Saippuat ja pesuaineet

Karboksyylihapot ja -suolat, joiden alkyyliketjut ovat pidempiä kuin kahdeksan hiiliyhdisteen pituisia, käyttäytyvät vedessä epätavallisen epätavallisesti, koska samassa molekyylissä on sekä hydrofiilisiä (hiilidioksidipäästöjä aiheuttavia hiilidioksidipäästöjä aiheuttavia hiilidioksidipäästöjä aiheuttavia hiilidioksidipäästöjä aiheuttavia hiilidioksidipäästöjä aiheuttavia hiilidioksidipäästöjä aiheuttavia aineita. Tällaisia molekyylejä kutsutaan amfifiilisiksi (gk. amphi = molemmat) tai amfipaattisiksi. Rasvahapot, jotka koostuvat vähintään kymmenestä hiiliatomista, ovat lähes liukenemattomia veteen, ja pienemmän tiheytensä vuoksi ne kelluvat pinnalla, kun ne sekoittuvat veteen. Toisin kuin parafiini tai muut alkaanit, joilla on taipumus lammikoitua veden pinnalle, nämä rasvahapot leviävät tasaisesti laajalle vesipinnalle muodostaen lopulta monomolekyylisen kerroksen, jossa polaariset karboksyyliryhmät ovat vetysidoksessa veden rajapinnassa ja hiilivetyketjut ovat suuntautuneet yhteen poispäin vedestä. Tätä käyttäytymistä havainnollistetaan oikealla olevassa kaaviossa. Aineita, jotka kerääntyvät veden pinnalle ja muuttavat pinnan ominaisuuksia, kutsutaan pinta-aktiivisiksi aineiksi.

Rasvahappojen alkalimetallisuolat liukenevat veteen paremmin kuin itse hapot, ja näiden aineiden amfifiilinen luonne tekee niistä myös vahvoja pinta-aktiivisia aineita. Yleisimpiä esimerkkejä tällaisista yhdisteistä ovat saippuat ja pesuaineet, joista neljä on esitetty alla. Huomaa, että jokaisessa näistä molekyyleistä on pooliton hiilivetyketju, ”häntä”, ja poolinen (usein ioninen) ”pääryhmä”. Tällaisten yhdisteiden käyttöä puhdistusaineina helpottaa niiden pinta-aktiivinen luonne, joka alentaa veden pintajännitystä, jolloin se voi tunkeutua ja kastella erilaisia materiaaleja.

Hyvin pienet määrät näitä pinta-aktiivisia aineita liukenevat veteen, jolloin saadaan aikaan satunnainen dispersio liuenneita molekyylejä. Kun pitoisuutta kuitenkin lisätään, tapahtuu mielenkiintoinen muutos. Tensidimolekyylit kasaantuvat palautuvasti polymolekulaarisiksi aggregaateiksi, joita kutsutaan miselleiksi. Kun hydrofobiset ketjut kootaan yhteen mikkelin keskelle, nestemäisen veden vetysidoksisen rakenteen rikkoutuminen minimoidaan, ja polaariset pääryhmät ulottuvat ympäröivään veteen, jossa ne osallistuvat vetysidokseen. Nämä mikkelit ovat usein muodoltaan pallomaisia, mutta ne voivat olla myös sylinterimäisiä ja haaroittuneita, kuten oikealla olevassa kuvassa on esitetty. Tässä polaarinen pääryhmä on merkitty sinisellä ympyrällä ja pooliton pyrstö mustalla siksak-viivalla.

Vanhin ihmisen tuntema amfifiilinen puhdistusaine on saippua. Saippuaa valmistetaan eläinrasvan emäskatalysoidulla hydrolyysillä (saippuoitumisella). Ennen kuin natriumhydroksidia oli kaupallisesti saatavilla, käytettiin kiehuvaa kaliumkarbonaattiliuosta, joka liuotettiin puutuhkasta. Pehmeät kaliumsaippuat muutettiin sitten kovemmiksi natriumsaippuoiksi pesemällä suolaliuoksella. Saippuan merkitys ihmisen sivilisaatiolle on dokumentoitu historiassa, mutta joitakin sen käyttöön liittyviä ongelmia on tiedostettu. Yksi niistä johtuu rasvahappojen heikosta happamuudesta (pKa n. 4,9). Alkalisaippuoiden liuokset ovat hydrolyysin vuoksi lievästi emäksisiä (pH 8-9). Jos happamat epäpuhtaudet laskevat saippualiuoksen pH:ta, liukenemattomat rasvahapot saostuvat ja muodostavat sakan. Toinen ongelma aiheutuu kalsium- ja magnesiumsuolojen esiintymisestä vesistössä (kova vesi). Nämä kaksiarvoiset kationit aiheuttavat mikkelien aggregaatiota, jolloin ne laskeutuvat likaiseksi hilseeksi.

Näitä ongelmia on lievitetty kehittämällä synteettisiä amfifiilejä, joita kutsutaan pesuaineiksi (tai syndeteiksi). Käyttämällä paljon vahvempaa happoa polaarisena pääryhmänä amfifiilin vesiliuokset ovat vähemmän herkkiä pH:n muutoksille. Myös sulfonaattitoiminnot, joita käytetään lähes kaikissa anionisissa pesuaineissa, lisäävät kovassa vedessä esiintyvien emäksisten maametallien kationeja sisältävien mikkelien liukoisuutta. Amfifiilien muunnelmat ovat johtaneet muiden luokkien, kuten edellä esitettyjen kationisten ja ei-ionisten pesuaineiden, kehittämiseen. Kationisilla pesuaineilla on usein bakteereja tuhoavia ominaisuuksia, ja niiden kyky muuttaa pinnan pH:ta on tehnyt niistä käyttökelpoisia kankaanpehmentimissä ja hiustenhoitoaineissa. Nämä monipuoliset kemialliset ”työkalut” ovat muuttaneet dramaattisesti kotitalouksien ja henkilökohtaisen hygienian puhdistustuotteiden markkinoita viimeisten viidenkymmenen vuoden aikana.