家用日化产品
我们平常生活中的日用品,有相当大的部分必须经过化学加工手段获得!
说到肥皂,大家就会想起黄色的洗衣皂、红色的药皂、五颜六色的香皂。它们都是肥皂,从制造的原料和生产的原理来看是相同的,都是利用动物油、植物油和碱为原料经皂化反应制成的。不同点是:对原料的要求不同,生产洗衣皂是各种动、植物油和氢化油,一般不用经过复杂的精制处理,为了降低成本,在配方中往往还加入肥皂总量的10%~20%的松香。生产香皂是牛油、羊油和椰子油,制皂以前要特经过碱炼、脱色、脱臭的精制处理,使之成为无色、无臭的纯净油酯,在配方中只加少量松香;洗衣皂的生产工艺简单,制造成本比香皂低得多,加工香皂的工序多,而且复杂;洗衣皂不加香精或只加少量便宜的香精,借以遮盖一部分不愉快的气味,香皂的香气芬芳,是因为在加工过程中加入了1%~1.5%的香精,有的高档的香皂加入的香精量更多。洗衣皂一般不加着色剂,香皂常加入着色剂,使它具有鲜艳的颜色,博得人们的喜爱。
药皂和洗衣皂的不同点是:药皂在皂基中加入了各种不同的药物,药物成分能使皂体发软,所以必须选用含高级脂肪酸的固体油脂作为皂基。药皂的种类很多:有治疗疥疮的硫黄皂;又具有消毒作用的硼酸皂、石炭酸皂等。洗衣皂由于碱量高,因而只宜于洗涤一般衣服用。香皂含碱量低,香气浓郁诱人,可用来洗脸、洗澡、洗发等。药皂杀菌力强,可用来洗澡、洗手、洗涤病人衣服或其他消毒性的洗涤之用,但因它们有刺激性,使用时应注意防止皂液渗入眼内。
人们为了整洁、美观就要经常将衣服、被褥及日用餐具、茶具进行洗涤。肥皂就派上了用场,因此,肥皂和各种各样的洗涤剂就和我们结下了不解之缘。
肥皂的发明要比洗涤剂早得多,据说早在3000多年前,罗马城外的圣波山上,就被人们无意中制造出来了。在这座圣山上,人们燃烧贡品时,油脂顺势滴落到草木灰上成为最原始的肥皂,这些肥皂渗入到周围的粘土中。人们发现,当他们坐在这些粘土上,衣服沾上了粘土后反而比以前更容易洗干净。人们开始奉为圣土,后来才知道这是人们无意中的劳动收获。
公元70年,罗马的学者蒲林尼(Pliny)描述了用山羊油脂和柴灰制造肥皂的过程。在这个过程中要加入另一种东西——海盐。它能使肥皂浮在混合液上面,这就是我们今天所说的盐析作用。这个记载恐怕是对肥皂工业最早的描述了。由于当时产量很低,因而只能供有钱人使用,是污秽者的奢侈品。
1791年法国化学家尼考尔斯·菜布兰兹用氯化钠水溶液电解质得氢氧化钠,反应方程式是:2NaCl+2H2O电解2NaOH+H2(气)+Cl2(气),从此以后,肥皂才成为平民百姓都用得上的东西。然而,并非每个人都知道肥皂是什么东西。从1811-1823年柴夫卢尔(ME Chevrenl)对肥皂产品进行研究后,令人满意地解释了什么是肥皂以及制造肥皂的化学反应。随着科学家弄清肥皂去污原理之后,各式各样的合成洗涤剂也就应运而生了。
一、肥皂的化学性质
肥皂实际上是长链有机羧酸的钠、钾或三乙醇胺\[N(CH2CH2OH)3\]的盐。其他羧酸的这些盐也是工业肥皂,但它们没有去污、清洁作用。因为三乙醇胺的盐可溶解于有机溶剂,可以作干洗剂。
制造肥皂的方程式是:
上面的反应就可以解释古罗马人制造肥皂的过程。作祭品的动物脂肪中含有甘油三酸酯,柴灰的水解物中含有氢氧化钾或氢氧化钠,当它们一起被加热时脂肪就被分解生成少量的甘油和肥皂。
在制造肥皂的粘稠混合液中加些盐,肥皂就浮在液面上。这个过程,工业上叫盐析。然后就可以把它刮下来。这样得到的肥皂含50%~60%水,是糊状的。把它继续加热脱水,当剩下约30%水时就可以制成固体、糕状的棒,再把它风干到只剩下10%~15%水分时,就可切成块。再进一步干燥到含水仅5%~10%时就可作成粉末。
天然原料制的肥皂使用4种脂肪:牛油、棕榈油、椰子油和橄榄油。
有机酸要有洗涤本领必须含有9个碳以上的长链,而且洗涤本领随着碳链的增长而增强。然而,分子含18个碳以上的肥皂是不溶于水的,即使在热水中也不溶解。油酸(恰好含18个碳)是十分好的洗涤剂,因为它的顺式双链在第九和第十个碳原子之间,即在分子的正中间。
因此,含18个碳的肥皂具有较好的洗涤本领,而分子含12个碳的肥皂在水中的溶解性就增强了。由含18个以上碳的长链分子组成的肥皂只用作擦洗的填充剂。这种擦洗剂需要有去污本领而无须溶解性。
自从肥皂去污原理被人们认识之后,人们就试图改进它们的性能。因为肥皂存在不少弊病。例如,它在冷水中溶解得不好,在热水中才能较好地溶解,在酸性溶液中它不能很好地发挥洗涤作用,因为它在酸性溶液中会分解成不溶性的酸性肥皂和脂肪酸的团块。
另外,肥皂会与水中的钙、镁、铝及铁等元素反应(生成所谓金属皂)。这就是盆、桶盛了肥皂水后出现环状污垢,织物用肥皂洗后出现一层不明显的薄膜的原因。肥皂在软水中是很好的清洗剂。但遗憾的是我们日常生活中使用的水,尤其是广大农村所用的水常常是硬水。
要改进肥皂的洗涤性能,化学家们就必须先弄清肥皂能去污的原理。去污的过程是用很薄的膜除去脏物和油污——这层薄膜把赃物带到溶液中,乳化或呈悬浮状除去。此外,作为洗涤剂要能降低水界面的表面张力,从而使洗涤液能渗入到织物细小的缝隙中,从而加快织物湿润的过程。
事实上,大多数有机洗涤剂都制成偶级分子,分子是由12~18个碳原子组成的长链。一端含疏水基团(排斥水的),另一端是亲水基团(吸引水的)。那么,肥皂和洗涤剂是怎样去污的呢?
二、肥皂的去污原理
一个物质要具有去污能力,首先必须能降低溶液的表面张力。纯水的表面张力为每平方厘米72个达因。但作为有效的洗涤剂必须把表面张力降低到每厘米230达因,把表面张力降到这个值只需要很少洗涤剂就足够了。
作用在一个水分子上的典型的作用力,可使水面上的分子进入溶液中——这就产生了表面张力。肥皂的分子被加到水中时,它会浮到水面上,因为在有机物的那端(疏水的)受极性的水分子所排斥。由于肥皂分子在水表面受水分子排斥,从而产生了一个对抗水分子相互吸引的力,结果就减少了表面张力。当肥皂水加到织物纤维中时,附在织物表面的油就聚成小油滴并离开织物表面。肥皂中有机物的那一端溶解在油中并使它离开织物纤维。与此同时,水在下面不断蠕动,加快了油滴离开的速度。在棉纤维中的极性基团(如纤维素中的羟基-OH)能吸引水,使水扩散(渗透)整个织物。
总的来说,除污去垢的反应大体是相似的。然而,因为污物可能是电中性的,或带正电荷的或带负电荷的。所以,对这个简单的理论进行一些修正也是必要的。