Yüzey aktif madde

Yüzey aktif maddelerin yapısını gösteren çeşitli görsel çizimler.

Sarı kutucuk = hidrofobik kısım, Mavi kutucuk = hidrofilik kısım

Sarı kutucuk = hidrofobik kısım, Mavi kutucuk = hidrofilik kısım

Yüzey aktif madde suda veya sulu bir çözeltide çözündüğünde yüzey gerilimini etkileyen (çoğunlukla azaltan) kimyasal bileşik. Yüzey aktif maddeler aynı zamanda iki sıvı arasındaki yüzeylerarası gerilimi de etkiler. Yüzey aktif maddenin İngilizce karşılığı olan surface active agent sözcüklerinin harflerinden oluşan bir kısaltma olan surfactant (surfaktan) kelimesi de yüzey aktif madde yerine kullanılır. Su içerisinde kendi kendine "oto-organize" olabilen yüzey aktif maddeler suyu seven (hidrofilik) ve suyu sevmeyen (hidrofobik) kısımlardan oluşur.

Yapısı özellikleri

Yapısı ve çeşitleri

Yüzey aktif maddelerin (Misellerin) temiz sudaki hali. (Dairemsi)

Pek çok maddede hidrofobik kısım, 8-12 karbondan oluşan, düz veya çok az dallanmış bir hidrokarbondur. C₁₂H₂₅—, C₉H₁₉ . C₆H₄— örneğinde olduğu gibi, belirli bazı bileşiklerde karbon atomlarının bir kısmının yerini, bir benzen halkası alabilir. Hidrofilik fonksiyonal grup çok değişik olabilir. —CSO₃- veya SO₃- örneklerinde olduğu gibi anyonik, —N(CH₃)+ veya C₅H₅N+, örneğinde olduğu gibi katyonik, —N(CH₃)(CH₂)₂COO- örneğinde olduğu gibi anyonik ve katyonik, —(OCH₂CH)_nOH örneğinde olduğu gibi iyonik olmayan (noniyonik) bir yapıda olabilir. Petrolden elde edilen lineer alkil benzen sülfonatlar ile hayvansal ve bitkisel yağlardan elde edilen sülfatların oluşturduğu anyonik sınıf, en yaygın kullanılan bileşiklerdir.

Yüzey aktif maddelerin su yüzeyindeki halini gösteren bir çizim.

Diğer örnekler alkilbenzen-eter sülfonat, yağ alkolü-etilen oksid sülfat, alkil gliserin-eter sulfonat, izotionatm alkil esterleri ve metilalkil lauratlardır. Son konu edilenler, genel olarak, daha yeni uygulamalarda kullanılırlar; örneğin, özellikler isteyen ve yüksek fiat ödenmesini gerektiren yerlerde, sıvı ve çubuklar halinde kullanılırlar. Sabun da anyonik karakterdedir. Setiltrimetilamonyum bromürün bir örnek oluşturduğu kuarterner trimetilalkilamonyum halojenürler, en yaygın katyonik surfaktanlardır. Dialkildimetilamonyum klorür, kumaşlar için katyonik bir yumuşatıcıdır.

Yüzey aktif madde ve yağ tabakasını ektisini gösteren bir çizim

Özellikleri

Deterjan gücünün genel olarak zayıf olmasına karşın, iyi bir kaydırıcı, antistatik ve mikrop öldürücü etkiye sahiptir; fakat, evlerde kullanılmaya uygun bir deterjan değildir. Çözünmeyen bir çökelti vermek üzere birleştikleri için, anyonik ve katyonikler birlikte kullanılamazlar. Aynı nedenle katyonik deterjanları sabunla birlikte kullanmak uygun değildir. Alkil betainler, çift iyonlular için (anyonik-katyonik) örnek oluştururlar; dimetilalkilamin oksidler semipolar; yağ alkollerinin etilen oksid kondensatları, noniyonik surfaktanların molekülsel yapısını gözönüne sererler. Bunlar, en üstün kir uzaklaştıran tiptir ve daha çok, emülsifiyan madde olarak kullanılırlar; fakat, köpük oluşturma özellikleri düşüktür. Bu nedenle, otomatik çamaşır ve bulaşık yıkama makineleri için yararlıdırlar. Bu fonksiyonel grupların hidrofilik karakteri, iyonikten noniyoniğe göre azalır. Organik deterjanlarla ilgili araştırmanın çok büyük bir bölümü, son yıllarda gerçekleştirilmiştir. Yeni surfaktanların sentez edilmeleri, yukarıdaki reaksiyonların bir sonucudur.

Yıkama esnasındaki etkisi

Yüzey aktif maddelerin yıkama esnasında kir üzerindeki etkisi.(Kahverengi olan kısım yağ ya da katı kir tabakasıdır.)

Sabun yüzey aktif maddelerin kategorisine girer. Ancak Sabun kelimesi daha çok büyük moleküllü alkil sülfat veya sulfonatların sodyum tuzları gibi organik türevler için kullanılır. Sabun ve deterjanların surfaktanları, aynı şekilde yüzey gerilimini azaltarak, yıkama işleminin temizleme ve köpük oluşturma görevini yerine getirirler. Temizleme işlemi, sabun veya deterjan çözeltisi ile yıkanacak maddenin yüzeyini ve kirleri ıslatmak, kirleri yüzeyden uzaklaştırmak ve kiri kararlı bir çözelti veya süspansiyon (deterjan) içerisinde tutmak gibi, işlemlerden oluşur. Yıkama suyuna katılan sabun ve deterjanlar, suyun ıslatma özelliğini artırır; bu nedenle su, kumaş ve kirlere daha kolay girer. Bundan sonra kirin uzaklaştırılması başlar. Temizleme çözeltisinin her bir molekülü, uzun bir zincir olarak düşünülebilir. Zincirin bir ucu hidrofilik (suyu seven) ve diğer ucu hidrofobik (suyu sevmeyen veya kiri seven)'dir. Bu moleküllerin kiri seven uçları, bir kir parçacığına yönelir ve onu çepeçevre sarar. Aynı zamanda suyu seven uçlar, molekülleri ve kir parçacığını kumaştan uzaklaştırıp, su içerisine taşır. Çamaşır makinesinin mekanik karıştırması ile bu işlemler birleştiği zaman, bir sabun veya deterjanın kiri uzaklaştırma, onu süspansiyon içerisine alma ve kumaşa tekrar yapışmasını önleme görevleri tamamlanmış olur.

Ekonomideki önemi

2000 yılında yapılan araştırmada dünyada yüzey aktif madde üretimi 10,5 Milyon ton’dur. Bu üretilen yüzey aktif maddelerinin % 56’sı anyonik olanlardan, % 35’i anyonik olmayanlardan oluşmaktaydı. Yüzey aktif olan maddelerin bu türleri ekonomide en önemli olanların arasındadır. 2010 yılında dünya çapında yaklaşık yüzey aktif maddelerinin anyonik olan cinsinden 6,5 milyon ton civarında talep gelmiştir. Anyonik olan ve anyonik olmayan yüzey aktif maddeler bu pazarın % 85’lik kısmını oluşturmaktadır.

2008 yılında sadece Batı Avrupa'da yaklaşık 3,0 milyon ton yüzey aktif madde üretimi yapılmıştır. Bunun yanında ABD’inde 1,6 milyon ton, Çin'de 1,4 milyon ton ve Japonya’da ise 0,98 milyon ton üretilmiştir. 2008 yılında Batı Avrupa'da üretilmiş olan 3,0 milyon ton yüzey aktif maddenin 1,22 milyon tonu anyonik, 1,41 milyon tonu ise iyonik olamayan (noniyonik), 0,28 milyon ton katyonik ve 80 000 ton amfoterik olan yüzey aktif madde üretilmiştir.

Hikayesi

Sabun özelliği gösteren maddelerin varlığına M.Ö. 2500’dan Sümerliler’den kalma çivi yazısı anıtlarında rastlanmıştır. Bu tür bileşikleri zeytinyağının odun külü ile beraber kaynatılması sonucunda elde etmişlerdir. Bunun dışında eski Mısır’da, eski Roma’da, Cermenler’de ve Galyalılar’da yüzey aktif maddelere benzeyen maddeleri yağdan elde ettikleri bilinmektedir.

Bunların yanında Orta Çağ’da Rönesans’ında sabuna benzeyen ürünleri odun külünden ve yağlardan elde etmişlerdir. Sabun ilk defa sentetik olarak Sodyum karbonatın, yemek tuzundan, Sülfürik asitten ve kireç taşından Leblanc Yöntemiyle uygun fiyata üretilmeye başlanılmıştır.

20. Yüzyılda çamaşır makinelerinde kullanılmak üzere üretilen temizlik ürünlerine olan talep oldukça artmıştır.

Normann K. Adam Tetra Propyl Benzen Sülfonat’dan oluşan ve bol miktarda üretme imkânı olan yüzey aktif maddelerden olan bu maddeyi keşfetmiştir. Bu madde 1960’lı yılların başlarında batılı ülkelerin yüzey aktif madde ihtiyacının % 65’ini karşılamaktaydı. Bu maddenin biyolojik olarak doğada geri dönüşümü zor olduğundan nehirlerin yüzeyinde aşırı derecede köpüğün oluşmasına sebep olmuştur. Bu yüzden 1964 yılının başlarından Tetra Propyl Benzen Sülfonat yerine biyolojik olarak geri dönüşümü daha kolay olan Alkil Benzen Sülfona’lar kullanılmaya başlanılmıştır.

1980’lerin başlarından beri bu branşta üretim yapan firmaların çoğu yüzey aktif maddelerin doğada artan olumsuz etkileri üzerine konsantre olmuşlardır. 1990 Henkel firması tarafından başka bir yüzey aktif madde olan Alkil poli glikozit üretilmiştir. Bu madde yapısında hidrofilik kısım olarak şeker kalıntıları molekülleri barındırır. Şeker kalıntıları yüklü olmadıklarından bu tür aktif maddeler iyonik olmayan yüzey aktif maddeler grubuna girmektedir.

Günümüzde üretilen yüzey aktif maddelerde aranan en büyük özellik birincil bozulma derecesine sahip olmalarıdır. Birincil bozulma derecesi yüzeyin gerginliğini kaybetmesini ifade eder. Bu maddelerin doğada geri kazanmın son kısmına gelmesi yapılarına katılan organik bileşikler ile sağlanmaktadır.