شارح الدرس: المنظفات الكيمياء

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف بنية المنظفات الأنيونية، ونشرح كيفية إزالة البُقَع من الأقمشة.

المنظفات نوعٌ من المواد له خواص تنظيفية مشابهة للصابون. الخواص التنظيفية للمنظفات والصابون ناتجة عن بنيتها الفريدة من نوعها، التي يمثِّلها الشكل التخيُّلي الآتي، الذي يتكوُّن من منطقة ذيل كارهة للماء ومنطقة رأس مُحِبَّة للماء.

تسمح بنية المنظفات والصابون لهذه الجزيئات بإزالة البقع التي لا يمكن للماء وحده إزالتها. يرجع السبب في ذلك إلى أن الزيوت والدهون والعديد من البقع الأخرى تحتوي على جزيئات غير قطبية، أما جزيئات الماء فقطبية. تمتلك المنظفات والصابون القدرة على إزالة هذه البقع؛ حيث يمكن لمنطقة الجزيء الكارهة للماء أن تجذب جزيئات البقع، ويمكن أن تجذب المنطقة المُحِبَّة للماء جزيئات الماء لإزالة البقعة.

هناك أنواع مختلفة من المنظفات: أنيونية، وكاتيونية، وغير أيونية. يمكن التمييز بين هذه الأنواع الثلاثة من خلال هوية مجموعة الرأس، التي تمنح المنظف خواص واستخدامات مختلفة قليلًا.

غالبًا ما تُستخدَم المنظفات الأنيونية في صناعة منظفات غسيل الملابس وسوائل تنظيف الأواني والشامبو وغسول تنظيف الجسم ومنتجات التنظيف الصناعية.

وفيما يلي البنية الكيميائية للمنظف الأنيوني، وكذلك الصابون.

إذا قارنَّا بين بنيتَي المنظف الأنيوني والصابون المبيَّنتين سابقًا، يمكننا أن نلاحظ أن كلًّا منهما عبارة عن أملاح صوديوم تحتوي على سلسلة كربونية طويلة في الذيل الكاره للماء، ومجموعة رأس مُحِبة للماء سالبة الشحنة. لكن الصابون يحتوي على مجموعة كربوكسيلات ()، وتحتوي المنظفات الأنيونية على مجموعة سلفونات ().

يعمل الصابون والمنظفات الأنيونية بالطريقة نفسها لتنظيف البقع وإزالتها. لكن مجموعة الكربوكسيلات الموجودة في الصابون أكثر ميلًا إلى الارتباط بالأيونات الموجودة في ماء الصنبور، مثل الكالسيوم والمغنيسيوم، من مجموعة السلفونات الموجودة في المنظفات الأنيونية. وعندما يحدث ذلك، لا يعمل الصابون بشكل فعَّال ولا ينظف بسهولة، وهو ما يؤدي إلى تراكم «رغوة الصابون»، كما هو موضَّح في الصورة الآتية. وهذا ما جعل المنظفات الأنيونية عامل التنظيف المفضَّل في معظم الاستعمالات منذ ابتكارها في ثلاثينيات القرن العشرين.

هناك العديد من المواد الكيميائية المختلفة التي تُعتبر منظفات أنيونية. وفيما يلي بنية 4-دوديسيل بنزين سلفونات الصوديوم، الذي يُعَد مثالًا على سلفونات ألكيل البنزين المستقيمة. تُعَد سلفونات ألكيل البنزين المستقيمة أكثر المنظفات شيوعًا إلى حدٍّ كبير في كلٍّ من الاستعمالات المنزلية والصناعية.

تُعَد سلفونات ألكيل البنزين المستقيمة المكوِّن الرئيسي في معظم منظفات غسيل الملابس والمنظفات المنزلية الأخرى.

في السابق، كانت سلفونات ألكيل البنزين المتفرعة، مثل السلفونات الموضَّحة سابقًا، هي الاختيار الأكثر شيوعًا للمنظفات. لكن سلفونات ألكيل البنزين المتفرعة لا تتحلل حيويًّا بنفس سهولة تحلُّل سلفونات ألكيل البنزين المستقيمة. وهذا هو السبب في وجود رغوة كثيفة في الأنهار والسواحل والبحيرات وشبكات الصرف الصحي، بالإضافة إلى تلوث إمدادات مياه الشرب. أما سلفونات ألكيل البنزين المستقيمة فتتحلل حيويًّا بسهولة أكبر؛ ولذا، حَلَّت بنسبة كبيرة محل سلفونات ألكيل البنزين المتفرعة.

تُعَد كبريتات الألكيل نوعًا آخر من المنظفات الأنيونية الشائعة الاستخدام. وتمثِّل البنية الموضَّحة في الآتي مثالًا على كبريتات الألكيل؛ كبريتات لوريل الصوديوم. تُستخدم كبريتات لوريل الصوديوم بشكل شائع في الشامبو وغسول تنظيف الجسم ومعجون الأسنان وغسول الوجه.

مثال ١: تحديد المادة التي يُفضَّل استخدامها في المنظفات التجارية

يمثِّل الشكلان الآتيان بنيتين لسلفونات ألكيل البنزين.

لماذا تُفَضَّل البنية (ب) على البنية (أ) في الاستخدام في المنظفات التجارية؟

1. البنية (ب) لها استقرار حراري أعلى.
2. البنية (أ) لها درجة انصهار أعلى.
3. البنية (ب) أكثر قابلية للتحلُّل الحيوي.
4. البنية (ب) لها رائحة عطرية (أروماتية) أقوى.
5. البنية (أ) أغلى ثمنًا.

الحل

سلفونات ألكيل البنزين هي المنظفات الأكثر شيوعًا والأكثر استخدامًا في منتجات التنظيف ومنتجات العناية الشخصية. جميع المنظفات تحتوي على جزأين: ذيل كاره للماء مُكوَّن من سلسلة هيدروكربونية، ورأس مُحِب للماء. ويمكننا أن نرى فيما يلي هذين الجزأين في بنيتَي سلفونات ألكيل البنزين الواردتين في السؤال.

كلٌّ من هاتين البنيتين له مجموعة الرأس نفسها ()، لكن ذيل البنية (أ) له تفرُّع أكثر بكثير من ذيل البنية (ب).

لا تتحلل سلفونات ألكيل البنزين ذات الذيول المتفرعة، مثل البنية (أ)، حيويًّا بسهولة. ويمكن أن تتراكم في المسطحات المائية الكبيرة؛ حيث يمكن أن تلوِّث الماء وتتسبَّب في حدوث رغوة كثيفة.

أما سلفونات ألكيل البنزين ذات السلسلة المستقيمة، مثل البنية (ب)، فهي أكثر قابليةً للتحلُّل الحيوي. فهي لا تتراكم في المسطحات المائية الكبيرة. ولذا، تُفضِّل شركات المواد الكيميائية تصنيع المنظفات التجارية باستخدام سلفونات ألكيل البنزين في المقام الأول؛ لأنها أكثر قابليةً للتحلُّل الحيوي، ولا تُلوِّث المسطحات المائية الطبيعية أو تعكِّرها.

يمكن استخدام هذه العبارات لتحديد أن الخيار (ج) هو الإجابة الصحيحة لهذا السؤال.

دون النظر إلى البنية الكيميائية للمنظف، فإن المنظف يزيل البقع بطريقة واحدة. نوضِّح كيف تُزيل جزيئات المنظف البقعة الدهنية من قطعة ملابس.

عند إضافة المنظفات إلى الماء لأول مرة، عادةً ما تتراكم المنظفات على سطح الماء؛ حيث يكون رأس المنظف في الماء، وذيله لأعلى في الهواء. هذا يقلِّل من التوتر السطحي للماء عن طريق كسر الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء. وعلى الرغم من أن هذا ليس العمل الأساسي للمنظف، فإن تقليل التوتر السطحي يسمح للماء بأن يبلِّل الملابس بطريقة أكثر فاعليةً.

تُستخدَم تحديدًا بعض المنظفات (المنظفات غير الأيونية عادةً) بغرض زيادة قدرة الماء على التبليل. على سبيل المثال، تُوضع المنظفات على العُشب في ملاعب الجولف؛ بحيث يتغلغل الماء بين المساحات الخضراء بالتساوي.

تتكوَّن الرغوة أيضًا نتيجةً لانخفاض التوتر السطحي الناتج عن إضافة المنظفات إلى الماء. يرجع السبب في ذلك إلى أن فقاعات الماء تكون أقل عرضةً للانفجار بدون الضغط على سطح الفقاعة الناتج عن التوتر السطحي. ويُنتج العدد الكبير من الفقاعات المستقرة الرغوة في الماء.

مثال ٢: تحديد تأثير جزيئات المنظفات الأنيونية عند إضافتها إلى الماء

بالإضافة إلى إزالة البقع، ما التأثير الآخَر لجزيئات المنظِّفات الأنيونية، مثل سلفونات ألكيل البنزين، عند إضافتها إلى أشياء بها بُقَع في الماء؟

1. تُرسِّب كاتيونات الفلز
2. تُصلِح أيَّ تَلَف هيكلي على سطح الشيء المُبَقَّع
3. تُنعِّم الملابس والأقمشة
4. تُقلِّل التوتر السطحي للماء
5. تخترق وتُحلِّل التُّربة

الحل

سلفونات ألكيل البنزين نوعٌ من المنظفات الأنيونية المستخدَمة على نطاق واسع بسبب خواصها التنظيفية. تحتوي هذه الجزيئات على مجموعة ذيل كارهة للماء، ومجموعة رأس مُحِبة للماء سالبة الشحنة.

بدون وجود المنظفات في الماء، ستكون هناك روابط هيدروجينية قوية بين جميع جزيئات الماء. ويكون هناك «تجاذب» على سطح الماء بسبب هذه التجاذبات التي تُسبِّب التوتر السطحي.

عند إضافة منظف إلى الماء، ينجذب الرأس المُحِب للماء إلى جزيئات الماء. ويمكن أن تتراكم جزيئات المنظف هذه على سطح الماء؛ بحيث تكون الرءوس في الماء والذيول لأعلى في الهواء.

إضافة المزيد من جزيئات المنظف تعمل على كسر الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء، وهو ما يقلل التوتر السطحي للماء.

ومن ثَمَّ، فإن الإجابة الصحيحة هي الخيار (د): تُقلِّل التوتر السطحي للماء.

إذا كان تركيز المنظفات في الماء عاليًا، فستنجذب رءوس الجزيء المُحِبة للماء إلى الماء، وتبدأ ذيول جزيئات المنظف الكارهة للماء في الالتصاق بعضها ببعض لتكوين بنًى كروية تُسمَّى مذيلات.

مثال ٣: تحديد ترتيب جزيئات المنظفات الأنيونية عند وضعها في الماء

توضِّح الصورة الآتية رسمًا تخيليًّا لبنية 4-دوديسيل بنزين سلفونات الصوديوم.

ما الترتيب البنائي الذي ستتخذه هذه الجزيئات فور وضعها في الماء؟

الحل

4-دوديسيل بنزين سلفونات الصوديوم مثال على المنظف الأنيوني. تتكوَّن جزيئات المنظف من جزأين: ذيل كاره للماء ورأس مُحِب للماء. وفيما يلي توضيح لهذين الجزأين في مركب 4-دوديسيل بنزين سلفونات الصوديوم.

عند وضع المنظفات في الماء، تنجذب مجموعة الرأس المُحِبة للماء إلى جزيئات الماء، وينجذب ذيل جزيئات المنظف إلى ذيول جزيئات المنظف الأخرى. ستُكوِّن المنظفات في النهاية بنًى كروية؛ بحيث تكون الذيول الكارهة للماء داخل الكرة، وتكون الرءوس المُحِبة للماء قريبة من جزيئات الماء على سطح الكرة من الخارج. يمكننا استخدام هذه العبارات لتحديد أن الخيار (أ) هو الإجابة الصحيحة لهذا السؤال.

إذا اقتربت كرات جزيئات المنظف هذه أو أي جزيئات منظف حرة طافية في الماء من البقعة، فسينجذب الذيل غير القطبي لجزيء المنظف إلى البقعة غير القطبية ويلتصق بها.

وفي نهاية المطاف، تبدأ البقعة في الارتفاع إلى السطح. يمكن أن يُفتِّت الاحتكاك الميكانيكي، مثل فرك اليدين معًا أو الحركة التي تحدث في دورة التجفيف بالغسالة، البقعة؛ ممَّا يُسهِّل على جزيئات المنظف إزالتها.

فور إزالة البقعة من السطح، ستعيد جزيئات المنظف تشكيل البنية الكروية، لكن هذه المرة تكون البقعة داخلها. يتيح التجاذب بين الماء ورأس الجزيء المُحِب للماء إزالة البقعة بالماء بسهولة.

يتضمَّن إنتاج سلفونات ألكيل البنزين خطوتين. في الخطوة الأولى، يتفاعل ألكيل بنزين مع حمض الكبريتيك المركَّز أو غاز ثالث أكسيد الكبريت. وهذا يُنتِج حمض سلفونيك ألكيل البنزين.

في الخطوة الثانية، يُعادَل حمض سلفونيك ألكيل البنزين باستخدام (الصودا الكاوية) لتكوين ملح سلفونات ألكيل البنزين والماء.

تفاعل: إنتاج منظفات سلفونات ألكيل البنزين

مثال ٤: تحديد المادة المهمة في تصنيع المنظفات

أيٌّ من الآتي يلعب دورًا مهمًّا جدًّا في صناعة المنظفات؟

الحل

معظم المنظفات عبارة عن أملاح صوديوم لجزيئات ذات سلاسل كربونية طويلة. الجزيئات الأكثر شيوعًا المستخدَمة في المنظفات هي سلفونات ألكيل البنزين، مثل الجزيء الآتي.

يُصنع هذا المنظف بمعادلة حمض سلفونيك ألكيل البنزين باستخدام هيدروكسيد الصوديوم، وهو ما يُنتِج سلفونات ألكيل البنزين والماء.

على الرغم من أنه لن يتم إنتاج جميع المنظفات بدءًا بحمض سلفونيك ألكيل البنزين، فإن هيدروكسيد الصوديوم يُستخدم دائمًا في إنتاج المنظفات، ولهذا يلعب دورًا مهمًّا جدًّا في صناعة المنظفات. ومن ثَمَّ، فإن الإجابة الصحيحة هي الخيار (د): .