O SURFAKTANTACH i POTRZEBIE MYCIA

Ten Świat – Biuletyn Polskiego Klubu Ekologicznego, Okręg Wielkopolska, 3(56), 3-5, 2003, ISSN 1231-2495
Jako, Ŝe ponoć przysłowia mądrością narodów, mądry
rodak w trosce o długowieczność unika mydła (por.
„...Częste mycie skraca Ŝycie...”). Z drugiej strony
„...mądry Polak...” dopiero „...po szkodzie...”, a nawet
„...przed szkodą i po szkodzie głupi...”. Zestawienie
przysłów wywołuje więc pewne zamieszanie, z którego
nawet wytrawny ekolog nie wysnuje pewnego i
niepodwaŜalnego wniosku „... myć się, czy się nie myć...”.
„...Oto jest pytanie...”, jakiemu poświęcimy dziś zatem
trochę uwagi. Efektywne mycie, jak wynika to juŜ z
wiedzy wyniesionej ze szkoły jest zupełnie niemoŜliwe bez
mydła. Mydła zaś są przedstawicielami szerokiej i
zróŜnicowanej grupy związków chemicznych zwanych ogólnie związkami powierzchniowo
czynnymi lub z angielska (surface – powierzchnia, act – działać), surfaktantami. Zatytułujmy więc nasze
obecne rozwaŜania następująco:
O SURFAKTANTACH i POTRZEBIE MYCIA
Mydło jest substancją znaną juŜ staroŜytnym
Otrzymuje się je przez ogrzewanie tłuszczu,
głównie zwierzęcego, z dodatkiem sody. MoŜna
przypuścić, Ŝe odkrycie mydła mogło nastąpić
przypadkiem, gdy roztopiony tłuszcz z mięsa
pieczonego nad ogniskiem kapał na popiół
drzewny zawierający potaŜ. Mydło zatem to mniej
lub bardziej zanieczyszczona mieszanina soli
sodowych lub potasowych (tzw. szare mydło)
wyŜszych kwasów karboksylowych (tzw. kwasów
tłuszczowych) zawierających grupę karboksylową
oraz łańcuch węglowodorowy zawierający
kilkanaście atomów węgla. O przynaleŜności
mydła do grupy związków powierzchniowo
czynnych decyduje fakt, Ŝe jego cząsteczki mają
charakterystyczną cechę – jedna z części
cząsteczki jest łatwo otaczana cząsteczkami wody,
druga – tłuszczu. Rozpuszczone w wodzie mydło
ma tendencję do gromadzenia się na powierzchni
wody lub rozproszonych w niej cząstek tłuszczu
dramatycznie
zmieniając
właściwości
tej
powierzchni. Czysta, nie zawierająca detergentów
woda charakteryzuje się wysokim napięciem
powierzchniowym. Wskutek tego kropla wody
usiłuje przyjąć kształt o jak najmniejszej
powierzchni (czyli kształt kuli). Czysta woda nie
zwilŜa tłustej powierzchni przedmiotów. Oba te
zjawiska zaobserwujemy oglądając krople wody
zawieszone
na powierzchni zatłuszczonej
szklanki.
Zupełnie
inaczej zachowuje się woda, w której
rozpuszczono nieco mydła. KaŜdy zapewne
zauwaŜył w wannie, Ŝe powierzchnia cieczy ma
tam tendencję do formowania skomplikowanej
struktury zwanej potocznie pianą, która
charakteryzuje się olbrzymią powierzchnią
przypadającą na stosunkowo niewielką ilość
zawartej w niej wody. Woda ta ma ponadto
zdolność
zwilŜania
tłustych
powierzchni.
Pocieranie zabrudzonej skóry powoduje rozbicie
tłuszczu (stanowiącego zwykle główny składnik
brudu) znajdującego się na jej powierzchni na
niewielkie kropelki otaczane przez cząsteczki
mydła. Proces ten zwany emulgacją (bo w tego
wyniku powstają emulsje – układy dwóch
wzajemnie nierozpuszczalnych cieczy, z których
jedna jest w postaci maleńkich kulek rozproszona
w drugiej). Mycie wodą bez mydła powoduje
zatem jedynie równomierne rozsmarowanie brudu
na powierzchni skóry.
Wraz z rozwojem cywilizacji wzrastało zuŜycie
mydła, gdyŜ znajdowało ono coraz to nowe
zastosowania, jak dla przykładu przy praniu czy
przy sporządzaniu niektórych farb. Samo mydło
stało się w ten sposób towarem deficytowym
(przynajmniej w krajach ogarniętych I wojną
światową), co doprowadziło do prób opanowania
metody otrzymywania sztucznych detergentów.
Dodatkowym bodźcem do poszukiwań są
szczególne właściwości mydeł. Nie moŜna ich
mianowicie uŜywać w twardej wodzie, gdyŜ
Ten Świat – Biuletyn Polskiego Klubu Ekologicznego, Okręg Wielkopolska, 3(56), 3-5, 2003, ISSN 1231-2495
reagują z zawartymi w niej jonami wapnia lub
magnezu i wypadają w postaci osadu. KaŜda pani
domu, która spróbowała uŜyć w pralce
automatycznej płatków mydlanych zamiast
jednego z nowoczesnych proszków do prania wie,
jak trudno doprowadzić pralkę do ładu po takim
praniu. Syntetyczne detergenty stały się zatem
krótko po ich wynalezieniu dostępniejsze i
wygodniejsze w uŜyciu od starego poczciwego
mydła.
W jaki sposób chemicy zdołali ulepszyć naturę?
Pomysł nie był bardzo oryginalny. Nadal
cząsteczka surfaktantu posiada unikający wody
łańcuch węglowodorowy. Jednak łatwo otaczająca
się wodą grupa karboksylowa została wymieniona
przez inne, jeszcze chętniej otaczające się wodą
grupy funkcyjne, jak na przykład przez grupę
siarczanową (w detergentach będących solami
kwasów alkilosiarkowych).
Przemysłowe uŜycie surfaktantów oraz masowe
ich zastosowanie w gospodarstwie domowym
spowodowało zainteresowanie, jaki jest los
zuŜytych juŜ substancji i jaki mają one wpływ na
nasze otoczenie. Szybko stwierdzono, Ŝe związki
te nie są obojętne wobec naszych organizmów:
zwiększają wchłanianie dowolnych związków
przez skórę oraz błony śluzowe, co w przypadku
naraŜenia na jednoczesne działanie silnych
trucizn, na przykład herbicydów, powoduje
znaczne zwiększenie dawki wchłoniętej. Ponadto
u sporej grupy ludzi wywołują uczulenia. Do
naszego otoczenia detergenty te przedostają się
niezmienione, nie ulegają bowiem w zasadzie
biodegradacji,
a
ich
rozkładanie
lub
zatrzymywanie jest nieopłacalne. Przedostawszy
się do wód rzek lub jezior obniŜają ich napięcie
powierzchniowe, co prowadzi do zakłócenia
delikatnej równowagi utrzymującej się na ich
powierzchni. ObniŜa się wówczas stęŜenie
rozpuszczonego w wodzie tlenu, giną, a
dokładniej topią się owady i pajęczaki, które Ŝyją
na powierzchni wody dzięki jej naturalnemu
wysokiemu napięciu powierzchniowemu. Dla ryb
i skorupiaków detergenty okazały się toksyczne.
NaleŜy zwrócić uwagę, Ŝe mówimy tutaj jedynie o
jednym ze składników proszków do prania i nie
analizujemy destrukcyjnego wpływu na nasze
otoczenie innych związków, na przykład
fosforanów.
Dbałość o higienę – wydawałoby się
charakterystyczna cecha rozwiniętej cywilizacji –
niszczy zatem jej zaplecze. CzyŜby jedynym
wyjściem z sytuacji był powrót do klasycznego
mydła. Ze względów praktycznych wydaje się to
dzisiaj niemoŜliwe. Czy istnieje zatem jakieś
wyjście z impasu?
Odpowiedzią jest powstanie nowych technologii
wytwarzania surfaktantów biodegradowalnych.
Jeden z pomysłów polega na zastosowaniu
związków znanych juŜ Naturze, a mianowicie
takich surfaktantów, w których fragmentem
cząsteczki otaczającym się wodą byłby
weglowodan. Rozwiązanie to zostało zastosowane
przez
naturę
w
błonach
komórkowych
utworzonych przez podwójne warstwy lipidowe –
warstwy cząsteczek, których jeden fragment jest
tłuszczem a drugi cukrem. Te naturalne związki są
między innymi poŜywieniem. Wykształciły się
więc w organizmach zwierząt enzymy zdolne do
rozcięcia surfaktantu na część węglowodorową
(otaczającą się olejem) i cukrową (otaczającą się
wodą).
Brak
moŜliwości
biodegradacji
surfaktantów poprzedniej generacji polegał
właśnie na braku takiego enzymu. Dalsza
biodegradacja wydaje się juŜ łatwa: istnieją
enzymy prowadzące stopniowo do całkowitej
mineralizacji produktów początkowego przecięcia
cząsteczki. We wszystkie te enzymy wyposaŜone
są oczywiście równieŜ bakterie występujące w
wodach
powierzchniowych,
jak
i
te
wykorzystywane w procesach biooczyszczania
ścieków, na przykład w rowach cyrkulacyjnych.
Czy osiągnęliśmy ostateczne rozwiązanie? Na
papierze wydaje się, Ŝe tak. W praktyce jednak
rozkład części węglowodorowych surfaktantów
zachodzi bardzo powoli i środowisko ulega
skaŜeniu za pomocą długołańcuchowych alkoholi
lub kwasów tłuszczowych. Wydaje się dziwne, Ŝe
problem ten pojawił się dopiero teraz, podczas
gdy juŜ przy stosowaniu mydeł mieliśmy
dokładnie ten sam problem. Tak, ale epoka mydła
dawała o wiele mniejsze ilości zrzucanych do wód
surfaktantów niŜ obecna epoka szybkiej i
skutecznej syntezy tych związków.
Biodegradowalność surfaktantów zapoŜyczona od
Natury okazała się więc niewystarczająca.
Potrzebne jest zatem rozwiązanie mądrzejsze od
Natury, albo spróbujmy ograniczyć mycie.
Waldemar Nowicki
Zakład Chemii Fizycznej
Wydział Chemii UAM
Ten Świat – Biuletyn Polskiego Klubu Ekologicznego, Okręg Wielkopolska, 3(56), 3-5, 2003, ISSN 1231-2495
P.S. Po przeczytaniu tego tekstu główny redaktor
zwrócił się do mnie z pytaniem, czy
zanieczyszczenie środowiska detergentami jest
przyczyną występowania piany na powierzchni
wody tuŜ przy brzegów jezior. Uczciwie mówiąc
nie wiem. Problem jest o tyle złoŜony, Ŝe
naturalne procesy rozkładu, jak i procesy
metabolizmu są źródłem wielu związków, których
budowa spełnia wymogi struktury związków
powierzchniowo czynnych, a zatem mogą one być
równieŜ źródłem piany. StęŜenie tych naturalnie
powstających związków we wodach naturalnych
jest znikomo małe. Jednak ze względu na to, Ŝe
wykazują one tendencję do gromadzenia się na
powierzchni wody (do adsorpcji na jej
powierzchni) ich stęŜenie w tym obszarze staje
znacznie większe niŜ w całej objętości zbiornika
wodnego.
Gromadzenie
się
związków
powierzchniowo czynnych na powierzchni wody
jest wynikiem obecności w ich cząsteczkach
fragmentów, które unikają cząsteczek wody.
Cząsteczki te wystawiają ponad powierzchnię
wody właśnie tą „wrogą” wodzie część. Istnieje
jeszcze drugi czynnik, który powoduje
zagęszczenie surfaktantów na powierzchni
zbiornika wodnego. Jest nim wiatr (choć nie bez
satysfakcji nazwę ten czynnik odwrotnym efektem
Marangoniego). Mianowicie wiatr działając siłą
styczną do powierzchni jeziora powoduje
przesuwanie się warstwy powierzchniowej wody
wraz
z
cząsteczkami
surfaktantu
ku
podwietrznemu brzegowi zbiornika. ZauwaŜmy,
Ŝe na ogół powstawanie piany obserwujemy tylko
wzdłuŜ brzegu atakowanego przez fale. Fale te
stanowią kolejny dodatkowy czynnik, dzięki
któremu obserwujemy pianę. Aby piana powstała
konieczna jest bowiem mechaniczna deformacja
powierzchni cieczy, o czym wiedzą wszystkie
gospodynie
domowe,
które
kiedykolwiek
własnoręcznie ubijały śmietanę.
Wspomniany powyŜej odwrotny efekt
Marangoniego to zjawisko, w którym pod
wpływem zewnętrznej siły (w tym przypadku
wiatru) zachodzi powstawanie róŜnicy stęŜeń
surfaktantu na powierzchni wody. Sam efekt
Marangoniego polega zatem na wystąpieniu siły
działającej wzdłuŜ powierzchni spowodowanej
róŜnicą stęŜeń surfaktantu na tej powierzchni.
Wywołane przez ten efekt zjawisko moŜe
wywołać dość dramatyczne wraŜenie, Ŝe krople
cieczy nie podlegają sile grawitacji i potrafią po
ściankach naczynia podąŜać ku górze
Zjawisko
to jest zapewne dobrze znane
wszystkim miłośnikom mocnych trunków, choć
być moŜe z obawy przed posądzeniem o delirium
tremens, nie bywa często przez nich
relacjonowane. Wyjaśnienie zjawiska jest
następujące: Woda charakteryzuje się wysokim
napięciem powierzchniowym, alkohol niskim.
Alkohol jest bardziej lotny od wody. Na
powierzchni kropli zawieszonej na ściance
naczynia zachodzi proces parowania. Skoro
alkohol paruje szybciej, w kropli rośnie stęŜenie
wody. Im mniejsza objętość cieczy pod
powierzchnią kropli (górna część kropli – patrz
rysunek), tym szybciej rośnie stęŜenie wody. JuŜ
po chwili w górnej części kropli mamy duŜe
stęŜenie wody, w dolnej – alkoholu. Napięcie
powierzchniowe w górnej części kropli jest
większe niŜ w dolnej. Na kroplę działa więc
niezrównowaŜona siła skierowana ku górze, pod
wpływem której obserwujemy, jak kropla wpełza
coraz wyŜej i wyŜej...