Surfactantes

Es común encontrar, en un amplio rango de tópicos relacionados a superficies y coloides, referencias a especies químicas que tienen una especial propensión a concentrarse (o adsorberse) en la interfase, o formar agregados coloidales en solución a concentraciones molares muy bajas.

Dichos materiales reciben el nombre general de agentes superficiales activos, tensoactivos o surfactantes.

Requerimientos estructurales básicos para la actividad superficial

Los surfactantes poseen una estructura química característica que consiste de componentes moleculares que tienen pequeña o nula atracción por la fase envolvente (solvente), normalmente llamado grupo liofóbico, y unidades químicas que tienen una gran atracción por esta fase, llamado grupo liofílico. Estos compuestos pueden estar compuestos por una cabeza hidrofílica y una cola hidrófoba, como los observados en la Figura 1.

Figura 1. Esquema de un surfactante típico.

Aunque en principio, la actividad superficial y los conceptos relacionados son aplicables a cualquier sistema compuesto de al menos una fase condensada, gran parte de la literatura científica y tecnológica está referida a solventes acuosos y sus interacciones con una segunda fase. Como resultado, el término hidrofóbico es empleado en lugar del término más general liofóbico; análogamemente, hidrofílico es empleado en vez de liofílico.

Los materiales que poseen grupos químicos induciendo actividad superficial son generalmente referidos como anfifílicos (gusto por ambos), indicando que tienen alguna afinidad por dos fases esencialmente inmiscibles.

Cuando un material activo superficialmente es disuelto en un solvente (ya sea agua o un líquido inorgánico), la presencia del grupo liofóbico causa una desfavorable distorsión de la estructura del líquido, aumentando la energía de todo el sistema. En una solución de surfactante acuoso, por ejemplo, dicha distorsión (en este caso orden) de la estructura del agua por los grupos hidrofóbicos disminuye la energía total del sistema (ver Figura 2). La entropía es aumentada cuando las moléculas surfactantes son transportadas a la interfase y las moléculas de agua asociadas son relajadas.

Figura 2. Disposición de moléculas de agua alrededor de un surfactante.

De este modo, el surfactante se adsorbe preferentemente en la interfase, o puede bajo otros procesos disminuir la energía del sistema (formando micelas).

La estructura anfifílica de moléculas surfactantes no sólo resulta en la adsorción de moléculas de surfactante en la interfase y la consecuente alteración de la correspondiente energía, sino que también resulta en la orientación preferencial de las moléculas adsorbidas ya que los grupos liofóbicos son dirigidos hacia fuera del bulto de la fase solvente, como se observa en la Figura 3.

Figura 3. Esquema que representa el transporte de sustancias surfactantes a la superficie o interfase.

Las estructuras químicas teniendo convenientes propiedades de solubilidad para la actividad surfactante varían con la naturaleza del sistema solvente a ser empleado y las condiciones de uso. En agua, el grupo hidrófobo (cola) puede ser, por ejemplo, un hidrocarburo, fluorocarburo, o cadenas de siloxano de suficiente longitud para producir las características de solubilidad deseadas cuando se enlacen a un grupo hidrofílico conveniente. El grupo hidrofílico (cabeza) puede ser iónico o altamente polar, de manera que puede actuar como solubilizante. En un solvente no polar, como el hexano, los mismos grupos pueden funcionar en sentido opuesto.

Clasificación de los surfactantes

Los surfactantes pueden ser clasificados en varias formas. Una de las más comunes es de acuerdo a su aplicación, así los surfactantes pueden ser clasificados en:

- Emulsificadores

- Agentes espumantes

- Agentes mojantes

- Dispersantes, etc.

Esta sin embargo, no dice mucho sobre la naturaleza química específica de un surfactante. También pueden ser clasificados de acuerdo a alguna característica física como el grado de solubilidad en agua o aceite, o estabilidad.

La clasificación más útil de los surfactantes está basada en la naturaleza del hidrófilo, los grupos más generales son (ver Tabla 1):

1. Aniónico, con el grupo hidrofílico teniendo una carga negativa como el carboxilo (RCOO-M+), sulfonato (RSO3-M+), sulfato (ROSO3-M+).

2. Catiónico, con el grupo hidrófilo teniendo carga positiva, como por ejemplo, los hálidos de amonio cuaternario (R4N+X-).

3. No iónico, donde el hidrófilo no tiene carga pero deriva su solubilidad de agua de sus grupos altamente polares como el polioxietileno (–OCH2CH2O–), azúcares o grupos similares.

4. Anfotéricos (y zwiteriónicos), en que la molécula tiene, o puede tener, una carga negativa y una carga positiva en la cadena principal, como las sulfobetainas, RN+(CH3)2CH2CH2SO3-.

Tabla 1. Compuestos más comunes usados como surfactantes.

Por otro lado, el grupo hidrofóbico más comúnmente usado en surfactantes es el de los radicales de hidrocarburos teniendo entre 8 y 20 átomos de carbono. Comercialmente, existen dos fuentes principales para estos materiales: fuentes biológicas como agricultura y pesca, y las derivadas de la industria del petróleo.

Las aplicaciones de los surfactantes en ciencia e industria son amplias, variando desde procesos primarios hasta la recuperación y purificación de materias primas en la industria minera y del petróleo, para asegurar la calidad de productos como pinturas, cosméticos, farmacéuticos y alimentos. Para muchas aplicaciones, las propiedades deseadas pueden variar significantemente. Por esta razón, características como solubilidad, capacidad de reducción de tensión superficial, concentración micelar crítica (cmc), poder de detergencia, control de mojado, y capacidad espumante pueden hacer a un surfactante dado mejor en algunas aplicaciones que en otras.

Asociación Coloidal

Ciertas moléculas anfifílicas, moléculas que tienen ambas regiones, una hidrofílica y una hidrofóbica, exhiben un cambio agudo en el comportamiento de ciertas propiedades, cuando esta propiedad es graficada como una función de la concentración. El proceso se puede entender así: a bajas concentraciones estas moléculas se disuelven en agua y forman una solución verdadera pero con un exceso de las moléculas en la interfase aire-agua. Esto permite al extremo apolar evitar el contacto con el agua,

...