Вспомните:
• в солях между катионами и анионами связь ионная;
• из курса биологии вспомните значение терминов «гидрофильный» и «гидрофобный».
Высшие карбоновые кислоты
Высшими карбоновыми кислотами (сокращенно ВКК) называют карбоновые кислоты, в молекулах которых содержится от 12 до 22 атомов Карбона. Как и углеводороды, высшие карбоновые кислоты могут быть насыщенными и ненасыщенными.
Среди насыщенных высших карбоновых кислот чаще всего встречаются стеариновая и пальмитиновая кислоты.
Стеаринова кислота:
Молекула пальмитиновой кислоты содержит на два атома Карбона меньше, чем стеариновая: CH3-(CH2)14-COOH, или C15H31COOH.
Стеариновая и пальмитиновая кислоты — твердые белые воскообразные вещества без запаха, жирные на ощупь, нерастворимы в воде, но хорошо растворимы в органических растворителях, легкоплавкие (у стеариновой кислоты £пл = 70 °С, у пальмитиновой £пл = 63 °С). Их используют для изготовления свечей, напалма, масел, косметических средств и различных сортов мыла.
Ненасыщенных высших карбоновых кислот существует гораздо больше, чем насыщенных. Среди них наиболее распространены кислоты:
Ненасыщенные высшие карбоновые кислоты — бесцветные или светло-желтые маслянистые жидкости без запаха, нерастворимы в воде, но хорошо растворимы во многих органических растворителях. Их применение в технике принципиально не отличается от насыщенных кислот, но они гораздо важнее для человека в качестве питательных веществ в составе жиров, о чем вы узнаете в следующем параграфе.
Мыло
Высшие карбоновые кислоты в воде не растворяются, однако их соли со щелочными элементами хорошо растворимы в воде, к тому же они проявляют моющее действие. Это возможно потому, что:
• соли имеют ионное строение, а ионные соединения лучше растворяются в воде, чем молекулярные;
• у анионов ВКК можно выделить сильнополярную «головку» (карбоксильную группу) и неполярный «хвост» (карбоновую цепь):
Полярная часть аниона гидрофильная, т. е. «стремится» к водному окружению. Углеводородная цепь, наоборот, является гидрофобной частью, т. е. пытается «убежать» из водного окружения. Благодаря этому в водном растворе соли ВКК образуют специфические частицы — мицеллы: в одном месте собирается много анионов ВКК, которые ориентируются так, чтобы гидрофобные хвосты были направлены внутрь частицы, а гидрофильные «головки» — наружу, т. е. к воде (рис. 34.1).
Благодаря образованию мицелл соли ВКК обладают достаточно хорошей растворимостью в воде и проявляют моющее действие. Такие вещества называют поверхностно-активными веществами (сокращенно ПАВ). Поверхностно-активными являются все соли ВКК с ионами щелочных элементов, в частности натрий стеарат C17H35COONa, калий стеарат C17H35COOK и др.
Соли ВКК используют для изготовления мыла. Обычное хозяйственное мыло на 72 % состоит из солей ВКК, все остальное в составе мыла — это вода, остатки натрий гидроксида, натрий карбоната и другие примеси. Для изготовления туалетного мыла удаляют нежелательные примеси и добавляют красители, ароматизаторы и другие вещества для улучшения товарного вида. Соли натрия являются основой твердого мыла, а соли калия — жидкого.
Конечно, не только соли ВКК являются поверхностно-активными веществами. К ним относятся другие производные карбоновых кислот и углеводородов, которые используют для изготовления синтетических моющих средств, с которыми вы ознакомитесь при дальнейшем изучении химии.
Моющее действие мыла
Вы уже знаете, что благодаря возможности образования мицелл поверхностно-активные вещества проявляют моющее действие. Капельки жира и другие частицы грязи являются гидрофобными: если они находятся вблизи мицелл, то «прячутся» от воды внутри мицелл и в таком виде плавают в воде. Таким образом, жир становится растворимым в воде (рис. 34.2).
Если грязь прилипла к какой-то поверхности, действие ПАВ будет таким же: частицы ПАВ окружают грязь, отрывают ее от поверхности и охватывают со всех сторон, благодаря чему частицы грязи становятся водорастворимыми. Если промыть поверхность водой, то грязь смоется с мылом и поверхность будет чистой (рис. 34.3).
У мыла есть один существенный недостаток. Водопроводная вода в большинстве регионов Украины является жесткой, т. е. содержит в значительной концентрации ионы кальция Ca2+ и магния Mg2+, с которыми анионы ВКК образуют осадок. Поэтому при использовании мыла в жесткой воде она становится мутной (рис. а). В некоторых регионах Украины вода мягкая, т. е. содержит незначительное количество ионов Ca2+ и Mg2+ и не «мешает» использованию мыла (рис. б). Хотя у такой воды проявляется другой недостаток: если вы намылили руки, то мыло смыть очень сложно, долго чувствуется мылкость.
При использовании мыла в жесткой воде в емкости собирается много неприглядного на вид осадка, и многие считают, что это отмытая грязь. Конечно, этот осадок не добавляет чистоты, но и грязью он не является — это нерастворимые соли ВКК.
При стирке в жесткой воде нерастворимые в воде соли оседают на волокнах тканей. После стирки такие ткани на ощупь более жесткие, чем до стирки, поэтому и воду стали называть жесткой.
Мыльные пузыри также существуют благодаря ПАВ, их в определенной степени можно назвать гигантскими мицеллами. Мыльный пузырь представляет собой тоненькую пленку воды, на поверхности которой плотным частоколом расположены анионы ПАВ, направленные гидрофобной частью в сторону воздуха. Вода внутри пленки достаточно быстро стекает в нижнюю часть пузырька, из-за чего пленка становится тоньше и вскоре лопается.
Интересно, что в изготовлении мороженого и стирке много общего. Мороженое — это замороженная эмульсия. Вспомните из § 3: эмульсия — это грубодисперсная смесь двух жидкостей, не растворяющихся друг в друге, например смесь масла и воды. И действительно, главные компоненты мороженого — молочный жир и вода. Поскольку они друг с другом не смешиваются, то со временем жир всплывет вверх и мороженое расслоится еще до того, как замерзнет. Для того чтобы расслоение не происходило, к мороженому добавляют эмульгаторы. Эмульгаторы являются поверхностно-активными веществами, они окружают мелкие капельки жира гидрофобными хвостами, а их гидрофильные головки направлены к воде. Такая эмульсия может существовать длительное время. Майонез — это также эмульсия, которая образуется при смешивании масла с яйцом. Эмульгатором в этом случае является лецитин, содержащийся в яичном желтке. Эмульгаторы — достаточно распространенные вещества, их используют во многих отраслях, в частности для изготовления пищевых продуктов, где необходимо предотвратить расслоение компонентов.
Лингвистическая задача
На греческом hydro означает «вода», philia — «любовь», phobos — «ужас, страх». Объясните значение терминов «гидрофильный» и «гидрофобный».
Ключевая идея
Наличие у частицы большого гидрофобного фрагмента и небольшого гидрофильного фрагмента предопределяет возможность наличия у веществ поверхностной активности и моющего действия.
Контрольные вопросы
407. Какие соединения относятся к высшим карбоновым кислотам?
408. Приведите молекулярные формулы и названия высших карбоновых кислот, о которых говорилось в параграфе. Какие из них являются насыщенными, а какие — ненасыщенными?
409. Какие вещества являются мылом? Чем они отличаются от ВКК?
410. Объясните, почему ВКК нерастворимы в воде, а их соли — растворимы.
411. Опишите моющее действие мыла.
412. Как вы считаете, почему анионам ПАВ в водных растворах «выгодно» образовывать мицеллы?
Задания для усвоения материала
413. На примере стеариновой и пальмитиновой кислот проиллюстрируйте зависимость температуры плавления органических веществ одного класса от молекулярной массы.
414. Как, по вашему мнению, насыщенность органических соединений влияет на их температуру плавления? Проиллюстрируйте это на примере высших карбоновых кислот, описанных в параграфе.
415. К каким кислотам — одноосновным или многоосновным — относятся высшие карбоновые кислоты, о которых говорилось в параграфе?
416. Обозначив атом Карбона в составе карбоксильной группы молекулы олеиновой кислоты номером один, расставьте номера атомов Карбона всей цепи по порядку. Между какими (по номеру) атомами Карбона образована двойная связь в этой молекуле? Выполните это для других ненасыщенных высших карбоновых кислот, описанных в параграфе.
417. Используя информацию о растворимости высших карбоновых кислот, сделайте вывод, полярными или неполярными веществами они являются.
418. Могут ли частицы грязи быть гидрофильными? Ответ объясните.
419. Соли высших карбоновых кислот со щелочными элементами растворимы в воде, а с ионами Кальция или Магния нерастворимы. Составьте уравнения реакции обмена калий стеарата с кальций хлоридом.
420. Смесь пальмитиновой и стеариновой кислот называют стеарином и используют для изготовления стеариновых свечей. Составьте уравнения реакции полного сгорания этих кислот, если в обоих случаях продуктами реакций являются углекислый газ и вода. Какой объем кислорода (н. у.) понадобится для сжигания свечи массой 200 г, если в стеарине массы стеариновой и пальмитиновой кислот одинаковы.
421*. В дополнительных источниках найдите информацию о пищевых продуктах, в которых используются эмульгаторы. Объясните роль эмульгаторов в каждом случае.
ДОМАШНИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ № 2
Сравнение моющего действия мыла и стирального порошка
Вам понадобятся: мыло (лучше использовать жидкое мыло, оно быстрее растворяется), стиральный порошок для ручной стирки, вода водопроводная, вода дистиллированная (можно купить в аптеке или в магазинах для автомобилистов), раствор кальций хлорида или магний сульфата (их можно купить в аптеке, обычно кальций хлорид продается под названием «хлористый кальций», а магний сульфат — «магнезия»).
Правила безопасности:
• для опытов используйте небольшие количества веществ;
• остерегайтесь попадания веществ на кожу, одежду, в глаза; при попадании вещество следует смыть большим количеством воды.
Оценить эффективность моющего действия можно по специальным показателям — пенообразованию и устойчивости пены. Пено
образование характеризует объем или высоту образованной пены, а устойчивость пены характеризует время, за которое пена исчезает или за какое ее высота уменьшается на определенную величину.
1. Возьмите три одинаковых высоких узких стакана. В первый стакан налейте 50 мл дистиллированной воды, во второй — такое же количество водопроводной воды, а в третий — 40 мл дистиллированной воды и долейте 10 мл раствора кальций хлорида или магний сульфата (для моделирования воды с большой жесткостью). В каждый стакан добавьте половину чайной ложки жидкого мыла и растворите его осторожными движениями. При использовании твердого мыла добавляйте небольшие кусочки объемом не более 1 см3 и дождитесь полного их растворения. Ни в коем случае не используйте жидкие синтетические моющие средства для стекла, пола или посуды: у них другой химический состав! Каждый стакан слегка встряхивайте в течение 1 минуты. Линейкой измерьте высоту образовавшейся пены и укажите время, за которое высота уменьшится вдвое (или на треть).
2. Повторите предыдущий опыт, но вместо мыла используйте стиральный порошок для ручной стирки. (Порошок для автоматической стирки лучше не использовать, поскольку в него добавляют пеногасящие вещества, чтобы пена не повредила стиральную машину.)
3. Результаты исследования оформите в виде таблицы, а в выводах сравните моющее действие мыла и стирального порошка в различных типах воды.
Это материал учебника Химия 9 класс Григорович