21.1: Очищення милом
- Page ID
- 20093
- Опишіть механізм, за допомогою якого мила надають свою очисну дію.
- Перерахуйте користь і проблеми з використанням мила.
Особиста чистота
Мило - це сіль жирної кислоти [1], яка використовується в різних очищувальних і змащувальних засобах. У побутових умовах мило - це поверхнево-активні речовини, які зазвичай використовуються для миття, купання та інших видів домашнього господарства. У промислових умовах мило використовується як загусники, компоненти деяких мастильних матеріалів та попередники для каталізаторів.
При використанні для очищення мило солюбілізує частинки і бруд, які потім можна відокремити від виробу, що очищається. Під час миття рук, як поверхнево-активна речовина, коли мило з невеликою кількістю води, мило вбиває мікроорганізми, дезорганізуючи їх мембранний ліпідний бішар і денатурируя їх білки. Він також емульгує масла, дозволяючи їм захоплюватися проточною водою. [2]
Промислово виготовлені барне мило стало доступним наприкінці 18 століття, оскільки рекламні кампанії в Європі та Америці сприяли інформованості населення про взаємозв'язок між чистотою та здоров'ям. [35] У сучасний час використання мила стало звичним явищем у промислово розвинених країнах завдяки кращому розумінню ролі гігієни у зменшенні чисельності популяції патогенних мікроорганізмів (рис.\(\PageIndex{1}\)).
Миловаріння: Жир плюс луг утворює мило плюс гліцерин
Найбільш ранні зафіксовані докази виробництва милоподібних матеріалів датуються приблизно 2800 роком до нашої ери в Стародавньому Вавилоні. [10] Формула мила, що складається з води, лугу та олії касії, була написана на вавилонській глиняній таблетці близько 2200 року до н.е. [11]
Папірус Еберса (Єгипет, 1550 р. До н.е.) вказує на те, що стародавні єгиптяни регулярно купалися і поєднували тваринні та рослинні масла з лужними солями для створення милоподібної речовини. Єгипетські документи згадують, що подібне речовина використовувалося при підготовці вовни до плетіння. [12] За правління Набоніда (556—539 рр. До н.е.) рецепт мила складався з ухулу [попелу], кипариса [олії] та кунжуту [масло насіння] «для миття каменів для дівчат-слуг». [13] У Стародавньому Ізраїлі попіл рослин барили, таких як види Сальсола, соляниця (Seidlitzia rosmarinus) та анабасис, використовувався у виробництві мила, відоме як калійне
До промислової революції миловаріння велося в невеликих масштабах і продукт був грубим. У 1780 році Джеймс Кейр заснував хімічний завод в Тіптоні, для виготовлення лугу з сульфатів калію і соди, до яких згодом додав мильну мануфактуру. William Gossage виробляв недороге, добротне мило з 1850-х років. Роберт Спір Хадсон почав виготовляти мильний порошок в 1837 році, спочатку подрібнюючи мило ступкою і товкачем. Американський виробник Benjamin T. Babbitt представив маркетингові інновації, які включали продаж кускового мила і дистрибуцію зразків продукції. Вільям Хескет Левер і його брат Джеймс придбали невеликий мильний завод у Уоррінгтоні в 1886 році і заснували те, що досі є одним з найбільших мильних підприємств, раніше називалося Lever Brothers, а тепер називається Unilever. Ці мильні підприємства одними з перших зайняли масштабні рекламні кампанії. Рекламний плакат показаний на малюнку\(\PageIndex{2}\).
Рідке мило було винайдено не до дев'ятнадцятого століття; в 1865 році Вільям Шеппхард запатентував рідку версію мила. [40] У 1898 році Б.Джей Джонсон розробив мило, отримане з пальмової та оливкової олій; його компанія, компанія B.J. Johnson Soap Company, представила фірмове мило «Palmolive» того ж року. [41] Ця нова марка мила швидко стала популярною, і до такої міри, що компанія B.J Johnson Soap змінила свою назву на Palmolive. [42]
Жири та олії можуть брати участь у різних хімічних реакціях - наприклад, оскільки тригліцериди є ефірами, їх можна гідролізувати у присутності кислоти, основи або специфічних ферментів, відомих як ліпази. Гідроліз жирів і масел при наявності основи використовується для виготовлення мила і називається омиленням. Сьогодні більшість мила готують шляхом гідролізу тригліцеридів (часто з жиру, кокосового масла або обох) з використанням води під високим тиском і температурою [700 фунтів/в 2 (50 атм або 5000 кПа) і 200° C]. Карбонат натрію або гідроксид натрію потім використовується для перетворення жирних кислот в їх солі натрію (молекули мила):
\(\PageIndex{3}\)Малюнок омилення.
Як працює мило
Очищаюча дія мила визначається його полярними і неполярними структурами в поєднанні із застосуванням принципів розчинності. Довга вуглеводнева ланцюг, звичайно, неполярна і гідрофобна (відштовхується водою). «Сольовий» кінець молекули мила іонний і гідрофільний (водорозчинний). Приклади молекул мила і миючого засобу, наведені на рис\(\PageIndex{4}\). Застосування таких складів в якості миючих засобів сприяє їх поверхнево-активний характер, що знижує поверхневий натяг води, дозволяючи їй проникати і змочувати різні матеріали.
При додаванні мила в воду іонно-сольовий кінець молекули притягується до води і розчиняється в ній. Неполярний вуглеводневий кінець молекули мила відштовхується водою. Крапля або дві мила у воді утворює моношар (рис.\(\PageIndex{5}\)) на водній поверхні, як показано на графіці зліва. Молекули мила «встають» на поверхню, коли кінець полярної карбоксильної солі притягується до полярної води. Неполярні вуглеводневі хвости відштовхуються водою, що змушує їх здаватися вставати.
Мило проти олії проти води
Вода сама по собі не здатна проникнути в жир або масло, оскільки вони мають протилежну полярність. Коли жир або масло (неполярні вуглеводні) змішуються з мильно-водним розчином, молекули мила працюють як «міст» між полярними молекулами води і неполярними молекулами нафти. Молекули мила мають як неполярні, так і полярні властивості на протилежних кінцях молекули.
Нафта є чистим вуглеводнем, тому вона неполярна. Неполярний вуглеводневий хвіст мила розчиняється в маслі. Що залишає полярний карбоксилатний іон молекул мила стирчить з крапель олії, поверхня кожної краплі олії негативно заряджена. В результаті краплі масла відштовхуються один від одного і залишаються підвішеними в розчині (це називається емульсією), щоб змиватися струменем води. Зовнішня сторона крапельки також покрита шаром молекул води.
Графіка на малюнку,\(\PageIndex{6}\) хоча і не є суворо представленням вищезазначеного опису, - це міцелла, яка працює приблизно так само. Масло буде центром міцели.
Недоліки та переваги мила
Значення мила для людської цивілізації задокументовано історією, але деякі проблеми, пов'язані з його використанням, були визнані. Один з них викликаний слабкою кислотністю (pKa ок. 4,9) жирних кислот. Розчини мила лужних металів слаболужні (рН від 8 до 9) внаслідок гідролізу. Якщо рН мильного розчину знижений кислими забрудненнями, нерозчинні жирні кислоти випадають в осад і утворюють накип. Друга проблема викликана наявністю солей кальцію і магнію у водопроводі (жорстка вода). Ці двовалентні катіони викликають агрегацію міцел, які потім відкладаються як брудна накип.
У наведеній нижче реакції катіон натрію в милі замінюється кальцієм з утворенням стеарат кальцію. Білий осад, який також називають мильною накипом, може утворювати відкладення на поверхнях і всередині сантехніки.
2 С 17 Н 35 СОО − Na + Са 2+ → (С 17 Н 35 СОО) 2 Са + 2 На +
Мило як і раніше широко популярний продукт, так як це низька вартість, легко доступний продукт, який використовується для особистої гігієни і чистоти. Використання мила не призводить до забруднення. Мило біологічно розкладається, оскільки воно може бути розщеплено мікроорганізмами, що містяться в стічних водах.
Відео \(\PageIndex{1}\)Мило і коронавірус.
Пом'якшувачі води
Пом'якшення води - це видалення кальцію, магнію та деяких інших катіонів металів у жорсткій воді. Отримана м'яка вода вимагає менше мила для тих же зусиль очищення, так як мило не витрачається даремно склеювання з іонами кальцію. М'яка вода також продовжує термін служби сантехніки, зменшуючи або усуваючи накопичення накипу в трубах і фітингах. Пом'якшення води зазвичай досягається за допомогою пом'якшення вапна або іонообмінних смол (див. Рис.\(\PageIndex{7}\)), але все частіше здійснюється за допомогою нанофільтраційних або зворотноосмотичних мембран.
Як пом'якшити жорстку воду
Деякі бажають пом'якшити жорстку воду, щоб контролювати її дратівливі, а в багатьох випадках і шкідливі наслідки. Зменшена здатність мила намилятися не тільки дратує, але також може бути потенційно шкідливим економічно. Підприємства, які залежать від піноутворення мила, такі як автомийки та догляд за домашніми тваринами, можуть захотіти пом'якшити жорстку воду, щоб уникнути надмірного використання мила через зниження здатності до піни. Так само часто необхідно пом'якшити воду, яка контактує з трубами, щоб уникнути руйнівного та компрометуючого накопичення відкладень. Крім того, багато людей можуть знайти кальцифікуючі ефекти, які жорстка вода має на крани та інші предмети несприятливим і вирішили пом'якшити воду, щоб запобігти утворенню таких мінеральних відкладень. Треті можуть не сподобатися липке, сухе відчуття, залишене випаданням мильної накипу на шкіру. Якими б не були причини, існує безліч процесів для пом'якшення жорсткої води.
іонний обмін
Один із способів пом'якшення води - це процес, який називається іонним обміном. Під час іонного обміну небажані іони «обмінюються» на більш прийнятні іони. У багатьох випадках бажано замінити іони жорсткої води, такі як Ca 2 + і Mg 2 +, на більш приємні іони, як у Na +. Для цього жорстку воду проводять через цеоліт або смолосодержащую колону, яка зв'язує небажані іони з її поверхнею і вивільняє більш стерпні іони. У цьому процесі іони жорсткої води стають «фіксованими» іонами через їх прикріплення до смоляного матеріалу. Ці нерухомі іони витісняють бажані іони (Na +), які зараз називаються контрійонами, з колони, обмінюючи тим самим іони у воді. Цей процес проілюстрований на рис\(\PageIndex{8}\).
На жаль, цей процес має недолік у збільшенні вмісту натрію у питній воді, що може бути потенційно небезпечним для здоров'я людей з обмеженим натрієм дієтами.
Пом'якшення вапна
Інший процес називається вапняним розм'якшенням. У цьому процесі в жорстку воду додають з'єднання гідроксиду кальцію, Са (ОН) 2. Гідроксид кальцію, або «гашене вапно», підвищує рН води і змушує кальцій і магній осаджувати в CaCo 3 і Mg (OH) 2. Потім ці опади можуть бути легко відфільтровані через їх нерозчинність у воді, показано нижче невеликою постійною розчинності гідроксиду магнію (константа продукту розчинності для карбонату кальцію показана вище). Після осадження і видалення іонів, що порушують, додають кислоту, щоб привести рН води в норму.
\[Mg(OH)_{2 \; (s)} \rightleftharpoons Mg^{2+}_{(aq)} + 2OH^-_{(aq)} \tag{4a} \]
хелатування
Хелатуючі засоби також можуть використовуватися для пом'якшення жорсткої води. Полідентатні ліганди, такі як популярний гексадентатний ліганд ЕДТА, пов'язують небажані іони в жорсткій воді. Ці ліганди особливо корисні в зв'язуванні катіонів магнію і кальцію, які, як уже згадувалося, дуже поширені в жорстких водних розчині. Хелатуючий агент утворює дуже стійкий кільцевий комплекс з катіонами металів, що запобігає їх взаємодії з будь-якими іншими речовинами, які можуть бути введені в розчин, такими як мило. Таким чином, хелатори здатні зменшити негативні наслідки, пов'язані з жорсткою водою. Спрощене рівняння, що представляє хелювання катіона кальцію металу (Ca 2 +) з гексадентатом ліганд ЕДТА показано нижче. Велике значення константи освіти (K f) відображає тенденцію реакції переходити до завершення в прямому напрямку.
\[Ca^{2+} + EDTA^{4-} \longrightarrow [Ca(EDTA)]^{2-} \tag{5a} \]
Зворотний осмос
Завершальний процес, зворотний осмос, використовує високий тиск, щоб змусити воду через напівпроникну мембрану. Ця мембрана, як правило, призначена для того, щоб бути непроникною для нічого, крім води. Мембрана служить для фільтрації більших іонів і молекул, відповідальних за жорсткість води, що призводить до пом'якшення води. Під час цього процесу вода витісняється з ділянки з високою концентрацією розчиненої речовини у вигляді розчинених іонів металів та подібних сполук, до області, яка дуже низька в концентрації цих речовин. Іншими словами, вода переходить від стану твердості до більш м'якого складу, оскільки іони, що викликають жорсткість води, перешкоджають проходженню через мембрану. Зворотний осмос має недолік витрачання стічних вод порівняно з іншими методами очищення води. Цей процес показаний на малюнку\(\PageIndex{9}\) нижче. Відзначимо, що ця цифра описує опріснення солоної води. Однак процес пом'якшення жорсткої води однаковий.
Виготовлення жорсткої води м'якою
Відео \(\PageIndex{2}\)Як пом'якшити жорстку воду.
Резюме
- Мило, як засіб для чищення, солюбілізує частинки і бруд, які потім можна легко видалити з очищається виробу.
- При ручному митті мило є відмінною поверхнево-активною речовиною, яка знищує мікроорганізми, пошкоджуючи їх клітинні мембрани і денатурируя їх білки.
- Мило є недорогим, легко доступним миючим засобом, який також має ефективність, зменшується біологічно розкладається. Однак його ефективність зменшується при використанні з жорсткою водою.
Дописувачі
- Wikipedia
- Libretext: Organic Chemistry (McMurry)
- Template:ContribReusch
- Charles Ophardt, Professor Emeritus, Elmhurst College; Virtual Chembook
- Andrea Kubisch, Courtney Korff (UCD)
- Template:ContribAgnewM