Жанр: Учеба
Химия для любознательных. Занимательные опыты.
... путем варки 100 г животного или растительного
жира с раствором 30 г едкого кали в 40 мл воды. (Осторожно! Щелочь
вызывает на коже сильные ожоги! Особенно опасно попадание щелочи в
глаза!) Нам понадобится то же оборудование, что и при получении ядрового
мыла, но можно отказаться от отсолки и после омыления просто дать массе
остыть при перемешивании. При этом мы получим вязкую смесь жидкого мыла,
воды, а иногда и непрореагировавших исходных веществ, которую в промышленности
называют клеевым мылом. Оно поступает в продажу в качестве
дешевого моющего средства. Широко употреблявшееся раньше зеленое мыло
обязано своей окраской добавлению конопляного масла.
Мыла для бритья получаются при варке высококачественных жиров (сала,
кокосового масла) с раствором щелочи, содержащим едкий натр и едкое кали
в соотношении 1:1. Эти мыла отличаются твердостью и в то же время дают
обильную пену. Мы легко можем изготовить такое мыло по приведенной выше
прописи, но ни в коем случае не будем использовать его по назначению,
потому что в мыле может остаться избыток щелочи - и тогда ожог кожи лица
неизбежен.
Старый способ варки мыла с применением растворов щелочей в промышленности
все больше вытесняется гидролизом жиров под действием водяного
пара при повышенном давлении. При этом образуются глицерин и свободные
жирные кислоты, которые легко можно отделить от глицерина, используя его
растворимость в воде. Из смеси жирных кислот при нагревании с раствором
соды или поташа (карбонатный метод) легко получаются соответствующие
мыла.
МЫЛО ИЗ УГЛЯ
В настоящее время для производства мыла широко используются
синтетические жирные кислоты.
Сравнение формул насыщенного углеводорода (алкана) и жирной кислоты
показывает, что жирная кислота образуется из углеводорода в результате
присоединения к нему двух атомов кислорода:
СН3 - ...СН2 ...- СН3 + 3О2 ® СН3 - ...СН2... - СООН + Н2О
алкан жирная кислота
Исходя из этого, химики попытались окислять алканы кислородом воздуха
непосредственно до жирных кислот. Из предыдущих разделов мы знаем, что в
обычных условиях алканы очень трудно вступают в химические реакции.
Однако при повышенной температуре их все же удается окислить. В промышленности
окислению подвергают углеводороды, входящие в состав средней по
температуре плавления фракции парафина, т. е. содержащие от 12 до 20
атомов углерода в молекуле. Через расплавленный парафин при 110°С длительно
продувают воздух. При этом катализатором служит перманганат калия.
Впрочем, он скорее влияет на направление реакции, чем ускоряет процесс.
Присутствие соединений марганца улучшает состав продуктов окисления.
В ГДР окисление парафина в наибольшем масштабе осуществляется на
заводе в Родлебене. Сырьем там служит парафин, получающийся при полукоксовании
бурого угля. Производство синтетических жирных кислот возникло
в годы второй мировой войны и в дальнейшем получило широкое
развитие. Синтез жирных кислот дает ГДР возможность избавиться от
закупки растительных масел за рубежом и тем самым сэкономить валюту.
Мыла из синтетических жирных кислот абсолютно равноценны так называемым
"натуральным" мылам.
В фашистской Германии было также начато производство из синтетических
кислот неполноценных заменителей пищевых жиров, причем планировалось
дальнейшее расширение этого производства. Ныне в ГДР синтетические кислоты
для этой цели не используются.
Используя накопленный опыт, мы можем смоделировать производство
синтетических моющих средств и самостоятельно получить кусочек мыла из
угля.
Проведем окисление парафина
Вначале синтезируем жирные кислоты путем окисления парафина. В
качестве сырья используем как можно более мягкий технический парафин
или, еще лучше, парафин, полученный нами при полукоксовании бурого угля.
При желании пользоваться только собственноручно полученным парафином понадобится
повторить полукоксование бурого угля 2-3 раза.
Соберем прибор для окисления, как показано на рисунке. Для этого к
колбе Эрленмейера вместимостью 250 мл подберем пробку с тремя
отверстиями. В одно вставим термометр, доходящий почти до дна колбы. В
другое отверстие вставим короткое колено согнутой под острым углом
стеклянной трубки. Второе колено этой трубки соединим с холодильником
Либиха или со стеклянной трубкой, охлаждаемой с помощью свинцового
змеевика. Приемником послужит пробирка, погруженная в воду для дополнительного
охлаждения. В третье отверстие пробки, подогнанной к колбе Эрленмейера,
вставим стеклянную трубку, которая должна доходить почти до
дна. Через эту трубку будем непрерывно пропускать во время опыта быстрый
ток воздуха. Для этого нам понадобится воздуходувка. Работая в
химической лаборатории, можно использовать водоструйный насос или
компрессор низкого давления, а в домашних условиях - пылесос или фен.
Поставим колбу Эрленмейера на треногу с асбестированной сеткой,
поместим в нее 100-150 г парафина, добавим катализатор (5 г
тонкоизмельченного перманганата калия) и соберем весь прибор. Нагреем
колбу на слабом пламени горелки Бунзена и, как только парафин расплавится,
начнем продувать воздух. Воздух нужно пропускать настолько
быстро, чтобы содержимое колбы хорошо перемешивалось, но все же не допуская
при этом сильного вспенивания.
Теперь запасемся терпением, чтобы с достаточным выходом окислить
непокорные алканы. Нам понадобится продолжать нагревание и продувание
воздуха по крайней мере 5 часов. При этом все время необходимо регулировать
подачу газа и поддерживать температуру в пределах 120-140 °С. В
промышленности реакцию проводят при 110 0С и благодаря этому получают
более чистые продукты, однако при таких условиях обработку приходится
продолжать 24 часа.
Вскоре после начала реакции из приемника выделяются пары, которые
легко обнаруживаются по резкому запаху. Между прочим, выделение этих газов
сильно усложняет проведение процесса в промышленности, потому что их
приходится улавливать, чтобы не загрязнять атмосферу. Поэтому на предприятиях
эти газы обычно сжигают в специальных установках.
Через 2 часа в приемнике накопится немного дистиллята - это вязкая
жидкость или довольно мягкая масса, состоящая из летучих парафинов и
первых продуктов перегонки. Вначале испытание дистиллята увлажненной
индикаторной бумажкой свидетельствует о его слабокислой реакции. Далее в
ходе опыта выделяются все более горячие пары, которые - как легко
убедиться - имеют все более кислую реакцию. Это обусловлено, в основном,
тем, что наряду с высшими жирными кислотами при окислении образуются в
некоторой степени и низкомолекулярные летучие кислоты - метановая
(муравьиная), этановая (уксусная), пропановая (пропионовая) и т. д.
Частично вместе с ними перегоняются и конденсируются в дистилляте жирные
кислоты с большим числом атомов углерода в молекуле.
Через 5 часов, а может быть и несколько позже, прекратим опыт и дадим
реакционной массе остыть. Вначале проверим, содержатся ли в дистилляте
высшие жирные кислоты. Нальем в приемник несколько миллилитров концентрированного
раствора едкого натра или едкого кали, закроем пробирку
пробкой, взболтаем и оставим на некоторое время. Затем разбавим смесь
водой и отфильтруем. Энергично взбалтывая фильтрат, мы обнаружим
образование стойкой пены, которая свидетельствует о присутствии мыла.
При добавлении раствора соли свинца, кальция или магния в осадок
выпадают обильные хлопья нерастворимых солей жирных кислот (Именно
вследствие образования нерастворимых кальциевых и магниевых солей обычное
мыло утрачивает моющее действие в жесткой воде - Прим. перев.).
Изготовление мыла из синтетических жирных кислот
Из застывшего остатка в колбе Эрленмейера, полученного в предыдущем
опыте, изготовим кусок мыла. Для этого колбу будем греть, пока ее
содержимое снова не расплавится, и выльем смесь в фарфоровую чашку.
Прильем к ней приблизительно вдвое меньшее по объему количество концентрированного
раствора едкого натра (Осторожно! Щелочь вызывает на коже
ожоги и опасна для глаз!) и равный объем насыщенного раствора соды
(карбоната натрия). Затем нагреем и перемешаем. При этом жирные кислоты
превращаются в мыло, и образуются три слоя. На поверхность всплывает
непрореагировавший парафин, средний слой представляет собой водный
раствор мыла, а к нижней части чашки пристает исходная реакционная
смесь, не изменившаяся при добавлении щелочи. Нагревание продолжим в
течение 15 минут и полностью вычерпаем верхний слой ложкой. Тем временем
серый нижний слой постепенно исчезает. Добавим теперь к раствору мыла
насыщенный раствор поваренной соли, в котором оно не растворяется.
Выделившееся мыло соберем и с помощью сита или фильтра отделим от него
жидкость. Добавим к нему небольшое количество глицерина и несколько капель
душистого вещества, тщательно разомнем и придадим ему форму готового
куска мыла.
Наше мыло коричневое и содержит еще много парафина. Если мы изготовляли
его из твердого парафина, то оно выйдет к тому же довольно хрупким.
Этот недостаток можно отчасти устранить с помощью глицерина. И все-таки
мы явно добились успеха: ведь этим мылом можно мыть руки, и оно дает
пену, хотя и не слитком обильную. Несмотря на все недостатки полученного
образца, мы можем гордиться тем, что нам удалось смоделировать один из
важнейших процессов, осуществляемых в современной химической промышленности.
Как действуют моющие средства
Мытье и стирка - сложные физико-химические процессы. Действие моющих
веществ направлено на то, чтобы обеспечить как можно более полное удаление
загрязнений, например жира, с поверхности раздела между тканью и
моющей жидкостью.
Эффективность моющего средства зависит от нескольких факторов.
Во-первых, существенную роль играет способность переносить грязевые
частицы, которая, в основном, определяется поверхностными явлениями,
связанными с электростатическим взаимодействием между частицами загрязнений
и образуемой пеной. Во-вторых, имеет значение и эмульгирующая способность,
то есть способность дробить загрязнения, например, капельки
жира, на мельчайшие частицы, равномерно распределенные в воде. Это
свойство моющего средства тоже обусловлено поверхностными явлениями,
преимущественно электростатической природы. Наконец, особенно важна способность
моющей жидкости к смачиванию ткани, потому что для удаления
загрязнений жидкость должна проникать в мельчайшие зазоры между загрязнениями
и поверхностью ткани.
Важнейшей и вместе с тем легче всего определяемой характеристикой
моющей жидкости является величина поверхностного натяжения. Из рисунка
видно, что на молекулы, расположенные внутри жидкости (В), силы
притяжения соседних молекул действуют со всех сторон одинаково. В ином
положении оказываются молекулы, находящиеся на поверхности (П). На них
действуют не только силы притяжения молекул, расположенных рядом с ними
на поверхности, но и, в большей мере, молекул, расположенных в глубине
жидкости. Равнодействующая этих сил (Р) направлена в глубь жидкости. В
результате жидкость стремится сократить свою поверхность. Так возникает
поверхностное натяжение. Величина его выражается в единицах силы на
единицу длины поверхности или в единицах энергии на единицу площади
поверхности.
Чтобы увеличить поверхность жидкости, необходимо вывести из глубины
на поверхность дополнительные молекулы, а для этого приходится совершить
работу, численно равную величине поверхностного натяжения. Например,
поверхностное натяжение воды составляет 72 эрг/см2 (1 эрг = 10-7 Дж).
Это означает, что нужно затратить энергию, равную 72 эрг, чтобы
увеличить поверхность воды на 1 см2.
Поверхностное натяжение наглядно проявляется в том, что жидкость
всегда стремится иметь наименьшую поверхность. Так, в состоянии
невесомости капли принимают форму шара. Чем меньше поверхностное
натяжение, тем меньше жидкость препятствует увеличению ее поверхности.
Поэтому, чтобы вещество обладало моющим действием, оно должно прежде
всего значительно снижать поверхностное натяжение чистой воды. Только
благодаря этому моющая жидкость сможет проникать в мелкие поры
очищаемого материала.
Чтобы измерить поверхностное натяжение, используем простой метод
отрыва кольца. Согнем медную проволоку диаметром 1 мм в кольцо диаметром
около 5 см. Концы проволоки желательно аккуратно припаять друг к другу.
К трем равноудаленным точкам кольца привяжем вытянутые из старого чулка
тонкие капроновые нити или припаяем очень тонкую медную проволочку. Концы
этих нитей свяжем узлом и вместо одной чашки присоединим к коромыслу
ручных весов. При этом нити должны иметь равную длину, образуя друг с
другом правильный трехгранный угол. Подобрав соответствующий грузик,
уравновесим весы. При отсутствии ручных весов можно самостоятельно изготовить
простейшее приспособление для взвешивания, взяв стеклянную палочку,
подвешенную на проволочной петельке.
Для измерений нальем вначале воду, а потом растворы мыла и других
исследуемых моющих веществ или моющих смесей в достаточно широкий
химический стакан или кристаллизатор. Затем осторожно наложим на
поверхность жидкости проволочное кольцо, так чтобы оно по всей окружности
прилегало к жидкости равномерно. Если теперь накладывать разновесы
на чашку весов, то кольцо вначале будет подниматься вместе с пленкой
жидкости, то есть поверхность жидкости будет увеличиваться. При некоторой
нагрузке кольцо оторвется от жидкости. Таким образом, с помощью этого
простого приспособления мы можем достаточно точно измерить поверхностное
натяжение.
Любознательный читатель может провести ряд опытов при различных условиях,
чтобы выяснить, как зависит поверхностное натяжение от концентрации
моющего вещества и температуры. Результаты целесообразно свести
в таблицу и затем представить в виде графиков. Полученные величины мы
можем сравнить со значениями, приведенными в справочниках. Нужно только
учесть, что длину окружности кольца, ограничивающей пленку жидкости в
нашем опыте, при расчете необходимо удвоить. Это объясняется тем, что
исследуемая пленка является двойной: она имеет внутреннюю и наружную
поверхность. Так как длина окружности кольца равна 2(r, где r - радиус
кольца, для вычисления поверхностного натяжения мы должны разделить
величину нагрузки, требуемой для отрыва кольца, на удвоенную длину
окружности, т. е. на 4(r. Вначале мы получим поверхностное натяжение в
мгс/см, так как масса 1 мг создает силу тяжести, равную 1 мгс.
В заключение еще раз подчеркнем, что поверхностное натяжение -
важный, но отнюдь не единственный показатель, который необходимо
учитывать при оценке моющего действия. Некоторые другие важные
характеристики уже были указаны выше. Наряду с ними, следует обратить
особое внимание на химические свойства моющих веществ. Так, щелочная
реакция обычных мыл вредна для волокон, состоящих преимущественно из
белков (например, для шерсти). Кроме того, эти мыла плохо моют в жесткой
воде, содержащей растворенные соли щелочноземельных металлов. В этих
условиях они образуют нерастворимые, так называемые известковые мыла,
которые не только препятствуют стирке, но и оседают на тканях
нерастворимым слоем. В этом отношении и по некоторым другим свойствам
преимуществами по сравнению с мылами обладают новые синтетические моющие
средства. Многие из них представляют собой смеси солей органических
сульфокислот с конденсированными фосфатами, а также полиборатами.
7. ХИМИЯ ЖИЗНИ
ПРОДУКТЫ ПИТАНИЯ КАК ХИМИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ
"Человек есть то, что он ест", - в этом высказывании Людвига
Фейербаха вся суть наивного материализма. В наше время мы, конечно, не
можем согласиться с таким мнением, которое не учитывает того, что человек
представляет собой особую, качественно новую, высшую ступень
развития живых организмов на Земле.
Однако, если пока не рассматривать человека именно в этом плане, то
можно сказать, что его организм поистине подобен химическому комбинату с
чрезвычайно сложной технологией производства. В организме человека без
применения сильных кислот, а также высоких давлений или температур с
превосходным выходом осуществляются сложнейшие химические превращения.
Хотя мы знаем о них далеко не все, но многое нам уже известно благодаря
исследованиям ряда выдающихся физиологов и химиков (Химией жизни вначале
занимались физиология и органическая химия. На рубеже XIX и XX в, вопросы
химии жизни стали предметом тесно связанной с этими науками новой
самостоятельной науки биохимии (греч. bios - жизнь). - Прим. перев.)*.
Человеческий организм не может не только расти и развиваться, но и
просто существовать без притока органических веществ. В отличие от
растений и подобно животным, он не может сам создавать органические
соединения из неорганического сырья.
Кроме того, организму требуется энергия - как для обеспечения соответствующей
температуры тела, так и для совершения работы.
ОПЫТЫ С САХАРОМ
Вначале займемся семейством простейших продуктов питания - углеводами
(Синтез углеводов вне организма впервые осуществил в 1861 г. русский
химик А. М. Бутлеров. Обрабатывая метаналь (формальдегид) или его полимер
- параформ - известковой водой, он получил светло-желтый сладкий
сироп, сходный по химическим реакциям с раствором глюкозы и названный им
формозой. Формоза оказалась сложной смесью различных сахаров. - Прим.
перев.). К ним относятся различные виды сахаров, крахмал и целлюлоза.
Как правило, углеводы служат человеческому организму в качестве
горючего, то есть источника энергии. В ограниченной мере организм может
также превращать углеводы в жиры.
Сахар горит?
Проверим, может ли сахар служить источником энергии. Если поднести к
куску сахара зажженную спичку, то мы увидим, что сам по себе он не
горит. Однако, если насыпать на кусок сахара совсем немного пепла от
папиросы и снова поднести к нему горящую спичку, то на этот раз он загорится.
Сахар горит с потрескиванием, синевато-желтым пламенем и в
процессе горения плавится и обугливается. Как и всегда при горении,
выделяется тепло. Пепел в нашем опыте служит катализатором.
В организме сахар "сгорает", разумеется, не в результате воспламенения,
а под влиянием органических катализаторов при более низкой
температуре. Этот процесс включает в себя очень сложные промежуточные
стадии. Конечными продуктами его являются углекислый газ и вода.
Из чего состоит сахар
Нагреем в пробирке немножко сахара - вначале осторожно, а затем сильнее.
Сахар плавится, приобретает коричневатую окраску, затем чернеет и,
наконец, после сильного прокаливания от него остается почти чистый углерод,
а в верхней части пробирки конденсируются капельки воды.
Общая формула углеводов Сm(Н2О)m, где m и п- целые числа. Большинство
углеводов - отсюда и происходит их название - можно представить себе
состоящими из углерода и воды. При нагревании без доступа кислорода,
они, как мы только что наблюдали, распадаются на свои составные части.
Приведенная здесь формула одного из углеводов свидетельствует о том,
что их молекулы имеют довольно сложное строение. С цепочкой атомов углерода,
которая у важнейших видов Сахаров составлена из шести атомов,
связаны гидроксильные группы и атомы водорода. Молекула содержит также
остаток альдегидной группы, благодаря которому возникает так называемый
кислородный мостик. Строение углеводов представлено выше на примере виноградного
сахара, который химики называют глюкозой (Наряду с приведенной
кольчатой формой, в равновесии к ней в растворе глюкозы содержится небольшое
количество цепной формы, содержащей альдегидную группу СН=О.
Когда гидроксильная группа присоединяется к ненасыщенной связи альдегидной
группы СН=О, молекула приобретает изображенную выше кольчатую
форму. Взаимные превращения цепной и кольчатой форм обратимы. За счет
цепной формы глюкоза вступает в реакции, характерные для алканалей
(альдегидов). - Прим. перев.).
Молекулы глюкозы могут объединяться друг с другом или с молекулами
других подобных сахаров, образуя длинные цепи. Говоря другими словами,
они способны к поликонденсации с отделением воды. При таком соединении
остатков глюкозы образуется крахмал, содержащий в среднем от 200 до 1000
звеньев глюкозы, или целлюлоза, у которой в цепь соединено еще больше -
от 300 до 5000 звеньев глюкозы.
В отличие от простых сахаров такие вещества называются полисахаридами.
Простые же сахара, содержащие в молекуле только одно
звено, называются моносахаридами. Глюкоза является примером моносахарида.
В заключение отметим, что тростниковый сахар (сахароза), содержащийся
в сахарном тростнике, сахарной свекле и некоторых других растениях,
представляет собой дисахарид. Он состоит из двух звеньев - остатка
молекулы глюкозы и остатка другого моносахарида, сходного с ней по строению,
- фруктозы (фруктового сахара). (Фруктоза встречается в свободном
виде во многих фруктах и плодах. Особенно богаты ею помидоры, яблоки и
пчелиный мед (около 50 %). - Прим. перев.)
При нагревании сахарозу не удается разделить на эти составные части.
Она только частично разлагается в ином направлении, образуя коричневатые
промежуточные продукты, которые называют карамелью (жженым сахаром) и
используют при изготовлении различных кондитерских изделий. Жженый сахар
с еще более темной окраской служит природным красителем для некоторых
продуктов питания - пива, уксуса и др. Остаток, полученный после
нагревания сахара, - сахарный уголь - успешно применяется в качестве
активного угля.
Чтобы разложить сахарозу на глюкозу и фруктозу, нужно присоединить к
ней воду. Если просто кипятить сахар с водой, то реакция протекает
слишком медленно и почти не обнаруживается. Однако эту реакцию
катализируют ионы водорода. Поэтому можем ускорить расщепление сахарозы
добавлением любых кислот.
Сварим искусственный мед
Натуральный пчелиный мед представляет собой смесь виноградного сахара
(глюкозы) и фруктового сахара (фруктозы), а также малые количества
ароматизирующих веществ. При расщеплении тростникового сахара (сахарозы)
химическим путем получается почти такая же смесь. Она не содержит только
душистых веществ. Расщепление сахарозы обычно называют инверсией или
гидролизом. Последнее название показывает, что процесс происходит с
участием воды.
Приготовим искусственный мед по следующему рецепту. В фарфоровой
чашке или химическом стакане к 70 г сахара прильем 30 мл кипящей воды.
При перемешивании сахар растворяется с образованием вязкого сиропа.
Нагреем его на водяной бане до 80-85 °С (контролировать термометром!).
Для ускорения гидролиза нужно добавить еще кислоту. Лучше всего возьмем
для этого 0,5 мл чистой метановой (муравьиной) кислоты. (Осторожно! Концентрированная
метановая кислота ядовита и вызывает на коже ожоги!) Можно
использовать вместо нее и чистую соляную кислоту, но тогда мед получится
с неприятным соленым привкусом, от которого трудно избавиться.
Смесь при почти непрерывном перемешивании выдержим 2-3 часа при указанной
температуре. Затем при тщательном перемешивании нейтрализуем кислоту
добавлением 0,8 г гидрокарбоната натрия (питьевой соды). При этом
выделяется углекислый газ. После охлаждения получится сладкий светлый
сироп.
При промышленном получении искусственного меда в него вводят еще
ароматизирующие добавки, в нашем продукте их нет.
Реакции моносахаридов
Моносахариды, например виноградный и фруктовый сахар, являются
восстановителями. Это свойство объясняется наличием у них альдегидных
групп. Виноградный сахар (глюкозу) можно купить в аптеке в виде порошка,
таблеток или раствора. Растворим немного глюкозы в воде и добавим к
раствору различные реактивы.
Во-первых, подействуем на глюкозу реактивом Фелинга, который можно
быстро приготовить из двух исходных растворов Фелинга. При нагревании
выпадает обильный красный осадок оксида меди (II).
Для приготовления второго реактива к малому количеству раствора
нитрата серебра добавим по каплям ровно столько водного аммиака (гидроксида
аммония), сколько его понадобится для растворения первоначально
образующегося осадка. Полученный раствор прильем в пробирке к раствору
глюкозы, перемешаем и содержимое пробирки нагреем. При этом на стенках
пробирки появится более или менее равномерное серебряное зеркало.
Пробирки, используемые для этих опытов, предварительно нужно тщательно
вымыть!
Эти реакции можно использовать для обнаружения моносахаридов,
например, виноградного сахара. Однако другие восстановители, как мы уже
видели на примере алканалей (альдегидов), могут проявлять такие же
свойства.
Проверим, ведут ли себя таким же образом растворы тростникового
сахара или самостоятельно полученный нами искусственный мед. Тростниковый
сахар и полисахариды не восстанавливают приготовленных нами
реактивов, потому что у них звенья моносахаридов сцеплены между собой и
альдегидные группы поэтому отсутствуют.
Осахаривание картофеля и древесины
Как мы уже знаем, крахмал и целлюлоза состоят из остатков молекул
виноградного сахара. А нельзя ли превратить крахмал, полученный из
картофеля или хлебных злаков,
...Поділитися у соцмережах
