חומרים פעילי שטח

חומרים פעילי שטח (ראשי תיבות: חפ"ש) היא קבוצה גדולה של חומרים, המשמשים ליצירת קולואידים (מערכות מפוזרות): מערכות בהן פאזה אחת (נוזל, מוצק או גז) מפוזרת בפאזה אחרת. שימוש נוסף ועיקרי של משפחה זו הוא הורדת מתח הפנים של נוזל. לרוב מדובר בתרכובות אורגניות אמפיפיליות, כלומר שהמולקולות שלהן בנויות מחלק הידרופובי (המכונה "זנב") וחלק הידרופילי (המכונה "ראש"). לחומרים אלו שימוש נרחב בחיי היום יום ובתעשייה.

עקרון פעולה

חומרים פעילי שטח יכולים לעיתים להתארגן באופן ספונטני וליצור מבנים דוגמת מיצלות וליפוזומים. יצירת מבנים אלה באופן ספונטני מתאפשרת אם קיים רווח אנרגטי משיקולים תרמודינמיים או משיקולים גאומטריים. לעיתים, ניתן לעזור למערכת על ידי חימום, בחישה או הפעלת מאמצי גזירה. חומרים פעילי שטח מסוגלים לחצוץ בין שתי הפאזות ולהקטין בכך את מתח הפנים של הנוזל. הקטנת מתח הפנים גורמת לנוזל לאבד את צורתו ובמקרה של דטרגנטים מאפשרת ספיגה של חתיכות לכלוך שומני אל תוך הנוזל.

לדוגמה, באינטראקצית מים-אוויר למים ישנו מתח פנים של 72erg/cm², וזאת בשל קשרי המימן החזקים של המים. מתח פנים גבוה זה הוא שגורם לכך שטיפות מים מקבלות את צורתן (העובדה שהמורפולוגיה של החומר נקבעת על פי מתח פנים נכונה לא רק במים).
על מנת להוריד את מתח הפנים הזה משתמשים במולקולות פעילות שטח: בתמיסה מימית, מגיעות המולקולות לפני השטח כאשר הזנב ההידרופובי שלהן פונה כלפי חוץ ואילו החלק ההידרופילי שלהן פונה לתוך התמיסה ובכך יורד מתח הפנים בין המים לאוויר. החל משלב מסוים הוספה של מולקולות חפ"ש לא תוריד יותר את מתח הפנים שכן פני השטח מלאים ואין מקום למולקולות חפ"ש נוספות. בשלב זה ישנה שכבה אחת של מולקולות חפ"ש על פני הנוזל - monolayer.
לאחר הגעה ל monolayer, אם נמשיך להוסיף מולקולות חפ"ש, המולוקולות יסתדרו בצורה של מיצלות. הריכוז שבו מולקולות החפ"ש מתחילות ליצור מיצלות נקרא ריכוז המיצלה הקריטי (CMC (Critical Micelle Concentration. ריכוז זה משתנה כפונקציה של הממס, סוג החפ"ש והטמפרטורה.

מיצלה בממס פולרי (מים) - הקצוות ההידרופיליים מסדרים את עטיפת המיצלה ופנים המיצלה מורכב מהשרשראות ההידרופוביות

.

שימושים

בשל תכונותיהן הייחודיות שהוזכרו לעיל חפ"ש יכולים לשמש לאחד מהתפקידים הבאים:

דטרגנטים וסבונים
מזון - במזון נעשה שימוש נרחב בחומרים פעילי שטח.
חומרים מְתחלבים
חומרי הדברה
ייצור של ננו-חלקיקים:

המיצלות הנוצרות ממולקולות חפ"ש הן בעלות גודל ננו-מטרי ואחיד, בזכות שתי תכונות אלה הן משמשות כתבניות לייצור חלקיקים ננומטרים. דוגמה אחת לכך היא נוזל מגנטי.