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.