§ 25. Вищі карбонові кислоти. Мило (Григорович)

Зміст

ПРИГАДАЙТЕ

Пригадайте значення термінів «гідрофільний» і «гідрофобний».

Гідрофільний означає полярну речовину або її частину, яка взаємодіє з молекулами води та добре розчиняється в ній. Гідрофобний означає неполярну речовину або частину молекули (зокрема вуглеводневий ланцюг), яка відштовхує воду та не розчиняється у водному середовищі.

ДОСЛІДЖУЄМО, МОДЕЛЮЄМО, ПРОЄКТУЄМО

• Дослідіть мийну дію мила в різній воді. За якою ознакою можна зробити висновок щодо мийної дії мила?

Висновок щодо мийної дії мила роблять за прозорістю розчину та утворенням стійкої піни. У дистильованій (м’якій) воді розчин залишається майже прозорим і після струшування утворює рясну піну, що свідчить про високу мийну дію. У водопровідній і дистильованій воді з додаванням кальцій хлориду розчин мутніє, випадає пластівчастий осад, а піна майже не з’являється або швидко зникає.

• Порівняйте мийну дію мила й інших мийних засобів. Чи впливає якість води на мийну дію цих засобів?

Якість води майже не впливає на мийну дію рідких засобів або пральних порошків. Синтетичні поверхнево-активні речовини не утворюють нерозчинних осадів із йонами Кальцію $\mathrm{C}{\mathrm{a}}^{2+}$ і Магнію $\mathrm{M}{\mathrm{g}}^{2+}$, тому вони однаково добре піняться та перуть як у м’якій, так і в жорсткій воді.

• Брусок твердого мила зважте й розчиніть у достатній кількості води. Якщо утворився осад через жорстку воду, видаліть його фільтруванням. Із цього розчину треба осадити вищі карбонові кислоти. Для цього додавайте до розчину мила столовий оцет (обчисліть самостійно об’єм оцту за умови, що мило складається лише з натрій стеарату). Утворений осад відфільтруйте та висушіть. Ви одержали стеаринову кислоту. Із неї можна виготовити свічку, додавши гніт і сформувавши циліндр (для еластичності матеріал можна трохи підігріти гарячою водою).

Під час додавання оцту до розчину натрій стеарату оцтова кислота як сильніша витісняє стеаринову кислоту з її солі:
${\mathrm{C}}_{17}{\mathrm{H}}_{35}\mathrm{COONa}+\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{COOH}\to {\mathrm{C}}_{17}{\mathrm{H}}_{35}\mathrm{COOH}\downarrow +\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{COONa}$
Стеаринова кислота не розчиняється у воді і випадає у вигляді густого білого осаду.

Приклад розрахунку для бруска мила масою $100\text{ г}$:
Молярна маса натрій стеарату:
$M({\mathrm{C}}_{17}{\mathrm{H}}_{35}\mathrm{COONa})=18\cdot 12+35\cdot 1+2\cdot 16+23=306\text{ г/моль}$
Кількість речовини солі:
$n({\mathrm{C}}_{17}{\mathrm{H}}_{35}\mathrm{COONa})=\frac{100\text{ г}}{306\text{ г/моль}}\approx 0,327\text{ моль}$
За рівнянням реакції кількість оцтової кислоти дорівнює кількості солі:
$n(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{COOH})=0,327\text{ моль}$
Маса чистої оцтової кислоти:
$m(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{COOH})=0,327\text{ моль}\cdot 60\text{ г/моль}\approx 19,62\text{ г}$
Маса і об’єм 9% столового оцту ($\rho \approx 1,01\text{ г/мл}$):
$m(\text{оцту})=\frac{19,62\text{ г}}{0,09}\approx 218\text{ г}$
$V(\text{оцту})=\frac{218\text{ г}}{1,01\text{ г/мл}}\approx 216\text{ мл}$
Для реакції потрібно приблизно $216\text{ мл}$ столового оцту. Відфільтрований і висушений осад є стеарином, який легко плавиться та формується у свічку з ґнотом.

РОБОТА З ІНФОРМАЦІЄЮ

301. Грецькою hydro означає «вода», philia — «любов», phobos — «жах, страх». Поясніть значення термінів «гідрофільний» і «гідрофобний».

Термін «гідрофільний» означає спорідненість до води. Гідрофільні молекули або групи атомів мають високу полярність чи йонний заряд, тому вони притягуються до диполів води і розчиняються в ній. Термін «гідрофобний» описує неполярні молекули або вуглеводневі ланцюги, які не взаємодіють із молекулами води, відштовхують її та намагаються відокремитися від водного середовища.

302. Які речовини є милом? Чим вони відрізняються від ВКК?

Милом є солі вищих карбонових кислот із лужними елементами: натрієві солі утворюють тверде мило, а калієві — рідке мило (наприклад, натрій стеарат ${\mathrm{C}}_{17}{\mathrm{H}}_{35}\mathrm{COONa}$ або калій пальмітат ${\mathrm{C}}_{15}{\mathrm{H}}_{31}\mathrm{COOK}$). Мило відрізняється від самих ВКК йонною будовою та розчинністю у воді з утворенням міцел і піни, тоді як вищі карбонові кислоти мають молекулярну будову і у воді взагалі не розчиняються.

303. З етикетки твердого або рідкого мила / засобу для прання випишіть 5–7 інгредієнтів. З’ясуйте, які з них є солями вищих карбонових кислот / ПАР і яку функцію вони виконують.

Склад рідкого мила з етикетки:

• Вода ($\mathrm{Aqua}$) — рідка основа та розчинник компонентів.
• Натрій лауретсульфат ($\mathrm{Sodium}\mathrm{Laureth}\mathrm{Sulfate}$) — синтетична аніонна ПАР.
• Натрій стеарат (${\mathrm{C}}_{17}{\mathrm{H}}_{35}\mathrm{COONa}$) — сіль вищої карбонової кислоти, ПАР.
• Кокамідопропілбетаїн ($\mathrm{Cocamidopropyl}\mathrm{Betaine}$) — м’яка амфотерна ПАР і стабілізатор піни.
• Гліцерол ($\mathrm{Glycerin}$) — пом’якшувальний та зволожувальний компонент для шкіри.
• Лимонна кислота ($\mathrm{Citric}\mathrm{Acid}$) — регулятор кислотності розчину ($\mathrm{pH}$).
• Натрій хлорид ($\mathrm{Sodium}\mathrm{Chloride}$) — загусник засобу.

Солями вищих карбонових кислот та ПАР у цьому складі є натрій стеарат, натрій лауретсульфат і кокамідопропілбетаїн. Їхня функція полягає у зниженні поверхневого натягу води, зв’язуванні крапель жиру і бруду та переведенні їх у розчин усередині міцел.

304. Поясніть, чому ВКК нерозчинні у воді, а їх солі — розчинні.

Молекули вищих карбонових кислот складаються з довгого неполярного вуглеводневого «хвоста» та однієї полярної групи $-\mathrm{COOH}$. Гідрофобний хвіст значно більший за полярну частину, тому молекула в цілому неполярна і вода не може її розчинити.

Солі вищих карбонових кислот мають йонний зв’язок. У воді вони дисоціюють на йони, і полярна карбоксилатна група стає негативно зарядженою «голівкою» $-\mathrm{CO}{\mathrm{O}}^{-}$, яка гідратується молекулами води. Це дозволяє молекулам солей групуватися у сферичні міцели, де гідрофобні хвости сховані всередину, а заряджені голівки спрямовані до води, що забезпечує розчинність мила.

305. Проаналізуйте три рекламні слогани щодо мила або мийних засобів, на кшталт «100 % натуральне», «Без хімії», «Гіпоалергенне». Перевірте, що саме стоїть за цими словами. Сформулюйте обґрунтований вердикт: «коректно / частково / маніпуляція».

• Слоган «Без хімії»: будь-яке мило, вода, рослинні олії та солі є хімічними речовинами, а сам процес виготовлення мила є реакцією омилення. Вердикт: маніпуляція.
• Слоган «100 % натуральне»: виробник зазвичай використовує жири рослинного походження, але реакція омилення вимагає додавання лугу ($\mathrm{NaOH}$ або $\mathrm{KOH}$), а готова продукція часто містить стабілізатори чи барвники. Вердикт: частково.
• Слоган «Гіпоалергенне»: у засобі відсутні різкі ароматизатори, агресивні синтетичні барвники та парабени, що знижує ймовірність алергії на шкірі. Вердикт: коректно.

306. Підготуйте коротку доповідь про вплив мийних засобів на довкілля. Сформулюйте для однокласників / однокласниць три поради, на що слід дивитися на етикетках, аби зменшити забруднення довкілля мийними засобами.

Стічні води з пральними засобами несуть загрозу водоймам. Поверхнево-активні речовини утворюють піну на поверхні води, погіршують газообмін і перешкоджають надходженню кисню, від чого страждають водні організми. Фосфатні домішки, які додають для пом’якшення води, діють як добриво і викликають масове розмноження синьо-зелених водоростей, унаслідок чого вода «цвіте», а риба гине від ядухи.

Три поради при виборі засобів на етикетці:

• Обирати порошки з написом «Без фосфатів» або зі вмістом фосфору менше $0,5\%$.
• Шукати позначку біорозкладності ПАР (понад 90%) та офіційні екологічні знаки якості.
• Уникати засобів з активним хлором, їдкими барвниками та надлишком синтетичних запашників.

РОЗУМІННЯ ЯВИЩ ПРИРОДИ (РОБОТА В ГРУПАХ)

307. Поясніть, чому аніонам ПАР «вигідно» утворювати міцели у водних розчинах.

Контакт неполярних вуглеводневих хвостів із водою змушує молекули води формувати навколо них жорсткі структури, що енергетично невигідно. Під час згортання в міцелу гідрофобні хвости об’єднуються всередині сфери й усувають контакт із водою, а гідрофільні заряджені голівки вільно взаємодіють із молекулами води назовні. Це знижує вільну енергію системи та робить стан розчину термодинамічно стійким.

308. Порівняйте будову мильної бульбашки з будовою клітинної мембрани, склавши діаграму Венна.

309. Як, на вашу думку, впливає насиченість органічних сполук на їх температуру плавлення? Проілюструйте це на прикладі вищих карбонових кислот, описаних у параграфі.

Наявність подвійних зв’язків суттєво знижує температуру плавлення речовин.

Насичені вищі карбонові кислоти мають лінійну форму ланцюгів, завдяки чому їхні молекули щільно прилягають одна до одної у кристалічній ґратці. Міжмолекулярна взаємодія посилюється, тому вони є твердими речовинами з високою температурою плавлення:

• Стеаринова кислота (${\mathrm{C}}_{17}{\mathrm{H}}_{35}\mathrm{COOH}$): $t_{\text{пл.}}=70{}^{\circ }\mathrm{C}$;
• Пальмітинова кислота (${\mathrm{C}}_{15}{\mathrm{H}}_{31}\mathrm{COOH}$): $t_{\text{пл.}}=63{}^{\circ }\mathrm{C}$.

Ненасичені кислоти містять подвійні зв’язки $\mathrm{C}=\mathrm{C}$, які створюють злами у вуглеводневому ланцюзі. Через це молекули не можуть щільно впакуватися, зв’язки між ними слабшають, і вони стають рідинами з низькою температурою плавлення:

• Олеїнова кислота (${\mathrm{C}}_{17}{\mathrm{H}}_{33}\mathrm{COOH}$, один зв’язок $\mathrm{C}=\mathrm{C}$);
• Лінолева кислота (${\mathrm{C}}_{17}{\mathrm{H}}_{31}\mathrm{COOH}$, два зв’язки $\mathrm{C}=\mathrm{C}$);
• Ліноленова кислота (${\mathrm{C}}_{17}{\mathrm{H}}_{29}\mathrm{COOH}$, три зв’язки $\mathrm{C}=\mathrm{C}$).

310. Позначивши атом Карбону в складі карбоксильної групи молекули олеїнової кислоти номером один, пронумеруйте атоми Карбону всього ланцюга за порядком. Між якими (за номером) атомами Карбону утворений подвійний зв’язок у цій молекулі? Виконайте це для інших ненасичених вищих карбонових кислот, описаних у параграфі.

Нумерацію ланцюга ведуть від карбоксильного атома Карбону:

• Олеїнова кислота:
  $\stackrel{18}{\mathrm{C}}{\mathrm{H}}_3-(\stackrel{\mathrm{17..11}}{\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2}{)}_7-\stackrel{10}{\mathrm{C}}\mathrm{H}=\stackrel{9}{\mathrm{C}}\mathrm{H}-(\stackrel{\mathrm{8..2}}{\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2}{)}_7-\stackrel{1}{\mathrm{C}}\mathrm{OOH}$
  Подвійний зв’язок розташований між атомами Карбону 9 і 10.
• Лінолева кислота:
  $\stackrel{18}{\mathrm{C}}{\mathrm{H}}_3-(\stackrel{\mathrm{17..14}}{\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2}{)}_4-\stackrel{13}{\mathrm{C}}\mathrm{H}=\stackrel{12}{\mathrm{C}}\mathrm{H}-\stackrel{11}{\mathrm{C}}{\mathrm{H}}_2-\stackrel{10}{\mathrm{C}}\mathrm{H}=\stackrel{9}{\mathrm{C}}\mathrm{H}-(\stackrel{\mathrm{8..2}}{\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2}{)}_7-\stackrel{1}{\mathrm{C}}\mathrm{OOH}$
  Подвійні зв’язки розташовані між атомами Карбону 9 і 10, а також між 12 і 13.
• Ліноленова кислота:
  $\stackrel{18}{\mathrm{C}}{\mathrm{H}}_3-\stackrel{17}{\mathrm{C}}{\mathrm{H}}_2-\stackrel{16}{\mathrm{C}}\mathrm{H}=\stackrel{15}{\mathrm{C}}\mathrm{H}-\stackrel{14}{\mathrm{C}}{\mathrm{H}}_2-\stackrel{13}{\mathrm{C}}\mathrm{H}=\stackrel{12}{\mathrm{C}}\mathrm{H}-\stackrel{11}{\mathrm{C}}{\mathrm{H}}_2-\stackrel{10}{\mathrm{C}}\mathrm{H}=\stackrel{9}{\mathrm{C}}\mathrm{H}-(\stackrel{\mathrm{8..2}}{\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2}{)}_7-\stackrel{1}{\mathrm{C}}\mathrm{OOH}$
  Подвійні зв’язки розташовані між атомами Карбону 9 і 10, між 12 і 13, а також між 15 і 16.

311. Чи можуть частинки бруду бути гідрофільними? Відповідь поясніть.

Так, частинки бруду можуть бути гідрофільними (наприклад, пил, часточки глини, кристали солі або цукру). Такі речовини мають здатність взаємодіяти з водою і добре розчиняються або змиваються з поверхонь струменем звичайної води без використання мила. Мило необхідне тоді, коли бруд має жирову чи гідрофобну природу і не змочується водою.

312. Солі вищих карбонових кислот із лужними хімічними елементами розчинні у воді, а з йонами Кальцію або Магнію — нерозчинні. Запишіть молекулярне та йонно-молекулярне рівняння реакції калій стеарату з кальцій хлоридом.

Молекулярне рівняння реакції:
$2{\mathrm{C}}_{17}{\mathrm{H}}_{35}\mathrm{COOK}+\mathrm{CaC}{\mathrm{l}}_2\to ({\mathrm{C}}_{17}{\mathrm{H}}_{35}\mathrm{COO}{)}_2\mathrm{Ca}\downarrow +2KCl$

Повне йонно-молекулярне рівняння:
$2{\mathrm{C}}_{17}{\mathrm{H}}_{35}\mathrm{CO}{\mathrm{O}}^{-}+2{\mathrm{K}}^{+}+\mathrm{C}{\mathrm{a}}^{2+}+2C{\mathrm{l}}^{-}\to ({\mathrm{C}}_{17}{\mathrm{H}}_{35}\mathrm{COO}{)}_2\mathrm{Ca}\downarrow +2{\mathrm{K}}^{+}+2C{\mathrm{l}}^{-}$

Скорочене йонно-молекулярне рівняння:
$2{\mathrm{C}}_{17}{\mathrm{H}}_{35}\mathrm{CO}{\mathrm{O}}^{-}+\mathrm{C}{\mathrm{a}}^{2+}\to ({\mathrm{C}}_{17}{\mathrm{H}}_{35}\mathrm{COO}{)}_2\mathrm{Ca}\downarrow$