书城科普读物探索未知-化学与美容
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第6章 肥皂与合成洗涤剂(1)

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。因此,肥皂和各种各样的洗涤剂就和人结下了不解之缘。

一、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5000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皂,人们用不着担心不慎掉入水中寻不见。

二、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,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,是用来去污秽的奢侈品。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↑+Cl2↑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。

三、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?

四、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)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。

五、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)。

由于第一次世界大战时德国油脂短缺,促使科学家们研究新的洗涤剂。弗利斯·肯德(Fritz Gunter)发明了1,4-二异丙基萘-6磺酸和二丁基萘磺酸钠。虽然它们都并不是很理想的洗涤剂,但是足以满足当时德国工业上对洗涤剂的需求。

在1933年,波罗特(Procter)和卡马波(Gample)制出第一个家庭用的合成洗涤剂。这种合成洗涤剂渗到被弄脏的织物中的面积要比肥皂大,也不会留下干扰染色的薄膜。而且它在冷水中也能溶解,硬性溶液和硬水对它都无影响。

从那以后,随着合成纤维工业的发展及妇女从家务劳动中解放出来的呼声越来越强,合成洗涤剂工业就应运而生,并迅猛发展起来。现在,家用洗涤剂通常包括下列成分中的一部分或全部:合成洗涤剂;除去钙、镁离子的助洗剂;乳化剂;漂白剂;抗腐蚀剂;抗板结剂;软化剂;染料;香料;有的还有少量酶。

1.合成洗涤剂。合成洗涤剂的分子结构与肥皂相似,都含有亲水基因和憎水基因。亲水的一端可以是阳离子、阴离子或非离子型的。