عامل فعال على السطح

رسم توضيحي لانتشار عامل فعالية سطحية ضمن كأس من الماء وتشكل جزيء غرواني

عوامل الفعالية السطحية أو فاعل بالسطح إنگليزية: Surfactants : أتى اسمها من أوائل حروف (surface acting agents ). وكما عرفها النظام الألماني لعوامل التنظيف والمنظفات (Waschmittelgesetz)، فإنها مركبات قطبية عضوية ذات أجزاء كارهة للماء وزمرة محبة للماء.

يحدد المصطلح أيضا المركبات الذوابة في الماء المستخدمة من أجل التبليل، والغسيل، والاستحلاب، والتشتييت، والتي تتراكم عند السطوح الحدودية، فتنقص الشد السطحي. ويبلغ تركيز عوامل الفعالية السطحية في السطح الحدودي حوالي 500 ضعف التركيز داخل المحلول المائي.

إن لبنية جزيئات العوامل مقومان مميزان. الجزء الأول من الجزيء هو الذيل الكاره للماء، مثل سلسلة ألكيلية طويلة (C₁₅H₃₁–)، والجزء الآخر هو الرأس المحب للماء وهو زمرة أيونية أو قطبية مثل شاردة الكربوكسيلات (–CO₂ –). تمثل عوامل الفعالية السطحية برسم تخطيطي يتألف من خط يمثل الجزء العضوي الكاره للماء (محب للدهن)، الذيل، وبدائرة تمثل الزمرة المحبة للماء، الرأس. تحتوي الزمرة الكارهة للماء عادة على سلسلة هيدروكربونية مع مركبات ألكيلية و/أو أريلية. وظيفة الزمرة الكارهة للماء كجزء من عوامل الفعالية السطحية هي نبذها من الأوساط المائية عندما توضع فيها.

يجب أن نذكر أيضاً وجود روابط ڤان در ڤالز بين السلسلة الهيدروكربونية (النمط المفضل في الزمرة الكارهة للماء) وجزئيات الماء. من جهة أخرى، فإن جزيئات الماء ترتبط مع بعضها بروابط أقوى وبالتالي تميل لإزاحة السلسلة الهيدروكربونية. وهذا يشرح لماذا يلعب حجم السلسلة الهيدروكربونية دوراً أساسيا في إنحلالية عوامل الفعالية السطحية.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 الخواص

أحد الميسلات micelle—الذيول المحبة للدهون لجزيئات المؤثر السطحي تبقى على الجانب الداخلي للميسل بسبب تفاعلات غير محبذة. "الرؤوس" القطبية للميسل، بسبب التفاعلات محبذة مع الماء، تشكل طبقة خارجية محبة للماء هي بالفعل تحمي قلب الميسل الكاره للماء. المركبات التي تؤلف ميسل هم في العادة amphiphilic بطبيعتهم، أي أن اليسلات ليست فقط قابلة للذوبان في مذيبات protic مثل الماء ولكن أيضاً في مذيبات aprotic كميسل عكسي

تعمل عوامل الفعالية السطحية على تقليل التوتر السطحي للسائل أو الغاز عن طريق امتصاص السطح الفاصل بين الغاز والسائل، كما تقلل التوتر الوجهي عن طريق امتصاص السطح الفاصل سائل وسائل (كالزيت والماء مثلاً). الكثير من عوامل الفاعلية السطحية بإمكانها أن تشكل تجمعات كبيرة في المحاليل الضخمة، يقسم عامل الفعالية السطحية إلى مذيلات وحويصلات، تركيز عامل الفعالية السطحية الذي تبدأه الذي يكون أولاً عبر المذيلات يسمى بالتركيز المذيلي الحرج، عندما تتكون المذيلات في الماء فان ذيولها تكون في الصميم لتوقف عمل الزيت الاعتيادي، ويبقى رأسها متصلاً مع الماء أيضاً في الوقت نفسه، لكن إذا تجمع عامل الفعالية السطحية في الزيت فان شكله يكون معاكساً حيث أن الرأس يكون في الصميم والذيل متصلاً مع الزيت.

يصنف عامل الفعالية السطحية إلى أربعة أقسم رئيسية: أنيوني وكاتيوني وغير أيوني وأمفوتيرية.

الديناميكا الحرارية لعامل الفعالية السطحية مهمة جداً نظرياً وعملياً لأنه يمثل أجهزة في حالات مرتبة وغير مرتبة، محاليل قد تتضمن مرحلة مرتبة (كما في المذيلات) ومرحلة غير مرتبة (كما في جزيئات وأيونات فاعل بالسطح).

المنظفات مثلاً قد تحتوي عامل فعالية سطحية لأن الأخير يساعد على قدرة اختراق الماء للتربة ويمتد تأثيره لأيام معدودة، ويجدر التنويه إلى أن الكثير من هذه المنظفات تحتوي على مراحل متطورة من مركبات كيميائة مثل الصوديوم والبورون والتي تكون ضارة جداً للنباتات ولا يجب استعمالها، وهذا هو أحد أسباب نصح الناس ما زال العلماء في بحث مستمر لايجاد نوع من الفواعل بالسطح لا تضر النباتات ولكن إلى ذلك الحين ما زالوا يقوموا بعملية حت التربة عن طريق المكروبات (الكائن المتولد المجهري).

 مبدأ التوتر السطحي

•  مقالة مفصلة: التوتر السطحي

عندما يشكل الماء سطحاً مع الهواء, فإن لجزيئات الماء الموجود على السطح قوى جذب تجاه بعضها, ونتيجة لذلك يبقى سطح الماء في محاولة مستمرة للانكماش, مما يجعل قطرات الماء متماسكة فيما بينها. يحدث ما يشابه ذلك على السطوح الداخلية للأسناخ. ففي هذه الحالة تكون السطوح المائية في محاولة مستمرة للتقلص أيضاً, ولكن في هذه الحالة, يأخذ سطح الماء المبطن للأسناخ والمحيط بهواء السنخ, والذي يكون في محاولة مستمرة للتقلص شكل البالون, ومن الواضح أن هذه المحاولات لدفع الهواء خارج الأسناخ عبر القصبات تجعل الأسناخ تحاول الانخماص.

 السورفاكتانت وتأثيره على التوتر السطحي

السورفاكتانت عامل فعال على بالسطح, يعني ذلك أنه عندما ينتشر على سطح السائل, فإنه ينقصلا بشكل كبير التوتر السطحي (عندما ينتشر السورفاكتانت على سطح مائي يكون لهذا السطح قوة توتر سطحي تعادل من 1/12 إلى 1/2 كم لتوتر السطحي لسطح الماء النقي).

افرازه: يُفرز السورفاكتانت من خلايا ظهارية خاصة تشكل نحو 10% من مساحة سطح السنخ.

تركيبه: يتألف السورفاكتانت من مزيج معقد من الشحميات الفوسفورية والبروتينات والكربوهيدرات والشوارد, وتعد المادة الشحمية داي بالميتول ليسيتين بالإضافة إلى صمائم البروتين الفعال سطحياً وشوارد الكالسيوم أهم العوامل المسؤولة عن خفض التوتر السطحي, وهي لاتنحل بالسائل بل تنتشر على سطحه.

 الضغط الانخماصي للأسناخ المغلقة الناجم عن التوتر السطحي

الضغط الانخماصي للأسناخ = 2 * التوتر السطحي/قطر السنخ

متوسط قطر الأسناخ الرئوية حوالي 100 مكرومتر, ويكون مبطناً بالسورفاكتانت, ومنه يحسب الضغط حوالي 4سم ضغط مائي (أو 3مم ز), أما إذا كانت الأسناخ مبطنة بالماء النقي فيصبح المقدار حوالي 18سم ضغطاً مائياً. وبذلك يلاحظ المرء مدى أهمية السورفاكتانت في إنقاص كمية الضغط عبر الرئوي المطلوب للحفاظ على تمدد الرئتين.

 تأثير حجم الأسناخ على الضغط الانخماصي الناجم من التوتر السطحي

يلاحظ من المعادلة السابقة أن الضغط الانخماصي المتولد في الأسناخ يتناسب عكساً مع قطر الأسناخ, وهذا يعني أنه كلما صغر السنخ زاد الضغط الانخماصي, وهذا مهم جداً وبشكل خاص عند صغار الولدان الخدج الذين يكون قطر الأسناخ لديهم أقل من ربع السوي, وعلاوة على ذلك, يكون لديهم نقص في السورفاكتانت.

يؤدي السورفاكتانت دوراً هاماً في تثبيت حجم الأسناخ, ويتم ذلك بزيادة كمية السورفاكتانت في الأسناخ الصغيرة الحجم, بحيث أن السنخ الصغير الحجم يحوي كمية كبيرة من السورفاكتانت أكبر من السنخ الأكبر منه في الحجم, مما يؤدي إلى إنقاص التوتر السطحي وبالتالي الحفاظ على ثبوت الأسناخ.

 الاستخدامات والمصادر

تلعب المؤثرات السطحية دوراً هاماً في العديد من الاستخدامات والمنتجات العملية، ومنها:

• منظف
• منعم القماش
• Emulsifiers and Emulsions
• دهانات
• Adhesives
• أحبار
• قشع الضباب
• علاج التربة
• Dispersants
• Wetting
• Ski wax, snowboard wax
• Deinking of recycled paper, both in flotation, washing and enzymatic processes
• عامل مرغي
• مزيل الرغاوي
• ملينات
• صياغات كيماوية زراعية
  • بعض مبيدات الأعشاب
  • مبيد حشري
• Quantum dot coating
• Biocides (sanitizers)
• شامپو
• Hair conditioners (بعد الشامپو)
• معاجين الأسنان
• Cosmetics
• قاتل الحيوانات المنوية (nonoxynol-9)
• مكافحة النيران
• Pipeline, Liquid drag reducing agent
• Alkali Surfactant Polymers (used to mobilize oil in oil wells)
• مائع حديدي
• كاشفات التسرب

Pulmonary surfactants are also naturally secreted by type II cells of the lung alveoli in mammals.

 انظر أيضاً

• مضاد الضباب
• Cleavable detergent
• Niosomes
• Emulsion
• Pulmonary surfactant

 وصلات خارجية

• (إنگليزية) Surfactants explained for Parents
• Sigma-Aldrich: Surfactants - structures, information, and applications