1) ПАВ (поверхностно-активные вещества) – это вещества, которые самопроизвольно концентрируются на поверхности раздела фаз и снижают межфазное поверхностное натяжение. В общем случае частицы ПАВ дифильное строение, то есть состоят из полярной группы и неполярного углеводородного радикала.
50% ПАВ применяется в бытовой химии (моющие и чистящие средства, косметические препараты). Кроме того, ПАВ используются в следующих процессах:
- диспергирование с образованием наночастиц и наносистем, а также для их стабилизации;
- регулирование структурообразования и устойчивости дисперсных систем (производство стройматериалов, реология почв, бурение);
- управление процессом смачивания (флотация, разделение и концентрирование горных пород, руд и минералов).
2) Обыкновенное мыло представляет собой соль, хорошо растворимую в воде и диссоциирующую на ионы. Стеарат-анион намного больше по размерам, чем катион натрия, и содержит гидрофильную (гидроксильная группа) и гидрофобную (углеводородный радикал) части. Моющее действие мыла в общем заключается в следующем:
а) стеарат-анионы располагаются вдоль поверхности раздела мыльный раствор-воздух, ориентируясь гидрофильными частями к раствору, а гидрофобными – на воздух. В результате поверхностное натяжение мыльного раствора по сравнению с чистой водой сильно снижается, и мыльный раствор существенно легче смачивает загрязнения. В частности, поверхностное натяжение чистой воды при температуре 293 К составляет 72.75 мДж/м2, а для 0.005 молярного раствора мыла эта величина уже равна 30 мДж/м2, т.е. почти в 2.5 раза меньше.
б) при некоторой концентрации мыла (так называемой ККМ – критической концентрации мицелообразования) анионы мыла образуют в растворе мицеллы, то есть наноразмерные агрегаты. На первом этапе мицеллы адсорбируются на поверхности частиц загрязнений, а на втором частицы загрязнений внедряются в мицеллы и переходят вместе с ними в раствор (так называемая солюбилизация, то есть растворение нерастворимых веществ в присутствии поверхностно-активных добавок).
в) важную роль в моющем действии обыкновенного мыла играют также процессы гидролиза. Стеариновая кислота – слабая (константа кислотности около 1.5*10-5), и ее соли гидролизуются по аниону. Схему гидролиза можно представить так:
C17H35COO- + H2O <---> C17H35COOH + OH-
Хотя константа гидролиза равна Kw/Ka = 10-14/1.5*10-5 = 6.7*10-10, этого вполне достаточно, например, 0.1 молярный раствор мыла имеет pHоколо 9.
3) Для эффективного моющего действия концентрация мыла в растворе должна быть достаточной. Растворимость мыла, как и многих других солей, в воде заметно возрастает с ростом температуры. Кроме того, при повышении температуры воды заметно снижается ее поверхностное натяжение, что также способствует лучшему смачиванию частиц грязи.
4) Начиная с некоторой концентрации мыла (так называемой ККМ – критической концентрации мицеллообразования) в системе происходит образование мицелл Для обыкновенного мыла эта величина довольно мала и составляет 1.8*10-5 моль/л. Поэтому ниже ККМ моющее действие мыла обусловлено только снижением поверхностного натяжения, а выше ККМ – еще и солюбилизацией (см. выше). Если мыла становится слишком много, то оно начинает расходоваться впустую, так как, во-первых, формируются многослойные цилиндрические мицеллы, а во-вторых, часть мыла образует гелеобразные или твердообразные агрегаты и не участвует в моющем процессе, кроме того, изолируя отмываемую поверхность от воды.
5) Жесткая вода – это вода с повышенным содержанием ионов кальция и магния, которые образуют нерастворимые в воде стеараты Ca(C17H35COO)2 или Mg(C17H35COO)2. С жесткостью можно бороться разными способами:
а) радикальный – использовать другое моющее средство, не образующее малорастворимых соединений с кальцием и магнием.
б) самый дорогой – пропускать воду через ионообменные смолы, например 2RH + Ca2+ = R2Ca + 2H+. Затем воду пропускают через анионит для удаления протонов.
в) самый простой – кипячение (только для карбонатной жесткости) или замена катионов кальция и магния на другие, с которыми мыло не дает осадка.
2Ca(HCO3)2 = CaCO3¯+ H2O + CO2 (кипячение)
MgSO4 + Na2CO3 = MgCO3¯ + Na2SO4
Замечание: предложенный некоторыми авторами решений способ борьбы с жесткой водой «мылить мыло до тех пор, пока все соли жесткости не выпадут в осадок», не может быть признан оптимальным, поскольку это долго и неэкономично. Современные ученые не могут советовать такой подход современным домохозяйкам.
6) Смектики – это самая упорядоченная разновидность жидких кристаллов. Особенностью смектиков является то, что молекулы располагаются в двумерных слоях, причем центры тяжести молекул, формирующих слои, подвижны в двух измерениях (на смектической плоскости). Формирование смектических фаз характерно для жидкокристаллических соединений, молекулы которых содержат длинные концевые алкильные либо алкоксильные группировки.
В нанотехнологиях жидкие кристаллы используются как шаблоны для управляемого создания упорядоченных наноструктур, нанобиосенсоров, микромодуляторов света, различных встраиваемых датчиков.
При оценке ответов на предыдущие вопросы учитывалась не только правильность, но и полнота ответа, а также четкость ответа на конкретно поставленный вопрос. К сожалению, некоторые ответы грешили излишним объемом (по другому это называется «лить воду на мельницу») в сочетании с неконкретностью и размытостью (а посему больше походили на эссе на тему «Все, что я смог найти о мыле в Интернете»).
7) Площадь лужи 50 м2, площадь поперечного сечения "аниона мыла" в адсорбционном насыщенном монослое равна 0.25 нм2, отсюда число "анионов мыла", необходимо для создания монослоя, равно 50 м2 / 0.25*10-18 м2 = 2*1020, что составляет 2*1020 / 6.02*1023 1/моль = 3.32*10-4 моль. Молярная масса мыла равна 306.52 г/моль, откуда искомая масса мыла составляет 3.32*10-4 моль * 306.52 г/моль = 0.1 г. То есть одной пачки будет достаточно, более того, ее хватит на 1000 таких луж!
8) Площадь поперечного сечения "аниона мыла" 0.25 нм2, длина аниона мыла составляет 2.5 нм, отсюда объем одной "молекулы мыла" приблизительно равен 0.25 нм2 * 2.5 нм = 0.625 нм3. Объем "мицеллы мыла" V = 4/3pr3 = 4/3 * p * (12.5 нм)3 = 8181 нм3. Тогда число "анионов мыла" (исходя из предположения, что "анионы мыла" в мицелле уложены плотно и без пустот) равно 8181 нм3 / 0.625 нм3 = 13090. 1 пачка мыла весит 100 г, т.е. в ней содержится 0.326 моль или 1.96*1023 молекул мыла. Отсюда нетрудно подсчитать, что из пачки мыла может образоваться 1.48*1019 мицелл.
Принимались и другие разумные оценки числа молекул в мицелле, если они давали величины того же порядка.
9) Концентрация 1.8*10-5 моль/л означает, что в 1 дм3 раствора находится 1.8*10-5*6.02*1023 = 1.08*1019 анионов. Тогда объем раствора, приходящийся на один анион, равен V = 0.001 м3 / 1.08*1019 = 9.26 * 10-23 м3. Если это пространство аппроксимировать кубом с анионом мыла в центре, то сторона такого куба равна 4.5*10-8 м, то есть расстояние между анионами в этом случае порядка 45 нм. Здесь опять же принимались любые разумные способы расчета – можно было, например, аппроксимировать пространство вокруг аниона не кубом, а сферой.