Laboratorium Technologii Surfaktantów II

Część I

Rozeznanie chemicznego składu zadanego detergentu (proszku do prania)

Wykorzystane substancje w ćwiczeniu:

Bezwodny alkohol etylowy C₂H₅OH – organiczny związek chemiczny z grupy alkoholi, jeden z najpopularniejszych rozpuszczalników, w warunkach pokojowych bezbarwna, łatwopalna ciecz o charakterystycznym zapachu i piekącym smaku, miesza się z wodą w każdej ilości, bezwodny etanol jest silnie higroskopijny. Temperatura wrzenia wynosi 78,4 °C, współczynnik załamania światła zaś: 1,36. Producent: Centrum Odczynników Chemicznych United Quantum Factory sp. z o.o.

Błękit metylenowy (nazwa systematyczna:

chlorek [7- (dimetyloamino)fenotiazyn-3-ylideno]-

dimetyloazaniowy), bezwonny, ciemnozielony proszek, z wodą daje niebieski roztwór. Producent: Standard Sp. z o.o.

chloroform (CH₃Cl) - ciężka, lotna, niepalna ciecz, mało reaktywna, rozpuszczalność w wodzie: 7,95 g/l, temperatura wrzenia: 60–62 °C, współczynnik załamania światła: 1,4459. Producent: BCH Brühl - Chemikalien Handel GmbH

błękit tymolowy (nazwa systematyczna: 4-[3-(4-hydroksy-2-metylo-5-propan-2-ylofenylo)-1,1-diokso-2,1λ⁶-benzoksatiol-3-ilo]-5-metylo-2-propan-2-ylofenol) –

brunatnawozielony do zielonkawoniebieskiego, krystaliczny proszek,

rozpuszczalność w wodzie: 110 mg/l. Producent: Applichem

kwas solny (chlorowodór) - przezroczysta, bezbarwna ciecz; kwas stężony na powietrzu dymi; produkt techniczny może być żółty, temperatura wrzenia : 51 °C, współczynnik załamania światła: 1,0004. Producent: BOSS Oil.

Bufor octanowy - mieszanina CH₃COOH + CH₃COONa, roztwór mający właściwości utrzymywania praktycznie stałego pH pomimo rozcieńczania wodą lub dodawania niewielkich ilości mocnych kwasów lub zasad. Procudent: POCH S.A.

Błękit bromofenylowy (nazwa systematyczna: 2,6-dibromo-4-[3-(3,5-dibromo-4-hydroksyfenylo)-1,1-diokso-2,1λ⁶-benzoksatiol-3-ilo]fenol) - różowe ciało stałe o zapachu fenolu i kwasu octowego, rozpuszczalność w wodzie: 3 g/dm³. Producent: Carl Roth

Żółcień metanilowa (nazwa systematyczna: 3-(4-Anilinofenylazo)benzenesulfonian sodu) C₁₈H₁₄N₃NaO₃S, beżowe ciało stałe bez zapachu, rozpuszczalność w wodzie: 25 g/l (20 °C). Producent: Boruta

rodanokobaltyn amonu [(NH₄)₂Co(SCN)₄] –roztwór wodny wskaźnika o barwie niebieskiej, w obecności surfaktanta niejonowego tworzy z nim kompleks i zabarwia warstę organiczną na niebieski

n-heksan C₆H₁₄- organiczny związek chemiczny z grupy alkanów, rozpuszczalnik, bezbarwna, łatwopalna ciecz, temperatura wrzenia 68,7–69 °C, współczynnik załamania światła: 1,38. Producent: POCH S.A.

wskaźnik mieszany : bromek dimidiowy z błękitem disulfinowym - roztwór o zawartości ok. 10% etanolu, ciemnoniebieska ciecz o słabym zapachu etanolowym, rozpuszczalna w wodzie, gęstość 1 g/ml, nietoksyczny, ale wysokopalny. Producent: POCH S.A.

oranż metylowy (metyloranż, heliantyna) –organiczny związek

z grupy barwników azotowych, zmienia barwę w zależności od pH

(w kwasowym jest czerwony, w obojętnym pomarańczowy,

w zasadowym żółty), rozpuszczalny w wodzie 5 g/l. Producent: Carl Roth.

kwas siarkowy H₂SO₄ – nieorganiczny związek chemiczny, jeden z najmocniejszych kwasów, rozpuszczalny w wodzie, tworzy z nią roztwory wodne, gęstość: 1,84 g/ml. Producent: ZGH „Bolesław”

fenoloftaleina - organiczny związek chemiczny stosowany jako wskaźnik chemiczny pH,

w środowisku kwasowym i obojętnym jest bezbarwna, w zasadowym zabarwia się na malinowo.

W stanie czystym bezbarwna , krystaliczna substancja, rozpuszczalna w wodzie

i alkoholach. Producent: POCH S.A.

molibden amonowy (NH₄)₆Mo₇O₂₄- białe ciało stałe o zapachu amoniaku, rozpuszczalny w wodzie 40g/100ml wody, stosowany w akwarystyce. Producent: POCH S.A.

jodek potasu KI – nieorganiczny związek chemiczny, bezbarwne kryształy łatwo rozpuszczalne w wodzie, często stosowany w analityce chemicznej, może być też użyty do produkcji jodu i potasu w wyniku elektrolizy stopionej soli. Producent: Pharma Cosmetics.

tiosiarczan sodu Na₂S₂O₃ – nieorganiczny związek chemiczny, sól nietrwałego kwasu tiosiarkowego i sodu, często występuje jako pentahydrat, bezbarwne, krystaliczne ciało stałe rozpuszczalne w wodzie. Producent: POCH S.A.

Przebieg ćwiczenia:

1. Wyizolowanie surfaktantów z zadanego proszku do prania

W kolbie stożkowej odmierzono 9,99g analizowanego proszku do prania i zalano 100 cm³ bezwodnego alkoholu etylowego. Całość ogrzewano pod chłodnicą zwrotną w łaźni wodnej przez 10 minut. Otrzymany ekstrakt przesączono na kolbie szklanej ze spiekiem, a osad ekstrahowane bezwodnym alkoholem jeszcze dwukrotnie, używając po 50 cm³ bezwodnego alkoholu etylowego. Na koniec osad na lejku przemyto 2 x 25 cm³ etanolu. Ekstrakty połączono i przeniesiono do zważonej kolby okrągło dennej, po czym oddestylowano alkohol etylowy w próżniowej wyparce laboratoryjnej. Pozostałość w kolbie zważono i określono masę substancji rozpuszczalnych w alkoholu etylowym:

181,80g- 178,57g =3,23g

$$m_{\text{EA}} = \frac{m_{1}}{m}*100\% = \frac{3,23g}{9,99g}*100\% = 32,33\%$$

m₁ –masa wyekstrahowanych alkoholem etylowym substancji z analizowanego proszku, g

m – naważka badanego proszku, g

m_EA – zawartość substancji rozpuszczalnych w alkoholu etylowym w analizowanym proszku do prania, %

2.1 Sprawdzenie obecności surfaktantu anionoaktywnego w ekstrakcie substancji rozpuszczalnych w bezwodnym alkoholu etylowym

W probówce ze szlifem umieszczono 8 cm³ roztworu błękitu metylenowego, 5 cm³ chloroformu i dodawano po kropli 0,05% roztworu anionoaktywnego i mieszano aż do równomiernego zabarwienia fazy wodnej i chloroformowej na niebiesko. Następnie dodano 2 cm³ ok. 20-krotnie rozcieńczonej próbki (1g w 20 cm³ wody destylowanej), wymieszano i pozostawiono do rozdzielenia się faz.

Zaobserwowano, że zabarwienie warstwy chloroformowej uległo pogłębieniu przy prawie bezbarwnej warstwie wodnej. Potwierdza się więc obecność surfaktantu anionoaktywnego.

2.2 Sprawdzenie obecności surfaktantu kationoaktywnego w ekstrakcie substancji rozpuszczalnych w bezwodnym alkoholu etylowym

Do 2 cm³ 0,005N HCl dodano 2 krople błękitu tymolowego i 2 cm³ 20-krotnie rozcieńczonej próbki i wymieszano. Barwa zmieniła się z czerwono-żółtej na czerwono fioletową co potwierdziło obecność surfaktantu anionoaktywnego.

Do 2 cm³ buforu octowego dodano 2 krople błękitu bromofenolowego i 2 cm³ analizowanego roztworu i wymieszano. Roztwór nie zmienił barwy, nie wykryto więc obecności surfaktantu kationoaktywnego.

Do 2 cm³ 0,1N HCl dodano 2 krople błękitu tymolowego i 2 cm³ analizowanego roztworu i wymieszano. Roztwór nie zmienił barwy, nie wykryto więc obecności surfaktantu kationoaktywnego.

Do 2 cm³ 0,1N HCl dodano 2 krople żółcieni matanilowej i 2 cm³ analizowanego roztworu i wymieszano. Roztwór nie zmienił barwy, nie wykryto więc obecności surfaktantu niejonowego.

2.3 Sprawdzenie obecności surfaktantu niejonowego w ekstrakcie substancji rozpuszczalnych w bezwodnym alkoholu etylowym

Do 5 cm³ ok. 10-krotnie rozcieńczonej próbki analizowanego roztworu dodano 5 cm³ roztworu rodanokobaltynu amonu, wymieszano i odstawiono na godzinę. Analizowany płyn przyjął intensywne niebieskie zabarwienie, jednak w poprzednich próbach nie wykryto obecności surfaktanta niejonowego, więc dodano 5 cm³ chloroformu, wymieszano i odstawiono do rozwarstwienia warstw, aby uzyskać pewność. Nie zaobserwowano jednak niebieskiego zabarwienia warstwy organicznej, wykluczono więc obecność surfaktantu niejonowego.

2.4 Sprawdzenie obecności mydeł karbonowych w ekstrakcie substancji rozpuszczalnych w bezwodnym alkoholu etylowym

Małą próbkę substancji rozpuszczalnych w bezwodnym alkoholu etylowym przeniesiono do probówki i rozpuszczono w wodzie destylowanej. Następnie dodano rozcieńczonego kwasu solnego. Pojawiło się zmętnienie, które nie znikło po wytrząsaniu zawartości próbówki z n-heksanem. Nie wykryto więc obecności surfaktantu niejonowego.

3.1 Określenie zawartości surfaktantu anionoaktywnego w proszku do prania

W zlewce odważono 4,70g badanego produktu (według założonej zawartości substancji czynnej 15%) po czym rozpuszczono w wodzie destylowanej i dodano kilka kropel fenoloftaleiny. Zobojętniono kwasem do lekko różowej barwy. Następnie przeniesiono roztwór do kolby 500 cm³ i rozcieńczono wodą destylowaną do kreski. Z takiego roztworu odmierzono 20 cm³ w cylindrze pomiarowym ze szlifem i dodano 10 cm³ wody destylowanej, 15 cm³ chloroformu i 10 cm³ wskaźnika mieszanego, po czym miareczkowano mianowanym roztworem Hyamine 1622 (0,004 mol/dm³) do odbarwienia dolnej warstwy chloroformowej z koloru różowego na szaroniebieski.

Wynik miareczkowania: V = 7,4 cm³

$$X = \frac{2,5*X_{4}*V*M}{m} = \frac{2,5*0,004*7,4*360}{4,70} = 5,67\%$$

X₄ – molarność roztworu Hyamine 1622, mol/dm³

V – objętość roztworu Hyamine 1622, cm³

M – masa cząsteczkowa oznaczanej substancji, g/mol

m – naważka badanej próbki, g

3.2 Oznaczenia zawartości alkiloarylosulfonianu sodowego oraz kwasów tłuszczowych i ich liczby zobojętniania

W kolbie stożkowej odmierzono 9,99g analizowanego proszku do prania i zalano 100 cm³ bezwodnego alkoholu etylowego. Całość ogrzewano pod chłodnicą zwrotną w łaźni wodnej przez 10 minut. Otrzymany ekstrakt przesączono na kolbie szklanej ze spiekiem, a osad ekstrahowano bezwodnym alkoholem jeszcze dwukrotnie, używając po 50 cm³ bezwodnego alkoholu etylowego. Na koniec osad na lejku przemyto 2 x 25 cm³ etanolu. Ekstrakty połączono i przeniesiono do zważonej kolby okrągłodennej po czym oddestylowano ok. połowę alkoholu etylowego w próżniowej wyparce laboratoryjnej. Pozostałość przeniesiono do rozdzielacza 500 cm³ używając ok. 80 cm³ gorącej wody destylowanej, zakwaszono wobec oranżu metylowego 10% kwasem solnym, po czym ekstrahowano 4 x 50 cm³ heksanem. Ekstrakty heksanowi przemyto 2 x 30 cm³ alkoholem technicznym po czym sprawdzono jego odczyn wobec oranżu metylowego. Należało przemyć jeszcze raz po czym uzyskano odczyn obojętny. Następnie przesączono ekstrakt przez sączek bibułowy i oddestylowano heksan. Pozostałość rozpuszczono w alkoholu technicznym, dodano fenoloftaleiny i miareczkowano na gorąco 0,5N alkoholowym roztworem NaOH do różowego zabarwienia. Oddestylowano alkohol na próżniowej wyparce laboratoryjnej, a kolbę z pozostałością suszono w suszarce przez 15 minut w temperaturze 120°C, po czym studzono na parapecie do temperatury pokojowej i zważono.

$$X_{1} = \frac{m_{1} - V*N*0,022*100}{m} = \frac{3,03 - 1*0,5*0,022*100}{9,99} = 0,193\%$$

m₁ – masa wysuszonej pozostałości, g

V – objętość 0,5N roztworu NaOH zużytego do miareczkowania, cm³

N – stężenie normalne roztworu NaOH

m – naważka badanego proszku do prania, g

0,022 – masa jednego milimola sodu pomniejszona o masę jednego milimola wodoru

Liczba zobojętniania:

$$X_{2} = \frac{V*N*56,1}{m_{1} - V*N*0,022} = \frac{1*0,5*56,1}{3,03 - 1*0,5*0,022} = \frac{28,05}{3,019} = 9,29\ \frac{\text{mg\ KOH}}{g}$$

56,1 – masa cząsteczkowa KOH, g/mol

m₁ – masa wysuszonej pozostałości, g

V – objętość 0,5N roztworu NaOH zużytego do miareczkowania, cm³

N – stężenie normalne roztworu NaOH

0,022 – masa jednego milimola sodu pomniejszona o masę jednego milimola wodoru

Oznaczenia zawartości alkiloarylosulfonianu

Pozostałość po oddzieleniu kwasów tłuszczowych odparowano do objętości ok. 50 cm³ i przeniesiono do rozdzielacza 500 cm³używając 50 cm³ wody destylowanej i dodano 25 cm³ 10% roztworu HCl. Zawartość rozdzielacza ekstrahowano 3 x 50cm³ heksanem, po czym przemyto dwukrotnie porcjami 1N kwasu solnego i przeniesiono do zważonej kolby 500 cm³. Heksan oddestylowano, a pozostałość rozpuszczono w 50 cm³ technicznym etanolu, dodano fenoloftaleiny i miareczkowano na gorąco 1N roztworem NaOH. Następnie oddestylowano etanol na próżniowej wyparce laboratoryjnej, a kolbę z pozostałością wysuszono w suszarce przez 15 minut w temperaturze 120°C po czym studzono na parapecie do temperatury pokojowej i zważono.

$$X_{3} = \frac{m_{2}*100}{m} = \frac{0,04*100}{9,99} = 0,4\%$$

m₂ –masa wysuszonej pozostałości, g

m – odważka badanego proszku do prania, g

3.3 Oznaczenie zawartości surfaktantu kationoaktywnego w proszku do prania

Ze względu na negatywny wynik obecności surfaktantu kationoaktywnego, nie określano jego ilości w proszku do prania.

3.4 Określenie obecności surfaktantu niejonowego w proszku do prania

Ze względu na negatywny wynik obecności surfaktantu niejonowego, nie określano jego ilości w proszku do prania.

4. Oznaczenie zawartości aktywnego tlenu w zadanym proszku do prania

Próbkę proszku do prania utarto w moździerzu, po czym odważono 2,000g do kolby stożkowej i zalano 100 cm³ wody destylowanej o temperaturze pokojowej. Po zamknięciu korkiem rozpuszczono próbkę wykonując kolbą koliste ruchy. Następnie dodano 10 cm³ kwasu siarkowego, 1 cm³ roztworu molibdenianu amonowego i ok. 2g KI. Kolbę zamknięto, zawartość wymieszano i pozostawiono na ok. 10 minut w ciemnym miejscu, po czym miareczkowano mianowanym roztworem tiosiarczanu sodowego do odbarwienia, dodając pod koniec roztwór skrobi.

$$X = \frac{V*c*0,008*100}{m} = \frac{7,8*0,1\ *0,008*100}{2,000} = 0,312\%$$

V – objętość roztworu tiosiarczanu sodowego, użytego do miareczkowania, cm³

c – stężenie molowe roztworu tiosiarczanu sodowego, mol/dm³

m – masa odważki badanej próbki, g

0,008 – ilość tlenu równoważna 1 cm³ roztworu tiosiarczanu sodowego o c=1 mol/dm³

Wnioski:

Zawartość substancji rozpuszczalnych w bezwodnym etanolu wynosi 32,33%. Substancjami nierozpuszczalnymi w proszkach do prania są różnego rodzaju związki fosforowe oraz siarczan sodowy bezwodny, który jest głównym składnikiem wielu proszków do prania. Wynik nie jest więc zaskakujący, gdyż siarczan sodowy może stanowić nawet 60% proszku do prania, a związki fosforowe są również chętnie dodawane w tańszych proszkach do prania. Wykryto obecność surfaktantu anionoaktywnego, nie wykryto zaś kationoaktywnego i niejonowego, co również jest zadowalającym wynikiem, gdyż większość proszków do prania zawiera zdecydowanie więcej substancji anionoaktywnej niż pozostałych surfaktantów. Zawartość surfaktantu anionoaktywnego wynosiła 5,67%, co jest bardzo niską wartością, biorąc pod uwagę fakt, że to jest główny składnik czynny interesujący nas w proszkach do prania. Wynika z tego, że prawie 95% ceny za proszek to cena wypełniaczy typu np. dodatków zapachowych. Jedną z substancji czynnych w tym proszku do prania jest alkiloarylosulfonian sodu, którego zawartość wynosi zaledwie 0,4%. Liczba zobojętnienia (liczba kwasowa) świadczy o tym, ile miligramów KOH potrzeba, aby zobojętnić kwaśne składniki jednego grama próbki mieszaniny. Jest miarą ilości grup karboksylowych (np. tutaj z kwasów tłuszczowych). Wartość wyszła dosyć wysoka, ponieważ potrzeba aż 9,29 mg KOH na 1 gram próbki. Zawartość tlenu wyniosła w naszym proszku 0,312%. Tlen jest głównym składnikiem wywabiania plam oraz środkiem dezynfekującym, jednak jego za wysoka wartość może być szkodliwa dla materiału. Podsumowując, pomijając fakt, że nie wykryliśmy zawartości surfaktantu niejonowego, reszta wyników potwierdza, że badana mieszanina była typowym proszkiem do prania o przeciętnej jakości.