Tillverka en parfym och gör doftande skraplotter

Kemisk bakgrund

Parfymer används både av kvinnor och män för att göra dem mera tilltalande för varandra. När en doft har komponerats ihop utav olika eteriska oljor så kan de säljas i många olika former. Eau-de-toilette eller eau-de-cologne brukar innehålla 2-6 % parfym utspädd med alkohol (etanol). Parfymer är mycket starkare och innehåller 10-25 % ren parfym i en alkohollösning.

För att en parfym ska fungera bra så måste dess doft sammansättning vara flyktig. Med det menas att den måste kunna omvandlas från flytande form till gas form vid de temperaturer den stöter på vid hudens yta.

En modern parfym består alltid minst av tre luktämnen med olika flyktigheter. Vissa parfymer innehåller så många som hundra olika oljor medans andra bara har ett fåtal. Men de har alla tre element gemensamt:

Civeton Sibet eller sibetolja är ett sekret som utsöndras av sibetkatten, som hålls som tamdjur särskilt i Etiopen. Det aktiva ämnet är civeton, som är en cyklisk keton.

Mysk Mysk utsöndras av myskhjorten som lever i Kaukasiens högländer och på Himalaya. Luktämnet här är muskon som också är en cyklisk keton.

Ambrettolid Ambra, utgör gall- eller tarmsten hos kaskelotten som tillhör valsläktet. Man kan ta ambra från tarmen på döda kaskelotter, men man kan även finna ambra flytande i havet eller uppspolat på land i bitar upp till 50 kg. Luktämnet heter ambrettolid.

Som tur är så kan man idag framställa fixeringsmedel syntetiskt .Dessa tre sällsynta naturprodukter ingår bara i de mest exklusiva parfymerna, eftersom de är väldigt dyra.

Användningen av parfymer och annan kosmetika har gamla anor. Parfymer har använts i minst 5000 år av egyptier, hebréer, kineser, japaner, greker och romare. Européer började inte använda parfymer förrän korstågen. Under lång tid så var det endast de rika som hade möjlighet att köpa parfymer eftersom de parfymer som framställdes förr i tiden blev väldigt dyra. Detta beror på svårigheterna att utvinna eteriska oljor ur de naturliga råvarorna.

Det är inte helt klarlagt varför växter producerar eteriska oljor. Somliga kan dra till sig insekter och då ökas chansen för pollinering, Andra kan vara avsedda för att hålla parasiter och skadedjur på avstånd. Av de många tusentals växter som finns i världen så är det bara ungefär 200 som producerar de eteriska oljorna som parfymtillverkarna använder.

Det var araberna som först använde destilleringstekniken för att utvinna eteriska oljor och en liknande process används än idag. Blommor eller löv av växten klipps sönder eller mals och upphettas därefter med ånga så att de flyktiga ämnena förångas. Ångan passerar genom ett nedkylt glasrör som får oljorna att kondenseras. Den mängd som framställs från de flesta växter är mycket liten, vanligtvis mindre än en tusendel av det insamlade materialet.

Geraniol En viktig beståndsdel i många parfymer är än idag rosenolja. För att framställa 1 kg rosenolja behövs mer än en miljoner rosor (ca 5 ton). Man vet nu att rosenolja innehåller ett antal olika alkoholer, av vilket en är geraniol. Man har kunna framställa geraniol och några av de andra komponenterna i rosenolja syntetiskt.

Man kan inte alltid använda destillering för att framställa eteriska oljor. Detta beror på att vissa dofter förstörs om de upphettas. I Grasse, parfymcentrum i Frankrike, används fortfarande en teknik som kallas "enfleurage" för dessa ömtåliga oljor. Då läggs blommorna ut i ramar på lager av grundligt renad talg och ister. Efter en till tre dagar har fettet absorberat oljorna från blommorna och producerat ett ämne som kallas pomada. Det oönskade fettet avlägsnas genom att man tillför alkohol. Man får då kvar oljorna i en alkohol lösning som är färdig att blandas.

Priset på parfymer minskade kraftigt för ca. 100 år sedan p.g.a. att man då började kunna framställa luktämnen syntetiskt. Ibland har de syntetiskt framställda luktämnena bättre kvalité än de naturliga. Nuförtiden är parfymer så pass billiga att de finns i tvål, tvättmedel och rengöringsmedel mm. Frankrike har länge varit ledande inom parfym produktionen.

En betydelsefull händelse för parfymindustrin inträffade i Frankrike år 1921. Då lyckades man framställa en relativt billig parfym som bara innehöll syntetiska luktämnen. Den fick namnet Chanel No. 5. Denna parfym blev snabbt mycket uppskattad och är det fortfarande. Framgången med denna berömda parfymen inspirerade till fortsatt forskning inom parfymindustrin. Sedan dess har man i de flesta parfymer ersatt de naturliga luktämnena med syntetiska. För dem som föredrar naturliga luktämnen så tillverkas fortfarande vissa parfymer med det, men de blir väldigt dyra.

Doften från parfymer som innehåller en stor andel naturliga luktämnen kan variera något beroende på väder- och markförhållanden för de blommor som gett oljorna. Det är samma förhållande som med vin, där ju kvaliteten kan variera från år till år och från plats till plats.

Kosmetiska produkter innehåller ofta oljor. Termen oljor innefattar ett antal i kemiskt avseende mycket olika organiska vätskor, som inte är lösliga i vatten. Man kan särskilja fyra huvudtyper:

Fördjupning

Diffusion i gas

Gaspartiklarnas rörelser

Gasmolekyler är små partiklar, ≈ 10-6 mm, som rör sig med hög hastighet, ≈ 1000 m/s. Gasmolekylernas medelhastighet bestäms av temperaturen. Ju högre temperatur, desto högre rörelseenergi hos gasmolekylerna. Gaser diffunderar genom kollisioner med andra gasmolekyler.

Högre temperatur innebär större sannolikhet för kollision, per sekund räknat, med annan gaspartikel. I luft sker vid rumstemperatur i genomsnitt ca 5 miljarder kollisioner per sekund per gaspartikel. Detta betyder att gaspartikeln endast rör sig ca 100 nm mellan varje kollision. Det blir en massa kollisioner!

Kollisioner sker också oftare om koncentrationen av gaspartiklar är hög. Då stiger givetvis sannolikheten för kollision. Samtidigt som sannolikheten för kollision ökar vid en högre koncentration minskar sträckan som gasmolekylen kan färdas innan ny kollision. Ju kortare "fri" sträcka innan ny kollision desto lägre diffusionshastighet.

Gasmolekyler får anses vara "idela partiklar" i den mening att molekylerna kan ses som punktformiga partiklar utan sammanbindande krafter, dvs. utan sekundära bindningar. Detta gör att vi kan studera gasernas rörelse enhetligt oavsett vilken gas det är frågan om. Som tidigare sagt så bestämmer gasmassans temperatur molekylernas medelhastighet. Men Newtons första lag, tröghetslagen, innebär att den kraft som fodras för att ändra en kropps rörelsetillstånd är proportionell mot dess massa, vilket betyder att en tyngre partikel studsar" inte lika långt som en lättare. Detta förklarar olika diffusionshastighet hos olika gaser med olika molmassa.

Sammanfattningsvis kan sägas att hög koncentration och hög molekylvikt minskar diffusionshastigheten hos gaser vid konstant tryck och temperatur.

Diffusionen utjämnar koncentrationsskillnader

Diffusion beskrivs alltså som en rörelse som eftersträvar att utjämna koncentrationsskillnader. Tänk dig att två gaser, t.ex. brom och väte, finns i var sitt kärl separerade av en vägg. När väggen tas bort kommer kommer en del brommolekyler att av en slump att gå över gränsen till det kärl där vätet finns. Vid start finns inga brommolekyler i kärlet med väte. Brom kan inledningsvis inte vandra åt andra hållet. Det blir alltså en nettotransport av brom från kärlet med hög koncentration till det med låg.

Man kan resonera på motsvarande sätt för vätet, fast transporten sker åt andra hållet. Men även där gäller att koncentrationerna av väte utjämnas. Diffusionens koncentrationsutjämnande effekt är en rent statistisk effekt.

Bild: © Svante Åberg

Diffusionssträckor

Den skotske kemisten Thomas Graham visade 1831 att diffusionshastigheten för en gas är omvänt proportionell mot kvadratroten ur dess molekylvikt (Graham's law of diffusion). Krav är dock att omgivningens tryck och temperatur är konstanta.

Detta tillsammans med gasernas allmänna tillståndsekvation (allmänna gaslagen) gör att vi kan få ett allmänt samband mellan diffusionshastigheterna (eller snarare diffusionssträckorna) och molekylvikterna hos två olika gaser:

Med andra ord - förhållandet mellan gasernas diffusionssträckor
(d1 resp. d2) är omvänt proportionellt mot kvadratroten av gasernas molmassor. d1 avser det avstånd som gas nr 1 förflyttat sig (diffunderat) och d2 avser avståndet som gas nr 2 diffunderat.


Matematiken bakom diffusionshastigheterna och sträckorna

Molekylernas rörelseenergi (kinetiska energi) är proportionell mot massan och kvadraten på deras rörelsehastigheter. Närmare bestämt är sambandet
Ekin = ½ m v2

Om vi stuvar om i ekvationen får vi sambandet
v = (2 Ekin/m)½

Den kinetiska energin är i genomsnitt lika för alla molekyler, oberoende av massa, eftersom rörelseenergin bestäms av temperaturen. Alla partiklarna har samma temperatur.

Om vi sedan sätter index 1 och index 2 på de två gaserna med olika molekylmassa, så kan vi ta kvoten mellan de två ämnenas hastigheter och får
v2/v1 = (2 Ekin/m2)½ / (2 Ekin/m1)½
= (m1/m2)½
= [(m1 NA)/(m2 NA)]½
= (M1/M2)½
dvs.
v2/v1 = (M1/M2)½

NA är Avogadros konstant, dvs. antalet partiklar i en mol. Massan m för en partikel multiplicerat med NA ger molmassan M.

Motsvarande diffusionssträckor d är proportionella mot rörelsehastigheterna, vilket ger
d2/d1 = (M1/M2)½