой дистиллированной или долго кипевшей
воды 2 г тонко наструганного сухого детского мыла и 10 г чистого глицерина.
Прсле охлаждения к раствору добавьте понемногу крепкого нашатырного спирта,
пока раствор не станет прозрачным и не будет сильно пахнуть аммиаком. Затем
небольшую стеклянную вороночку, к которой присоединена резиновая трубочка,
погрузите раструбом в мыльный раствор. Крупные пузыри хорошо выдувать на
блюдце с раствором, смочив им края блюдца. Выдувая пузырь, понаблюдайте,
как с уменьшением толщины пленки на ней играют все более и более яркие
интерференционные цвета.
|