2.7. Mydło w walce o czystość

Dbanie o czystość nie byłoby trudne, gdyby wszystkie zabrudzenia i plamy rozpuszczały się w wodzie. Niestety, większość z nich jest odporna na działanie wody. Ludzie od najdawniejszych czasów poszukiwali skutecznych sposobów pozbywania się brudu podczas mycia i prania. Okazało się, że do tego celu doskonale nadają się mydła. Czym charakteryzują się mydła i jaki jest mechanizm ich działania?

Już wiesz: 

  • czym charakteryzują się substancje polarne i niepolarne;
  • jakie właściwości ma woda, która jest rozpuszczalnikiem polarnym;
  • jakimi właściwościami fizycznymi i chemicznymi charakteryzują się tłuszcze;
  • jakie właściwości mają wodorotlenki i czym charakteryzują się ich wodne roztwory.

Nauczysz się: 

  • opisywać właściwości mydeł;
  • klasyfikować mydła ze względu na stan skupienia, twardość, rozpuszczalność w wodzie i wymieniać przykłady mydeł;
  • wyjaśniać, na czym polega proces zmydlania tłuszczów;
  • omawiać, posługując się schematem (rysunkiem), mechanizm działania mydła na brud i zaznaczać fragmenty hydrofobowe i hydrofilowe we wzorach oraz modelach substancji powierzchniowo czynnych;
  • wyjaśniać, na czym polega proces usuwania brudu z użyciem mydła;
  • uzasadniać, w jaki sposób twardość wody wpływa na proces mycia, oraz proponować sposoby zbadania wpływu twardości wody na powstawanie podczas mycia związków trudno rozpuszczalnych.

1. Właściwości mydeł i ich otrzymywanie

Mydła są substancjami, które mają zdolność pienienia się w wodzie i usuwania brudu. Mydła twarde stosowane w gospodarstwie domowym są mydłami sodowymi z dodatkiem substancji zapachowych i barwników. Natomiast składnikami innych produktów, na przykład kremów do golenia czy preparatów myjących w płynie, są zwykle mydła potasowe.
Mydła są solami metali grupy 1. i 2. (głównie sodu, potasu, magnezu) i wyższych kwasów karboksylowych (tłuszczowych) – najczęściej kwasu palmitynowego, stearynowego oraz oleinowego, na przykład:
  • palmitynian sodu C IndeksDolny 15 KoniecIndeksów H IndeksDolny 31 KoniecIndeksów COONa,
  • stearynian potasu C IndeksDolny 17 KoniecIndeksów H IndeksDolny 35 KoniecIndeksów COOK,
  • oleinian sodu C IndeksDolny 17 KoniecIndeksów H IndeksDolny 33 KoniecIndeksów COONa .

Doświadczenie 2.7.1.  [DO WYKONANIA POD NADZOREM OSOBY DOROSŁEJ]Jak otrzymać mydło?

Problem badawczy:  
Skoro mydła są solami, to czy można je otrzymać w reakcji kwasów z wodorotlenkami?
Hipoteza: 
Podobnie jak wiele innych kwasów, wyższe kwasy tłuszczowe reagują z wodorotlenkami, tworząc sole. Jednym z produktów reakcji wyższego kwasu tłuszczowego z wodorotlenkiem sodu (lub potasu) będzie sól sodowa (bądź potasowa) tego kwasu, czyli mydło.

Uwaga

Należy pracować w rękawicach i okularach ochronnych. W czasie wykonywania doświadczenia używa się stężonego roztworu wodorotlenku, który ma silne właściwości żrące.
Co będzie potrzebne: 
  • stężony roztwór wodorotlenku sodu,
  • kwas stearynowy,
  • fenoloftaleina,
  • probówka,
  • szczypce drewniane,
  • palnik.
Instrukcja: 
  1. 1.
    Do probówki z małą ilością stężonego roztworu wodorotlenku sodu dodaj kilka kropel fenoloftaleiny.
  2. 2.
    Dodawaj małymi porcjami kwas stearynowy, cały czas ogrzewając zawartość probówki w płomieniu palnika.
  3. 3.
    Przerwij dodawanie kwasu i ogrzewanie, gdy roztwór zacznie się odbarwiać.
  4. 4.
    Po ostygnięciu probówki wstrząśnij jej zawartością, a następnie zbadaj właściwości otrzymanego produktu.
Podsumowanie: 
Podczas rekcji można obserwować zmiany barwy fenoloftaleiny w roztworze.
Produkt reakcji podczas wytrząsania z wodą obficie się pieni.
W wyniku reakcji kwasu stearynowego z wodorotlenkiem sodu powstaje sól – stearynian sodu (mydło). Reakcja przebiega zgodnie z równaniem:
Mydło jest substancją powierzchniowo czynną. Jego działanie polega na obniżaniu napięcia powierzchniowego wody.

Ciekawostka

Ciekawostka

Jeszcze na początku XX wieku mydło było wytwarzane w domach i pralniach, często ze względów ekonomicznych. Surowcem do jego produkcji był tłuszcz, a wszelkie odpadki w postaci tłuszczu pochodzące z gospodarstwa zbierano miesiącami w specjalnie do tego celu przeznaczonych beczkach lub kadziach, do których dodawano ług sodowy. Kadzie chroniono przed deszczem, natomiast wystawiano na działanie promieni słonecznych. Przeważnie jesienią zawartość kadzi gotowano przez kilka godzin, dodając w miarę potrzeby większą ilość ługu. Po sprawdzeniu, czy próbka uzyskana z mieszaniny twardnieje, kończono proces bądź kontynuowano gotowanie lub poddawano dalszej obróbce.
Proces otrzymywania mydła z tłuszczu, zwany zmydlaniem tłuszczów, można przedstawić w postaci schematu:
tłuszcz + wodorotlenek sodu strzałka-w-prawo IndeksNad T KoniecIndeksów mydło sodowe + glicerol

*Przebieg reakcji otrzymywania mydła z tłuszczu przebiega zgodnie z równaniem:
Reakcję zmydlania tłuszczów wykorzystuje się na skalę przemysłową do produkcji mydła, głównie z tłuszczów nasyconych. Proces ten polega na długotrwałym gotowaniu tłuszczów ze stężonym roztworem wodorotlenku sodu. Powstającą obok mydeł glicerynę usuwa się z końcowego produktu lub czasem pozostawia, gdyż ma ona działanie natłuszczające. Obecnie do produkcji mydła wykorzystuje się także kwasy tłuszczowe otrzymywane podczas przerobu ropy naftowej. Często do produkcji mydeł zamiast czystych kwasów tłuszczowych stosuje się naturalne oleje i tłuszcze bądź ich mieszaniny, z których w procesie zmydlania powstają bezpośrednio sole odpowiednich kwasów tłuszczowych.
Produkowane współcześnie mydła toaletowe w celu podniesienia ich walorów służących pielęgnacji skóry oraz ich atrakcyjności dla użytkowników wzbogaca się w różnymi dodatkami – środkami nawilżającymi, substancjami zakwaszającymi, środkami bakteriobójczymi, olejkami zapachowymi, substancjami barwiącymi.

2. Mechanizm usuwania brudu

Woda jako rozpuszczalnik polarny znakomicie rozpuszcza inne substancje polarne. Cząsteczki wody łatwo otaczają inne cząsteczki polarne, ponieważ następuje oddziaływanie między ich ładunkami. Oleje mineralne czy tłuszcze nie mają w swojej strukturze naładowanych fragmentów i w wodzie praktycznie się nie rozpuszczają. Brud jest mieszaniną składników, np. potu, białka, tłuszczów lub sadzy. Ma charakter hydrofobowy, dlatego sama woda nie wystarcza do pozbycia się brudu i aby go usunąć, stosuje się mydła.

Doświadczenie 2.7.2. Badanie zachowania się mieszaniny wody z olejem w obecności mydła

Problem badawczy:  
Czy dodanie mydła do mieszaniny wody i oleju wpływa na proces ich mieszania się?
Hipoteza: 
Dodanie mydła do wody i oleju umożliwi zmieszanie się tych dwóch niemieszających się cieczy, czyli rozproszenie cząstek oleju w wodzie.
Co będzie potrzebne: 
  • roztwór mydła,
  • olej,
  • woda,
  • 2 probówki.
Instrukcja: 
  1. 1.
    Do probówki z wodą dodaj niewielką ilość oleju i wstrząśnij jej zawartość.
  2. 2.
    Obserwuj zachodzące zmiany.
  3. 3.
    Do drugiej probówki, w której znajduje się roztwór mydła, dodaj podobną ilość oleju.
  4. 4.
    Zawartość probówki wstrząśnij i porównaj efekt tej próby z próbą poprzednią.
Podsumowanie: 
Podczas doświadczenia można zaobserwować, że mydło wpływa na proces mieszania się wody i oleju (cieczy polarnej i niepolarnej).
Zdarza się, że podczas mycia tworzy się w wodzie kłaczkowaty osad. Dzieje się tak, gdy woda używana do mycia jest twarda.

Polecenie 2.7.1.

Wyjaśnij dlaczego, aby osiągnąć pożądany efekt mycia i prania w twardej wodzie, należy użyć większej ilości mydła?

Wskazówka

Jakie procesy zachodzą w twardej wodzie podczas mycia?
Woda twarda zawiera znaczne ilości rozpuszczonych w niej soli wapnia i magnezu.
Podczas mycia i prania w twardej wodzie z użyciem mydła tworzą się nierozpuszczalne sole wapnia i magnezu, które tworzą osad. Użyte do mycia mydło nie pieni się, a wytwarzanie piany jest niezbędnym warunkiem usunięcia brudu.
Przykładowe równania zachodzących reakcji można zapisać następująco:
*Rozróżniamy dwa rodzaje twardości wody – twardość wodorowęglanową (przemijającą), spowodowaną obecnością wodorowęglanów wapnia i magnezu, oraz twardość trwałą (nieprzemijającą), której przyczyną są rozpuszczone w wodzie inne sole wapnia i magnezu (chlorki, azotany(V), siarczany(VI)).
Gdy woda zawierająca wodorowęglany wapnia i magnezu zostanie przegotowana, zachodzą reakcje, w wyniku których węglan wapnia i węglan magnezu osadzają się na ściankach naczynia (np. czajnika) w postaci ciała stałego zwanego potocznie kamieniem kotłowym. Proces usuwania twardości przemijającej, wynikającej z obecności w wodzie jonów wapnia, opisuje równanie:
Ca IndeksGórny 2+ KoniecIndeksów + 2HCO IndeksDolnyGórny 3 KoniecIndeksów → CaCO IndeksDolny 3↓ KoniecIndeksów + H IndeksDolny 2 KoniecIndeksów O + CO IndeksDolny 2 KoniecIndeksów
Mg IndeksGórny 2+ KoniecIndeksów + 2HCO IndeksDolnyGórny 3 KoniecIndeksów → MgCO IndeksDolny 3↓ KoniecIndeksów + H IndeksDolny 2 KoniecIndeksów O + CO IndeksDolny 2 KoniecIndeksów

Jony wapnia i magnezu będące przyczyną twardości wody zostają usunięte. Uzyskuje się efekt zmiękczania wody. Dlatego też twardość wodorowęglanową nazywa się twardością przemijającą.
Twardość wody jest najczęściej wyrażana w stopniach niemieckich lub francuskich.
Stopień niemiecki [°n] jest równy takiej ilości soli zawartych w wodzie, która jest równoważna pod względem chemicznym 10 mg CaO.
Stopień francuski [°f] jest równy takiej ilości soli zawartych w wodzie, która jest równoważna pod względem chemicznym 10 mg CaC O IndeksDolny 3 KoniecIndeksów.
Tabela 1. Twardość wody w stopniach niemieckich
[°n]Twardość wody
0–4woda bardzo miękka
4–8woda miękka
8–12woda średnio twarda
12–18woda dość twarda
18–30woda twarda
Powyżej 30woda bardzo twarda

Podsumowanie

  • Mydła otrzymuje się w reakcjach zobojętniania wyższych kwasów tłuszczowych z wodorotlenkami metali grup 1. i 2. (głównie sodu, potasu, magnezu) oraz – na skalę przemysłową – w procesie zmydlania tłuszczów.
  • Mydła skutecznie usuwają brud, ponieważ są substancjami powierzchniowo czynnymi. Ich specyficzna budowa – obecność hydrofilowej głowy oraz hydrofobowego ogona – wpływa na zmniejszenie napięcia powierzchniowego wody.

Praca domowa

Polecenie 2.7.2.

Problem 1.
Korzystając ze swojej wiedzy z gimnazjum oraz dostępnych źródeł informacji, zapisz równania reakcji węglanu sodu z rozpuszczonymi w twardej wodzie chlorkiem wapnia oraz siarczanem(VI) magnezu. Na tej podstawie wyjaśnij, na czym polega proces zmiękczania wody.

Wskazówka

Sprawdź w tablicy rozpuszczalności, jaka jest rozpuszczalność powstających substancji.
Problem 2.
Jaki wpływ mają mydła na napięcie powierzchniowe wody?
Aby odpowiedzieć na to pytanie, zaobserwuj zjawisko, wykonując doświadczenie.
DOŚWIADCZENIE
Co będzie potrzebne:
  • woda,
  • 2 miseczki,
  • mydło,
  • 2 małe spinacze biurowe (lub igły).
Instrukcja wykonania:
  1. 1.
    Do miseczki nalej wody.
  2. 2.
    Do drugiej miseczki nalej wody i rozpuść w niej trochę mydła.
  3. 3.
    Ostrożnie połóż spinacz (płasko) na powierzchni wody w pierwszej miseczce.
  4. 4.
    Ostrożnie połóż spinacz (płasko) na powierzchni wody w drugiej miseczce.
  5. 5.
    Co obserwujesz?
Zapisz notatkę, w której na podstawie doświadczenia udzielisz odpowiedzi na postawione pytanie.

Słowniczek

Definicja

mydła –
sole metali z grup 1. i 2. (głównie sodu, potasu, magnezu) i wyższych kwasów tłuszczowych

Definicja

napięcie powierzchniowe –
zjawisko spowodowane siłami spójności występującymi w cieczach; dzięki temu zjawisku powierzchnia cieczy zachowuje się jak sprężysta błona; woda charakteryzuje się największym napięciem powierzchniowym ze wszystkich cieczy

Definicja

substancja powierzchniowo czynna –
substancja, która powoduje zmniejszenie napięcia powierzchniowego wody

Definicja

woda twarda –
woda, która zawiera znaczne ilość soli wapnia i magnezu (wodorowęglanów, chlorków, siarczanów(VI), azotanów(V))

Definicja

zmydlanie tłuszczów –
proces otrzymywania mydła w reakcji tłuszczu z zasadą sodową lub potasową; drugim produktem tej reakcji jest glicerol

Zadania

Zadanie 2.7.1.

Zadanie 2.7.2.

Zadanie 2.7.3.

Zadanie 2.7.4.