Страница 59 из 82
Рис. 15.6. 2,8-диметилдодекан C14 H30: шаростержневая модель (вверху) и объемная модель (внизу). Молекула содержит 14 атомов углерода. Имеется цепочка из 12 атомов углерода с двумя метильными группами, ответвляющимися от нее у второго и восьмого слева атомов углерода
Нефтепродукты и вода не смешиваются
Мазут является относительно вязкой жидкостью, хотя молекулы углеводородов относительно слабо притягиваются друг к другу. Большое число размеров, структурных изомеров и конформеров приводит к тому, что молекулы запутываются, и в результате возрастает вязкость. При попадании нефтепродуктов в воду они всплывают на поверхность. Если все хорошенько взболтать, то кажется, что они на время смешиваются. Однако если дать смеси отстояться, нефтепродукты вновь отделяются от воды и всплывают на поверхность. С подобным эффектом знаком каждый, кто делал заправку для салата из уксуса и растительного масла. Вы смешиваете оливковое масло, уксус и, возможно, немного воды и встряхиваете смесь. Если оставить ее постоять, то оливковое масло всплывет наверх. В магазинные салатные заправки из масла и уксуса добавляют эмульгаторы, которые предотвращают разделение масла и уксуса.
Эмульгаторы очень похожи на мыло, с которым мы скоро познакомимся ближе. Мы уже знаем, что атом кислорода в молекуле воды частично отрицательный и притягивается к атомам, заряженным положительно или, по крайней мере, имеющим частичный положительный заряд. Атомы водорода в молекулах воды частично положительны и притягиваются к отрицательно заряженным или частично отрицательно заряженным атомам. Углеводороды состоят из атомов углерода и водорода, которые по заряду являются практически нейтральными. Поэтому молекулы воды притягиваются друг к другу значительно сильнее, чем к маслу. Как результат — масло не растворяется в воде.
Строение молекул мыла
Мыло делает масло растворимым в воде. В мыле и моющих средствах используется много разных молекул. Более строгое название для молекул мыла — поверхностно активные вещества (ПАВ). Хотя химическая природа и строение ПАВ очень сильно варьируются, все ПАВ обладают некоторыми общими свойствами. Часть молекулы ПАВ, если взять ее отдельно, была бы очень хорошо растворимой в воде, а другая часть, взятая сама по себе, прекрасно растворялась бы в масле и жирах.
Одна из таких молекул — н-гептадеканацетат натрия; ее шаростержневая и объемная модели изображены на рис. 15.7. Углеводород н-гептадекан — это неветвящаяся 17-атомная цепочка. Эта углеводородная часть молекулы изображена в виде конкретного конформера с парой поворотов вокруг углерод-углеродных связей, что приводит к изогнутой форме. Тетрадекан, изображенный на рис. 15.5, весь находится в транс-конформации. У него нет никаких поворотов, привносящих элементы гош-конформации. У больших углеводородов много разных конформеров, между которыми они могут переходить. Сам по себе гептадекан может быть одним из компонентов мазута.
Рис. 15.7. Гептадеканацетат натрия C18H37COO– Na+: шаростержневая модель (вверху) и объемная модель (внизу). Диссоциированный ион натрия не показан. Молекула содержит 19 атомов углерода. В ней есть цепочка из 17 атомов углерода и на ее конце ацетатная группа. Обозначение – указывает, что каждый из атомов кислорода (самые темные сферы) несет примерно половинный отрицательный заряд
Углеводород н-гептадекан присоединяется к ацетатной группе или ацетатному аниону. Ацетатная группа состоит из двух последних атомов углерода и двух атомов кислорода в правой части молекулы на рис. 15.7. Ацетатный анион изображен на с. 269 на химической диаграмме, описывающей диссоциацию уксусной кислоты. Там катионом при диссоциации был ион H+. Здесь же катион — это ион натрия Na+, который на рис. 15.7 не показан. Ацетат натрия представляется следующей диаграммой:
Ацетат натрия — это натриевая соль, подобно поваренной соли NaCl. В данном случае анион является органическим в отличие от элементарного аниона Cl−. Ацетат натрия полностью растворяется в воде, как и соль NaCl.
В воде мыло образует мицеллы
Таким образом, молекула н-гептадеканацетата натрия состоит из длинной углеводородной цепочки, которая не будет растворяться в воде, и ацетата натрия, который в воде легко растворяется.
Рис. 15.8. Схематическое изображение сферической мицеллы. Шарики символизируют ацетатные группы либо другие заряженные или гидрофильные части молекул ПАВ. Гидрофильную часть молекулы ПАВ нередко называют головной группой. Волнистыми линиями показаны гидрофобные углеводородные хвосты ПАВ. Головные группы очень хорошо растворимы в воде и образуют внешнюю оболочку. Углеводородные хвосты избегают контакта с водой и группируются друг с другом, образуя нанокапельку масла, называемую ядром мицеллы. Образование мицелл позволяет мылу легко растворяться в воде
Что случится, если поместить значительное количество мыла (в данном случае н-гептадеканацетата натрия) в воду, не содержащую масла и жира? Углеводородные части молекул не любят воду, так что они будут ее избегать. Чистый углеводород н-гептадекан полностью отделился бы от воды и всплыл на поверхность. Однако части с ацетатом натрия вода нравится. Эта часть будет диссоциировать на ацетат-анион и натриевый катион, и оба они будут активно взаимодействовать с молекулами воды. Мицеллы — это наномасштабные образования, то есть имеющие размеры порядка нескольких нанометров. Обычная форма мицеллы сферическая или близкая к сферической, хотя есть и другие разновидности в зависимости от ПАВ и его концентрации в воде. Обычно они имеют размеры около 10 нанометров (10 триллионных долей метра) в диаметре. Размеры мицелл определяются размерами и строением молекул ПАВ.
Мыло растворяет жирные загрязнения
Теперь рассмотрим, что происходит, когда посуда или руки, испачканные жиром или маслом, попадают в мыльную воду. Чистую воду углеводороды на их поверхности отталкивали бы. Однако наличие в воде мыльных мицелл все меняет. Заряженные головные группы мицелл приходят в контакт с жирной поверхностью. Они стремятся избежать жира, который заставляет мицеллы открываться, выставляя к жиру углеводородные хвосты ПАВ. Эти хвосты ПАВ с удовольствием погружаются в жирные загрязнения и запутываются в них. За счет механических движений эти маслянистые углеводороды отрываются от остальной жирной поверхности. Головные группы ПАВ смыкаются вокруг ядра, приводя к реорганизации мицеллы. Однако некоторые углеводороды, составлявшие жирное загрязнение, оказываются захваченными в ядре мицеллы.
Удержание углеводородов внутри мицеллы схематически изображено на рис. 15.9. Углеводородные хвосты ПАВ обозначены двойными линиями, а жирные углеводороды — одиночными линиями с точками. Молекулы жирных загрязнений остаются в ядре мицеллы в качестве части масляной нанокапли. Эти дополнительные углеводороды в ее ядре делают мицеллу крупнее. Чтобы полностью покрыть увеличившуюся нанокаплю, к мицелле добавляются новые молекулы ПАВ, содержащиеся в воде. Заряженные главные группы одной мицеллы отталкивают другие, предотвращая тем самым слияние содержащихся в них загрязнений с образованием нерастворимых в воде комков.
Рис 15.9. Схематическое изображение маслянистых углеводородных загрязнений (одиночные узорчатые линии), захваченных мыльной мицеллой