Ćwiczenie 1 Temat: Związki powierzchniowo czynne. Oznaczanie

Ćwiczenie 1 Temat: Związki powierzchniowo czynne. Oznaczanie

- Chemia w kosmetologii dla liceum - metody analityczne w przemyśle kosmetycznym -
Ćwiczenie 1
Temat: Związki powierzchniowo czynne. Oznaczanie pH oraz alkaliczności
wodnych roztworów środków powierzchniowo czynnych
Cel ćwiczenia: Zapoznanie z właściwościami kwasowo-zasadowymi związków
powierzchniowo czynnych oraz procedurami oznaczania pH wodnych roztworów i
oznaczania ogólnej alkaliczności środków powierzchniowo czynnych.
I. Część teoretyczna
Właściwości związków powierzchniowo czynnych zależą od budowy ich cząsteczek,
tj. od rodzaju grup hydrofobowych i hydrofilowych, czyli od tego, czy przeważają
właściwości hydrofilowe, czy hydrofobowe oraz od położenia grupy hydrofilowej w
cząsteczce. Im bliżej znajduje się ona końca łańcucha reszty hydrofobowej, tym
rozpuszczalność surfaktantu w wodzie jest mniejsza, a im bliżej środka łańcucha, tym
rozpuszczalność jest większa. Gdy grupa hydrofilowa dominująca w cząsteczce surfaktantu
ma charakter kwasowy lub zasadowy, wówczas występuje w postaci soli, która dysocjuje w
roztworze wodnym. Surfaktanty, których grupy hydrofilowe nie są zdolne do tworzenia soli,
nazywamy niejonowymi. Surfaktanty, które zawierają zarówno grupy hydrofobowe o
charakterze kwasowym, jak i grupy o charakterze zasadowym, a więc takie, które tworzą jony
obojnacze, noszą nazwę amfolitów. Ze względu na ich zdolność do dysocjacji elektrolitycznej
surfaktanty dzieli się na anionowe, kationowe, niejonowe i amfolityczne.
Surfaktanty anionowe używane są w kosmetyce w charakterze mydeł, detergentów
(syntetyczne substancje powierzchniowo czynne o identycznym zastosowaniu z mydłami)
oraz emulgatorów. Zwykłe mydło jest po prostu mieszaniną soli sodowych (mydła twarde)
lub potasowych (konsystencja mazista) wyższych kwasów tłuszczowych (głównie
palmitynowego, stearynowego i oleinowego). Zarówno karboksylowe kwasy alifatyczne jak i
aromatyczne są kwasami słabej mocy i mają niewielką skłonność do odszczepiania protonów.
Aniony karboksylowe są tym samym umiarkowanie mocnymi zasadami i wykazują znaczną
tendencję do łączenia się z protonami. Aniony te reagują z wodą, co powoduje zwiększenie
stężenia jonów wodorotlenkowych, a reakcja ta jest często określana jako hydroliza. W
rezultacie wodne roztwory soli kwasów karboksylowych są zasadowe (pH około 9-11), co
prowadzi do alkalizacji skóry.
RCOO − + H 2 O = RCOO + OH −
1
- Chemia w kosmetologii dla liceum - metody analityczne w przemyśle kosmetycznym Korzystniejsze pod tym względem są mydła amonowe i aminowe, których roztwory
reagują słabo alkalicznie (pH~8,0). W charakterze aminy w mydłach amoniowych najczęściej
występuje trójetanoloamina (TEA).
Stosowane w kosmetyce detergenty anionowe wywodzą się z soli peptydów i
aminokwasów acylowanych kwasami tłuszczowymi, soli alkilosiarczanów oraz soli
oksyetylenowanych alkilosiarczanów, soli p-alkiloarylosulfonianów i alkilosulfonianów.
Podstawowa różnica pomiędzy mydłami klasycznymi a syntetycznymi detergentami
anionowymi sprowadza się do odmiennego zachowania tych substancji wobec twardej wody.
W odróżnieniu od mydeł, syntetyczne detergenty anionowe z kationami wapnia i magnezu nie
tworzą osadów nierozpuszczalnych w wodzie. Ponadto, wodne roztwory detergentów
syntetycznych reagują prawie obojętnie (są one solami mocnych kwasów), co sprawia, że
tylko w niewielkim stopniu wpływają one na zmianę naturalnego odczynu skóry (naturalny
odczyn powierzchni naskórka jest lekko kwaśny, o wartości pH w granicach 5-6).
Jednocześnie surfaktanty takie mają bardzo dobre właściwości myjące i pianotwórcze. Są
dobrze tolerowane przez skórę, nie drażniące i słabo odtłuszczające.
Surfaktanty amfolityczne, zwane też surfaktantami amfoterycznymi zawierają
jednocześnie dwie grupy hydrofilowe: kwasową i zasadową, które nadają cząsteczce
charakter amfoteryczny. W ich roztworach istnieją bipolarne jony obojnacze (amfijony) w
postaci +R- oprócz postaci częściowo zdysocjowanych R+ i R-. Surfaktanty takie zachowują
się jako anionowo bądź kationowo czynne w zależności od pH środowiska. Grupa
surfaktantów amfolitycznych obejmuje połączenia o budowie aminokwasów oraz pochodne
betainy i sulfobetainy. W porównaniu z detergentami anionowymi, detergenty oparte o
surfaktanty amfoteryczne są znacznie lepiej tolerowane przez skórę i błony śluzowe, co
tłumaczy się podobieństwem ich budowy i właściwości do protein.
−
OH
→ R-NH(CH2)nCOOR-NH2 (CH2)nCOOH ← R-NH2 (CH2)nCOO 
+
H+
+
-
R-NH(CH2)nCOOH
Punkt izoelektryczny
R – alkilowa reszta tłuszczowa
2
- Chemia w kosmetologii dla liceum - metody analityczne w przemyśle kosmetycznym Surfaktanty niejonowe (niejonogenne) są związkami powierzchniowo czynnymi, które
w roztworach wodnych nie ulegają jonizacji. Do kosmetycznych detergentów niejonogennych
należą związki z grupy N-tlenków amin tłuszczowych, pochodne cukrów o budowie
glikozydowej lub estrowej oraz kopolimery glikolopolietylenowych i polipropylenowych.
Do
surfaktantów
kationowych
należą
aminy,
sole
i
zasady
z
azotem
czwartorzędowym, sole sulfoniowe i fosfoniowe. Podobnie jak surfaktanty anionowe, ulegają
one w środowisku wodnym dysocjacji. Wytwarzają przy tym dodatnio naładowany jon,
wykazujący aktywność powierzchniową.
II. Część doświadczalna
Ćwiczenie zostało opracowane w oparciu o Polskie Normy: PN-93 C-04844 i PN-89
C-04963.
Odczynniki:
Nazwa
Sprzęt:
Ilość [cm3] Nazwa
Ilość
Kwas solny, roztwór mianowany o
stężeniu 0.1 mol/dm3
150
Pehametr
umożliwiający szt. 1
osiągnięcie dokładności 0.02
jednostki pH
Roztwory buforowe (jeden o pH
niższym, drugi o wyższym od pH
roztworu badanego), np. o pH 4 i 9
10
Układ elektrod do pomiarów
pehametrycznych
szt. 1
Kolba stożkowa poj. 250 cm3 szt. 3
Uniwersalne papierki wskaźnikowe
Woda destylowana, niezawierająca
dwutlenku węgla
400
Biureta poj. 50 cm3
szt. 1
Oranż
metylowy
lub
błękit
bromofenolowy, roztwór o stężeniu 0.1
% (m/m)
1.5
Kolba miarowa poj. 100 ml
szt. 2
Zlewka poj. 100 cm3
szt. 3
Zlewka poj. 50 cm3
szt. 3
Bagietka
szt. 1
Cylinder poj. 50 cm3
szt. 1
3
- Chemia w kosmetologii dla liceum - metody analityczne w przemyśle kosmetycznym 1. Oznaczanie pH wodnych roztworów produktów chemicznych
a) Przygotowanie roztworu do oznaczania
Odważyć 1 g badanej substancji i rozpuścić w około 50 cm3 wody. Następnie
przenieść do kolby miarowej o pojemności 100 cm3, dopełnić wodą do kreski i wymieszać. W
przypadku substancji trudno rozpuszczalnych, sporządzić roztwór nasycony w temperaturze
20 ±1°C.
Przed pomiarem metodą potencjometryczną należy wstępnie określić przybliżoną
wartość pH badanej próbki, nanosząc bagietką kroplę roztworu na uniwersalny papierek
wskaźnikowy.
b) Wykonanie oznaczenia
Przed wykonaniem oznaczenia należy przygotować układ pomiarowy, a następnie
skalibrować go (patrz instrukcja obsługi pehametru). Zaleca się wykonanie pomiarów w
temperaturze 20°C.
Pomiar należy przeprowadzić natychmiast po wykonaniu wzorcowania aparatu, nie
później niż w ciągu 30 min. od przygotowania badanego roztworu. Do czystego i suchego
naczynka wlać badany roztwór i zanurzyć w nim opłukaną i osuszoną elektrodę. Zanotować
wskazania pehametru, które powinno ustalić się w ciągu 1 min. Powtórzyć te same czynności
z nową porcją badanego roztworu. W przypadku, gdy nowe wskazanie pehametru mieści się
w granicach 0.1 – 0.2 jednostki pH pomiar jest zakończony. Jeżeli wynik drugiego pomiaru
różni się od pierwszego więcej niż 0.2 jednostki pH, należy wykonać trzeci pomiar z nową
porcją roztworu. W przypadku gdy i trzeci pomiar nie mieści się w dopuszczalnych granicach
należy powtórzyć wszystkie operacje łącznie z wzorcowaniem.
2. Oznaczanie alkaliczności środków powierzchniowo czynnych metodą miareczkową.
Metoda ta polega na oznaczaniu alkaliów w formie węglanów, wodorowęglanów,
wodorotlenków alkalicznych lub wolnych zasad organicznych, takich jak trietanoloamina.
Do kolby stożkowej o pojemności 250 cm3 odważyć, z dokładnością do 0.001 g, około
0.5 g jednorodnej próbki laboratoryjnej wskazanej przez prowadzącego zajęcia (np. proszek
do prania, mydło w płynie). Do próbki należy dodać 50 cm3 wody i rozpuścić. Następnie
dodać 3 - 4 krople roztworu wskaźnika (oranż metylowy lub błękit bromofenolowy) i
miareczkować mianowanym roztworem kwasu solnego (0.1 mol/dm3) aż do osiągnięcia
punktu końcowego miareczkowania (do pierwszej zauważalnej zmiany barwy). Powtórzyć te
same czynności z nową porcją badanego roztworu. W celu ułatwienia porównania
4
- Chemia w kosmetologii dla liceum - metody analityczne w przemyśle kosmetycznym zabarwienia roztworów należy przygotować, postępując jak wyżej, roztwór zawierający około
0.5 g próbki w 50 cm3 wody i dodać dwie krople roztworu wskaźnika.
III. Sprawozdanie
Obliczyć wynik końcowy oznaczania pH. Za wynik końcowy oznaczania należy
przyjąć średnią arytmetyczną dwóch wyników, między którymi różnica nie przekracza 0.1 –
0.2 jednostki pH.
Alkaliczność produktu, wyrażoną jako zawartość (X) tlenku sodu (Na2O), obliczyć w
procentach, % (m/m), wg wzoru
X=
V ⋅ c ⋅ 3.1
m
w którym:
V – objętość mianowanego roztworu kwasu solnego zużytego do miareczkowania (cm3);
c – stężenie mianowanego roztworu kwasu solnego (mol/dm3);
m – masa próbki badanej (g).
Porównać wyniki otrzymane dla próbek różnych produktów.
IV. Wymagania teoretyczne
Definicja i klasyfikacja środków powierzchniowo czynnych. Właściwości środków
powierzchniowo czynnych. Definicja alkaliczności związków powierzchniowo czynnych i
sposoby jej wyznaczania. Stężenie jonów wodorowych i pH roztworów kwasów, zasad i soli.
Podstawy teoretyczne alkacymetrii: teorie kwasów i zasad, wskaźniki kwasowo -zasadowe,
krzywa miareczkowania alkacymetrycznego.
V. Utylizacja
Roztwory, pozostałe po wykonaniu ćwiczenia rozcieńczyć wodą wodociągową i wylać
do kanalizacji.
VI. Zalecana literatura.
1. W. Malinka, Zarys chemii kosmetycznej, VOLUMED sp. z o.o., Wrocław 1999.
2. A. Cygański, Chemiczne metody analizy ilościowej, Wydawnictwa NaukowoTechniczne, Warszawa 1992.
3. Z.S. Szmal, T. Lipiec, Chemia analityczna z elementami analizy instrumentalnej,
Państwowy Zakład Wydawnictw Lekarskich, Warszawa 1988.
5
- Chemia w kosmetologii dla liceum - metody analityczne w przemyśle kosmetycznym 4. J. Minczewski, Z. Marczenko, Chemia analityczna, wydanie ósme, tom 2, PWN,
Warszawa 2001.
5. E. Gomółka, A. Szaynok, Chemia wody i powietrza, Oficyna Wydawnicza Politechniki
Wrocławskiej, Wrocław 1997.
6. J. Ogonowski, A. Tomaszkiewicz-Potępa, Związki powierzchniowo czynne, Politechnika
Krakowska, Kraków, 1999.
VII. Opracowanie ćwiczenia i instrukcji: Danuta Kroczewska i Anna Kamecka
(wrzesień 2004)
6