日常化学

引入

肥皂为什么能洗掉油污?它和洗衣液有什么区别?

面包和馒头为什么松软多孔?

84 消毒液为什么不能和洁厕灵混用?

化学不只存在于实验室,日常生活中处处有化学。理解这些”日常化学”,既能提高生活品质,也能避免危险操作。

正文

清洁用品的化学

肥皂

肥皂是高级脂肪酸钠盐（或钾盐）,由油脂与 $\mathrm{NaOH}$ 皂化反应制得。

$(\mathrm{RCOO}){}_3\mathrm{C}{}_3\mathrm{H}{}_5+3\mathrm{NaOH}\to 3\mathrm{RCOONa}+\mathrm{C}{}_3\mathrm{H}{}_5(\mathrm{OH}){}_3$

参见基本营养物质中油脂的皂化反应。

去污原理:

肥皂分子同时含有亲水基（$-\mathrm{COONa}$）和疏水基（长链烃基 $\mathrm{R}{}^{-}$）。

1. 疏水基插入油滴中
2. 亲水基朝向水
3. 揉搓或搅拌使油滴被肥皂分子包裹,形成胶束
4. 油滴被乳化、分散在水中,随水冲走

肥皂的缺点:

• 在硬水中与 $\mathrm{Ca}{}^{2+}$、$\mathrm{Mg}{}^{2+}$ 生成不溶性皂垢:$2\mathrm{RCOONa}+\mathrm{Ca}{}^{2+}\to (\mathrm{RCOO}){}_2\mathrm{Ca}\downarrow +2\mathrm{Na}{}^{+}$
• 在酸性环境中转化为不溶的脂肪酸

合成洗涤剂（洗衣液/洗衣粉）

主要成分是烷基苯磺酸钠（$\mathrm{R}-\mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_4-\mathrm{SO}{}_3\mathrm{Na}$）等合成表面活性剂。

对比	肥皂	合成洗涤剂
原料	动植物油脂	石油化工产品
硬水中	生成皂垢	不受影响
酸性环境	失效	可使用
生物降解	易降解	部分难降解

84 消毒液

有效成分是次氯酸钠（$\mathrm{NaClO}$）。

$\mathrm{NaClO}+\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\rightleftharpoons \mathrm{NaOH}+\mathrm{HClO}$

$\mathrm{HClO}$（次氯酸）是强氧化剂,能氧化细菌和病毒的蛋白质,起到杀菌消毒作用。

严禁与洁厕灵（含盐酸）混用:

$\mathrm{NaClO}+2\mathrm{HCl}\to \mathrm{NaCl}+\mathrm{Cl}{}_2\uparrow +\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$

产生有毒的氯气（$\mathrm{Cl}{}_2$）,可致人中毒甚至死亡。

发酵的化学

面包/馒头

利用酵母菌的酒精发酵产生 $\mathrm{CO}{}_2$,使面团膨胀。

$\mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_{12}\mathrm{O}{}_6\stackrel{酵母}{\to }2\mathrm{C}{}_2\mathrm{H}{}_5\mathrm{OH}+2\mathrm{CO}{}_2\uparrow$

烘烤时酒精挥发,$\mathrm{CO}{}_2$ 留在面团中形成气孔,使面包松软。

小苏打（$\mathrm{NaHCO}{}_3$）发酵:

$2\mathrm{NaHCO}{}_3\stackrel{\mathrm{\Delta }}{\to }\mathrm{Na}{}_2\mathrm{CO}{}_3+\mathrm{CO}{}_2\uparrow +\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$

$\mathrm{NaHCO}{}_3+\mathrm{CH}{}_3\mathrm{COOH}\to \mathrm{CH}{}_3\mathrm{COONa}+\mathrm{CO}{}_2\uparrow +\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$

小苏打受热或与酸反应都能产生 $\mathrm{CO}{}_2$,常用于烘焙。

酿酒

$\mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_{12}\mathrm{O}{}_6\stackrel{酵母}{\to }2\mathrm{C}{}_2\mathrm{H}{}_5\mathrm{OH}+2\mathrm{CO}{}_2\uparrow$

葡萄糖在无氧条件下被酵母菌转化为乙醇和 $\mathrm{CO}{}_2$。

泡菜/酸奶

利用乳酸菌的乳酸发酵:

$\mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_{12}\mathrm{O}{}_6\stackrel{乳酸菌}{\to }2\mathrm{CH}{}_3\mathrm{CH}(\mathrm{OH})\mathrm{COOH}$

乳酸降低 $\mathrm{pH}$,抑制有害菌生长,同时赋予酸奶和泡菜特殊酸味。

厨房中的化学

现象	化学原理
铁锅生锈	$\mathrm{Fe}$ 在潮湿空气中氧化:$4\mathrm{Fe}+3\mathrm{O}{}_2+x\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\to 2\mathrm{Fe}{}_2\mathrm{O}{}_3\cdot x\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$
切苹果变褐	多酚氧化酶催化酚类物质氧化
加醋去水垢	$\mathrm{CaCO}{}_3+2\mathrm{CH}{}_3\mathrm{COOH}\to \mathrm{Ca}(\mathrm{CH}{}_3\mathrm{COO}){}_2+\mathrm{CO}{}_2\uparrow +\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$
煮蛋凝固	蛋白质热变性
蒸馒头加碱	中和发酵产生的酸,$\mathrm{Na}{}_2\mathrm{CO}{}_3+2\mathrm{H}{}^{+}\to 2\mathrm{Na}{}^{+}+\mathrm{CO}{}_2\uparrow +\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$

常见危险组合

组合	危险	原因
84 消毒液 + 洁厕灵	产生氯气中毒	$\mathrm{NaClO}+\mathrm{HCl}\to \mathrm{Cl}{}_2\uparrow$
酒精 + 明火	火灾	乙醇易燃
漂白剂 + 氨水	产生氯胺	有毒气体
双氧水 + 碘酒	失效	互相氧化还原

水的化学

硬水与软水:

• 硬水含较多 $\mathrm{Ca}{}^{2+}$、$\mathrm{Mg}{}^{2+}$,用肥皂洗手时泡沫少
• 软水含较少这些离子,肥皂起泡多
• 水垢是 $\mathrm{CaCO}{}_3$ 和 $\mathrm{Mg}(\mathrm{OH}){}_2$

饮用水处理:

1. 絮凝:加明矾,$\mathrm{Al}{}^{3+}$ 水解生成 $\mathrm{Al}(\mathrm{OH}){}_3$ 胶体吸附悬浮物
2. 沉淀:大颗粒沉降
3. 过滤:去除小颗粒
4. 消毒:通入 $\mathrm{Cl}{}_2$ 或加入 $\mathrm{NaClO}$

$\mathrm{Cl}{}_2+\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\rightleftharpoons \mathrm{HCl}+\mathrm{HClO}$

$\mathrm{HClO}$ 是有效消毒成分。

家居材料的化学

材料	化学成分	说明
PVC 管	聚氯乙烯	排水管道
不粘锅涂层	聚四氟乙烯（PTFE/特氟龙）	耐高温、化学惰性
玻璃	$\mathrm{Na}{}_2\mathrm{O}\cdot \mathrm{CaO}\cdot 6\mathrm{SiO}{}_2$	普通钠钙玻璃
水泥	硅酸钙为主	与水反应硬化
不锈钢	铁-铬-镍合金	铬形成钝化膜防锈

引出

表面活性剂的分子结构如何决定其去污能力?

为什么发酵粉比酵母更适合做蛋糕?

家用净水器中的活性炭和反渗透膜各自去除什么?

参考:基本营养物质、蛋白质、环境保护与绿色化学、高分子材料