Почему вода одна не смывает масло с детали, а с мылом капля скатывается в шарик и уходит? Добавляй ПАВ, меняй жесткость воды и температуру, а во второй части опыта получай из кислоты и спирта эфир с запахом банана.
Карбоновые кислоты узнают по группе −COOH на конце углеродной цепочки. Муравьиная кислота HCOOH жжет кожу, уксусная CH₃COOH пахнет столовым уксусом, а длинная стеариновая C₁₇H₃₅COOH это твердый воск, из которого делают свечи. Если смешать кислоту со спиртом и добавить каплю серной кислоты, от кислоты отходит группа OH, от спирта атом H, они складываются в воду, а остатки соединяются в сложный эфир. Многие эфиры пахнут фруктами: банан, груша, ананас.
Если вместо спирта взять щелочь, получится соль кислоты, то есть мыло. Длинный углеводородный хвост мыла не дружит с водой и прячется в масло, а заряженная голова −COO⁻ остается в воде. Поэтому мыло облепляет каплю жира со всех сторон и уносит ее в воду. В жесткой воде ионы кальция сцепляют молекулы мыла в нерастворимые хлопья, и мыло перестает мыть.
ⓘ Деталь и капли нарисованы в огромном увеличении: настоящая мицелла размером около 5 нм, в миллион раз меньше миллиметра. Число молекул на рисунке растет вместе с концентрацией, но это не точный подсчет.
Первая формула отвечает, почему эфира получается меньше, чем кислоты, и как это исправить. Вторая считает, сколько мыла съедает жесткая вода. Третья показывает, из чего мыло делают. Числа берутся из опыта, а карточка, которая сейчас решает исход, подсвечена.
Сколько эфира при равновесии?
Прямая и обратная реакции идут одновременно. Когда скорости сравнялись, состав смеси больше не меняется, и это отношение равно постоянной K. Для кислоты с первичным спиртом K около 4.
Сколько мыла съест жесткая вода?
Один ион Ca²⁺ сцепляет две молекулы мыла: 2 RCOO⁻ + Ca²⁺ → (RCOO)₂Ca↓. Жесткость в градусах Ж это миллимоли эквивалентов на литр, поэтому мыла теряется ровно Ж ммоль на литр. Мыть будет только остаток, и только если он выше ККМ.
Из чего делают мыло?
Это омыление: щелочь разрывает сложноэфирные связи жира. Тристеарин (C₁₇H₃₅COO)₃C₃H₅ + 3 NaOH → C₃H₅(OH)₃ + 3 C₁₇H₃₅COONa. На каждые 891 г жира уходит 120 г щелочи.
Масло прилипает к металлу лучше, чем вода: капля растекается тонкой линзой. Капля держится, пока ей выгодно касаться металла, а не воды. Выгода зависит от поверхностного натяжения на границах «металл и вода», «металл и масло» и «масло и вода».
Молекулы ПАВ садятся на металл и на поверхность капли хвостами к маслу и к металлу, а головами в воду. Обе границы с водой становятся «дешевле», вода подтекает под край капли, угол краевой линзы растет, и капля собирается в шарик. Шарику достаточно слабого потока воды или мешалки, чтобы оторваться. Дальше он уходит в воду в оболочке из ПАВ, а маленькие капли растворяются внутри мицелл.
Поэтому мойке важна не только концентрация, но и температура: в горячей воде масло жиже и легче скатывается, а мицеллы принимают больше масла. И поэтому ниже ККМ мыло почти бесполезно: молекул не хватает даже на то, чтобы покрыть поверхности.
Перед ремонтом двигатель и детали коробки моют в ваннах и струйных мойках. В растворе неионогенные ПАВ: они не боятся жесткой воды и мало пенятся под струей. Раствор греют до 50–70 °C, и масло с сажей уходит в разы быстрее, чем в холодной воде.
Перед покраской, цинкованием и хромированием детали обезжиривают горячим раствором щелочи с ПАВ. Растительные и животные жиры щелочь омыляет, они становятся мылом и сами помогают мыть. Минеральное масло не омыляется, его снимают ПАВ.
В моторном масле тоже есть свои «мыла»: сульфонаты и феноляты кальция и магния. Их полярные головы цепляются к частицам сажи и смол, хвосты держат их в масле, и грязь уходит в фильтр, а не на поршни. Подробно в теме о смазочных материалах.
Кальций и магний из жесткой воды осаждают мыло хлопьями, а при нагреве дают накипь. Поэтому в стиральных порошках и автошампунях есть умягчители, а воду для котлов и систем охлаждения готовят заранее. Как это делают, в теме о химии воды.
Этилацетат и бутилацетат растворяют краски, лаки и клеи и быстро испаряются. Они входят в растворители для автоэмалей и в жидкость для снятия лака. Пары легко вспыхивают, работают с ними в проветриваемом помещении.
Эфиры многоатомных спиртов и кислот служат основой масел для авиадвигателей, компрессоров и холодильных машин: они держат высокую температуру и не густеют на морозе. Аспирин тоже сложный эфир, его получают из салициловой кислоты и уксусного ангидрида.
Этерификация: K = 4 для всех пар кислоты и первичного спирта, от температуры почти не зависит. Скорость задана кинетикой второго порядка с энергией активации 50 кДж/моль; с серной кислотой реакция идет в 100 раз быстрее, чем без нее; муравьиная кислота быстрее уксусной, длинные кислоты и спирты медленнее. Это учебные множители, а не измеренные константы. Испарение спирта и эфира не учтено: считается, что колба стоит с обратным холодильником. «Забирать воду» означает, что в смеси остается 2% образовавшейся воды. Запахи справочные, у технических эфиров запах резче и грубее.
Мойка: ККМ взяты для 25 °C: мыло около 1 ммоль/л (олеат натрия), синтетическое ПАВ 1,5 ммоль/л (додецилбензолсульфонат натрия), неионогенное 0,08 ммоль/л. Поверхностное натяжение ниже ККМ считается по уравнению Шишковского, выше ККМ постоянно. Скорость отмывки зависит от отношения свободного ПАВ к ККМ по плавной ступеньке и растет примерно вдвое на каждые 23 °C; это модель, а не расчет конкретной мойки. Синтетическое ПАВ в модели теряет на жесткую воду четверть от того, что теряет мыло (его соли с кальцием растворимее, а в порошке есть умягчители); неионогенное ПАВ не теряет ничего. Магний учтен вместе с кальцием в общей жесткости. Массы мыла и жира для бака посчитаны для стеарата натрия и тристеарина.
Термины в словаре:Эстер, сложный эфирПАВ, полярная голова и хвостДетергент, моющая присадкаГидролиз эстераХемосорбцияМылоFAME, биодизельIAT, OAT, HOAT