肥皂的化學史

2022-01-29 北京高考化學

我們今天使用的各種洗滌劑,你可知道它漫長的發展歷史嗎?其實在人類歷史的發展過程中,曾經用過多種物質作衣物清洗劑。

1、肥皂的歷史

肥皂是人類創造出來的最古老的化學製品之一。對於肥皂的起源有多種不同說法。從公元前2500年人類文化發源地之一的美索不達美亞平原挖掘出的古蹟中發現當時人們已用類似肥皂的物質清洗羊毛和衣物。古代中國也是用類似肥皂的皂角來清洗衣物。

到公元70年,羅馬帝國學者普林尼,第一次用羊油和木草灰製取塊狀肥皂獲得成功。在古羅馬的博物志牛記載著用油脂、草木灰和石灰混合製成肥皂的方法,並特別指出用羊油和山毛櫸樹的灰製成的肥皂質量最好,而且記載著加入食鹽可以得到較硬的肥皂適合洗頭髮和用於美容。直到現在,製造肥皂還遵循著把動物或植物脂肪與酸混合的基本原理。這些東西混合時發生的化學反應被稱為皂化反應。從此,羅馬開始使用起肥皂來。

中世紀在地中海沿岸許多城市已小規模生產肥皂。16世紀法國馬賽已成為制皂業中心,至今還有馬賽皂的提法。這項技術後來又傳到英國,女王伊莉莎白一世下令建廠,世界上最早的具有規模的肥皂工廠便在英國的布裡斯吐勒城建成了。雖然製造肥皂的原料之一脂肪很豐富,但是由於純淨狀態的純鹼很難找到,所以早期肥皂的生產受到限制。1791年,法國人勒布朗發現了以食鹽為原料製備碳酸鈉的方法,此後碳酸鈉價格一路下跌。後來,法國化學家盧布蘭通過自己的實驗,肥皂的原料改用電解食鹽的方法製取的燒鹼,進一步推動了肥皂的生產。從此,肥皂才逐漸為人民大眾所用,走進千家萬戶。

2、肥皂的優缺點

肥皂的主要成分是硬脂酸鈉的鈉鹽(硬脂酸是一種含有十八個碳原子的羧酸)。硬脂酸鈉酸性較弱,而氫氧化鈉屬於強鹼。因此肥皂屬於強鹼弱酸鹽,在水中呈弱鹼性。在酸性條件中,肥皂可以形成不溶性硬脂肪酸,從溶液中分離出來。由於硬脂酸根變成了硬脂酸,溶解於水的能力減弱,使肥皂的清洗力減弱,所以不宜在酸性介質中使用肥皂。此外,由於含有少量皂化反應時帶入的雜質鹼,因此肥皂的水溶液pH值在10左右。如果肥皂中含的游離鹼量過多,洗滌時會損傷羊毛和絲織物。

肥皂耐硬水能力差是它的主要缺點。硬水中主要含有鈣離子和鎂離子,而鎂離子和鈣離子可以和硬脂酸根形成難溶於水的硬脂酸鎂和硬脂酸鈣。因此,在硬水中使用肥皂,不僅肥皂的的去汙能力降低,而且生成的鈣皂粘附在清洗衣物表面很難被清除。因此肥皂洗衣物時要配合鈣皂分散劑使用。

但是從環保角度看,肥皂有很多優點。肥皂毒性小,生物降解性好,有利於環境保護。肥皂脫脂能力較差有時又成為它的優點,因為使用肥皂清洗皮膚時,對皮膚有一定的保護作用,因此肥皂一直被保留作皮膚清洗劑。

3、肥皂的原理

肥皂為什麼能夠去汙呢,這和肥皂的結構密切相關。脂肪的主要成分是硬脂酸甘油酯(和其它高級脂肪酸的甘油酯)。在鹼的作用下,硬脂酸甘油酯發生水解,生成甘油和硬脂酸鈉。硬脂酸鈉一端仍然保留油脂的碳鏈,因此這一端是親脂的。而脂肪的另一端在鹼的作用下,變成了羧酸根。這是一個帶有負電荷的陰離子,因此很難溶於脂,因此這一端是親水的。

水和油是不相溶的,因此油膩的手只用水很難洗乾淨。而對於衣物來說,吸附油脂的能力更強,因此衣物上的油脂更難用水清洗。而我們衣服上的灰塵、微生物等附著在皮膚上之後,會被衣服上的油脂包裹起來,這無形中為這些東西提供了防護。

在用肥皂洗滌衣服時,親脂一端僅僅拉住衣服上的油脂,而親水的一端則和周圍的水分子不離不棄。因此在肥皂的幫助下,油脂慢慢的脫離了衣服,懸浮在水分子中,形成乳濁液。這樣,只需打開水龍頭,那些包裹在水分子中的汙垢就可以輕鬆衝掉。

4、合成洗滌劑

能清楚肥皂去汙的原理,人們就可以根據這個原理合成新的洗滌劑。合成洗滌劑的結構與硬脂酸鈉類似,即一端為易溶於水的親水端,另一端為易溶於酯的秦直斷。合成清潔劑的研究開始於第一次世界大戰時的德國。在1930年代問世後,由於較便宜且洗淨力較強,到了1940年代,合成洗滌劑已被普遍使用而取代了肥皂的地位。

早期洗滌劑的生產主要是以煤和油脂為原料,所生產的洗滌劑是以高級脂肪醇的硫酸酯鹽(AES)為主的。在二次大戰前後,表面活性劑的生產轉向以石油產品為原料。首先開發出烷基苯磺酸鈉(ABS)這種價格低廉、清洗性能優良的合成洗滌劑。繼而改為生產生物降解性好的同類產品直鏈烷基苯磺酸鹽(LAS)。。

在1947年,美國賓州Mt.Penn.市的汙水處理廠就遭遇到清潔劑泡沫問題的困擾。他們發現在處理槽的表面,漂浮了無法消除的清潔劑的泡沫,並且隨風飄揚。隨後又發現,合成洗滌劑隨著放流水排到河川時,不但會影響水中魚類,並且可影響下遊的水質而造成汙染問題。1954年,美國Bogan及Sawyer兩位學者,率先開始研究合成洗滌劑的生物分解性,經過許多學者多年研究後,發現活性劑分子,在苯環上的碳鏈如有分叉(如ABS),則不易被分解,且分叉程度愈多愈不易被分解;反之,若為直線形的碳鏈(如LAS十二烷基苯硫酸納),則容易被生物處理方法完全分解。

於是ABS等逐步在市場上絕跡。目前LAS使用量很大,由於具有良好洗淨力,價格又低廉,因此廣泛應用於家用清潔劑配方之中。但LAS對皮膚的刺激性大,不適合做為洗髮精、沐浴乳等個人清潔用品。接著開發出α-烯基磺酸鹽(AOS),烷基硫酸鹽(AS),仲烷基磺酸鹽(SAS)等陰離子洗滌劑和脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO)、烷基酚聚氧乙烯醚(APPO)等非離子合成洗滌劑。

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