МОЮЩИЕ СРЕДСТВА (детергенты) - вещества, усиливающие моющее действие воды. Первыми детергентами были мыла, полученные из встречающихся в природе веществ. Но сейчас под детергентами обычно понимают синтетические вещества, по моющему действию сходные с мылом. Синтетические моющие средства используются в быту, в промышленности их применяют для отбеливания текстиля, при крашении и аппретировании тканей, на стадиях очистки и травления металлов, для стерилизации оборудования в пищевой промышленности, а также в производстве косметики. Наиболее распространенные синтетические моющие средства - сульфонаты натрия. Существуют их многочисленные разновидности, несколько различающиеся по свойствам. Для специальных целей используются и другие соединения. Использование мыла всегда осложняется, если вода жесткая. При стирке в ней приходится расходовать много мыла, чтобы достичь ощущения "мылкости". Это объясняется присутствием в воде солей типа гидрокарбоната кальция, которые реагируют с мылом, образуя нерастворимые соединения. Лишь после того как растворенные соли удалены реакцией с мылом, прибавление дополнительных количеств мыла приводит к проявлению его моющих свойств. Если после стирки мылом прополоскать ткань в жесткой воде, на ней осаждается нерастворимое и трудно удалимое "кальциевое мыло", которое портит ее вид. Поэтому в районах с жесткой водой в прачечных приходится устанавливать оборудование для умягчения воды. Громадное преимущество почти всех синтетических моющих средств перед мылом состоит в том, что в жесткой воде они действуют не хуже, чем в мягкой. Производство синтетических моющих средств, предназначенных для текстильной промышленности, начиналось в основном в Германии, а синтетических детергентов бытового назначения - в США вскоре после Второй мировой войны, причем их сбыт рос чрезвычайно быстро и в 1953 сравнялся по объему с продажей мыла, а затем быстро превзошел ее.
Моющие средства для стирки и домашнего хозяйства. Имеющиеся в продаже моющие средства редко представляют собой чистые вещества. Обычно они содержат и другие компоненты, например, умягчители воды и отбеливатели, которые увеличивают их эффективность. Кусок "мыла" для мытья лица и рук может быть действительно мылом, а может быть и синтетическим моющим средством или сочетанием того и другого. Для мытья посуды предназначаются относительно мягкие детергенты, поскольку при этом приходится погружать руки в моющий раствор. В посудомоечной машине можно использовать более сильные средства. Для усиления действия моющих средств применяют различные фосфаты, силикаты и бораты. В моющих средствах для стирки белья, помимо собственно детергента, используют еще два рода веществ. Одни из них - отбеливатели - окисляют и тем самым разрушают некоторые виды загрязнителей и красящих веществ. Классическим окислителем для этих целей служит хлор. В современных стиральных порошках используют более избирательные отбеливатели, основанные на броме, пероксиборате (часто называемом перборатом) и монопероксисульфате. Другие - так называемые усилители белизны или осветлители - делают выстиранное белье буквально "белее белого". Известно, что предмет является совершенно белым, если отражает весь свет, падающий на него. Поэтому в стиральные порошки добавляют "бесцветный краситель", который обеспечивает не только полное отражение видимого света, но и частичное превращение ультрафиолетового (невидимого) света в белый или голубоватый. В результате ткань становится "ослепительно белой". Для удаления грязи с кухонной раковины также применяется моющий порошок. Он содержит сильные моющие средства, отбеливатели и абразивы. Для очистки непригорающих сковород, покрытых тефлоном, используют моющие порошки с низкой абразивностью. Особо эффективные смеси, содержащие сильные щелочи, предназначены для удаления пригара в печах. Жесткая вода создает серьезные проблемы и при мытье волос. В этом случае полезными оказываются синтетические моющие средства сульфатного типа - алкилсульфаты C12H25OSO3Na, которые смывают природные жиры.
Действие детергентов. Мыло известно уже тысячи лет, но только относительно недавно химики поняли, почему оно обладает моющими свойствами. Механизм удаления грязи в сущности один и тот же для мыла и синтетических моющих средств. Рассмотрим его на примере поваренной соли, обычного мыла и алкилбензолсульфоната натрия, одного из первых синтетических детергентов. При растворении в воде поваренная соль диссоциирует на положительно заряженные ионы натрия и отрицательно заряженные хлорид-ионы. Мыло, т.е. стеарат натрия (I), сходные с ним вещества, а также алкилбензолсульфонат натрия (II) ведут себя подобным же образом: они образуют положительно заряженные ионы натрия, но их отрицательные ионы, в отличие от хлорид-иона, состоят примерно из пятидесяти атомов.
Мыло (I) можно представить формулой Na+ и C17H35COO-, где 17 атомов углерода с присоединенными к ним атомами водорода вытянуты в извилистую цепочку. Алкилбензолсульфонат натрия (Na+ C12H25C6H4SO3-) имеет примерно столько же атомов углерода и водорода. Однако расположены они не в виде извилистой цепочки, как в мыле, а в виде разветвленной структуры. Значение этого различия станет ясно позднее. Для моющего действия важно то, что углеводородная часть отрицательного иона нерастворима в воде. Однако она растворима в жирах и маслах, а ведь именно благодаря жиру грязь прилипает к вещам; и если поверхность полностью очищена от жира, грязь не задерживается на ней. Как показано на рисунке, отрицательные ионы (анионы) мыла и алкилбензолсульфоната склонны концентрироваться на поверхности раздела воды и жира. Водорастворимый отрицательно заряженный конец остается в воде, тогда как углеводородная часть погружена в жир. Чтобы поверхность раздела была наибольшей, жир должен присутствовать в виде мельчайших капелек. В результате образуется эмульсия - взвесь капелек жира (масла) в воде (III).
Если на твердой поверхности имеется пленка жира, то при контакте с водой, содержащей детергент, жир покидает поверхность и переходит в воду в виде мельчайших капель. Анионы мыла и алкилбензолсульфоната находятся одним концом в воде, а другим - в жире. Грязь, удерживаемая пленкой жира, удаляется при полоскании. Так в упрощенном виде можно представить себе действие моющих средств. Любое вещество, склонное собираться на поверхности раздела масло - вода, называют поверхностно-активным веществом. Все поверхностно-активные вещества являются эмульгаторами, потому что способствуют образованию эмульсии масла в воде, т.е. "смешению" масла и воды; все они обладают моющими свойствами и образуют пену - ведь пена является как бы эмульсией воздушных пузырьков в воде. Но не все эти свойства выражены у них одинаково. Есть поверхностно-активные вещества, которые обильно образуют пену, но являются слабыми моющими средствами; есть и такие, которые почти не пенятся, но представляют собой прекрасные моющие средства. Синтетические детергенты - это синтетические поверхностно-активные вещества с особо высокой моющей способностью. В промышленности термин "синтетическое моющее средство", как правило, означает композицию, включающую поверхностно-активный компонент, отбеливатели и другие добавки. Мыло, алкилбензолсульфонаты и многие другие моющие средства, где именно анион растворяется в жирах, называют анионоактивными. Имеются также поверхностно-активные вещества, в которых жирорастворимым является катион. Их называют катионоактивными. Типичный катионный детергент, хлорид алкилдиметилбензиламмония (IV)
является солью четвертичного аммония, содержащей азот, связанный с четырьмя группами. Хлорид-анион всегда остается в воде, поэтому его называют гидрофильным; углеводородные группы, связанные с положительно заряженным азотом, являются липофильными. Одна из этих групп, C14H29, похожа на длинную углеводородную цепочку в мыле и алкилбензолсульфонате, но она присоединена к положительному иону. Такие вещества называют "обратными мылами". Некоторые из катионоактивных детергентов обладают сильным антимикробным действием; их применяют в составе моющих средств, предназначенных не только для мытья, но и для дезинфекции. Однако если они вызывают раздражение глаз, то при их использовании в аэрозольных составах это обстоятельство должно быть отражено в инструкции на этикетке. Еще один тип моющих средств - неионные детергенты. Жирорастворимая группа в детергенте (V) представляет собой нечто вроде жирорастворимых групп в алкилбензолсульфонатах и мылах, а остаток - это длинная цепь, содержащая множество кислородных атомов и OH-группу на конце, которые являются гидрофильными. Обычно неионные синтетические моющие средства проявляют высокую моющую способность, но слабо образуют пену.
В конце 1950-х годов обнаружено неожиданное и неприятное явление. Во многих промышленных населенных пунктах канализация стала переполняться пеной. Облака грязной пены громоздились над стоками, ветер разносил хлопья пены по окрестностям. Это создавало угрозу здоровью, поскольку пена из канализации могла быть источником инфекции. Более того, во многих странах (в США - особенно на Лонг-Айленде) что-то случилось с подземными водами, используемыми для водоснабжения: водопроводная вода стала пениться. Было очевидно, что причина в синтетических моющих средствах: после 1953 их стали покупать больше, чем мыло. Но остался вопрос: почему же ничего подобного не случалось раньше? Были обнаружены почвенные бактерии, способные "переваривать" молекулы мыла, но синтетические моющие средства бактерии не могли метаболизировать. Липофильная часть молекулы мыла (I) представляет собой неразветвленную цепочку углеродных атомов, каждый из которых связан только с двумя соседними атомами углерода. А в алкилбензолсульфонате натрия (II) липофильная часть имеет разветвленную цепь углеродных атомов. Стирке это не мешает, но в природных жирах, из которых делают мыло, такая структура не встречается. Поэтому-то бактерии не могли с ней справиться. Проблема была решена путем замены разветвленной цепи в алкилбензолсульфонате на неразветвленную. Такой детергент (VI) поддается биодеградации, т.е. расщепляется микроорганизмами. По своей структуре он достаточно близок к линейной цепи мыла, и бактерии могут с ним справиться. Таким образом, линейный алкилбензолсульфонат помог решить неприятную проблему.
Последние успехи в разработке моющих средств для стирки связаны с применением ферментов. Ферменты - это вещества, производимые живыми организмами, которые способны катализировать биохимические реакции, т.е. они ускоряют реакцию, но сами при этом не изменяются. Определенные ферменты катализируют реакции, подобные тем, которые идут при переваривании пищи, поэтому они очень эффективны для удаления пятен от травы, яиц, молока, шоколада, детской пищи и соусов. Ферменты, используемые в составе моющих средств, безвредны и применяются в очень малых количествах. В конце 1960-х - начале 1970-х годов возникла новая проблема, отчасти связанная с широким использованием моющих средств. Речь идет об эвтрофикации, или старении, озер. Эвтрофикацию обычно относят к загрязнениям окружающей среды, хотя процесс этот естественный. Если под загрязнением окружающей среды понимается выброс в водоемы, атмосферу или почву веществ, вредных для растительного и животного мира, то эвтрофикация, напротив, вызывает избыточное накопление необходимых для жизни веществ, например нитратов и фосфатов. Фосфаты, используемые в моющих средствах, участвуют в питании растений. Когда богатые фосфатами сточные воды попадают в озеро, начинается ускоренный рост водорослей и других водных растений. При этом расходуется кислород, растворенный в водоеме. Озеро "задыхается", и от недостатка кислорода может погибнуть рыба. Отходы жизнедеятельности человека и животных также способствуют эвтрофикации водоемов. Основной же вклад вносят удобрения, смываемые с сельскохозяйственных угодий. Моющие средства не единственный источник фосфатов в озерах, а фосфаты - не единственная причина эвтрофикации, тем не менее, предпринимаются усилия по замене фосфатов в составе детергентов, в частности, нитрилтриацетатом.
ЛИТЕРАТУРА
Неволин Ф.В. Химия и технология синтетических моющих средств. М., 1971 Бухштаб З.И. Технология синтетических моющих средств. М., 1988