Los Tensioactivos . Química Orgánica

¿Que son los tensioactivos?

Los tensioactivos llamados también surfactantes o agentes de superficie activa, son especies químicas con una naturaleza o estructura polar-no polar, con tendencia a localizarse en la interfase formando una capa monomolecular adsorbida en la interfase que cambia el valor de la tensión superficial.
Los tensioactivos son usados para una variedad de propósitos , pero principalmente en detergentes comerciales y productos de limpieza de uso doméstico.Debido a su extenso uso, los tensioactivos son constituyentes en efluentes municipales y en los correspondientes medio ambientes marinos y de agua dulce que los reciben. Por ejemplo, aproximadamente entre el 11% y el 20% del contenido orgánico soluble en efluentes municipañes tratados fue atribuido a tensioactivos aniónicos.
El alquilbenceno lineal sulfonato ( LAS) es el tensioactivo aniónico maás usado. Aunque el LAS es un compuesto biodegradable , cantidades consideradas de LAS han sido encontradaos en rios.Los estudios sobre su comportamiento en este medio son muy numerosos, sin embargo el LAS en el medio ambiente marino ha sido objeto de pocos estudios.Los estuarios son considerados como una barrera eficiente frente a la salida de LAS al mar abierto.El LAS se encuentra distribuido extensamente y presenta concentraciones en sediment varios órdenes de magnitud superiores a las encontradas en la columna de agua. Este comportamiento permite utilizar al LAS para predecir el camino y el comportamiento final de polucionantes procedentes de aguas residuales domésticas.

¿Como actúan los tensioactivos?

Las soluciones de tensioactivos resultan ser activas al colocarse en forma de capa monomolecular adsorbida en la superficie entre las fases hidrofílicas e hidrofóbicas. Esta ubicación "impide" el tráfico de moléculas que van de la superficie al interior de líquido en busca de un estado de menor energía, disminuyendo así el fenómeno de tensión superficial.

Propiedades de los tensioactivos

Las propiedades generales y comportamiento de los agentes tensioactivos se deben al carácter dual de sus moléculas (grupo hidrófilo y lipófilo); es así como el antagonismo entre estas dos secciones de su molécula y el equilibrio entre ellas es la que da al compuesto sus propiedades activas de superficie.

Comportamiento químico

El grupo hidrófilo ejerce un efecto solubilizante y tiende a llevar a la molécula a disolución completa. El grupo hidrófobo, en cambio, es debido a su insolubilidad tiende a contrarrestar la tendencia del otro. Sí se logra el equilibrio adecuado entre los dos grupos se ve que la sustancia no se disuelve por completo, ni queda sin disolver del todo, concentrándose en la interfase con sus moléculas orientadas de tal forma que los grupos hidrófilos se orientan hacia la fase acuosa, mientras que los hidrófobos hacia la no acuosa o a la fase vapor.

Clasificación de tensioactivos

La clasificación se fundamenta en el poder de disociación del tensioactivo en presencia de un electrolito y de sus propiedades fisicoquímicas.
Existen dos categorías principales:

IONICOS:

Según la carga que posea la parte que presenta la actividad de superficie serán:

- aniónicos
- catiónicos
- anfóteros

Los iónicos, tienen fuerte afinidad por el agua, motivada por su atracción electrostática hacia los dipolos del agua puede arrastrar consigo a las soluciones de cadenas de hidrocarburos, por ejemplo el ácido pálmico, prácticamente no ionizable es insoluble, mientras que el palmitato sódico es soluble completamente ionizado.

Dentro de los que se ionizan en agua, se encuentran:

- Los tensioactivos Aniónicos: En solución se ionizan, pero considerando el comportamiento de sus grupos en solución, el grupo hidrófobo queda cargado negativamente. Están constituidos por una cadena alquílica lineal o ramificada que va de 10 a 14 átomos de carbono, y en su extremo polar de la molécula se encuentra un anión. Representantes de este grupo son derivados del ión sulfato o de sulfonatos como es el dodecil sulfato de sodio o dodecil bencen sulfonato de sodio.

- Los Tensioactivos Catiónicos: Son aquellos que en solución forman iones, resultando cargado positivamente el grupo hidrófobo de la molécula. Como representante de este grupo se encuentra el Bromuro de Cetil Amonio; en general, son compuestos cuaternarios de amonio o una amina grasa en medio ácido.

- Los Tensioactivos Anfóteros ó anfotéricos: Como su nombre lo indica, actúan dependiendo del medio en que se encuentren, en medio básico son aniónicos y en medio ácido son catiónicos.

NO-IONICOS:
- Surfactantes o tensioactivos no-iónicos son aquellos que son ionizarse, se solubilizan mediante un efecto combinado de un cierto número de grupos solubilizantes débiles (hidrófilos) tales como enlace tipo éter ó grupos hidroxilos en su molécula. Como representantes están los alcoholes grasos o fenoles a los que se les agregan una o varias moléculas de óxido de etileno; ejemplo de ellos el nonil fenol etoxilado o el nonanol etoxilado.

Problemas de Vertidos de Detergentes y Tensioactivos . Química Orgánica

Dentro de los principales problemas podemos mencionar los siguientes:

Espuma: En las plantas de tratamiento de agua provoca problemas de operación, afecta la sedimentación primaria ya que engloba partículas haciendo que la sedimentación sea más lenta, dificulta la dilución de oxígeno atmosférico en agua y recubre las superficies de trabajo con sedimentos que contienen altas concentraciones de surfactantes, grasas, proteínas y lodos.

Toxicidad en la agricultura:Al utilizar aguas negras que contengan detergentes para irrigación, se pueden contaminar los suelos y por consiguiente, los cultivos. Así por ejemplo se ha observado que el abs inhibe en un 70% el crecimiento de las plantas como el girasol.

Toxicidad en la vida acuatica: No es posible dar un valor límite de toxicidad debido a que la sensibilidad de cada organismo varía con relación a la especie, tamaño, tipo de detergente y otros factores físicos del medio ambiente.

Eutrificacion: Constituye un proceso natural de envejecimiento, en el que el lago sobrealimentado acumula grandes cantidades de material vegetal en descomposición en su fondo. Esto tiende a llenar el lago y hacerlo menos profundo, más tibio y con gran acumulación de nutrientes. Las plantas se apoderan del lecho del lago conforme se va llenando y se convierte poco a poco en un pantano para transformarse por último en un prado o un bosque. Al ingresar grandes cantidades de detergentes, se acelera el proceso de eutrificación antes mencionado. Si hay un excesivo crecimiento de las plantas acuáticas, éstas tienden a cubrir la superficie del cuerpo de agua, impidiendo el libre intercambio de oxígeno y dióxido de carbono; al morir estas plantas, se descomponen en el lago consumiendo el oxígeno presente en éste, al cabo de un tiempo ya no hay oxígeno disponible y la descomposición tiene que hacerse de forma anaerobia, dando por consecuencia productos secundarios como metano, amoniaco, sulfuro de hidrógeno y otros compuestos que le confieren al cuerpo de agua un olor desagradable. Otro factor que se debe tomar en cuenta, es que los peces presentes en el cuerpo de agua también necesitan oxígeno disuelto en el agua para poder respirar y si éste se consumió con la degradación de las plantas muertas, entonces también los peces morirán

Desprecio de fósforos: Otra desventaja de usar grandes cantidades de fosfatos en los detergentes, es que el fósforo es uno de los elementos vitales necesarios para el crecimiento de cultivos alimenticios y que se utilizan profusamente en fertilizantes que contienen fósforo en forma de fosfato. Sin embargo, las fuentes de fosfatos son limitadas y a futuro se podrían reducir al grado en que se pudiera afectar la producción de alimentos. El uso de fosfatos en los detergentes, en forma desmedida, constituye un desperdicio de uno de los recursos más importantes en la naturaleza y una fuente de contaminación importante.

Efectos de encimas activas:Como se mencionó anteriormente, algunos detergentes contienen enzimas, las cuales atacan sustratos orgánicos específicos. El problema se presenta al usar exceso de estos detergentes, con lo cual se desechan enzimas activas al drenaje, las cuales al llegar a los cuerpos de agua provocarán daños en los seres vivos presentes en éstos, por acción directa sobre ellos o sobre los nutrientes que componen su dieta alimenticia.

Entre otros efectos secundarios producidos por los detergentes es que afectan procesos de tratamiento de las aguas residuales, por ejemplo: cambios en la demanda bioquímica de oxígeno y en los sólidos suspendidos, efectos corrosivos en algunas partes mecánicas de las plantas e interferencias en el proceso de cloración y en la determinación de oxígeno disuelto.

Surfactante Sintético . Química Orgánica

SURFACTANTE SINTÉTICOS

Los surfactantes se clasifican normalmente de acuerdo con la carga que lleva su grupo de cabeza en surfactantes aniónicos, por ejemplo, CH3(CH2)11OSO3-Na+, surfactantes no iónicos, por ejemplo, CH3(CH2)11(OCH2CH2)8OH y surfactantes catiónicos, por ejemplo, [CH3(CH2)17]N+(CH3)2Cl-.

1. Surfactivos aniónicos

Son los más importantes; en 1969 la producción mundial fue próxima a un millón de toneladas. Los materiales de mayor importancia industrial contienen cadenas de hidrocarburos saturados unidos directa o indirectamente a grupos sulfonato o sulfato, las mayores aplicaciones están en el lavado doméstico de ropa y en los productos de fregado de platos.

Alquilbencenosulfonatos de cadena ramificada (ABS), biológicamente duros:

Los primeros surfactantes aniónicos sintéticos que se explotaron comercialmente en gran escala se basaron en alquilbencenos. El dodecilbencenosulfonato sódico es un buen surfactivo con excelentes propiedades de formación de espuma y como se deriva de materias primas económicas y fácilmente disponibles, llenó aparentemente todos los requisitos técnicos y económicos de un surfactivo sintético. Como su sal cálcica es mucho más soluble que el jabón cálcico requiere un desendurecedor para ser efectivo cuando se utiliza para el lavado de ropa en agua dura. Introducidos después de la II Guerra Mundial reemplazan a los polvos para el lavado de ropa, basados en jabón al final de la década de 1950. Sin embargo, estos materiales son biológicamente duros, es decir, se degradan biológicamente con bastante lentitud debido al grupo alquilo altamente ramificado, basado en propileno tetrámero. Esto quiere decir que una proporción significativa de ABS sódico que va a los desagües domésticos sobrevive al tratamiento de aguas residuales y se descarga a los ríos y lagos. Con ello se originan espumas desagradables durante el tratamiento de aguas residuales y en los ríos. Estas espumas fueron no sólo indeseables desde el punto de vista estético, sino que interfirieron en el tratamiento de aguas residuales de forma severa y también inhibieron la captación normal del oxígeno de las aguas naturales. En consecuencia, estos surfactantes biológicamente duros tenían que ser eliminados en áreas densamente pobladas.

Alquilbencenosulfonatos de cadena lineal (LAS), biológicamente suaves:

Éstos se biodegradan mucho más rápidamente, es decir, son biológicamente "suaves". En el principio de la década de 1960 se desarrolló y comercializó un conjunto de rutas para los alquilbencenos de cadena recta; los materiales duros basados en propileno tetrámero han sido ya reemplazados por alquilbencenosulfonatos suaves en la mayoría de los principales mercados mundiales. Éstos de cadena recta son surfactantes sintéticos, económicos, eficientes y con mucho los de mayor éxito hasta la fecha.

Las propiedades de los alquilbencenosulfonatos sódicos de cadena recta dependen de la longitud de cadena del grupo alquilo y de la posición del anillo bencénico en la cadena alquílica. En particular, las propiedades de los 2-fenilalcanosulfonatos son significativamente diferentes de las de los isómeros con el anillo bencénico cerca del centro de la cadena, por ejemplo, estos últimos son mejores espumantes. La extensión de las isomerizaciones puede ser manipulada variando las condiciones de reacción. Los alquilbencenos con bajos contenidos en el 2-fenil-isómero son generalmente considerados mejores; un conjunto de empresas ha desarrollado sus métodos particulares para controlar las isomerizaciones, así como para minimizar el contenido en el 2-fenil-isómero.

Sulfonación:

Comercialmente los alquilbencenos se sulfonan con óleum o con trióxido de azufre gaseoso. Ambos reactivos dan rendimientos muy altos, predomi-nantemente de para-monosulfato.

La sulfonación con trióxido de azufre evita el exceso de ácido sulfúrico y se ha vuelto en la actualidad el método preferido. La reacción del SO3 con los alquilbencenos es extremadamente rápida y altamente exotérmica. Se produce un ácido sulfónico de alta calidad virtualmente libre de ácido sulfúrico. El ácido sulfónico se neutraliza normalmente con solución acuosa de NaOH.

Otros surfactantes aniónicos sintéticos:

a)Sulfonatos de olefinas: Al principio de la década de 1960 empezaron a aparecer cantidades comerciales de olefinas terminales de cadena larga de buena calidad. Dos rutas se usan para su fabricación: cracking de ceras parafínicas (origina olefinas económicas de buena calidad que contienen dienos e impurezas nafténicas) y telomerización de etileno con catalizadores de trietilaluminio (da olefinas de muy buena calidad, que resultan bastante más caras que los materiales de cracking de ceras). La mezcla compleja de sulfonatos producidos a partir de estas rutas, denominada sulfonato de -olefinas, es biodegradable con rapidez y es un excelente surfactivo.

b)Alquilsulfatos: Estos se encuentran entre los primeros surfactantes sintéticos empleados en productos detergentes y se prepararon originalmente sulfatando alcoholes de cadena larga producidos por hidrogenación de ésteres de ácidos grasos. Los alquilsulfonatos primarios son bastante más caros que los alquil-bencenosulfonatos. Los alquilétersulfatos son utilizados como líquido para fregado de platos. Los alquilsulfatos secundarios se utilizan industrialmente y en algunos productos detergentes líquidos domésticos.

Sulfonatos de alcanos:

Las parafinas lineales pueden convertirse en surfactantes de fórmula general RR´CHSO3Na por reacción con dióxido de azufre y oxígeno, se trata de una reacción de sulfoxidación. Los alcanosulfonatos secundarios son fácilmente biodegradables y efectúan bien un conjunto de aplicaciones de detergencia.

La adición de sulfito de hidrógeno y sodio a olefinas terminales origina alcanosulfatos sódicos primarios. Las sales sódicas de estos sulfonatos terminales son sólo poco solubles en agua, lo que limita su empleo; con todo puede utilizarse en conjunción con otros surfactantes.

2. Surfactantes no iónicos

Los surfactantes no iónicos están compuestos de un grupo de alquilo largo hidrófobo conectado a un grupo neutro altamente polar. El grupo polar debe ser suficientemente hidrófilo para llevar al grupo hidrófobo a solución acuosa. Ejemplo: n-dodecil- -glucósido. Otros están compuestos por una cadena de polioxietileno, una cadena larga de hidrocarburo y un grupo de enlace -O- o -COO-.

Los surfactantes iónicos son líquidos o sólidos céreos y sus propiedades difieren en algunos aspectos importantes de las de los surfactantes con carga. Se adsorben con mayor facilidad en las interfases y se agregan con mayor facilidad en micelas.
#

Los primeros surfactantes no iónicos de amplia utilización fueron los alquilfenoles etoxilados. Son biológicamente duros y están siendo ahora reemplazados por materiales biológicamente más blandos.
#

Alcoholes etoxilados: Los alcoholes primarios de cadena larga han sido empleados como materias primas para este tipo de surfactantes no iónicos.

Los alcoholes y alquilfenoles etoxilados son los surfactantes no iónicos más importantes. Se emplean en detergentes domésticos y en numerosas aplicaciones industriales, como procesos textiles, fabricación de papel, tratamientos de caucho y fabricación de pinturas de emulsión.
#

Ácidos grasos etoxilados: estos surfactantes no iónicos han sido empleados en una variedad de aplicaciones domésticas e industriales, aunque no han logrado la importancia de los alcoholes y alquilfenoles etoxilados.
#

Aminas etoxilados: se utilizan mayormente en aplicaciones en las que están protonados y funcionan como surfactantes catiónicos.

3. Surfactantes catiónicos

Están compuestos por un grupo alquilo hidrófobo unido a un grupo hidrófilo cargado positivamente. Todos los materiales de esta clase de importancia industrial están basados en compuestos de amonio cuaternario o en aminas.

Como las bases de cadena larga llevan una carga positiva y la mayoría de las superficies están cargadas negativamente en contacto con soluciones acuosas, estos surfactantes son sustantivos para un gran conjunto de materiales. Su adsorción tiende a anular las repulsiones eléctricas que ayudan a la detergencia y, por ello, los surfactantes catiónicos no pueden normalmente emplearse con fines de limpieza. Sin embargo, la sustantividad, que produce una película protectora superficial y en algunos casos su acción bacteriostática y bactericida, hace a los surfactantes catiónicos valiosos para un conjunto de aplicaciones especiales. Las más importantes son: ablandamiento de los tejidos, modificación de la superficie de minerales, flotación de minerales, emulsiones de asfalto, en la industria del petróleo como inhibidores de corrosión y como bacteriostatos/ bactericidas.