KHÁI NIỆM VỀ XÀ PHÒNG VÀ CHẤT GIẶT RỬA TỔNG HỢP
A. LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM
1. Khái niệm chất giặt rửa
Chất giặt rửa là những chất khi dùng cùng với nước thì có tác dụng làm sạch các chất bẩn bám trên các vật rắn mà không gây ra phản ứng hoá học với các chất đó.
2. Tính chất giặt rửa
a) Một số khái niệm liên quan
Chất tẩy màu làm sạch các vết màu bẩn nhờ những phản ứng hoá học. Thí dụ : nước Gia-ven, nước clo oxi hoá chất màu thành chất không màu ; SO2 khử chất màu thành chất không màu. Chất giặt rửa, như xà phòng, làm sạch các vết bẩn không phải nhờ những phản ứng hoá học (xem mục c).
Chất ưa nước là những chất tan tốt trong nước, như : metanol, etanol, axit axetic, muối axetat kim loại kiềm,...
Chất kị nước là những chất hầu như không tan trong nước, như : hiđrocacbon, dẫn xuất halogen,... Chất kị nước thì lại ưa dầu mỡ, tức là tan tốt vào dầu mỡ. Chất ưa nước thì thường kị dầu mỡ, tức là không tan trong dầu mỡ.
b) Đặc điểm cấu trúc phân tử muối natri của axit béo
Hình 1.3- Cấu trúc phân tử muối natri stearat:
a) Công thức cấu tạo thu gọn nhất; b) Mô hình đặc
Phân tử muối natri của axit béo gồm một "đầu" ưa nước là nhóm –COO-Na+ nối với một "đuôi" kị nước, ưa dầu mỡ là nhóm -CxHy (thường x ³ 15). Cấu trúc hoá học gồm một đầu ưa nước gắn với một đuôi dài ưa dầu mỡ là hình mẫu chung cho "phân tử chất giặt rửa".
c) Cơ chế hoạt động của chất giặt rửa
Lấy trường hợp natri stearat làm thí dụ, nhóm CH3[CH2]16– , "đuôi" ưa dầu mỡ của phân tử natri stearat thâm nhập vào vết dầu bẩn, còn nhóm –COO-Na+ ưa nước lại có xu hướng kéo ra phía các phân tử nước (hình 1.4a). Kết quả là vết dầu bị phân chia thành những hạt rất nhỏ được giữ chặt bởi các phân tử natri stearat, không bám vào vật rắn nữa mà phân tán vào nước rồi bị rửa trôi đi (hình 1.4b).
Hình 1.4- a) Sự định hướng các phân tử natri stearat khi tiếp xúc với nước và chất bẩn;
b) Các hạt dầu rất nhỏ được giữ chặt bởi các phân tử natri stearat phân tán vào nước.
3. xà phòng
a. Sản xuất xà phòng
Phương pháp thông thường sản xuất xà phòng là đun dầu thực vật hoặc mỡ động vật (thường là loại không dùng để ăn) với dung dịch NaOH hoặc KOH ở nhiệt độ và áp suất cao. Sau khi phản ứng xà phòng hoá kết thúc, người ta cho thêm natri clorua vào và làm lạnh. Xà phòng tách ra khỏi dung dịch được cho thêm phụ gia và ép thành bánh. Dung dịch còn lại được loại tạp chất, cô đặc rồi li tâm tách muối natri clorua để thu lấy glixerol. Nhà máy Xà phòng Hà Nội sản xuất theo quy trình này.
Người ta còn sản xuất xà phòng bằng cách oxi hoá parafin của dầu mỏ nhờ oxi không khí, ở nhiệt độ cao, có muối mangan xúc tác, rồi trung hoà axit sinh ra bằng NaOH :
R-CH2-CH2-R' \(\xrightarrow{{}}\) R-COOH + R'-COOH \(\xrightarrow{{}}\) R-COONa + R'-COONa
Muối natri của các axit có phân tử khối nhỏ tan nhiều còn muối natri của các axit phân tử khối lớn không tan trong dung dịch natri clorua. Chúng được tách ra gọi là xà phòng tổng hợp. Xà phòng tổng hợp có tính chất giặt rửa tương tự xà phòng thường.
b. Thành phần của xà phòng và sử dụng xà phòng
Thành phần chính của xà phòng là các muối natri (hoặc kali) của axit béo, thường là natri stearat (C17H35COONa), natri panmitat (C15H35COONa), natri oleat (C17H33COONa), ... Các phụ gia thường có là chất màu, chất thơm.
Xà phòng dùng trong tắm gội, giặt giũ,... có ưu điểm là không gây hại cho da, cho môi trường (vì dễ bị phân huỷ bởi vi sinh vật có trong thiên nhiên). Xà phòng có nhược điểm là khi dùng với nước cứng (nước có chứa nhiều ion Ca2+ và Mg2+) thì các muối canxi stearat, canxi panmitat,... sẽ kết tủa làm giảm tác dụng giặt rửa và ảnh hưởng đến chất lượng vải sợi.
4. Chất giặt rửa tổng hợp
a. Sản xuất chất giặt rửa tổng hợp
Để đáp ứng nhu cầu to lớn và đa dạng về chất giặt rửa, người ta đã tổng hợp ra nhiều chất dựa theo hình mẫu "phân tử xà phòng" (tức là gồm đầu phân cực gắn với đuôi dài không phân cực), chúng đều có tính chất giặt rửa tương tự xà phòng và được gọi là chất giặt rửa tổng hợp. Thí dụ :
CH3[CH2]10- CH2-O-SO3-Na+ CH3[CH2]10- CH2-C6H4-SO3-Na+
Natri lauryl sunfat Natri đođecylbenzensunfonat
Chất giặt rửa tổng hợp được điều chế từ các sản phẩm của dầu mỏ. Chẳng hạn, oxi hoá parafin được axit cacboxylic, hiđro hoá axit thu được ancol, cho ancol phản ứng với H2SO4 rồi trung hoà thì được chất giặt rửa loại ankyl sunfat:
\(R–COOH \xrightarrow{men} R–CH2OH \xrightarrow{{{\text{H}}_{\text{2}}}S{{O}_{4}}} R–CH2OSO3H \xrightarrow{\text{NaOH}} R-CH2OSO3-Na+\)
b. Thành phần và sử dụng các chế phẩm từ chất giặt rửa tổng hợp
Các chế phẩm như bột giặt, kem giặt, ngoài chất giặt rửa tổng hợp, chất thơm, chất màu ra, còn có thể có chất tẩy trắng như natri hipoclorit,... Natri hipoclorit có hại cho da khi giặt bằng tay.
Ưu điểm của chất giặt rửa tổng hợp là dùng được với nước cứng, vì chúng ít bị kết tủa bởi ion canxi. Những chất giặt rửa tổng hợp có chứa gốc hiđrocacbon phân nhánh gây ô nhiễm cho môi trường, vì chúng rất khó bị các vi sinh vật phân huỷ.
B. GIẢI BÀI TẬP SÁCH GIÁO KHOA
Bài 1 (trang 15 SGK Hoá học 12):
Xà phòng là gì?
Hướng dẫn giải:
Xà phòng là hỗn hợp muối natri hoặc muối kali của axit béo có thêm một số chất phụ gia.
Bài 2 (trang 15 SGK Hoá học 12):
Ghi Đ (đúng ) hoặc S (sai ) vào ô trống bên cạnh các câu sau:
a) Xà phòng là sản phẩm của phản ứng xà phòng hóa.
b) Muối natri hoặc kali của axit hữu cơ là thành phần chính của xà phòng.
c) Khi đun nóng chất béo với dung dịch NaOH hoặc KOH ta được xà phòng.
d) Từ dầu mỏ có thể sản xuất được chất giặt tổng hợp.
Hướng dẫn giải:
a. Đ
b. S. Câu đúng phải là “muối natri hoặc kali của axit béo là thành phần chính của xà phòng”.
c. Đ
d. Đ
Bài 3 (trang 15 SGK Hoá học 12):
Một loại mỡ động vật chứ 20% tristearoylglixerol m, 30% tripanmitoylgrixerol và 50 % trioleoylgixerol (về khối lượng).
a) Viết phương trình hóa học của các phản ứng xảy ra khi thực hiện phản ứng xà phòng hóa loại mỡ trên.
b) Tính khối lượng muối thu được khi xà phòng hóa 1 tấn mỡ trên bằng dung dịch NaOH, giả sử hiệu suất của quá trình đạt 90%.
Hướng dẫn giải:
a. Phương trình hóa học
\[{{({{C}_{17}}{{H}_{35}}COO)}_{3}}{{C}_{3}}{{H}_{5}}+3NaOH\xrightarrow{{{t}^{o}}}3{{C}_{17}}{{H}_{35}}COONa+{{C}_{3}}{{H}_{5}}{{(OH)}_{3}}\](1)
890 306
\[{{({{C}_{15}}{{H}_{31}}COO)}_{3}}{{C}_{3}}{{H}_{5}}+3NaOH\xrightarrow{{{t}^{o}}}3{{C}_{15}}{{H}_{31}}COONa+{{C}_{3}}{{H}_{5}}{{(OH)}_{3}}\](2)
806 278
\[{{({{C}_{17}}{{H}_{33}}COO)}_{3}}{{C}_{3}}{{H}_{5}}+3NaOH\xrightarrow{{{t}^{o}}}3{{C}_{17}}{{H}_{33}}COONa+{{C}_{3}}{{H}_{5}}{{(OH)}_{3}}\](3)
884 304
b.Dựa vào tỉ lệ phần trăm
⇒ Trong 1 tấn mỡ có:
0,2 tấn (C17H35COO)3C3H5
0,3 tấn (C15H31COO)3C3H5
0,5 tấn (C17H33COO)3C3H5
Theo pt (1), (2), (3) khối lượng muối thu được là :
\[\frac{0,2.3.306}{890}+\frac{0,3.3.278}{806}+\frac{0,5.3.304}{884}\] = 1,03255 (tấn) = 1032,55(kg)
Vì hiệu suất là 90% nên khối lượng muối thu được là
\[m=\frac{1,03255.90}{100}=929,3\] (Kg)
Bài 4 (trang 16 SGK Hoá học 12):
Nêu những ưu điểm và hạn chế của việc dùng xà phòng so với dùng hóa chất giặt rửa tổng hợp.
Hướng dẫn giải:
- Ưu điểm : xà phòng có chứa axit béo vi sinh vật phân hủy do đó không gây ô nhiễm môi trường. Trong khi đó các chất giặt rửa tổng hợp có thể gây ô nhiễm môi trường.
- Nhược điểm : Các muối panmitat hay stearat của các kim loại hóa trị II của xà phòng thường khó tan trong nước, do đó xà phòng không dùng để giặt rửa được trong nước cứng.
Bài 5 (trang 16 SGK Hoá học 12):
Cần bao nhiêu kg chất béo chứa 89% khối lượng tristearin (còn 11% tạp chất trơ bị loại bỏ trong quá trình nấu xà phòng) để sản xuất được 1 tấn xà phòng 72 (xà phòng chứa 72 % khối lượng natri stearat).
Hướng dẫn giải:
Khối lượng của natri stearat là :
\[{{m}_{{{C}_{17}}{{H}_{35}}COONa}}=\frac{1,72}{100}=0,72\] tấn = 720 Kg
- \[{{n}_{{{C}_{17}}{{H}_{35}}COONa}}=\frac{702}{306}=\frac{40}{17}Kmol\]
PTHH: (C17H35COO)3C3H5 + 3NaOH → 3C17H35COONa + C3H5(OH)3
Theo pt:
\[{{n}_{{{({{C}_{17}}{{H}_{35}}COO)}_{3}}{{C}_{3}}{{H}_{5}}}}=\frac{1}{3}{{n}_{NaOH}}\]= \[\frac{1}{3}.\frac{40}{17}\]= \[\frac{40}{51}\](Kmol)
\[{{m}_{{{({{C}_{17}}{{H}_{35}}COO)}_{3}}{{C}_{3}}{{H}_{5}}}}=890.\frac{40}{51}\]=698,04 (Kg)
Lượng tristearin chiếm 89% khối lượng chất béo, nên lượng chất béo cần dùng là
\[m=\frac{698,04.100}{89}=784,3\](Kg)
Hy vọng rằng, bài học về Khái niệm về xà phòng và chất giặt rửa tổng hợp sẽ giúp ích cho các em trong quá trình học môn Hóa học 12.