قدرت پاک کنندگی صابون در آب های سخت و نرم چگونه است؟

صابون نمک اسید های چرب است که از دو بخش آبدوست و آبگریز تشکیل شده است. از دیرباز برای زدودن آلودگی و چربی روی سطوح مختلف، از این شوینده استفاده می شود.

قدرت پاک کنندگی صابون به عوامل مختلفی مانند مقدار آن، نوع سطح، دما و نوع آب بستگی دارد. آب های مناطق مختلف بر اساس میزان املاح موجود در آن به دو نوع سخت و نرم تقسیم می شوند.

قدرت پاک کنندگی صابون در همه ی آب ها یکسان نیست. در این مقاله از نشریه علمی جهان شیمی به معرفی صابون، ساختار و قدرت پاک کنندگی آن در آب های مختلف می پردازیم.

صابون چیست

به طور کلی نمک اسید های چرب، صابون نامیده می شود. صابون ها را از چربی های حیوانی یا روغن های گیاهی ( دانه ها و میوه های گیاهی مانند بادام، نارگیل، خرما و …) تهیه می کنند. چربی ها نوعی استر هستند که با هیدرولیز در حضور سود یا پتاس به گلیسرول و نمک اسید مربوطه یعنی صابون، هیدرولیز می شوند. به این عمل صابونی شدن گفته می شود. در این شوینده زنجیره ی R شامل بیش از ۱۰ کربن است.

روش تهیه ی صابون در صنعت

در صنعت دنبه یا چربی گاو و گوسفند را به صورت مذاب و همراه با مقدار زیاد قلیا در یک ظرف بزرگ مخلوط کرده و حرارت می دهند. در این مرحله بخار آب را به درون ظرف وارد می کنند. پس از کامل شدن هیدرولیز، با افزودن سدیم کلراید، صابون رسوب می کند. گلیسیرین نیز که دیگر محصول هیدرولیز است از محلول آبی استخراج می شود.

معمولا نمک های سدیم اسید های چرب اشباع شده یا اشباع نشده از نمک های پتاسیم مربوطه سفت تر بوده و حلالیت آن ها نیز در آب کمتر است. صابون پتاسیم به دلیل نرم بودن بیشتر در خمیر ریش یا شامپو مورد استفاده قرار می گیرد.

نمک های کلسیم، منیزیم و آهن، اسیدهای چرب غیر محلول هستند. به همین دلیل است که به عنوان یک صابون کاربرد ندارند. علاوه بر این، آب سخت که محتوی مقدار قابل ملاحظه ای از یون های ۳ بار مثبت است مانع پاک کنندگی آن می شود.

همان طور که پیش از این نیز به آن اشاره شد صابون با گلیسیرین به طور مخلوط تولید می شود. برای جدا کردن آن ها، به مخلوط آب نمک غلیظ اضافه می کنند.

صابون در آب نمک قادر به حل شدن نیست و از آن جایی که از آب سبک تر است روی مخلوط به صورت خمیر جمع می شود. در صنعت آن را جدا کرده و سپس به آن اسانس و رنگ دلخواه افزوده و در قالب هایی ریخته و خشک می کنند.

واکنش صابونی شدن بر خلاف هیدرولیز تعادلی نیست و به خوبی در جهت تشکیل محصولات پیش می رود. ترکیب صابون معمولی، سدیم استئارات است که از ترکیب چربی استئارین با سود تولید می شود.

تشکیل امولسیون در آب با صابون

این شوینده با شیرگون کردن چربی ها، روغن ها، گریس ها و سایر مولکول های آلی می تواند آن ها را از پارچه و یا وسایل آلوده پاک کند. تعلیق قطرات کوچکی از روغن در آب شیرگون یا امولسیون نامیده می شود.

اگر روغن و آب را با هم و برای مدت کوتاهی به آهستگی تکان دهیم و صبر کنیم تا مدتی بی حرکت باقی بماند دو لایه نمایان می شود. حال اگر پیش از تکان دادن، یک قطعه کوچک صابون به مخلوط اضافه کنیم و سپس به هم بزنیم یک شیرگون پدیدار می شود.

در این حالت ذرات روغن به صورت قطرات کوچکی در آب پخش می شود. این شیرگون بسیار پایدار بوده و برای جدا شدن به دو لایه آب و روغن تمایلی از خود نشان نمی دهد.

ساختار صابون‌ چگونه است

کربوکسیلیک اسیدهایی با زنجیر کربنی بیش از ۸ اتم کربن،‌ از خود خاصیت آب دوست و آبگریز بروز می دهند. خاصیت اول آن به دلیل حضور پیوند CO_۲H و خاصیت دوم به دلیل حضور آلکیل است. این ویژگی با عنوان دوگانه دوست (Amphiphilic) شناخته می شود.

اسیدهای چرب با بیش از ده اتم کربن، تقریبا در آب محلول ناپذیر بوده و به دلیل چگالی کمتر،‌ هنگام اختلاط با آب روی آن شناور می شوند. پارافین ها و دیگر آلکان ها در آب به صورت توده‌ای حالت می گیرند. این اسید های چرب برخلاف آن ها در سطح آب به طور یکنواخت پخش می شوند.

این امر موجب می شود بخش قطبی مولکول که شامل کربوکسیل است با آب پیوند هیدروژنی برقرار کرده و یک لایه مولکلولی در سطح آب تشکیل دهد. در مقابل، زنجیرهای هیدروکربنی در کنار یکدیگر و به دور از آب قرار می گیرند.

موادی که به این شکل در سطح آب جمع شده و خواص سطحی آب را تغییر می دهند را با عنوان مواد فعال در سطح (Surfactants) می شناسند. سورفکتانت ها به طور گسترده در روش های ازدیاد برداشت و استخراج نفت خام مورد استفاده قرار می گیرند.

دلیل پاک کنندگی صابون

صابون نمک قلیایی اسید چرب سیر شده یا سیر نشده با زنجیر بلند است که از دو قسمت تشکیل شده است. این شوینده به عنوان یک امولسیون کننده عمل می کند.

گروه R که چربی دوست بوده در آب نامحلول (لیپوفیل) و دیگری که گروه COO – است که خاصیت آب دوستی دارد. قسمت قطبی صابون با آب و قسمت زنجیری هیدرو کربنی آن با ذرات چرک و چربی پیوند برقرار می کنند. به این ترتیب، لکه چربی از روی الیاف پارچه وارد آب شده و روی آن شناور می ماند.

روش پاک کنندگی صابون

تشکیل یک لایه از صابون روی آب سبب ایجاد سطحی میان فاز محلول آبی و فازهای دیگر مانند هوا یا یک ذره چربی و سبب کف کردن صابون می شود.

چنانچه روغن در اثر تکان دادن به صورت قطرات کوچکی در آب پخش شود مولکول های صابون خود را در اطراف قطره های روغن می آرایند. در این صورت در محلول مجموعه ای موسوم به مایسل تشکیل می شود.

از آن جایی که سطح هر قطره دارای بار منفی است قطرات یکدیگر را دفع می کنند. در نتیجه لایه های روغن در هم نمی آمیزند. به این ترتیب، روغن در آب شیرگون می شود.

هرگاه مقدار کمی از این شوینده در آب حل شود، انتهای کربوکسیلات و آب دوست آن در آب حل شده ولی انتهای هیدروکربنی و آب گریز آن در آب حل نمی شود.

به این ترتیب، صابون به صورت یک لایه به ضخامت یک مولکول سطح آب را می پوشاند. به علت تشکیل این لایه، کشش سطحی آب به مقدار قابل توجهی کاهش می یابد.

در نتیجه، آب محتوی مقدار کمی صابون با سرعت بیشتری نسبت به آب خالص لیوان را تر می کند. این دوگانگی به آنیون اسیدهای چرب خاصیت Tension-Activity (به معنی موثر روی کشش سطحی مایعات) می دهد.

معرفی انواع صابون ها

از آن جایی که همه ی صابون ها نمک اسیدهای چرب هستند، فرمول عمومی آن ها به صورت (RCO−۲)nMn+ است. R یک گروه آلکیل،M  فلز و n بار کاتیون است. در طبقه بندی صابون ها، از نقش Mn+ استفاده می شود.

اگر M شامل فلزات قلیایی سدیم یا پتاسیم باشد، صابون، آرایشی است و برای شستشوی دست و صورت به کاربرد برده می شود. اگر به جای  Mعنصر لیتیوم قرار داده شود، محصول به عنوان صابون لیتیومی شناخته می شود. این نوع صابون در تولید گریس های با کیفیت نقش اساسی دارد. چنانچه M شامل کاتیون های فلزات قلیایی خاکی منیزیم و کلسیم باشد، صابون های فلزی (Metallic Soap)  نامیده می شوند.

غیر آرایشی

صابون جزء اصلی بیشتر گریس ها و مواد افزایش دهنده ویسکوزیته را تشکیل می دهد. گریس ها در واقع امولسیون صابون های کلسیم و لیتیوم هستند. از صابون‌های فلزی دیگر مانند آلومینیوم، سدیم و مخلوطی از آن ها نیز استفاده می شود. این صابون ها در افزایش گرانروی روغن ها کاربرد دارند. در دوران باستان، با اضافه کردن آهک به روغن زیتون روان کننده ها را تولید می کردند.

فلزی

صابون فلزی در فرمولاسیون رنگ روغن های جدید و برای بهبود رئولوژی این رنگ ها کاربرد دارد. در تهیه بیشتر صابون های فلزات سنگین از خنثی سازی اسید های چرب خالص به صورت واکنش زیر استفاده می شود.

۲RCO_۲H+CaO→(RCO_۲)_۲Ca+H_۲O

علاوه بر این، صابون های فلزی در صنعت پلاستیک‌ سازی و در تولید محصولات PVC،‌ فرآوری پلاستیک ها و محصولات پلیمری شامل پلی آمید ها، پلی اتیلن ها، پلی پروپیلن و … کاربرد دارند.

آرایشی

صابون های آرایشی به منظور شستشو و پاک کردن دست و صورت تولید می شوند. این صابون ها از دو قسمت آب دوست و آب گریز تشکیل شده اند. ذرات و مولکول های روغن و چربی نا محلول در آب، با بخش آبگریز این صابون ها همراه می شوند. بخش آب دوست نیز شکل های کروی در اطراف این ذرات تشکیل می دهند.

به عبارت دیگر،‌ بخش آبدوست صابون در آب و بخش آبگریز آن در آلودگی ها حل می شوند. در مرحله بعد، بخش آبدوست، مولکول های آبگریز را آبپوشی می کند. در این حالت با وجود مقدار کافی آب، آلودگی ها از بین می روند.

پاک‌کنندگی صابون در آب های مختلف

قدرت پاک کنندگی صابون به عوامل مختلفی بستگی دارد که از آن جمله می توان به نوع پارچه، دما، نوع آب و مقدار صابون اشاره کرد. نوع و مقدار املاح و مواد معدنی حل شده در آب های مناطق مختلف یکسان نیست. از این رو به دو دسته کلی آب های سخت و نرم تقسیم می شوند.

 

آب سخت آبی است که در تماس بیشتر با سنگ ها و خاک بوده، کلسیم و منیزیم بیشتری دارد. در صورتی که آب نرم فاقد این مواد معدنی است. زیرا ممکن است از منطقه ای تهیه شود که فاقد کلسیم و منیزیم در زمین است. آب دریا ها، اقیانوس ها و مناطق کویری در دسته آب های سخت و آب رودخانه ها و چشمه ها در دسته آب های نرم جای می گیرند.

بررسی تفاوت آب سخت با آب نرم

آب سخت و نرم هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند. این دو نوع آب به روش های مختلف نسبت به مواد شیمیایی خاص و اشیاء واکنش نشان می دهند. یکی از شایع ترین معایب آب سخت حل شدن صابون و مواد شوینده در آن است.

آب سخت پس از شستشو لکه های بسیار زیادی ایجاد می کند. در حالی که آب بسیار نرم ممکن است هنگام شستشو به راحتی لکه ای ایجاد نکند. هنگام استفاده از سیستم های سختی گیر یا نرم کننده، می توان متوجه یک نوع اصلاح آب نسبت به نوع دیگر شد.

پاک کنندگی صابون در آب سخت

آب سخت سرشار از مواد معدنی نظیر منیزیم و کلسیم است. لذا با صابون و مواد شوینده به راحتی ترکیب نمی شود. این امر ممکن است شرایطی ایجاد کند که در اطراف وان یک حلقه از سنگ آهک و صابون باقی بماند. علاوه بر این، ذخایر معدنی موجود در آب سخت می تواند آسیب بزرگی به لوله کشی و تجهیزات ساختمان وارد کند.

اگر برای مدتی انگشتری از مواد زرد مایل به رنگ پلاک در اطراف پیشانی یا وان حمام گذاشته شود، اثرات آب سخت در اطراف آن دیده می شود. بیشتر آب های نرم طعم بهتری نسبت به آب سخت دارند زیرا، حاوی مواد معدنی طبیعی است. به طور طبیعی هنگامی که آب خیلی سخت می شود، طعم فلزی یا عجیب و غریبی پیدا می کند.

پاک کنندگی صابون در آب نرم

بسیاری از افراد شکایت دارند که آب نرم یا آب فاقد کلسیم و منیزیم موجب می شود پس از دوش گرفتن احساس کنند که مواد شوینده روی بدنشان باقی مانده است.

این مشکل به این دلیل ایجاد می شود که هیچ چیزی برای ارتباط با مولکول های صابون وجود ندارد تا بتواند آن ها را از روی بدن پاک کند. در واقع شکایت این افراد از کمبود سختی آب است که موجب می شود همه شامپو به خوبی از مو هایشان شسته نشود.