Szkło:
1. 2 zlewki PP 250 cm3
2. 2 zlewki szklane 50 cm3
3. 2 bagietki
4. cylinder 250 cm3
5. zestaw do sączenia próżniowego
6. łopatka
7. 2 szalki
8. 2 kolby stożkowe 250 cm3
Odczynniki i roztwory:
1. mydło sodowe
2. 10% roztwory soli wapnia, niklu, cynku, miedzi
3. 0,1N HCl
4. zieleń bromokrezolowa
I Wstęp teoretyczny
Sole metali i kwasów tłuszczowych zwane mydłami metalicznymi z uwagi na swe specyficzne własności, zwłaszcza fizyczne, znajdują szerokie zastosowanie jako środki po-mocnicze w różnych gałęziach przemysłu i tak: jako modyfikatory smarów, środki żelujące, emulgujące, zwilżające, klejące, impregnujące, schnące przy ochronie dekoracji pokryć i atramentów drukarskich, jako katalizatory utleniania i polimeryzacji, w kosmetyce i farmacji.
Można je otrzymać w dwojaki sposób:
1) przez stapianie
2) przez wytrącanie.
ad 1) Proces otrzymywania mydeł przez stapianie polega na stapianiu kwasów tłuszczowych, glicerydów, oleju talowego lub kwasów żywicznych z tlenkami, wodorotlenkami, wę-
glanami lub octanami metali np. glejtą ołowiową – PbO, wodorotlenkiem kobaltu lub octa-nem kobaltu, dwutlenkiem manganu, tlenkiem cynku, wodorotlenkiem wapnia, tlenkiem miedzi lub węglanem miedzi itp.
Ogólnie:
2RCOOH + M(OH)2
M(OOCR)2 + 2H2O
gdzie M – metal dwuwartościowy
R – rodnik alifatyczny lub cykliczny
Nieorganiczny związek musi być reaktywny z kwasem tłuszczowym, np. tlenek magnezu lub octan kobaltu z kwasem olejowym:
2C17H33COOH + PbO
(C17H33COO)2Pb + H2O
2C17H33COOH + Co(CH3COO)2
(C17H33COO)2Co + 2 CH3COOH
Zwykle produkty reakcji ogrzewa się w obecności wody w temperaturze 180-3000C przy za-stosowaniu energicznego mieszania. Jeżeli lepkość mieszaniny reakcyjnej jest bardzo wysoka występuje konieczność zastosowania rozpuszczalnika i reakcję prowadzi się w niższej temperaturze. Wydzielone mydła odfiltrowuje się.
Proces ten może prowadzić do otrzymania soli ołowiu, cynku, miedzi, kadmu, itp.
Produkty otrzymane tą metodą zawierają więcej wolnych kwasów tłuszczowych niż otrzymane metodą wytrąceniową. Ta wyższa zawartość kwasów tłuszczowych powoduje wzrost 2
ich rozpuszczalności w niektórych rozpuszczalnikach i poprawia niektóre pożądane własności fizyczne.
ad 2) Mydła metaliczne otrzymane tą metodą są jasne, puszyste, w formie jednorodnych proszków. Sam proces otrzymywania wymaga stosowania związków metali rozpuszczalnych w wodzie, często siarczanów, chlorków, octanów lub węglanów np. siarczanu cynku, siarczanu glinu, chlorku wapnia, wodorotlenku litu, octanu ołowiu lub azotanu ołowiu (otrzymy-wanych przez rozpuszczenie PbO w kwasie octowym lub azotowym). Organiczny materiał
stanowią przeważnie kwasy tłuszczowe a rzadko glicerydy.
Wpierw tworzy się roztwór mydła sodowego przez zmydlenie kwasów tłuszczowych lub glicerydów. Alkaliczne mydło sodowe traktuje się wodnym roztworem soli metalu – wy-trącając mydło metaliczne.
Ogólnie:
RCOOH + NaOH
RCOONa + H2O
2RCOONa + MSO4
M(OOCR)2 + Na2SO4
W rzeczywistości nieraz reakcja może być bardziej złożona, należy się spodziewać soli zasa-dowych.
Praktycznie do wodnego roztworu wodorotlenku sodu wprowadza się kwasy tłuszczowe do pełnej neutralizacji, następnie dodaje się 10-20% roztwór soli metalu. Roztwór zawierający 10% mydła odfiltrowuje się, przemywa gorącą wodą w celu odmycia wolnych jonów metalu, następnie suszy i miele.
Wg Elliota można podzielić sole metali i kwasów tłuszczowych na 3 zasadnicze grupy ze względu na działanie:
1) w której działanie oparte jest na działaniu kationu. Należą do niej mydła stanowiące katalizatory utleniania lub polimeryzacji. Rolę katalizatorów pełni kation, natomiast łańcuch węglowodorowy – anion, umożliwia rozproszenie danego kationu.
2) w której działanie oparte jest na wpływie mydła na własności cieczy. Należą tu środki obniżające napięcie powierzchniowe, zwiększające przewodnictwo elektryczne, zwilża-jące, dyspergujące, żelujące, emulgujące itp. Działanie wykazują tu zarówno kation i anion.
3) w której działanie oparte jest na specyficznych własnościach, np. poprawiających pla-styczność, wykazujących impregnację odporną na H2O, utwardzających np.. w świecach, asfaltach, jako modyfikatory smarów, środki poprawiające własności schnące, smary sto-sowane do kształtowania odlewów itp.
3
1) Przygotowanie mydeł metalicznych
Odważyć 3g mydła sodowego (otrzymanego na poprzednim ćwiczeniu lub mydła otrzymanego od prowadzącego ćwiczenie) i rozpuścić w 100 cm3 wody destylowanej na gorąco. Do ciepłego roztworu mydła sodowego dodać przy ciągłym mieszaniu 10% roztwór wodny soli metalu (ilość wyliczoną stechiometrycznie z 20% nadmiarem). Wytrąca się mydło metaliczne. Roztwór odstawić na 0,5 h, poczym przesączyć. Osad odmyć wodą destylowaną na sączku. Osad wysuszyć w suszarce w temp. 800C, a następnie zważyć.
W ten sam sposób otrzymać mydło innego metalu.
2) Oznaczanie zawartości % metalu w mydłach metalicznych
Odważyć do kolby stożkowej o poj. 250 cm3 ok. 0,2g mydła na wadze analitycznej (zapisać dokładną masę). Dodać ok. 30 cm3 wody destylowanej, 3 krople zieleni bromokrezolowej jako wskaźnika i miareczkować 0,1N HCl do zmiany barwy z fioletowej przez zieloną do żółtej. Miareczkować na gorąco – bardzo wolno ogrzewając kolbę na łaźni wodnej (następuje wolny rozpad mydeł do kwasów tłuszczowych) – do trwałego zabarwienia żółtego. Na powierzchni roztworu pojawia się wtedy jednorodna warstwa płynna kwasów tłuszczowych, podczas gdy na początku są zbite kawałki mydła.
Obliczyć zawartość procentową metalu w mydle ze wzoru:
C·V·M
X =
· 100 [%]
n·m·1000
w którym:
n - wartościowość metalu
m - masa odważki mydła [g]
C - stężenie kwasu solnego do miareczkowania [mol/dm3]
V - objętość kwasu użyta do miareczkowania [cm3]
M - masa molowa metalu [g/mol]
Obliczyć czystość otrzymanego mydła ze wzoru:
X·Mm
Y =
[%]
M
w którym:
X - zawartość procentowa metalu w mydle [%]
Mm - masa molowa mydła [g/mol]
M - masa molowa metalu [g/mol]
4
1) Napisać reakcje opisujące proces wytrącania mydeł, podać obliczenia stechiometryczne.
2) Obliczyć zawartość procentową metalu w mydle, czystość mydła i wydajność reakcji, uwzględniając procentową zawartość mydła w otrzymanym produkcie.
3) Zaprojektować oddział produkcji mydła metalicznego metodą okresową lub ciągłą. Wsad
– t/d kwasów tłuszczowych. Określić wielkość aparatury.
4) Wykonać bilans masowy zaprojektowanego oddziału produkcyjnego:
• teoretyczny,
• z uwzględnieniem wskaźników wyznaczonych w laboratorium,
• wykonać wykres Sankey’a.
UWAGA: Punkty 3 i 4 opracowania wyników są nadobowiązkowe (dla ambitnych).
Zagadnienia:
1. Określenie i ogólny podział tłuszczów.
2. Otrzymywanie tłuszczów i kwasów tłuszczowych.
3. Otrzymywanie mydeł metalicznych.
4. Liczba kwasowa, jodowa, zmydlania i Reicharta – Meissla.
5. Zastosowanie mydeł metalicznych.
6. Podział związków powierzchniowoczynnych.
Literatura
1. Anastasiu S., Jelescu E., Środki powierzchniowo czynne, WNT, Warszawa 1973.
2. Zieliński R., Surfaktanty i układy zdyspergowane, WAE, Poznań 2000.
3. Grzywa E., Molenda J., Technologia podstawowych syntez organicznych, WNT, Warszawa 2007.
4. Bogoczek E., Technologia Chemiczna Organiczna, Wrocław 1998.
5. McMurry J., Chemia organiczna, PWN, Warszawa 2005.
5