فيديو الدرس: المنظفات الكيمياء

‏نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نصف بنية المنظفات الأنيونية، ونشرح كيفية إزالة البقع من الأقمشة. عندما نريد غسل أيدينا أو تنظيف ملابسنا، كثيرًا ما نلجأ إلى استخدام قارورة صابون أو منظف ما بدلًا من استخدام الماء وحده. إذن، ما المنظف تحديدًا؟

المنظفات فئة من المواد ذات خواص تنظيف لها ذيل كاره للماء ورأس محب للماء. يمكننا استخدام رسم كهذا لتمثيل جزيء منظف. تمثل الدائرة الرأس، والخط المتموج هو الذيل. الذيل كاره للماء، وهو ما يعني النفور من الماء. ويمكننا أن نقول أيضًا إن ذيل المنظف غير قطبي. والرأس محب للماء، وهو ما يعني الانجذاب إلى الماء. ويمكننا أيضًا وصف رأس المنظف بأنه قطبي. إذن، المنظفات بها منطقة قطبية وأخرى غير قطبية. وهذا الاختلاف في القطبية هو ما يجعل المنظفات عوامل تنظيف فعالة كما سنرى لاحقًا في هذا الفيديو.

دعونا نفحص بعض عينات المنظفات. منطقة الذيل لكل منظف موضحة باللون الأزرق. يمكننا ملاحظة أن ذيل المنظف عادة ما يكون سلسلة ألكيل طويلة غير قطبية، ومع ذلك يمكن أن توجد سلاسل متفرعة أيضًا. يمكن استخدام منطقة الرأس لكل منظف، الموضحة باللون البرتقالي، لتصنيف نوع المنظف. المنظفات الثلاث الأولى أيونية. فهي تحتوي على منطقة رأس مشحونة وأيون معاكس. رأس المنظف الأول عبارة عن مجموعة كربوكسيلات. هذا النوع من المنظفات هو الصابون، وهو منظف يتكون عن طريق تصبن الدهون والزيوت. رأس المنظف الثاني عبارة عن مجموعة سلفونات سالبة الشحنة.

المنظفات التي بها منطقة الرأس عبارة عن أنيون سالب الشحنة تكون أنيونية. وبما أن مجموعة الكربوكسيلات سالبة الشحنة، يصنف الصابون أحيانًا على أنه أحد المنظفات الأنيونية. رأس المنظف الثالث هو ثلاثي ميثيل أمونيوم، وهو كاتيون. المنظفات التي منطقة الرأس بها عبارة عن كاتيون موجب الشحنة هي منظفات كاتيونية. ويحتوي رأس المنظف الأخير على مجموعتي إيثوكسي وهيدروكسي، وهو غير أيوني. يسمى هذا النوع من المنظفات لا أيونيًّا.

ولما كان لكل نوع من المنظفات استخداماته، دعونا نلق نظرة عن كثب على الصابون والمنظفات الأنيونية. يستخدم الصابون منذ آلاف السنين، لكنه قد لا يكون المنتج الأمثل للتنظيف. يمكن أن تتفاعل مجموعة الكربوكسيلات مع الأيونات الموجودة في ماء الصنبور، مثل الكالسيوم والمغنيسيوم، لتنتج ناتجًا غير قابل للذوبان. ومن الممكن أن يتراكم هذا الناتج على الملابس والأحواض. وتعرف الرواسب الرمادية أو البيضاء برواسب الصابون.

يمكن أن تتفاعل المنظفات الأنيونية كذلك مع أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم لتكوين ناتج غير قابل للذوبان. لكن هذا الناتج أقل عرضة لتكوين رواسب الصابون، غير أن أسباب ذلك تقع خارج نطاق هذا الفيديو. وعليه، فإن المنظفات الأنيونية هي عامل التنظيف المفضل في معظم الاستخدامات منذ اختراعها في ثلاثينيات القرن العشرين.

بعض المنظفات الأنيونية التي استحدثت في البداية كانت عبارة عن سلفونات ألكيل بنزين متفرعة مثل هذه، حيث يحتوي الذيل على عدد من التفرعات أو المستبدلات. مشكلة هذه المواد هي أنها لا تتحلل حيويًّا بسهولة. وقد يسبب استخدامها في تشكل الرغوة في أنظمة الصرف الصحي، وفي الأنهار، وعلى السواحل، وفي البحيرات؛ مما ساهم في تلويث موارد مياه الشرب. ومن ثم، تم حظر استخدام منظفات سلفونات الألكيل بنزين المتفرعة في العديد من البلدان.

حوالي عام 1960، بدأت سلفونات الألكيل بنزين الخطية، مثل هذه، تحل محل سلفونات الألكيل بنزين المتفرعة. المنظفات الخطية تتحلل حيويًّا بسهولة أكبر، وتمثل خطرًا أقل على الأنظمة البيئية. وسلفونات الألكيل بنزين الخطية هي عامل التنظيف الرئيسي المستخدم في العديد من منظفات غسيل الملابس ومنظفات الأواني والمنظفات المنزلية الأخرى.

يمكن تحضير سلفونات الألكيل بنزين من خلال عملية من خطوتين. في الخطوة الأولى، يتفاعل الألكيل بنزين مع حمض الكبريتيك المركز الساخن. وينتج عن ذلك ألكيل حمض بنزين السلفونيك والماء. الجزء الفعلي الذي يتفاعل مع الألكيل بنزين ليس حمض الكبريتيك، وإنما ثالث أكسيد الكبريت الذي تكون نتيجة تفكك حمض الكبريتيك. لذلك، قد نرى هذا التفاعل مختصرًا على هذا النحو. في الخطوة الثانية، يتفاعل ألكيل حمض بنزين السلفونيك مع هيدروكسيد الصوديوم، الذي يسمى أيضًا الصودا الكاوية. يحدث تفاعل تعادل للحمض والقاعدة، وينتج ملح سلفونات الألكيل بنزين والماء.

هناك منظفات أنيونية أخرى شائعة بالإضافة إلى سلفونات الألكيل بنزين. وتتضمن هذه المنظفات كبريتات الألكيل مثل كبريتات لوريل الصوديوم وكبريتات لوريث الصوديوم. وهذه المنظفات هي عوامل رغوة رخيصة الثمن وفعالة للغاية. وغالبًا ما توجد في أنواع الشامبو وغسول الجسم ومنتجات رغوة الاستحمام ومعجون الأسنان. والآن بعد أن تمكنا من التعرف على بعض المنظفات الأنيونية الشائعة، دعونا نستعرض كيفية عمل المنظفات.

لدينا هنا وعاء من الماء يحتوي على جزيئات ‪H2O‬‏. توجد في القاع قطعة قماش عليها بقعة زيتية. هذا الشكل ليس مرسومًا بالمقياس الصحيح للرسم، وعدد قليل فقط من جزيئات الماء موضح بغرض التبسيط. لا تنجذب جزيئات الماء القطبية إلى الزيت غير القطبي، ولا يمكنها إزالة البقعة. لذا دعونا نضف منظفًا.

سنستخدم هذا الشكل لتمثيل منظف أيوني عام. تمثل الدائرة الصفراء الرأس المحب للماء، ويمثل الخط الأزرق المتموج الذيل الكاره للماء، وتمثل الدائرة الوردية الأيون المعاكس. عندما نضيف المنظف إلى الماء، سوف يذوب الأيون المعاكس وينتشر في الماء. رأس المنظف محب للماء أو ينجذب إلى الماء. لذا ستنجذب الرءوس إلى جزيئات الماء الموجودة على السطح. لكن الذيول كارهة للماء أو تنفر من الماء، ومن ثم فسوف تعلق في الهواء.

لعلنا نتذكر أن جزيئات الماء يرتبط بعضها ببعض بواسطة روابط هيدروجينية قوية. لكن إدخال المنظف يتداخل مع الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء الموجودة على السطح. وهذا التداخل يقلل من التوتر السطحي. المواد التي تقلل التوتر السطحي لوسط ما تسمى المواد الخافضة للتوتر السطحي أو عوامل الفاعلية السطحية. لذلك قد نسمع مصطلح خافض التوتر السطحي مستخدمًا لوصف منظف أو للإشارة إليه.

وبالرغم من أن تقليل التوتر السطحي ليس بالضرورة الوظيفة الأساسية للمنظفات، فهي وظيفة مفيدة. يتيح تقليل التوتر السطحي للماء تبليل شيء كالقماش بسهولة أكبر. عادة ما تستخدم المنظفات اللاأيونية على النجيل الموجود في ملاعب الجولف لهذا السبب، حيث إن زيادة قدرة الماء على البلل تسمح للماء باختراق المساحات الخضراء بدرجة أكثر تساويًا.

النتيجة الأخرى لتقليل التوتر السطحي هي تكون الرغوة. إذا وضعنا شفاطة في وعاء به ماء ونفخنا خلالها، فستصعد الفقاعات إلى السطح ثم سرعان ما تنفجر لأن التوتر السطحي للماء مرتفع. لكن إذا فعلنا الشيء نفسه مع وعاء يحتوي على ماء ومنظف، فسترتفع الفقاعات إلى السطح وتكون رغوة نتيجة انخفاض التوتر السطحي.

لنعد إلى محاولة إزالة البقعة الزيتية من قطعة القماش. سنزيل الأيونات المعاكسة وجزيئات الماء من الرسم حتى نتمكن من التركيز فقط على سلوك المنظف. إذا زاد تركيز المنظف أو خلط المنظف بالماء، فسوف تتجمع جزيئات المنظف معًا لتكون كرات، حيث تكون الذيول الكارهة للماء داخل الكرة وتشكل الرءوس المحبة للماء المحيط الخارجي للكرة.

هذه الكرات تسمى المذيلات. إذا اقتربت مذيلة أو أي من جزئيات المنظف الطافية الحرة الحركة من البقعة، فستنجذب الذيول غير القطبية الكارهة للماء إلى الزيت غير القطبي. وفي النهاية، سترتفع الجزيئات المكونة للبقعة عن السطح. ومن الممكن أن يساعد فعل ميكانيكي، مثل التقليب داخل غسالة، على تفكيك البقعة. وهذا يسهل على المنظف التداخل مع البقعة وإزالتها. وبمجرد أن ترتفع جزيئات الزيت عن السطح، ستتجمع جزيئات المنظف معًا مرة أخرى لتكوين مذيلة تحوي جزيئات الزيت بداخلها. ويمكن بعد ذلك شطف المذيلة التي تحوي جزيئات الزيت بداخلها.

قبل أن نلخص ما تعلمناه عن المنظفات في هذا الفيديو، دعونا نلق نظرة على سؤال.

أي مما يأتي‪‎‬‏ هو العبارة الصحيحة عن المنظفات الأنيونية؟ (أ) يتكون جزيء المنظف من رأس محب للماء، وهي سلسلة كربونية طويلة، وذيل متأين كاره للماء. (ب) يتكون جزيء المنظف من رأس كاره للماء، وهي سلسلة كربونية طويلة، وذيل متأين محب للماء. (ج) يتكون جزيء المنظف من ذيل محب للماء، وهي سلسلة كربونية طويلة، ورأس متأين كاره للماء. (د) يتكون جزيء المنظف من ذيل كاره للماء، وهي سلسلة كربونية طويلة، ورأس متأين محب للماء.

المنظفات فئة من المواد ذات خواص تنظيف لها منطقة رأس ومنطقة ذيل. يمكننا أن نمثل منظفًا عامًّا باستخدام شكل كهذا، حيث تمثل الدائرة البرتقالية الرأس ويمثل الخط الأزرق المتموج الذيل. للإجابة عن هذا السؤال، علينا تحديد خواص الرأس والذيل.

بالنظر إلى خيارات الإجابة، يمكننا ملاحظة أن العبارتين «محب للماء» و«كاره للماء» تستخدمان لوصف الرأس والذيل. مصطلح «كاره للماء» يعني النفور من الماء، ومصطلح «محب للماء» يعني الانجذاب إلى الماء. لتحديد أي منطقة من جزيء المنظف ينطبق عليه أي الوصفين، دعونا نفكر فيما يحدث عند إضافة منظف إلى الماء.

أولًا، تتراكم جزيئات المنظف على سطح الماء مع وجود الرءوس في الماء والذيول في الهواء. إذا زاد تركيز المنظف أو خلط المنظف بالماء، تتحد جزيئات المنظف معًا لتكوين كرات تسمى المذيلات. تكون الرءوس الجزء الخارجي من الكرة، وتوجد الذيول داخل الكرة. كما نرى من الشكل، فإن رأس المنظف يكون عادة متصلًا بالماء، في حين يظل الذيل عادة خارج الماء أو محجوبًا عن الماء. يشير ذلك إلى أن الذيل كاره للماء أو ينفر منه، وأن الرأس محب للماء أو ينجذب إليه. بناء على هذه المعلومات، يمكننا استبعاد خياري الإجابة (ب) و(ج).

والآن، علينا تحديد أي جزء من المنظف يمثل سلسلة كربونية طويلة وأي جزء يمكن أن يتأين. تصنف المنظفات حسب تركيب منطقة الرأس. في هذا السؤال، علمنا أن المنظف أنيوني. يعني ذلك أن رأس ذلك المنظف عبارة عن أنيون سالب الشحنة.

ها هو مثال على منظف أنيوني. يمكننا أن نرى أن منطقة الرأس الموضحة باللون البرتقالي هي أنيون مشحون بشحنة سالبة، وأن منطقة الذيل الموضحة باللون الأزرق هي سلسلة كربونية طويلة. بالنظر إلى خياري الإجابة المتبقيين، يمكننا ملاحظة أن العبارة الصحيحة عن المنظفات الأنيونية هي خيار الإجابة (د): يتكون جزيء المنظف من ذيل كاره للماء، وهي سلسلة كربونية طويلة، ورأس متأين محب للماء.

والآن، دعونا نلخص ما تعلمناه. المنظفات لها ذيل كاره للماء، وهو عادة عبارة عن سلسلة كربونية طويلة، ورأس محب للماء. تصنف المنظفات حسب تركيب منطقة الرأس إلى منظفات أنيونية، وكاتيونية، ولا أيونية، وصابون. يصنف الصابون أحيانًا باعتباره منظفًا أنيونيًّا، إذ إن رأس الصابون هو أنيون الكربوكسيلات. تعد سلفونات الألكيل بنزين وكبريتات الألكيل منظفات أنيونية شائعة. قد تكون سلفونات الألكيل بنزين خطية أو متفرعة. سلفونات الألكيل بنزين الخطية أكثر قابلية للتحلل الحيوي من سلفونات الألكيل بنزين المتفرعة.

يمكن تحضير سلفونات الألكيل بنزين في خطوتين. أولًا، يسلفن الألكيل بنزين باستخدام حمض الكبريتيك. بعد ذلك، يتفاعل ألكيل حمض بنزين السلفونيك الناتج مع هيدروكسيد الصوديوم لإنتاج المنظف. المنظفات قادرة على إزالة الزيوت والبقع لأن الذيل الكاره للماء ينجذب إلى البقعة، في حين أن الرأس المحب للماء ينجذب إلى الماء.