Химия в быту
Скорее всего, с таким огромным количеством всевозможных химикатов, как в собственном доме, вы больше не сталкиваетесь нигде. В любой кухне можно найти моющие и чистящие средства, причем многие из них в пластиковой упаковке. В ванной также полно лекарств, мыла, зубной пасты и косметики. (Моя жена всегда рада иметь под рукой собственного химика, особенно когда нужно почистить серебро или найти растворитель для удаления клея.) И это не говоря о мириадах химических реакций, которые происходят во время приготовления пищи. Неудивительно, что химия потребительских товаров иногда называется «кухонной».
В этой главе рассматривается несколько тем, относящихся к химии потребительских товаров. Вы узнаете, какие химические реакции применяются в производстве мыла, а также чистящих и моющих средств. Я немного расскажу о лекарствах, и средствах личной гигиены, перманенте, средствах для загара и духах. Надеюсь, вы по достоинству оцените роль химии в вашей жизни. (Обратите внимание на то, что многие химикаты в вашем доме представляют собой кислоты и основания. Поэтому прекрасным дополнением к данной теме является глава 12, «Кислое и горькое: кислоты и основания».)
Химия в комнате для стирки
Случалось ли с вами такое, что вы впопыхах забывали положить в машинку стиральный порошок или принимали участие в испытаниях «волшебных» керамических дисков, предназначенных для стирки? Вряд ли после подобной стирки ваша одежда становилась чистой. Возможно, какая-то грязь с поверхности и была удалена, но жирные пятна остались на прежнем месте. А произошло это потому, что «подобное растворяет подобное». Жир и масло — это неполярные материалы, в то время как вода — вещество полярное, поэтому она их и не собирается растворять. (Если вам интересно, то вся эта тема полярного/неполярного подробно изложена в главе 7, «Ковалентные связи: поделимся по-братски».) Догадываюсь, что вы можете налить в стиральную машину немного бензина (неполярного материала), но, как мне кажется, это не будет хорошим решением проблемы. Правда, было бы прекрасно, если бы существовало нечто, способное ликвидировать разрыв между неполярными жиром и маслом и полярной водой? Это «нечто» существует и называется поверхностно-активным веществом (surfactant).
Поверхностно-активные вещества уменьшают поверхностное натяжение воды и позволяют ей «смачивать» неполярные вещества, такие, например, как жир и масло. Это связано
с тем, что молекулы поверхностно-активных веществ обладают одновременно полярной и неполярной частями.
Неполярная часть называется гидрофобной (»боящейся воды»). Обычно она представляет собой длинную углеводородную цепь. (Если вы испытываете жажду знаний, то в главе 14, «Химия углерода: органическая химия», найдете исчерпывающую информацию об углеводородах.) Эта неполярная часть растворяется в неполярных жире и масле.
Другая, полярная, часть молекулы поверхностно-активного вещества называется гидрофильной (»любящей воду»). Обычно она является ионной частью, которая обладает положительным, отрицательным зарядом или обоими сразу (тогда она называется соответственно анионной, катионной или амфотерной частью). Впрочем, существуют поверхностно-активные вещества, не имеющие заряда (неионные). (Более подробно об ионах, анионах и катионах можно узнать в главе 6, «Противоположности притягиваются: ионные связи».)
Подавляющее большинство поверхностно-активных веществ, которые имеются в продаже, являются анионными, что обусловлено более низкой стоимостью их производства. Типичное анионное вещество показано на рис. 17.1.
Гидрофобная часть (неполярная)
Гидрофильная часть (полярная)
2 2 2 2
\о 2
2
2
^ ^ о
2 2
Растворяется в жире и масле
Растворяется в воде
Рис. 17.1. Типичное анионное поверхностно-активное вещество
При добавлении поверхностно-активного вещества в воду гидрофобная часть его молекул растворяется в масле и жире, а гидрофильная — притягивается к полярным молекулам воды. Жир и масло расщепляются на крохотные капли, которые называются мицеллами, и гидрофобная (углеводородная) часть поверхностно-активного вещества проникает в каплю, а гидрофильная — в воду. В результате капля приобретает заряд (отрицательный, если поверхностно-активное вещество анионное). Эти заряженные капли масла и жира взаимно отталкиваются и не могут слиться друг с другом. Таким образом, заряженные мицеллы остаются рассредоточенными и при стирке постепенно вымываются водой.
Любое поверхностно-активное вещество, используемое для чистки одежды, принадлежит к одному из двух общих видов, т.е. является мылом или моющим средством.
Соблюдайте чистоту: мыло
Наиболее известным поверхностно-активным веществом, используемым для чистки, является мыло. Оно используется уже около 5000 лет. При производстве мыла применяется специальная органическая реакция — щелочной гидролиз жиров или масел. Эта реакция обычно называется омылением. Ее продуктами являются глицерин и соль жирной кислоты. На рис. 17.2 приведена реакция гидролиза тристеарина с образованием стеарата натрия, т.е. мыла. (То же самое мыло, или поверхностно-активное вещество, показано на рис. 17.1.)
CH3(CH2)16COO-
-CH2 I
HO
-CH2 |
3 NaOH + CH3(CH2)16COO-
1
- 3 CH3(CH2)16COO-Na+ +
HO
CH
|
CH3(CH2)16COO-
-CH2
HO
-CH2
Тристеарин
Стеарат натрия
Глицерин
(мыло)
Рис. 17.2. Производство мыла путем омыления
Моя бабушка варила мыло таким образом: брала животный жир, добавляла к нему воду и щелок (гидроксид натрия, NaOH), а затем кипятила все это в огромном железном котле. Щелок получали из древесной золы. Через несколько часов варки мыло всплывало на поверхность воды. Затем его собирали и формовали, получая таким образом куски готового мыла. Впрочем, бабушка не очень разбиралась в стехиометрии реакции. Она клала слишком много щелока, и мыло у нее получалось довольно едким.
В настоящее время процесс производства мыла претерпел некоторые изменения. Гидролиз обычно осуществляется без использования щелока. К животному жиру еще добавляют кокосовое, пальмовое масло и масло семян хлопчатника. В состав готового мыла также может входить так называемый абразивный порошок, например пемза, для более эффективного удаления с кожи жиров и масел. Кроме того, в мыло могут добавляться душистые вещества, а также пузырьки воздуха, чтобы оно не тонуло.
Впрочем, мыло имеет два существенных недостатка. Если его использовать в кислой воде (т.е. воде с низким значением pH), то оно превращается в жирные кислоты и теряет чистящую способность, а если в жесткой воде (содержащей ионы кальция, магния или железа) — образуется нерастворимый жирный осадок. Этот осадок обычно называется «кайма в ванной». И это очень плохо. Ведь нерастворимые соли образуются не только в ванной, но также появляются на одежде, посуде и т.п. Избежать его появления можно двумя способами: либо использовать смягчитель воды для всего дома (см. раздел «Смягчите ее, или Как сделать воду менее жесткой» далее в главе), либо приобрести синтетическое мыло, которое не приводит к возникновению осадков при взаимодействии с ионами жесткой воды. Такие разновидности синтетического мыла называются моющими средствами.
Как избавиться от «каймы» в ванной: моющие средства
Моющие средства в основном имеют такое же строение, как и мыло (см. рис. 17.1). У них точно такая же гидрофобная часть, состоящая из длинной неполярной углеводородной цепи, которая растворяется в жире и масле, однако гидрофильная (ионная) часть уже другая. Вместо карбокси-группы (-COO-) в гидрофильной части может находиться сульфо- (-O-SO3-) или гидроксильная (OH-) группа либо какая-то другая полярная группа, которая в жесткой воде не будет приводить к возникновению осадков.
Кроме поверхностно-активного вещества, в стиральных моющих средствах содержатся и другие соединения.
S Построители. Эти соединения повышают эффективность поверхностно-активного вещества, смягчая воду (удаляя ионы жесткой воды). В стиральных моющих средствах, которые выпускались до недавнего времени, в качестве построителя использовался триполифосфат натрия. Он считался дешевым и безопасным компонентом. Впрочем, триполифосфат натрия также служил прекрасной пищей для водных растений и тем самым приводил к бурному росту водорослей в озерах и реках, вытесняя из них рыбу и другую водную
живность. Чтобы справиться с этой проблемой, в Соединенных Штатах Америки начали запрещать использование фосфатов в моющих средствах. Вместо полифосфатов стали использовать карбонат натрия и цеолиты (комплексные алюмосиликаты — соединения, состоящие из алюминия, кислорода и кремния), но это недостаточно эффективные варианты. Сегодня пока еще не найдена достойная замена полифосфатным построителям, которая была бы эффективной, дешевой и неядовитой. В этой области до сих пор ведутся довольно активные исследования.
S Наполнители. Представляют собой вещества (например, сульфат натрия, Na2SO4), которые добавляются к моющему средству для придания определенного объема и «плавучести».
S Энзимы. Эти биологические катализаторы иногда добавляются, чтобы легче удалялись пятна белкового происхождения, например травяные и пятна крови.
S Перборат натрия. Иногда, чтобы легче удалялись пятна, в качестве твердого отбеливателя добавляется NaBO3. Его действие основано на том, что в воде он образует перекись водорода. Перборат натрия является более мягким отбеливателем по сравнению с хлорным. Впрочем, его максимальная эффективность наблюдается в горячей воде, а это может быть проблемой для тех, кто любит стирать в прохладной воде.
S Вещества-суспензии. Эти соединения добавляются для того, чтобы грязь с одежды во время стирки оставалась растворенной в воде и не оседала вновь на одежду.
S Коррозионные ингибиторы. Эти соединения предотвращают появление
ржавчины на металлических деталях стиральной машины.
S Оптические отбеливатели. Благодаря этим соединениям белая одежда вы-
глядит чистой и яркой. Оптические отбеливатели представляют собой очень сложные органические соединения, которые тонким слоем осаждаются на одежде. Принцип действия оптических отбеливателей основан на том, что они поглощают ультрафиолетовые лучи, испуская голубой свет из видимой части спектра. Этот процесс показан на рис. 17.3.
Оптический отбеливатель
Оптический отбеливатель
Рис. 17.3. Оптический отбеливатель
Кроме того, в состав стиральных моющих средств входят окрашивающие компоненты и душистые вещества (так называемые отдушки). Могу поспорить, что вы и не догадывались, что стирка одежды является такой сложной.
Смягчите ее, или Как сделать воду менее жесткой
Итак, один из способов решения проблемы жесткой воды и » каймы» в ванной — использование синтетических моющих средств. Другой способ состоит в том, чтобы перед тем, как вода попадет в дом, удалить из нее все катионы, содержание которых обусловливает ее жесткость. Это можно осуществить с помощью ионного обмена, или катионирования (рис. 17.4).
Жесткая вода (со^е^жащая
Fe
2+х
С
1L
Ионообменная смола
Резервуар с концентрированным раствором NaCl, предназначенный для перезарядки
Очищенная вода (содержащая Na ) для хозяйственных нужд
Спускное отверстие
Рис. 17.4. Смягчитель воды для всего дома
Устройство, служащее для уменьшения жесткости воды, состоит из большого бака, в котором содержится ионообменная смола. Эта смола заряжается, когда через нее проходит концентрированный раствор хлорида натрия. Ионы натрия за счет электростатических сил удерживаются благодаря полимерной структуре смолы. При прохождении через полимер жесткой воды происходит обмен ионов кальция, магния и железа на ионы натрия (отсюда появился термин ионообменная смола). Таким образом, смягченная вода содержит ионы натрия, а ионы, содержащиеся в жесткой воде, остаются в смоле. Через некоторое время смолу снова необходимо зарядить, добавив из резервуара новую порцию хлорида натрия. А сточные воды, содержащие Ca2+, Mg2+ и Fe2+, отводятся из бака со смолой.
Откуда на озере пена
В состав самых первых синтетических моющих средств входили такие компоненты, которые не могли разлагаться естественным путем, например с помощью бактерий. Другими словами, они не имели способности биоразложения. Таким образом, они накапливались в озерах и реках, образуя толстый слой пены. Вскоре возникшая проблема была решена: для этого было достаточно лишь изменить состав моющих средств.
Если из-за повышенного кровяного давления вам следует ограничить потребление натрия, старайтесь не пользоваться смягченной водой, поскольку в ней высокая концентрация ионов натрия.
Сделаем мир белее: отбеливатели
Отбеливатели обесцвечивают ткани с помощью окислительно-восстановительных реакций (о них речь идет в главе 9, «Электрохимия: батарейки к чайникам»). Большинство отбеливателей являются окислителями. Самый распространенный отбеливатель, используемый в домашнем хозяйстве, — это 5%-ный раствор гипохлорида натрия. Его получают, пропуская газообразный хлор через раствор гидроксида натрия.
2NaOH(р-р) + С12(г) — NaOClfc-р) + NaClfc-р) + H2O(ж)
Хлор, входящий в состав гипохлоридных отбеливателей, может повредить структуру ткани. Кроме того, такие отбеливатели недостаточно эффективны для тканей из полиэстера.
В настоящее время на рынке появились отбеливатели, которые в своем составе содержат перборат натрия и оказывают более мягкое воздействие на структуру тканей. Такие отбеливатели образуют перекись водорода, которая, в свою очередь, разлагается, и одним из продуктов этого разложения является кислород.
2H2O2 – 2H2O« + O2(г)