Surfactantes
Los
surfactantes forman y estabilizan emulsiones, por lo que los estudiamos
antes de comezar con emulsiones. Los surfactantes disminuyen la tensión
interfacial por lo que facilitan la formación de gotas más
pequeñas. Cabe añadir que aunque, probablemente, los
surfactantes sean más usados por su intervención en emulsiones
que por otra cosa, los surfactantes también poseen propiedades y
comportamientos aparte de las emulsiones, los cuales tienen significación
biológica.
Los surfactantes se clasifican de acuerdo a:
-
Carga eléctrica
-
Especie química
Dentro de la clasificación por carga tenemos:
-
Aniónicos
-
Catiónicos
-
No-iónicos
-
Anfóteros
Clasificación
Aniónicos
Los surfactantes aniónicos normalmente son sales donde la parte
hidrofílica del surfactante posee unacarga negativa, balanceada
por un catión metálico. Los grupos hidrofílicos
pueden ser, entre otros, carboxilato, sulfonato y sulfato.
Catiónicos
En los surfactantes catiónicos la parte hidrofílica posee
una carga positiva. Lo más común es encontrar sales
de amonio cuaternario, normalmente como haluros.
No-iónicos
En estos casos, no existen grupos cargados en la parte hidrofílica,
sin embargo, la solubilidad en agua se deriva de grupos muy polares como
los polioxietilenos o polialcoholes.
Anfóteros
Estos surfactantes contienen, o pueden contener, cargas positivas y negativas
al mismo tiempo. En este grupo encontramos sulfobetaínas y
derivados de aminoácidos.
Tipos químicos más comunes
La siguiente tabla muestra algunos de los grupos hidrofílicos más
comunes en productos comerciales.
Grupo |
Fórmula general |
Amonio |
RxHyN+ X- |
Amonio cuaternario |
R4N+ X- |
Betaínas |
RN+(CH3)2CH2COO- |
Carboxilato |
R-COO- |
Fosfato |
R-OPO3- |
Polioles |
Etilenglicol, glicerol, sacarosa, sorbitán. |
Polioxietileno |
R-OCH2CH2(OCH2CH2)nOH |
Polipéptidos |
H
O H O
|
|| |
||
R-N-CHR-C-N-CHR'-C-. . .-COOH |
Poligliceroles |
R-(OCH2CH[CH2OH]CH2)nOCH2CH[CH2OH]CH2OH |
Sulfato |
R-OSO3- |
Sulfobetaínas |
RN+(CH3)2CH2SO3- |
Sulfonatos |
R-SO3- |
Coloides de asociación
Ya sabemos que los surfactantes tienden a reducir su energía libre
de superficie adsorbiéndose en interfases. En ocasiones, cuando
la concentración de surfactante es muy grande, puede ser que todas
las interfases disponibles estén saturadas. Cuando esto ocurre,
las moléculas de surfactante recurren a otros mecanismos como son
la formación de micelas, vesículas y bicapas
Micelas
Dado que los surfactantes poseen una parte hidrofílica y una hidrofóbica,
es de esperarse que cuando las moléculas de surfactante se encuentran
en un medio completamente acuoso, tenderán a reducir la superficie
de contacto del agua con las partes hidrofóbicas. Muchas veces
esto se logra agregando las moléculas en forma de una gotícula,
con las colas hidrofóbicas hacia adentro, de modo que la gotícula
tiene un interior muy parecido a un hidrocarburo, mientras que la superficie
es rica en grupos cargados con gran afinidad por el agua.
La agregación para formar micelas se presenta a partir de una
cierta concentración de surfactante--la concentración
micelar crítica. Esta agregación favorece un
aumento de la solubilidad. Por supuesto que la solubilidad depende
de varios factores como son:
-
Longitud de la cola hidrofóbica
-
Naturaleza de la cabeza hidrofílica
-
Valencia del contra-ion
-
Solvente
-
Temperatura
Todos los surfactantes iónicos presentan una temperatura por encima
de la cual se presenta un brusco aumento de la solubilidad. A esta
temperatura se le llama temperatura de Krafft.
Las micelas no se forman por debajo de la temperatura de Krafft, porque
termodinámicamente es más barato mantenerse como fase sólida
que como micelas.
Los surfactantes no-iónicos no presentan temperatura de Krafft,
porque obedecen a un diferente mecanismo de disolución; sin embargo,
su solubilidad también depende de la temperatura. En ciertos
casos, a cierta temperatura, el surfactante se separa como una fase distinta,
lo cual produce una suspensión lechosa. A esta temperatura
se le llama punto de nube (cloud point)
Hacer ejercicios 1.4.3, 1.4.4 y 1.4.5 del Hunter
Bicapas
A veces un surfactante posee una estructura que no permite un buen empaque
de las colas hidrofóbicas para formar micelas, p. ej. con fosfolípidos.
Como sus colas hidrofóbicas no requieren más espacio que
el disponible en una micela, éstas moléculas se agregan para
formar bicapas extendidas, esto es, hojas donde las colas hidrofóbicas
apuntan unas hacia otras, mientras que la superficie concentra las cargas
que tienen buena afinidad por el agua. La agregación de fosfolípidos
para formar bicapas es uno de los procesos fundamentales en la formación
de las membranas celulares.
Vesículas
Si tenemos una bicapa, y la sometemos a una agitación intensa, p.
ej., con ultrasonido, es posible que la bicapa se rompa y al reagruparse,
obtenemos lo que llamamos vesículas. Una vesícula es
un contenedor de forma aproximadamente esférica, cuyas paredes están
formadas por una bicapa continua. Por esto, tanto el interior como
el exterior de una bicapa tienen un ambiente acuoso, mientras que sólo
el interior de la pared--la membrana de la vesícula--posee un ambiente
hidrocarbonado, como el del interior de una micela.
Aplicaciones de los surfactantes en la industria
Agroquímicos
Para que un plaguicida pueda surtir efecto debe ser absorbido por el insecto.
Existen por lo menos tres vías para la absorción de un plaguicida:
-
Respiratoria
-
Cutánea
-
Gástrica
En el caso de la vía cutánea existe una barrera cérea,
la cual hace que la epicutícula del insecto sea impermeable.
Por esta razón, los insecticidas pulverizables deben contener algún
tensoactivo que reduzca la tensión superficial, de modo que se facilite
la penetración a la endocutícula.
La cantidad de tensoactivo añadido debe controlarse cuidadosamente,
porque un defecto en la concentración no disminurá suficientemente
la tensión superficial y por lo tanto el insecticida no penetrará;
mientras que un exceso se producen pérdidas de insecticida, porque
sólo se adhiere una capa muy delgada, de modo que la cantidad de
insecticida resulta insuficiente para matar al al insecto.
En el caso de herbicidas, en muchos casos los tensoactivos favorecen
la penetración del producto activo por los estomas a través
de la cutícula foliar. Para algunos herbicidas existe una
concentración óptima de surfactante que produce un máximo
de penetración. En general, se puede decir que las cadenas
lipofílicas más largas favorecen la penetración.
Existe la posibilidad de que el tensoactivo y el producto activo interactúen
químicamente debido a afinidad química, p. ej., algunos plaguicidas
básicos de alto peso molecular pueden precipitarse al reaccionar
con tensoactivos aniónicos.
Entre los tensoactivos usados en productos agroquímicos están:
polioxietilen alcoholes, empleados para emulsificar insecticidas
tales como el DDT, paratión, clordano y toxafeno. Como son
ni-iónicos no les afecta la dureza del agua ni el pH.
polioxietilen alquilfenoles, empleados para preparar emulsiones
concentradas de insecticidas y herbicidas.
Cosméticos
La industria de cosméticos requiere que los tensoactivos utilizados
cubran una variedad de funciones dependiendo del producto, a saber:
-
Detergencia, para eliminar suciedad como en el caso de los shampoos y jabones
de tocador.
-
Humectación, tintes para el cabello y lociones para ondulados y
permanentes
-
Espumación, baños de burbujas y shampoos
-
Emulsificación, cremas para la piel
-
Solubilización, perfumes y saborizantes
La función más frecuentemente utilizada es la emulsificación,
dado que las emulsiones posibilitan la aplicación de un gran número
de materiales.
La producción de shampoos consume la mayoría de los surfactantes
empleados en la industria de cosméticos. Estos surfactantes
deben disolverse fácilmente en aguas duras sin precipitarse y deben
poseer buena detergencia sin desengrasar demasiado. Cada vez más
frecuentemente, los requisitos incluyen la biodegradabilidad de los ingredientes
del shampoo. En general, los compuestos de cadena lineal son biodegradables,
mientras que los de cadena ramificada no.
Entre los tensoactivos utilizados en esta industria están:
Esteres orgánicos fosfatados, son buenos emulsificantes.
Los productos con HLB bajo emulsifican rápidamente minerales y ceras
y no irritan la piel ni los ojos. Dan cuerpo al cabello, lubrican
de modo excelente e imparten propiedades antiestáticas por lo que
encuentran muchas aplicaciones en fórmulas para shampoos, acondicionadores
para el cabello, cremas limpiadoras, removedores de cutícula y pastas
dentales, entre otros.
Alcoholes grasos,
Nombre |
Propiedades |
Usos |
Colesterol |
Emulsificante W/O usado en cremas y ungüentos, emoliente y recomendado
para reducir la irritación que producen los jabones, capaz de penetrar
la epidermis e impartirle flexibilidad |
Cremas para el cabello, cremas para manos, tónico para el cabello |
Colesterol etoxilado |
Similares al colesterol pero soluble en agua. |
Gel transparente acondicionador del cabello |
Alcoholes de lanolina modificados |
Emulsificante W/O. Alto contenido de colesterol por lo cual ayuda
a conservar el balance de agua en la piel. Las emulsiones que forma
se rompen en presencia de silicatos alcalinos por lo que deben utilizarse
envases libres de silicatos alcalinos en la superficie. |
Cremas para pieles maltratadas o que están en contacto con el
agua, cremas para todo el cuerpo y cremas para bebé. |
Alcoholes proposilados o procetiles |
Eteres emolientes, lubricantes, solubles en alcoholes, fáciles
de dispersar. |
Cremas limpiadoras, desodorantes, dispersantes de pigmentos en maquillajes,
preparaciones para el cuidado de la piel. |
Dado que los productos cosméticos están en contacto directo
con el cuerpo humano, el formulador de estos productos debe tomar en cuenta
efectos dermatológicos y toxicológicos:
Efectos dermatológicos
Los tensoactivos pueden humedecer la piel y eliminar la grasa de su superficie.
Mal utilizados pueden producir grietas, fisuras y resequedad. Los
surfactantes catiónicos se adsorben fuertemente a proteínas,
por lo que hay que tener mucho cuidado antes de incorporarlos a productos
que puedan entrar en contacto con los ojos o la boca.
Efectos toxicológicos
Los tensoactivos en general no poseen toxicidad elevada. Además,
la pequeña proporción de agente que se usa en las formulaciones
reduce aún más dicha toxicidad. De cualquier modo,
conviene verificar la toxicidad oral de estos productos. Los más
tóxicos son los surfactantes catiónicos, con valores de DI50
entre 50 y 500 mg/kg de peso corporal; los aniónicos poseen valores
entre 2 y 8g/kg de peso corporal. Los surfactantes no-iónicos
normalmente tienen valores superiores a 5g/kg de peso corporal.
Perforación de pozos de petróleo
Al perforar pozos de petróleo, es necesario utilizar fluidos que
permitan enfriar las cabezas de las brocas. Estos fluidos también
pueden usarse para mejorar la estabilidad de las paredes del pozo, de modo
que éstas no se derrumben y lo tapen.
Entre otros factores se debe considerar la actividad de la roca
que se está perforando. Por actividad se entiende el cociente
de la presión de vapor del agua contenida en la roca entre la presión
de vapor del agua pura. Generalmente se busca que el fluido de perforación
tenga una actividad igual a la de la roca que se va a perforar. El NaCl
y el CaCl2 sirven como reguladores de la actividad del fluido
de perforación.
Los fluidos de perforación son emulsiones inversas (W/O), esto
es, son dispersiones de agua en aceite.
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Ultima actualización de esta página: 05 de octubre de 2005
Encargado de la página: Dr. Víctor Manuel Rosas García.
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Facultad de Ciencias Químicas
Universidad Autónoma de Nuevo León
San Nicolás de los Garza, NL, México.