Vad är skillnaden mellan maskin- och handdiskmedel?

Tillhör kategori: vardagens kemi

Författare: Anders Brager, Ann-Kristine Lundgren

Introduktion Riktlinjer Säkerhet Materiel Förarbete Utförande Förklaring Kemisk bakgrund Fördjupning Litteratur Fler experiment

Irriterande 

Tid för förberedelse: 10 minuter

Tid för genomförande: 20 minuter

Antal tillfällen: 1

Säkerhetsfaktor: Utföres med normal varsamhet

Svårighetsgrad: Busenkelt

Introduktion

På marknaden finns idag en rad olika diskmedel. Det medel du använder till handdisk har inte samma egenskaper som det du har i diskmaskinen. I detta experiment skall du jämföra egenskaperna hos ett handdiskmedel och ett maskindiskmedel i både hårt och mjukt vatten. Vilka skillnader märker du? Varför kan man inte använda samma diskmedel jämt?

Riktlinjer

Experimentet kan lämpligen utföras som elevförsök, i grupper om två till tre elever, i grundskolan eller gymnasiet. I högre årskurser kan eleverna få söka mer bakgrundsfakta till laborationen och man kan diskutera den ingående kemin mer detaljerat. I lägre årskurser kan man nöja sig med att göra experimentet och besvara frågorna i introduktionen.

Laborationen kan också utföras som en hemuppgift antingen individuellt eller i grupp.

Säkerhet

Eftersom diskmedel är en vardagskemikalie med höga miljökrav kan man spola alla rester i vasken.

Undvik hudkontakt med kalciumkloriden i koncentrerad form.

Materiel

Förarbete

Undersökningen kräver inget direkt förarbete förutom att eventuellt ställa fram materiel. Man kan lämpligen låta eleverna ta med sig diskmedel från det egna hemmet så att flera olika märken av diskmedel blir undersökta.

Utförande

  1. Tillverka hårt vatten genom att lösa lite kalciumklorid. Ett par skedar räcker bra, så blandningen blir grumlig.
  2. Jämför de två diskmedlens egenskaper i både hårt och mjukt vatten genom att tillsätta lite diskmedel till hårt respektive mjukt vatten. (Mjukt vatten kan vara vanligt kranvatten, om inte vattnet där du bor är särskilt hårt, eller destillerat vatten.) Skaka diskmedlet tillsammans med vattnet. Notera de skillnader du ser!

Förklaring

Sedan en lång tid tillbaka har mängden skum fungerat som ett mått på ett diskmedels effektivitet. Som du observerat vid din jämförelse så skummar handdiskmedlet i både hårt och mjukt vatten och är enligt den gamla myten ett bra rengöringsmedel. Maskindiskmedlet löddrar däremot dåligt i båda vattentyperna. I mjukt vatten kunde du säkerligen notera att det bildades lite skum, men i det hårda vattnet skummade det förmodligen inte alls. Är då maskindiskmedel värdelöst? Nej, naturligtvis inte. Anledningen till att maskindiskmedel inte löddrar är att det innehåller tillsatser som förhindrar skumbildning ty om maskindiskmedel skummade skulle nämligen diskmaskinens funktion påverkas. Löddret skulle störa sköljarmarna och förhindra en god rengöring av porslinet. Dessutom skulle säkert maskinen "explodera", bildligt talat, av allt skum om det inte redan runnit ut över hela köksgolvet.

Kemisk bakgrund

Vy för utskrift av kemisk bakgrund och fördjupning

I din undersökning såg du att det ibland bildades skum då du skakade diskmedel i vatten. Skummet består av mycket små bubblor som bildas då luft "fångas" i en vätskedroppe. Om du tillsätter diskmedel till lämpligt vatten utan att skaka eller röra om i blandningen ser du att det inte bildas några fina bubblor. Detta beror helt enkelt på att du inte fångat in någon luft i din vätskeblandning!

Teori och bakgrundsfakta

Skumbildning var tidigare ett mått på hur bra en detergent var. Naturligtvis hänger dessa egenskaper inte ihop med varandra utan det var enbart en tanke hos folket. Skummet visade egentligen bara på att det fanns en aktivitet hos detergenten och smutsen gömdes. Tanken att skumbildning visar på detergenters effektivitet som rengörare lever kvar än idag hos vissa och visst tycker vi om då det blir små, fina bubblor då vi diskar och tvättar för hand. Men vad skulle ske om det skummade lika mycket i vår tvätt- och diskmaskin? Jo, i dessa maskiner är temperaturen hög och det är en stor rörelse på vattnet. Om den använda detergenten skulle ha en förmåga att skumma skulle temperaturen och rörelsen leda till en otrolig skumbildning i maskinerna. Det skulle kunna bli en översvämning och skummet skulle förhindra en bra rengöring. För att detta inte skall ske tillsätts så kallade skumreglerare till detergenterna. Skumreglerarna har till uppgift att minska på skumbildningen och trots att det finns många möjliga reglerare så används endast ett fåtal på marknaden. Ett exempel på skumreglerare är tvål, trots att denna har vissa begränsningar. För att tvål skall begränsa skumbildningen krävs nämligen att det finns kalciumjoner närvarande (se nedan). Dessa joner kan komma från hårt vatten eller smuts, men om vattnet är mjukt eller om den produkt som skall rengöras endast är lite nedsmutsad så fungerar tvålen som en dålig skumreglerare. Andra begränsningar med tvålen är att den endast fungerar som reglerare i vissa sorters detergenter och att den även påverkar vilken typ av builders (se nedan) som kan tillsättas till detergenten.

Hårt vatten

Ett hårt vatten innehåller mycket lösta mineral och ett vattens hårdhet sägs vara detsamma som summan av koncentrationerna kalcium och magnesium i vattnet. På kemiskt sätt skrivs detta på följande sätt: Hårdhet ≈ [Ca2+] + [Mg2+]

I olika områden har vattnet olika hårdhet och det påverkar både vissa detergenters funktion (se nedan) och vår egen hälsa. Man har nämligen sett att det är färre dödsfall till följd av olika hjärtsjukdomar i de områden där vattnet är hårt än i de områden där vattnet är mjukt. Vad detta exakt beror på vet man inte, men det hårda vattnets tillförsel av magnesiumjoner till kroppen är förmodligen en av fördelarna med vattentypen.

Hårt vatten och tvål

Ordet detergent kommer från det latinska ordet detergere som betyder "att rengöra". Ordet detergent är således ett samlingsnamn på produkter som har en förmåga att göra rent. En typ av detergent är tvål. Tvål utgör endast en liten del av detergenterna och är natrium- eller kaliumsalter av långa karboxylsyror. Generellt ser en tvåls strukturformel ut på följande sätt där n ligger mellan 8 och 16:

CH3-(CH2)n-COO- Na+

Då tvål tillsätts till hårt vatten bildas ett olösligt skum, kalktvål, som är svårt att avlägsna från de tvättade ytorna. Det som sker är att tvålmolekylerna binder det hårda vattnets anjoner (positiva joner) till sina polära huvuden. Detta gör att tvålmolekylerna blir "upptagna" . De kan inte utföra sin tvättverkan och man ser inget fint lödder. Med reaktionsformler kan en tvåls reaktion med hårda anjoner skrivas på följande sätt:

Ca2+(aq) + 2 C17H35CO2-(aq) → Ca(C17H35CO2)2(s)

Tvålens reaktion med hårda joner nyttjas dock som en fördel i vissa fall där man inte vill ha en riklig skumbildning (som i t.ex. maskindiskmedel). Till följd av sina egenskaper används därför tvål som en så kallad skumreglerare.

Om du vill veta mer om detergenters egenskaper och funktion kan du läsa om detta i "Teori och bakgrundsfakta" till laborationen Framställ en detergent.

Historik

Det har länge varit känt att tvättegenskaperna hos vatten kan förbättras på olika sätt. Redan egyptierna använde soda (natriumkarbonat, Na2CO3) som tvätt-tillsats och sedan började de även använda olika mjukgörare till hårt vatten. Soda och natriumsilikat (NaSiO3) utgjorde tillsammans grunden för den första tillverkade detergenten, som fanns på marknaden år 1878 i Tyskland. Sedan dess har utvecklingen gått framåt och man har ersatt tvålen med andra så kallade syntetiska detergenter. År 1828 ersattes för första gången tvålen med fettalkoholsulfater, som än idag används i många produkter, t.ex. i maskindiskmedel.

Från tvål till syntetisk detergent
Natriumsalter av ogrenade fettsyror är det vi i dagligt tal kallar för fast tvål. Eftersom tvål inte fungerar bra i hårt vatten har det skett en utveckling även inom denna bransch. Efter andra världskriget utvecklades de syntetiska detergenterna och dessa ersatte till stor del den tidigare använda tvålen. De syntetiska detergenterna är natriumsalter av t.ex. sulfonsyror istället för av de naturliga karboxylsyrorna. De syntetiska detergenterna är mer lösliga i vatten och bildar inte något olösligt skum i hårt vatten.
I början av utvecklingen av de syntetiska detergenterna "tutade man och körde" och tänkte inte särskilt mycket på om produkten kunde brytas ned i miljön. I Tyskland hade man dock ett flertal onormalt varma somrar i början av 1960-talet vilket medförde att det bildades massor av skum i dammar och liknande. Man upptäckte att ett flertal detergenter var oförändrade efter det att de passerat avloppsreningsverk. Detta medförde att man stiftade en tysk detergentlag år 1961. År 1964 fick lagen genomslagskraft eftersom tillverkare kunde stängas av från marknaden om inte deras produkter bröts ned mer än 80% i avloppsreningsverken.

Polyfosfater - en "builder" i detergenter
Polyfosfatjoner tillsätts till detergenter och fungerar som så kallade "builders". Polyfosfatjonerna innehåller många negativt laddade syren vilka har en förmåga att binda till Ca2+ och Mg2+ och därigenom bilda vattenlösliga komplex med dessa joner (se Figur 1). Detta leder till att detergenten inte påverkas av de flervärda anjoner som finns till stor del i hårt vatten och att detergenten då kan fungera bra som rengörare. En builder är således en typ av mjukgörare. Genom att de bildade komplexen sedan är lösliga i vattnet så bildas inte heller något olösligt skum som är svårt att få bort från den produkt som skall rengöras från smutsen. En builder medför också att tvättvattnet blir något basiskt, vilket är nödvändigt för en god tvättverkan i vissa fall. Idag används även andra builders förutom polyfosfater. Som exempel kan bl.a. natriumsilikat, natriumcitrat, natriumkarbonat och zeoliter nämnas.

Figur 1. Struktur av tripolyfosfatjon, icke komplexbunden och komplexbunden med kalcium [3].
Idag finns många olika typer av detergenter för att de skall passa till både hushåll och industrier. Alla detergenter innehåller olika komponenter som exempelvis surfaktanter och builders. Till de viktigaste komponenterna hör surfaktanterna, vilka lägger sig på vattenytan. Så sker eftersom surfaktanterna har olika kemiska egenskaper inom molekylen. Varje molekyl har nämligen ett vattenälskande (hydrofilt) huvud som trivs i vatten medan molekylen också har en lång kolkedja som inte gillar vatten. Därför riktas denna upp i luften. Surfaktanterna delas in i fyra olika grupper efter egenskaper. Man talar om anjoniska, katjoniska, nonjoniska och amfotera surfaktanter (se exempel i Tabell 1). Valet av surfaktant beror oftast på dess toxikologiska och ekologiska egenskaper. Eftersom ekonomiska faktorer också är viktiga är det dock endast ett fåtal surfaktanter som står för den större delen av marknaden. För vanlig rengöring av textilier och porslin är det de anjoniska surfaktanterna som är de mest använda.

Tabell 1; Olika typer av surfaktanter [4].
Typ av surfaktantStrukturformelKemiskt namn
AnjoniskR-CH2-O-SO3-Na+
där R = C11-C17
Fettalkoholsulfat
Katjonisk
där R1, R2 = C16-C18
och R3,R4 = C1
Tetraalkyl ammonium klorid
NonjoniskR-C6H4-O-(CH2-CH2-O)nH
där R = C8-12 och n = 5-10
Alkylfenolpoly(etylenglykol)-eter
Amfoter
där R = C12-C18
Alkylbetain

Detergenter och miljön

De första detergenterna innehöll oftast en grenad kolkedja vilket gjorde att dessa var svåra att bryta ned för mikroorganismer i naturen. Då detergenterna inte degraderades medförde detta att man på 1950-talet kunde se skum i många älvar, sjöar och även i dricksvatten. För att detergenterna skulle bli lättare att biodegradera började man använda raka, ogrenade kolkedjor i början av 1960-talet. Detergenter har även påverkat vår miljö på annat sätt än att bara bilda skum i vattendrag. Som exempel kan nämnas sjön Erie i USA som höll på att dö under 1960-talet. Orsaken till att fiskar dog och ruttnade var att sjön fick ett överskott av fosfatjoner, som till stor del kom från polyfosfater i detergenter. Eftersom fosfatjoner fungerar som en kontrollsubstans för algtillväxt så innebar ett överskott av jonen en ökad tillväxt av alger. När sedan algerna dog gick det åt stora mängder syre för att bryta ned växterna. Det medförde i sin tur att fiskar och andra organismer fick för lite syre vilket orsakade en snabb och säker död för dessa. Problemen i sjön Erie uppmärksammades vilket ledde till att man år 1972 skrev "The Great Lakes Water Quality Agreement" i USA och Canada. Sedan denna tidpunkt har man spenderat stora summor pengar för att bygga avloppsreningsverk som klarar av att avlägsna fosfater från vattnet innan detta når utlopp och sjöar. Idag har inflödet av fosfatjoner minskat till sjön med mer än två tredjedelar och Erie har tillfrisknat. Nu har stränderna blivit populära igen och de besöks åter av många turister.

Svenska Naturskyddsföreningen Bra Miljöval Idag är miljöfrågor av största intresse, så även inom denna bransch med rengöringsmedel av olika slag. I Sverige har Svenska Naturskyddsföreningen genom ett samarbete med bl.a. ICA och Dagab utvecklat krav för ett antal olika produkter så att det skall bli enkelt för oss konsumenter att handla miljövänligt. Miljömärkningen kalls för Bra Miljöval och symboliseras av en falk. De produkter som uppfyller kraven från Naturskyddsföreningen får bära denna symbol och det finns i dagsläget kriterier för bl.a. tvättmedel, rengöringsmedel, olika diskmedel, tvål och schampo.

Fördjupning

Tvätt och rengöring

Smuts innehåller ofta feta ämnen, var sig det är matrester på tallriken eller fläckar på kläderna. Fetter har mycket låg löslighet i vatten. Det är därför svårt att få rent genom att bara tvätta i vatten.

Men om man tillsätter disk- eller tvättmedel, så blir det stor skillnad. Det finns flera namn för denna typ av ämnen:

amfifil = ämne med en hydrofil och en hydrofob del
detergent = ämne som rengör
tensid = ämne som sänker ytspänningen
ytaktivt ämne eller surfaktant = ämne som lägger sig i fasgränsytor

Disk- och tvättmedelsmolekyler är amfifiler


Detergentmolekylerna bäddar in fettpartiklar så att de får en hydrofil yta. Då blir de "vattenlösliga" och kan sköljas bort.
Bild: Svante Åberg

Gemensamt för sådana molekyler är att de dels har en hydrofob (vattenskyende) del, ofta i form av en kolvätekedja, dels en hydrofil (vattenälskande) grupp i andra änden. Den hydrofoba svansen är fettlöslig samtidigt om det hydrofila huvudet är vattenlösligt.

Amfifilen är ytaktiv

Detergenten sätter sig spontant i gränsskiktet mellan fett och vatten. Då hamnar den fettlösliga delen i det opolära fettet samtidigt om den vattenlösliga delen har kontakt med det polära vattnet.

Det leder till att fettpartiklar bäddas in i ett lager av amfifilen där molekylernas polära huvuden pekar ut mot vattenlösningen.

Amfifilen gör fettpartiklarna "vattenlösliga"


En dispersion (emulsion) av fettpartiklar i vatten stabiliseras av emulgeringsmedlet, som är ett ytaktivt ämne.
Bild: Svante Åberg

Inbäddade fettpartiklar med en hydrofil yta kan börja sväva i vattenlösningen. Det handlar inte om äkta löslighet eftersom blandningen inte är på molekylnivå, utan med större partiklar. Varje fettpartikel utgör en egen fas skild från vattenfasen.

En sådan blandning av olösliga partiklar i en vätska kallas dispersion. Ett annat namn är emulsion. Vid tvättprocessen är fettpartiklarna små droppar medan vattenlösningen är en kontinuerlig fas som omger fettpartiklarna.

Mekanisk bearbetning underlättar tvättprocessen

Det krävs att fettpartiklarna är små för att man ska få en dispersion. Mekanisk bearbetning slår sönder fettet i mindre delar. Då kommer amfifilmolekylerna åt att bädda in fettpartiklarna.

Fyra typer av detergenter

Detergenter är amfifiler med en opolär del och en polär.

Den opolära "svansen" är alltid ett kolväte, eller möjligen ett par kolvätekedjor. Kolväten är typiskt opolära ämnen som skyr vatten. Ju längre kolvätet är, desto mer opolära egenskaper får molekylen som helhet. Vanligtvis är kolvätekedjan ganska lång.


Klasser av ytaktiva ämnen: icke-joniska, anjoniska, katjoniska och zwitterjoniska
"Tenside haben hyrophile und hydrophobe Enden" av Roland.chem" (CC BY-SA 3.0)

Det polära "huvudet" kan vara av olika typer. På tvättmedels- eller diskmedelsförpackningen brukar den ungefärliga sammansättningen av de olika typerna vara angiven.

Icke-joniska detergenter

Icke-joniska detergenter har en polär grupp som inte är en jon.

Ett vanligt exempel är PEG, polyetylenglykol, som har formeln H−(O−CH2−CH2)n−OH. OH-gruppen är oladdad, men starkt polär på grund av att den höga elektronegativiteten hos syreatomen attraherar elektronmolnet från väteatomen så att syreatomen får en negativ och väteatomen för en positiv nettoladdning.

Anjoniska detergenter

Anjoniska detergenternas polära grupp är en negativ jon. Typiska detergenter är alkylbensensulfonater med den allmänna formeln R–C6H4–SO3, där R är en kolvätekedja.

Exempel är natriumsaltet av dodekylbensensulfonat, C12H25-C6H4-SO3Na.

Katjoniska detergenter

Katjoniska detergenter liknar anjoniska sådana, men den polära gruppen utgörs i stället av en positiv jon. Jonen kan vara ett ammoniumsalt (R-NH4+) eller ett kvarternärt ammoniumsalt (R4N+).

Zwitterjoniska detergenter

En zwitterjon är en positiv och en negativ jon på samma molekyl. Den katjoniska delen är en primär, sekundär eller tertiär amin eller en kvaternär ammonium-katjon. Den anjoniska delen är ofta sulfonat eller ammonium-karboxylat, men det finns många varianter.

Litteratur

  1. Carl H. Snyder, The extraordinary chemistry of ordinary things, Second Edition, 1995, John Wiley & Sons, New York.
  2. P. W. Atkins, L. L. Jones, Chemistry: Molecules, Matter, and Change, 1997, Third Edition, W.H. Freeman and Company, New York.
  3. C. Baird, Environmental Chemistry, 1995, W.H. Freeman and Company, New York.
  4. "Detergents" i Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol. A8, 1987, VCH Publishers, Weinheim.
  5. Tensider - ämnen som gör det möjligt att blanda, Kemilärarnas Resurscentrum (KRC)
    http://www.krc.su.se/raffprojektet/text/Uppdelade%20pdf-filer/sid%20178_181.pdf (2003-05-25)
  6. Soaps, Detergents and Cleaning, @CSU Stanislaus
    http://wwwchem.csustan.edu/chem1002/soapexp.htm (2003-05-25)
  7. The Soap And Detergent Association Home Page, The Soap And Detergent Association
    http://www.sdahq.org/ (2003-05-25)
  8. Dishwashing, The Soap and Detergent Association
    http://www.sdahq.org/dishwash/ (2003-05-25)
  9. Design a washing powder, National Centre for Biotechnology Education (NCBE)
    http://www.ncbe.reading.ac.uk/NCBE/PROTOCOLS/PRACBIOTECH/PDF/wash.pdf (2003-05-25)
  10. Home Experiments: Soft Water and Suds, Bassam Shakhashiri
    http://scifun.chem.wisc.edu/HOMEEXPTS/SOFTWATR.html (2003-05-25)
  11. Svenska Naturskyddsföreningen (SNF)
    http://www.snf.se/ (2003-05-25)

Fler experiment


vardagens kemi
Att döda bakterier - kan Klorin & Javex va´ nå´t?
Bestäm CMC för diskmedel
Blev disken ren?
Coca-Cola vs Coca-Cola light
Den bästa bulldegen
Den omöjliga tvålen - den är preparerad!
Diska med äggula
Eld - varför brinner det?
Eldprovet
Enzymaktivitet i ananas
Enzymer i Tvättmedel
Ett gammalt tvättmedel, del 1: Salt ur björkaska
Ett gammalt tvättmedel, del 2: Tvål ur saltet
Ett målande experiment - att rengöra en målarpensel
Falu rödfärgspigment ur järnvitriol
Framställ en detergent
Framställ låglaktosmjölk
Fruktköttet får solbränna
Färga ullgarn med svampar
Färgämnen i M&M
Gore-Tex, materialet som andas
Gör din egen limfärg
Gör din egen tandkräm
Gör ditt eget läppcerat
Gör hårt vatten mjukt
Göra lim av kasein
Hockey-visir
Hur fungerar en torrboll?
Hur gör man kakan porös?
Hur moget är äpplet?
Hur smakar salmiak?
Håller bubblan?
Karbidlampan
Kemi i en brustablett
Kemisk vattenrening
Majonnäs - en emulsion
Maskrosen som krullar sig
Modellmassa av mjölk
Myggmedel - hur funkar det?
Målarfärgens vattengenomsläpplighet
När flyter potatisen?
Olja som lösningsmedel
Optiska Vitmedel
Osmos i ett ägg
Osynlig gas
Pektin och marmeladkokning
Pelargonens färg
Permanenta håret
Pulversläckare
Rengöra silver
Rostbildning och rostskydd
Skär sig majonnäsen?
Smältpunkten för legeringen lödtenn
Snöflingeskådning
Superabsorbenter i blöjor
Surt regn
Syror och baser i konsumentprodukter
Såpbubblor
Tillverka din egen deodorant
Tillverka din egen glidvalla
Tillverka din egen tvål, del 1: Själva tvålen
Tillverka din egen tvål, del 2: Parfymera och färga tvålen
Tillverka ditt eget läppstift
Tillverka Falu rödfärg enligt gammalt recept
Tillverka papperslim
Tillverka rengöringskräm
Tvätta i hårt vatten
Utfällning av aluminium
Utvinna järn ur järnberikade flingor
Vad händer då något brinner?
Vad händer när degen jäser?
Vad innehåller mjölk?
Vad är det i saltet som smakar salt?
Varför färgas textiler olika?
Varför kan man steka i smör och olja men inte i lättprodukter?
Varför mörknar en banans skal?
Varför rostar järn och hur kan man förhindra det?
Varför slipper bilen varma yllekläder på vintern?
Varför svider det i ögonen när man skalar lök?
Varför äter vi Samarin?
Vattenrening
Visa ytspänning med kanel
Vispa grädde
Växtfärga med rödbetor enligt receptet från Västerbotten
Ägget i flaskan
Ärg på en kopparslant
Äta frusen potatis