书城教材教辅中学化学课程资源丛书-解析人体化学
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第22章 肥皂与合成洗涤剂(1)

人们要经常洗衣服、被褥及日用餐具、茶具,而不可避免的用上肥皂与合成洗涤剂。因此,肥皂和各种各样的洗涤剂就和我们结下了不解之缘。

1.皂类洗涤剂

从广义上讲,皂类洗涤剂是脂肪酸跟无机碱、有机碱起皂化反应得到的产物。肥皂是洗涤剂的祖先,远在五千年前就问世了。我国《礼记》中已记载周朝使用草木灰清洁衣垢的历史。肥皂发展至今,种类繁多,大体上分为碱金属皂、其他金属皂和有机碱皂。我们在日常生活中所指的肥皂,主要是高级脂肪酸的钠盐或钾盐。其中的钠皂硬度较高,一般用于制造香皂、洗衣皂、药皂和工业皂。钾皂硬度低,易溶于水,用于制造软皂和液体皂。

(1)香皂香皂是兼有护肤、治疗、除臭作用的洗涤剂。香皂中含高级脂肪酸(一般用牛油、椰子油和羊油为原料)达80%左右,还有1%~2.5%的香精和少量着色剂,1%~1.5%用作防止酸败的泡花碱,以及0.5%~1%的杀菌剂。

(2)药皂药皂是洗涤剂,又是消毒杀菌剂。有的药皂里加入的消毒杀菌剂或中草药,具有治病的性能。药皂中的杀菌剂含量为0.5%~2%。常用的杀菌剂有三混甲酚(邻、对、间甲酚的混合物)、香芹酚(2-甲基-5-异丙基苯酚)、麝香草酚(5-甲基-2-异丙基苯酚)和3,4,5-三溴水杨酰苯胺。

(3)软皂软皂是用氢氧化钾中和脂肪酸后所得的肥皂,也叫钾皂。钾皂比钠皂易溶于水,较浓的水溶液冷却后也不固化,能制成液体肥皂。钾皂常用于理发店或医院。用钾皂洗汽车或其他油漆表面,干燥后表面清洁光亮。

(4)有机碱皂它是用乙醇胺、三乙醇胺等有机碱制成的肥皂,主要用来制造固体肥皂、化妆品和擦亮剂等。

(5)特色肥皂世界上有形形色色的特色肥皂。有一种营养皂,内含蜂蜜、维生素、谷氨酸等,可用于营养皮肤。德国生产的大理石皂,彩纹美丽,像大理石一样。还有能够浮在水面的浮水藻,人们用不着担心不慎掉入水中寻不见。

2.肥皂

肥皂的发明要比洗涤剂早得多,据说早在三千多年前,罗马城外的圣波山上,肥皂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黏土中,人们发现,当他们坐在这些黏土上,衣服沾上了黏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,是贵族们的奢侈品。

1791年法国化学家尼考尔斯·菜布兰兹(NicolasLeblanc)用氯化钠水溶液电解制得氢氧化钠,反应方程式是:2NaCl+2H2O电解2NaOH+H2↑(气)+CI2↑(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。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。

3.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。

在制造肥皂的黏稠混合液中加些盐,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——这层薄膜把脏物带到溶液中,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?

4.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平方厘米30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)到整个织物。

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。

5.合成洗涤剂

虽然肥皂是相当好的洗涤剂,但化学家还是想改进它。最早的尝试是在1860年进行的,科学家把蓖麻油磺化成磺化蓖麻油(土耳其红油)。