Bejelentkezés

A 2024-től alkalmazott kémiaérettségi-követelmények alapján

3.4.2 Mosó-, tisztító- és fertőtlenítőszerek

Az amfipatikus szerkezetből magyarázom a mosóhatást. Elkülönítem a zsíroldást, vízkőoldást, fehérítést és fertőtlenítést. Ionegyenlettel értelmezem a szappan és kemény víz kapcsolatát.

Középszint

Haladás mentése · Bejelentkezés

A víz és az olaj közé közvetítő kell

Az olajos szennyeződés apoláris, a víz poláris. Egy felületaktív anyag megfelelő szerkezettel a határfelületen rendeződhet: hidrofil feje a vízhez, apoláris lánca az olajos részhez kapcsolódik kedvezően. A nedvesítés, dörzsölés és áramlás együtt segíti a szennyeződés leválását és eloszlatását.

A szappan nagy szénatomszámú karbonsav nátrium- vagy káliumsója, például C17H35COONa. Vízben a felületaktív részecske a C17H35COO− anion; a Na+ ellenion. Nem semleges karbonsavmolekulát kell a szappanion helyére rajzolni.

A szappan már eleve só

A nátrium-sztearát képlete C17H35COONa. Vízben Na+ és C17H35COO− részecskék jelennek meg; a szappanfejnek nem kell előbb egy karbonsavmolekulából protont leadnia ahhoz, hogy ionossá váljon. A karboxilátfej ionos, hidratált része és a hosszú apoláris lánc együtt adja az amfipatikus szerkezetet. A tenzid a felületaktív anyag másik elnevezése.

Zsiradék elszappanosításakor az észterkapcsolatok lúgos hidrolízise ad glicerint és zsírsav-karboxilátokat. Egy triacil-gliceridben három észtercsoport van, ezért teljes elszappanosításához három mol NaOH kell egy mol zsiradékmolekulára. NaOH-val nátriumsók, KOH-val káliumsók keletkeznek. A késztermék állagát a kation mellett a zsírsavösszetétel, a víztartalom és más összetevők is befolyásolják.

Triacil-glicerid teljes elszappanosítása

C3H5(OCO–R)3 + 3 NaOH → C3H5(OH)3 + 3 RCOONa

Az egyszerűsített képletben három azonos R-csoport szerepel; valós zsiradékban eltérő zsírsavrészek is lehetnek. A bal oldali OCO–R észterrészek a glicerinhez kapcsolódnak. A termék a karbonsav sója; a lúgos hidrolízis nettó egyenletében nem képződik három vízmolekula.

A nedvesítés változásának szemléltetése két vízcseppalakkal

A nedvesítés változásának szemléltetése két vízcseppalakkalA felületaktív anyag a határfelületeken rendeződve módosítja a kölcsönhatásokat és csökkentheti a víz felületi feszültségét. Megfelelő anyag–felület párosításnál a folyadék jobban nedvesít, nagyobb felületet ér el, és könnyebben behatolhat a szálak közé. Az alakok sematikusak; a tényleges terülés a felülettől és az oldat összetételétől is függ. Az olajos szennyeződés leválásához a nedvesítés mellett az apoláris rész kölcsönhatása és mechanikai mozgatás is hozzájárul. A nedvesítés önmagában nem fertőtlenítés.A nedvesítés is segíti a tisztítástKevésbé nedvesített felületA víz kisebb területet érint.Jobban nedvesített felületA víz jobban szétterülhet.A hatás a felület anyagától is függ.
Ábra szöveges leírása
LépésMagyarázat
Kevésbé jó nedvesítésA folyadék kisebb felülettel érintkezik.
Jobb nedvesítésA folyadék könnyebben szétterülhet az adott felületen.
KorlátA felület és a folyadék összetétele is számít.
A felületaktív anyag a határfelületeken rendeződve módosítja a kölcsönhatásokat és csökkentheti a víz felületi feszültségét. Megfelelő anyag–felület párosításnál a folyadék jobban nedvesít, nagyobb felületet ér el, és könnyebben behatolhat a szálak közé. Az alakok sematikusak; a tényleges terülés a felülettől és az oldat összetételétől is függ. Az olajos szennyeződés leválásához a nedvesítés mellett az apoláris rész kölcsönhatása és mechanikai mozgatás is hozzájárul. A nedvesítés önmagában nem fertőtlenítés.

Felületaktív anyag az olaj–víz határán

Felületaktív anyag az olaj–víz határánAz apoláris láncok az olajos szennyeződés felé, a poláris fejek a víz felé fordulnak. A rajz felületaktív anyaggal stabilizált olajcsepp modellje; a tiszta micella olaj nélkül is kialakulhat megfelelő koncentráció felett.Hová kerül a zsírosszennyeződés?olajcseppKívül víz és hidratált poláris fejekApoláris láncok: az olajos belső tér felé
Az apoláris láncok az olajos szennyeződés felé, a poláris fejek a víz felé fordulnak. A rajz felületaktív anyaggal stabilizált olajcsepp modellje; a tiszta micella olaj nélkül is kialakulhat megfelelő koncentráció felett.

A micella belseje nem vízzel teli gömb

Megfelelő koncentráció felett a szappanionok és más felületaktív részecskék asszociációs kolloidot alkothatnak. Vízben a hidrofil fejek kifelé, apoláris láncok befelé néznek. Az olajos anyag a hidrofób tartományba juthat. Olajcseppet körülvevő felületaktív réteg és tiszta micella nem pontosan ugyanaz a szerkezet.

A hab mennyisége nem általános mércéje a tisztítóhatásnak. Automata mosásban a túlzott habzás zavarhatja a működést, ezért habzásgátló adalék is előfordulhat.

Felület, különálló részecske és micella együtt is jelen lehet

Kis koncentrációnál sok felületaktív részecske a határfelületeken rendeződik vagy különállóan van az oldatban. A kritikus micellakoncentráció környezetében, megfelelő feltételek között egyre jelentősebbé válik a micellák képződése. Ez nem minden anyagra érvényes egyetlen koncentrációérték: a szerkezet, a hőmérséklet és az oldat többi összetevője is befolyásolja.

Vízben a micella belsejében az apoláris részek kerülnek egymás közelébe, a hidratált fejek inkább a víz felé néznek. Az asszociáció a részecskék együttese, nem új kovalens polimerlánc. A szappanionok nincsenek mindvégig ugyanabba a gömbbe bezárva; a különálló és társult részecskék között csere történhet. A Na+ ellenionoknak is szerepük van a töltések kiegyenlítésében, de nem az olajos belső térbe mutató láncvégek.

Kemény vízben szappancsapadék

2 RCOO− + Ca2+ → (RCOO)2Ca(s)

A rosszul oldódó kalciumszappan elvon felületaktív aniont. Mg2+-ionnal is képződhet rosszul oldódó só.

Savval más okból is romlik a mosóhatás

RCOO− + H+ → RCOOH. A hosszú láncú semleges karbonsav vízben rosszul oldódik; a sav ezért protonálással csökkentheti a szappan működését. A szappanoldat enyhén lúgos lehet az anion hidrolízise miatt: RCOO− + H2O ⇌ RCOOH + OH−.

A szappanion elvesztése csapadékképződéssel és protonálással

A szappanion elvesztése csapadékképződéssel és protonálássalA felső útban két karboxilátanionra egy Ca^{2+} jut: a rosszul oldódó só töltésmérlege semleges. A képlet a só összetételét jelöli, nem különálló, kizárólag két anionból és egy ionból álló molekulák képét. A Mg^{2+} is elvonhat szappaniont rosszul oldódó só képzésével. Az alsó út sav–bázis reakció: az anion protont vesz fel, hosszú láncú semleges karbonsav lesz belőle. Mindkettő csökkenti a hatékonyan eloszlatott felületaktív anion mennyiségét, de más kémiai okból. R mindkét útban hosszú apoláris lánc; a rövid szénláncú karbonsavak vízoldhatóságát nem általánosítjuk ezekre.Két eltérő ok, gyengébb mosóhatásKemény víz: csapadékképződés2 RCOO− + Ca2+(RCOO)2Ca(s)Rosszul oldódó kalciumszappanSav: a fej protonálódikRCOO− + H+RCOOHSemleges, rosszul oldódó zsírsav
Ábra szöveges leírása
LépésMagyarázat
Kemény vízCa2+ és Mg2+ rosszul oldódó karboxilátsót képezhet.
SavH+ protonálja a karboxilátfejet; semleges karbonsav képződik.
Közös következményKevesebb működő felületaktív anion marad a vízben.
A felső útban két karboxilátanionra egy Ca2+ jut: a rosszul oldódó só töltésmérlege semleges. A képlet a só összetételét jelöli, nem különálló, kizárólag két anionból és egy ionból álló molekulák képét. A Mg2+ is elvonhat szappaniont rosszul oldódó só képzésével. Az alsó út sav–bázis reakció: az anion protont vesz fel, hosszú láncú semleges karbonsav lesz belőle. Mindkettő csökkenti a hatékonyan eloszlatott felületaktív anion mennyiségét, de más kémiai okból. R mindkét útban hosszú apoláris lánc; a rövid szénláncú karbonsavak vízoldhatóságát nem általánosítjuk ezekre.
Kidolgozott példa: mennyi szappaniont vonhatnak el a keménységet okozó ionok?

Feladat: 1,00 dm3 vízben 1,50 mmol Ca2+ és 0,500 mmol Mg2+ van.
Tegyük fel, hogy mindkettő teljesen rosszul oldódó szappansóvá alakul.
Hány mmol nátrium-sztearátnak megfelelő szappanion fogyhat el?
M(nátrium-sztearát) = 306 gmol.

A kétértékű ionok összes anyagmennyisége 1,50 + 0,500 = 2,00 mmol.
Egy mol kétértékű kationhoz két mol egyértékű karboxilátanion kell.

A felületaktív anion elméleti fogyása 2 · 2,00 = 4,00 mmol.
A nátrium-sztearát tömegében kifejezve 0,00400 · 306 = 1,224 g, kerekítve 1,22 g.

Ez a feltételezett teljes csapadékképződés sztöchiometriai mérlege.
Nem háztartási mosószeradag: a termék összetétele, a vízlágyító, a szennyeződés és az oldhatósági feltételek további tényezők.

Egy mosószer többféle feladatot lát el

ÖsszetevőFeladatMit ne keverj össze?
Felületaktív anyagNedvesítés, olajos szennyeződés eloszlatása.Anionos, kationos és nemionos fej különbözhet.
VízlágyítóKeménységet okozó ionok hatásának csökkentése.Nem azonos a fertőtlenítéssel.
EnzimMegfelelő szerves folt bontása.Működése hőmérséklet- és pH-függő.
Oxidáló fehérítőA színadó szerkezet kémiai átalakítása.Nem egyszerű „atomos oxigénnel dörzsölés”.
Optikai fehérítőFényelnyelés és fénykibocsátás miatt fehérebb látvány.Nem feltétlenül távolítja el a szennyeződést.
Habzásgátló, illatanyag és más adalékA termék működésének és használatának beállítása.Az illat nem bizonyít tisztaságot.

Az oxidáló fehérítés és az optikai fehérítő fluoreszcenciája

Az oxidáló fehérítés és az optikai fehérítő fluoreszcenciájaOxidáló fehérítéskor a színt adó szerkezet kémiai átalakulása módosítja a fényelnyelést; megfelelő esetben halványul vagy megszűnik a látható szín. Az ábra nem egy konkrét festék reakcióegyenlete. Az optikai fehérítő ezzel szemben UV-fényt nyelhet el és kékes látható fényt bocsáthat ki fluoreszcenciával; a megvilágított anyag fehérebbnek látszhat. Az elnyelés és kibocsátás más hullámhosszon történik, ezért ez nem egyszerű fényvisszaverés. Az optikai hatás önmagában nem jelenti a folt kémiai lebontását vagy a mikroorganizmusok elpusztítását. A kétféle összetevő ugyanabban a termékben is jelen lehet.Kétféle fehérítés, kétféle hatásOxidáló fehérítésSzínadó szerkezetÁtalakult szerkezetAz oxidálószer kémiai változást okoz.Optikai fehérítésUV-fény elnyeléseOptikai fehérítő gerjesztéseKékes látható fénykibocsátásaFehérebb látvány a megvilágításban
Ábra szöveges leírása
LépésMagyarázat
Oxidáló fehérítésKémiai változás a színadó szerkezetben.
Optikai fehérítésFényelnyelés és fluoreszcens fénykibocsátás.
FertőtlenítésKülön cél; a fehérebb látvány nem bizonyítja.
Oxidáló fehérítéskor a színt adó szerkezet kémiai átalakulása módosítja a fényelnyelést; megfelelő esetben halványul vagy megszűnik a látható szín. Az ábra nem egy konkrét festék reakcióegyenlete. Az optikai fehérítő ezzel szemben UV-fényt nyelhet el és kékes látható fényt bocsáthat ki fluoreszcenciával; a megvilágított anyag fehérebbnek látszhat. Az elnyelés és kibocsátás más hullámhosszon történik, ezért ez nem egyszerű fényvisszaverés. Az optikai hatás önmagában nem jelenti a folt kémiai lebontását vagy a mikroorganizmusok elpusztítását. A kétféle összetevő ugyanabban a termékben is jelen lehet.

Az enzim feladata a szennyeződés szerkezetéhez igazodik

EnzimMilyen kapcsolat bontásában segíthet?Példa a folt összetevőjére
ProteázPeptidkötések hidrolízise.Fehérjetartalmú anyag.
LipázZsiradék észterkapcsolatainak hidrolízise.Zsíros, olajos összetevő.
AmilázKeményítő glikozidos kapcsolatainak bontása.Keményítőtartalmú ételmaradék.

Az összetevők egymás működését is befolyásolják

Az enzimek adott pH- és hőmérséklet-tartományban működnek megfelelően; a túl erős hőhatás denaturálhatja a fehérjetermészetű enzimet. Egy termék optimális használatát ezért az összetétele és a kezelendő anyag együtt határozza meg. Nem minden folt távolítható el ugyanazzal a reakcióval, és nem minden textília tűri ugyanazt a lúgosságot vagy oxidáló kezelést.

A vízlágyító többféle úton csökkentheti a Ca2+ és Mg2+ zavaró hatását. Karbonát csapadékba viheti a kalcium egy részét; ioncserélő, például megfelelő zeolit más ionokra cserélheti; komplexképző oldott formában kötheti meg. A komplexben maradó kalcium nem tűnik el az anyagmérlegből, csak más kémiai formába kerül.

A visszarakódást gátló összetevő a levált szennyeződés eloszlatását segítheti, a korróziógátló a gép egyes felületeit védheti. A jó illat és a fehérebb látvány külön tulajdonság: egyik sem helyettesíti a tisztítóhatás vagy a fertőtlenítés igazolását. A megfelelő dózis fölé növelt mennyiség előnyét nem lehet pusztán a nagyobb habból levezetni.

Vízkőre sav, zsíros anyagra más módszer

A karbonátos vízkő savval reagál: CaCO3 + 2 H+ → Ca2+ + CO2 + H2O. Szódabikarbóna lúgos oldata nem ugyanilyen vízkőoldó. Zsíros szennyeződést felületaktív anyag, megfelelő oldószer, illetve egyes lúgos kezelések távolíthatnak el.

Ecet és szódabikarbóna együtt látványosan pezseg: a sav és hidrogén-karbonát egymást fogyasztja. A reakció nem bizonyítja, hogy a keverék minden szennyeződésre jobb az összetevőknél.

Kidolgozott példa: savfogyás vízkőre

Feladat: 1,00 g CaCO3 feloldásához elméletileg mennyi 0,500 moldm3 HCl szükséges?
M=100 gmol.

n(CaCO3)=0,0100 mol;
két mol HCl kell egy mol karbonáthoz.

n(HCl)=0,0200 mol;
V=nc=0,0400 dm3.
A példa tiszta karbonátot és teljes reakciót feltételez.

A tisztítás és fertőtlenítés külön cél

Tisztításkor szennyeződést távolítunk el. Fertőtlenítéskor mikroorganizmusok számát vagy fertőzőképességét csökkentjük megfelelő eljárással. Etanol, hidrogén-peroxid vagy hipoklorit más-más kémiai hatással működhet; hatásuk a koncentrációtól, érintkezési időtől, felülettől és célorganizmustól függ. A termék használati előírása határozza meg az alkalmazást.

Fertőtlenítő hatóanyagok: eltérő kémiai hatások

PéldaKémiai kapcsolatÉrtelmezési feltétel
EtanolFehérjék és membránszerkezetek működését módosíthatja.Nem oxidáló fehérítőszerként magyarázzuk; a töménység és az érintkezési idő számít.
Hidrogén-peroxidOxidáló hatással alakíthat át biológiai összetevőket.Bomlása és reakciója nem ugyanaz; a puszta buborékképződés nem hatásossági mérés.
Hipokloritot tartalmazó anyagA klór oxigéntartalmú vegyületeinek oxidáló hatása fontos.A pH a hipoklorit/hipoklórossav arányát és a reakciókat is befolyásolja.

Felidéző gyakorlás

Miért gyengülhet a szappan hatása kemény vízben?

Válaszolj a kérdésre, majd ellenőrizd a válaszod, és olvasd el a magyarázatot. Ebben a gyakorló nézetben a válaszokat nem mentjük.

Válassz egy választ
Források

Tankönyvi kapcsolódás

Oktatási Hivatal: Kémia 9–10., II. kötet, 194–195. nyomtatott oldal; 93. lecke. A PDF-ben a nyomtatott oldalszámhoz 1-et adj hozzá.

A magyarázatok, hasonlatok és feladatok önálló feldolgozások. A közép- és emelt szintű követelmények ellenőrzésének alapja az Oktatási Hivatal részletes követelményrendszere.

Kapcsolódó tananyag és források

Tankönyv: Kémia 9–10., II. kötet, 194–195. nyomtatott oldal. Az OH követelményei közül a karbonsavsók mosóhatása (3.4.4.2), a gliceridek lúgos hidrolízise (3.4.5.1), a szulfátészterek (3.4.5.2), a kolloidok (1.4.2.3), a klór és peroxid tulajdonságai kapcsolódnak. A rajzok és példák önálló szemléltetések.

A micellaképzés koncentrációs fogalma: IUPAC. Az optikai fehérítők UV-elnyelésének és kékes fluoreszcenciájának szakirodalmi példája: RSC, Chemical Communications. A tisztítás és fertőtlenítés elkülönítése, az érintkezési idő és a keverés kerülése: CDC.