Reakcja Mydła z Twardą Wodą: Chemia i Konsekwencje
- Szczegóły
Tłuszcze i Kwasy Tłuszczowe: Podstawy
Na początek przyjrzyjmy się tłuszczom i kwasom tłuszczowym. Tłuszcze sprawiają problemy, chociaż to żadna dla nas nowość. Generalnie definiuje się je jako kwasy monokarboksylowe (czyli mające jedną grupę ーCOOH) o długim łańcuchu i co ciekawe, o parzystej liczbie atomów węgla (najczęściej, nie jest to reguła).
Najważniejszy podział kwasów tłuszczowych opiera się na obecności wiązania C=C, których może być wiele. Te trzy kwasy tłuszczowe są dla nas najważniejsze, ponieważ występują one najczęściej: palmitynowy i stearynowy są najczęstszymi kwasami nasyconymi, natomiast oleinowy (i jeszcze linoleinowy) stanowią trzon kwasów tłuszczowych nienasyconych.
Kwasy tłuszczowe jeśli mają wiązania podwójne, to z reguły mają konfigurację cis. W nazewnictwie powstałego tłuszczu (estru) zwróć uwagę na przedrostek tri-, który oznacza, że wszystkie grupy OH w glicerolu zostały zestryfikowane.
Reakcje Tłuszczów: Zmydlanie
Jakim reakcjom mogą jeszcze ulegać estry (czyli tłuszcze)? No hydrolizę można pocisnąć. A taką z użyciem NaOH, czyli hydrolizę w środowisku zasadowym będziemy nazywać zmydlaniem tłuszczów. Jeśli chodzi o tłuszcze, to klasyczną reakcją będzie ich zmydlanie.
Skąd ta nazwa − zmydlanie tłuszczów? Bo w ogóle mydła to pod kątem chemicznym nic innego jak sole kwasów tłuszczowych, które już zdążyliśmy poznać, a które w tej reakcji powstają!
Przeczytaj także: Mydło a twardość wody: Analiza
Mydła produkuje się w procesie zmydlania tłuszczów roślinnych i zwierzęcych w obecności silnej zasady i podczas długiego gotowania. Reakcje tłuszczów (estrów glicerolu i wyższych kwasów karboksylowych) z zasadami (najczęściej sodową i potasową, ale też magnezową) nazywane są zmydlaniem, ponieważ prowadzą do otrzymania mydeł podczas ogrzewania mieszaniny. Zmydlanie nazywane jest także saponifikacją.
Obecnie do produkcji mydeł jako źródło kwasów tłuszczowych używa się głównie oleju palmowego, z nasion bawełny i kokosowego.
Jeśli ktoś zapyta się nas o mydlaną kostkę, jako pierwsze przychodzi nam na myśl standardowe, szare mydło. W rzeczywistości, prawdziwe szare mydło posiada formę pasty. Nie jest ono również klasycznym mydłem sodowym, a mydłem potasowym. Różnica jest znacząca, ponieważ mydło sodowe w postaci twardej kostki, uzyskuje się przy użyciu roztworu wodorotlenku sodu, natomiast mydło potasowe w postaci miękkiej pasty, przy użyciu wodorotlenku potasu. Wyróżniamy również trzeci rodzaj mydła, czyli tzw. „dual”, powstający z udziałem połączenia obu wodorotlenków, który często używany jest m. in.
Mydła ulegają hydrolizie anionowej jako sole słabych kwasów i mocnych zasad. Ich roztwory wodne mają odczyn zasadowy.
Budowa i Działanie Mydła
Mydła mają bardzo charakterystyczną budowę, która odpowiada za ich zdolności usuwania brudu. Cząsteczki mydła zbudowane są z długiego łańcucha węglowego (R), który jest hydrofobowy („nie lubi wody, odpycha wodę”) oraz głowy -COO-, która jest hydrofilowa („lubi wodę”).
Przeczytaj także: Wszystko o twardej wodzie
Podczas procesu prania, czyli usuwania brudu hydrofobowy ogon wnika w cząsteczki brudu, a hydrofilowa głowa pozostaje na jego powierzchni, co pozwala na zwilżanie przez wodę i usuwanie brudu z powierzchni tkanin i innych materiałów. Mydła zmniejszają napięcie powierzchniowe wody, przez co łatwo wnika ona w pory tkanin i skóry.
Mówimy, że cząsteczka mydła jest amfifilowa, co oznacza, że mydło jest jednocześnie nie do końca rozpuszczalne w dwóch różnych rozpuszczalnikach (polarnym i niepolarnym). To dlatego, że jeden koniec mydła jest hydrofobowy (=boi się wody), a drugi hydrofilowy (lubi wodę). W takim razie mydło ma powinowactwo (chce się łączyć) zarówno z tłuszczami jak i z wodą!
Cząsteczki mydła łączą się z tłustym brudem, wystawiając na zewnątrz hydrofilowe głowy, które z kolei łączą się z wodą, co pozwala usunąć syf (brud).
Twardość Wody: Przyczyny i Rodzaje
Twardość wody jest zjawiskiem powszechnym, mającym istotny wpływ na funkcjonowanie naszego organizmu oraz sprzętu domowego. Jest to zjawisko, które jest spowodowane obecnością kationów metali w wodzie. Głównie są to wapń i magnez. W mniejszych ilościach występują również inne, np. żelazo i mangan (często pomijane w obliczaniu ogólnej twardości). Skład wody jest zależny od skał, z którymi miała kontakt.
Rozróżniamy dwa rodzaje twardości wody:
Przeczytaj także: Jak pozbyć się osadu z twardej wody?
- Twardość węglanowa (przemijająca, nietrwała) - dotyczy jonów związanych z anionami CO32- i HCO3- i tworzących z nimi sole i wodorosole, np. Ca(HCO3)2, MgCO3. Nazywa się ją przemijającą, ponieważ można zniwelować to zjawisko poprzez gotowanie. Pod wpływem wysokiej temperatury rozpuszczalne wodorowęglany przechodzą w nierozpuszczalne węglany zgodnie z reakcją: Ca(HCO3)2 -> CaCO3 ↓ + CO2 + H2O. Osadzający się węglan wapnia i magnezu możemy obserwować jako tzw. kamień kotłowy.
- Twardość niewęglanowa (nieprzemijająca, trwała) - dotyczy soli wapnia i magnezu z innymi anionami, np. chlorkowym, siarczanowym, azotanowym itp.), np. CaSO4, CaCl2.
Kationy wapnia i magnezu są bardzo istotne z punktu widzenia zachowania homeostazy organizmu - odpowiadają m. in. za właściwe funkcjonowanie mięśni czy układu nerwowego. Woda jest ich bardzo ważnym źródłem. Z drugiej strony twardość wody to źródło wyżej wspomnianego kamienia w instalacjach wodnych. Może to stanowić źródło problemów z funkcjonowaniem sprzętu, a nawet prowadzić do jego uszkodzenia.
Reakcja Mydła z Twardą Wodą
Jest jednak jedna wada mydeł. Ponadto kationy wapnia i magnezu powodują pogorszenie właściwości mydeł.
Podczas mycia i prania w twardej wodzie z użyciem mydła tworzą się nierozpuszczalne sole wapnia i magnezu, które tworzą osad. Użyte do mycia mydło nie pieni się, a wytwarzanie piany jest niezbędnym warunkiem usunięcia brudu.
Przykładowe równania zachodzących reakcji można zapisać następująco:
Rozróżniamy dwa rodzaje twardości wody - twardość wodorowęglanową (przemijającą), spowodowaną obecnością wodorowęglanów wapnia i magnezu, oraz twardość trwałą (nieprzemijającą), której przyczyną są rozpuszczone w wodzie inne sole wapnia i magnezu (chlorki, azotany(V), siarczany(VI)).
Dlaczego Mydło Słabo się Pieni w Twardej Wodzie?
Mydło to sól sodowa lub potasowa kwasów tłuszczowych. W miękkiej wodzie jego cząsteczki tworzą micele, które otaczają brud i tłuszcz, a następnie są spłukiwane. Jony Ca2+ i Mg2+ reagują z anionami mydła, tworząc nierozpuszczalne sole wapniowe i magnezowe kwasów tłuszczowych. Zamiast rozpuszczalnego mydła sodowego otrzymujemy „mydło wapniowe”, które nie tworzy piany i nie rozpuszcza się w wodzie.
Ten charakterystyczny, szarawy osad po kąpieli lub myciu rąk w twardej wodzie to nic innego jak sole wapniowe i magnezowe kwasów tłuszczowych, czyli produkty reakcji pomiędzy:
- anionami mydła (np. stearynian)
- jonami wapnia (Ca2+) lub magnezu (Mg2+)
Produkt (RCOO)2Ca to właśnie nierozpuszczalna sól wapniowa mydła, która wytrąca się w postaci szarego filmu na powierzchni. Zmycie go samą wodą bywa trudne, bo jest słabo rozpuszczalny i lekko tłustawy w dotyku.
Efekt znany z łazienek z twardą wodą to uczucie, że mydło „nie daje się spłukać” albo że skóra po umyciu jest ściągnięta. Twarda woda sprawia, że do osiągnięcia takiej samej piany potrzeba zwykle więcej środka myjącego.
Metody Zmiękczania Wody
Sposobów na zmiękczenie wody jest kilka. Metoda destylacji - otrzymywanie tzw. Kilka razy była również bohaterką zadań na maturze z chemii, m. in. w 2008 i 2013 r.
W wielu domach pierwszym krokiem jest filtr dzbankowy lub nakranowy z wkładem jonowymiennym. Dzbanki i filtry nakranowe nie są jednak rozwiązaniem dla całej instalacji - chronią tylko wodę, która przez nie przepływa.
Jeśli problem twardej wody dotyczy całego domu lub mieszkania, stosuje się centralne zmiękczacze wody, montowane najczęściej na wejściu instalacji do budynku. Na wyjściu otrzymujemy wodę zmiękczoną - o znacznie mniejszej zawartości jonów wapnia i magnezu.
W praktyce stosuje się też inne rozwiązania, które niekoniecznie obniżają twardość, ale zmieniają zachowanie jonów w wodzie:
- Dawkowniki polifosforanów - dodają do wody związki, które kompleksują jony Ca2+ i Mg2+. Kamień trudniej przylega do powierzchni, choć woda formalnie pozostaje twarda. Często stosowane w ochronie pojedynczych urządzeń (np. przed pralką, zmywarką, piecem gazowym).
- Urządzenia magnetyczne / elektromagnetyczne - producenci deklarują zmianę formy krystalicznej kamienia, tak aby osad był mniej przyczepny.
Twardość Wody a Zdrowie
Z punktu widzenia składu chemicznego twarda woda jest po prostu wodą bardziej mineralizowaną. Dostarcza jonów wapnia i magnezu, czyli pierwiastków istotnych dla organizmu. Badania epidemiologiczne często wskazują, że populacje korzystające z twardszej wody nie mają wyższego ryzyka chorób sercowo‑naczyniowych, a bywa wręcz odwrotnie - umiarkowana twardość koreluje z nieco lepszym stanem zdrowia w niektórych parametrach.
Przy twardej wodzie można zmniejszyć jej uciążliwość nawet bez dużych inwestycji. W przypadku ekspresów do kawy czy czajników elektrycznych dobrym zwyczajem jest stosowanie wody filtrowanej lub częściowo zmiękczonej.
Uciążliwość kamienia rośnie nieliniowo. Przeskok z wody miękkiej do średnio twardej zwykle oznacza tylko nieco więcej osadów i konieczność sporadycznego odkamieniania. Znajomość twardości w konkretnych jednostkach (np. °dH) pozwala lepiej dobrać środki zaradcze.
Twardość Wody w Różnych Źródłach
W praktyce domowej spotykają się trzy główne sytuacje:
- woda wodociągowa - jej twardość zależy od geologii ujęcia.
- woda ze studni - twardość może być bardzo różna, często wyższa niż w wodociągach.
- woda po filtrach RO (odwrócona osmoza) - woda jest skrajnie miękka, niemal pozbawiona minerałów.
W każdym z tych przypadków inaczej podchodzi się do ochrony czajnika, mydła czy instalacji.
Twardość wody z sieci miejskiej czy studni nie zawsze jest stała. Może zmieniać się:
- sezonowo - w okresach dużych opadów lub suszy, gdy zmienia się udział wód powierzchniowych i gruntowych,
- przy przebudowie sieci - po podłączeniu nowego ujęcia lub strefy z innym źródłem wody,
Jak Sprawdzić Twardość Wody?
Najprostszym „testem domowym” jest obserwacja: jeśli mydło lub szampon prawie się nie pieni, a w czajniku i na bateriach szybko pojawia się biały osad, prawdopodobnie masz wodę twardą lub bardzo twardą. Przy miękkiej wodzie piany jest dużo, a kamień narasta znacznie wolniej.
Dokładniejszy wynik można uzyskać, korzystając z:
- raportów lokalnych wodociągów lub sanepidu (twardość podana w °dH, mg CaCO₃/l lub mmol/l),
- domowych pasków testowych lub prostych testerów kropelkowych do badania twardości wody.
Twardość Wody a Pranie i Zmywanie
Przy praniu zjawiska opisane przy mydle widać jeszcze wyraźniej. Składniki proszków i płynów do prania również reagują z jonami wapnia i magnezu, tworząc związki mniej rozpuszczalne. Dlatego na opakowaniach proszków i kapsułek pojawiają się tabele dozowania w zależności od twardości wody.
W pralkach i zmywarkach woda jest podgrzewana, a jej część wielokrotnie odparowuje w komorze. Po pierwsze spada sprawność grzania - grzałka oblepiona kilkumilimetrową warstwą kamienia potrzebuje więcej energii i czasu, aby podgrzać tę samą ilość wody. W wodzie miękkiej lub zmiękczonej ilość potrzebnych detergentów spada.
Twardość wody w stopniach niemieckich [°n]
| Twardość wody | Opis |
|---|---|
| 0-4 | woda bardzo miękka |
| 4-8 | woda miękka |
| 8-12 | woda średnio twarda |
| 12-18 | woda dość twarda |
| 18-30 | woda twarda |
| Powyżej 30 | woda bardzo twarda |
tags: #reakcja #mydła #z #twardą #wodą #chemia
