Чому мило в жорсткій воді не милиться?

Основа мила натрієві солі жирних кислот. Жирні кислоти - це довгі молекули, що складаються з двох фрагментів - вуглеводневої і карбоксилатного. Наприклад, молекула стеаринової кислоти виглядає так: СН3-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СООН.

Всі ми знаємо, що вуглеводні (що входять до складу бензину, гасу, дизпалива, наприклад, октан - СН3-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН3) нерозчинні у воді, так як взаємодія молекул води між собою набагато сильніше, ніж їх взаємодія з молекулою октану (або будь-якого іншого вуглеводню). Багато також знають, що щавлева кислота ноос-СООН - прекрасно розчиняється у воді, так як "сила" взаємодії молекул води з карбоксильними групами (-СООН) порівнянна з "силою" взаємодії молекул води між собою.

тепер зробимо "середнє арифметичне" з октану і щавлевої кислоти, тобто сконструюємо молекулу СН3-СН2-СН2-СН2-СООН. Це молекула валериановой кислоти. вона містить "вуглеводневу" СН3-СН2-СН2-СН2- і карбоксильну -СООН частини. Вуглеводнева частина не хоче розчинятися у воді, а карбоксильна хоче. Хто ж переможе? Якщо ми розглянемо молекули з коротшою вуглеводневої частиною СН3-СООН - оцтову і СН3-СН2-СООН - пропионовую кислоти, то вони прекрасно розчиняються у воді, тобто перемагає карбоксильная частина. Наступна кислота масляна СН3-СН2-СН2-СООН вже погано розчинна, в воді (трохи "сильніше" углеводорордная частина). Валеріанова вже дуже погано розчиняється у воді. Чим далі, тим гірше, тому кислоти довше валериановой мало розчиняються у воді.

А натрієві солі? Натрієві солі жирних кислот диссоциируют в воді на катіон натрію Na (+) і аніон (наприклад той же валерат-аніон СН3-СН2-СН2-СН2-СОО (-). Анион відрізняється від кислоти тим, що в карбоксильної групі немає атома водню, і замість електрично нейтральної карбоксильної групи -СООН стала заряджена негативно карбоксилатні група -СОО (-). А вона сильніше взаємодіє з водою, ніж карбоксильная група, і перемагає вуглеводневу частину.

Тому валерат натрію добре розчинний у воді. Але чим довше вуглеводнева частина, тим менш охоче розчиняються у воді навіть аніони. Тому довгий стеарат-аніон не хоче розчинятися у воді. Тому, коли концентрація мила в воді дуже маленька, то стеарат-аніони як би прагнуть вийти з води (вірніше, молекули води "виштовхують" їх). Тому стеарат-аніони виштовхуються з обсягу і збираються на поверхні води, тим самим знижуючи її поверхневий натяг. Власне це і є головна мета імпользованія миючих засобів - зниження поверхневого натягу води. Що ж буде, якщо мила розчиняти більше? Стеарат анионам НЕ хваьает місця на поверхні води, тому вони починають "липнути" один до одного, збираючись в якусь подобу кулі (вуглеводневі ланцюги всередині кулі, а карбоксилатні кінці зовні) на зразок їжачка. Цей їжачок називається міцела. Таким чином, стеарат-аніони або на поверхні води, або в мицеллах. Оскільки міцели в цілому (за рахунок зарядів карбоксилатних груп) заряджені негативно, вони відштовхуються один від одного, і при не дуже великих концентраціях виходить все ж "розчин" мила. Такий розчин називається "колоїдним розчином". Іони натрію притягуються до міцел і обволікають їх, але оскільки вони одновалентних (заряд +1), то вони зв'язуються з мицеллами не надто міцно, і колоїдний розчин зберігається. У жорсткій воді є багатозарядні катіони Ca (2+), Mg (2+), Fe (3+), Al (3+) і ін. Вони набагато міцніше зв'язуються з мицеллами, і як би "склеюють" міцели в більші агрегати, настільки великі, що вони стають видимі, утворюючи "пластівці" на поверхні води. У сильно жорсткої воді все міцели зв'язуються в такі пластівці (а значить і все стеарат-аніони), колоїдний розчин перестає існувати, на поверхні води не залишається стеарат-аніонів, і мило "НЕ милиться".