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: Dentro de la clasificación por carga tenemos:  

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.

 
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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: 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: 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: 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: 7 de agosto de 1998

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.