3 水の性質を知る - 汚れを落とすために - 汚れを落とすためには 水が必要です 水は分子どうしが強く引っ張り合い 団結してスクラムを組む性質があり この性質を弱めることが 汚れを落とす第一歩となる (1) 水の表面張力について 実験 1 水の表面張力を知ろう 1 コップまたは試験管に水を満たし

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1 界面活性剤のはたらき ( セッケンや合成洗剤の性質 ) 1 はじめに ある先生との話から児童からの質問で困っています 質問 テレビで二酸化炭素が地球温暖化の原因だと聞いたんですが そんな二酸化炭素は地球にいらないのでなくす方法はないんですか? 酸素は必要だと思うんだけど この児童にとって 酸素 =ヒーロー? 二酸化炭素 = 悪? 報道等で耳に入ってくる一部の情報だけで判断している 地球における二酸化炭素の大切な役割について考えられていない もし 地球上から二酸化炭素がなくなったら 植物は光合成ができなくなり死滅し 結局 私たち人類は存在できなくなる 大切なことは 大気中のバランスを壊さないようにするために 一人一人が二酸化炭素の排出量を減らすように気を付けましょう そのためには何ができますか ということです 石けんや洗剤は 私たちの生活になくてはならない存在です 授業で取り扱うときには それぞれの長所と短所を理解させて 地球環境のバランスを壊さないように上手に使うためにはどうしたらいいかを学習させることが大切なのではないかと思います 2 汚れの種類 衣類の汚れの原因を大きく分類すると下記の 2 つに分類される 1 人体から排泄される汚れ ( 汗 皮脂 あかなど ) 2 外的な生活環境からくるもの ( ちりやほこり 食品など ) また その性質を分類すると 水溶性 油溶性 不溶性 の 3 つに分けられる 1 水溶性 汗 尿 血液 醤油 ソース ジュース 卵白など 2 油溶性 皮脂 食用油 機械油 口紅 接着剤 卵黄など 3 不溶性 泥 粘土 砂 すす ほこりなど 水溶性の汚れは水に溶け 油溶性の汚れは油に溶ける しかし 汚れの多くは水溶性や油溶性であり その他にも成分が含まれているため 繊維に付着した場合は 水や油だけで落ちるわけではない さらに 衣類には様々な汚れが同時に付着するため 水溶性の汚れといっても 水だけで完全に落ちるとは限らない いろいろな油の成分で中性脂肪と脂肪酸が大半を占め そのまま放置すると空気に皮脂触れて酸化し 黄ばむ 無色透明 無臭であるが 汗と一緒に分泌される成分が空気中の酸素によって酸化されて黄色く変色する また 汗の成分が皮膚にいる細菌によって分解されて悪臭汗を発生し この細菌によってアルカリ性のアンモニアに化学変化して衣類を傷める 洗濯では落とせない場合が多いので先に染み抜きなどで取り除く必要がある 血液血液の汚れは 熱や酸で硬化してしまう ほこりなど非常に小さくて繊維の間に入り込み取れにくい汚れになる 食物や飲料 調味料などの成分は 油性 たんぱく質 でんぷん質 色素などの混食品合汚れなどが主流

2 3 水の性質を知る - 汚れを落とすために - 汚れを落とすためには 水が必要です 水は分子どうしが強く引っ張り合い 団結してスクラムを組む性質があり この性質を弱めることが 汚れを落とす第一歩となる (1) 水の表面張力について 実験 1 水の表面張力を知ろう 1 コップまたは試験管に水を満たし こぼれる限界までスポイトで水を加えて 表面を観察する 2 かわいたガラスの上に水を 1 滴落とす 水滴がどんな形をしているか観察する 3 一円玉 ( 水にぬれていない ) を水に対して水平にそっとおく 水の表面がどんな形になっているか観察する ( うまく浮かべられないときは 輪を作った針金の上に一円玉を乗せて行うと誰でもできる ) 4 細いエナメル線かアルミニウムの針金 ( 造形しやすい ) で 好きな形を作る ただし 水面に接触する部分が多くなるよう工夫する ゆっくり水面に浮かばせる うまく浮かばないときは 銅線と水との接触面にロウを塗ってみてください 水をはじくので 浮かびやすくなる 考察これらの現象の原因になっているのが 分子と分子が引き合う分子間力である 水は H 2 O という小さな分子が 図 1 のように お互いに隣どうしで同じ力が引き合ってバラバラにならないようにスクラムを組んでこぼれ落ちるのを防いでいる 図 1 また 図 2 のように 液体の内部のほうの分子は まわりから四方八方同じ力で引っ張られている これに対して 表面の近くにいる分子は 液体に触れていない部分だけ ( 空気に接している部分 ) 液体分子の影響を受けていないため 表面近くにいる分子は 内側へもぐり込もうとする その結果 表面の分子の数が減り 表面を縮めようとする力が表面に垂直にはたらくと液体は 球形になる ガラスの上の水滴を見ると球形でした 水の分子が手をつなぐようにして互いを引き合い 崩れないようにしているからである これを表面張力という 水面が盛り上がったり 沈むはずの一円玉が浮かんだりするのもこの力のおかげである このように 液体は表面ができるだけ縮まろうとする性質があり 同じ体積で表面積が一番小さいのが球形なので 水玉になろうとする 水滴やシャボン玉が丸くなるのも この原理によるものである 図 2-1 -

3 (2) 水の表面張力低下作用について 実験 2 水の表面張力低下作用 1 洗剤または石けん水を爪楊枝の先につけ 実験 1 の 2~4 の状態のものに 水面にそっと触れて観察する 2 水にコショウをふっておき これに洗剤または石けん水を爪楊枝の先につけたものをつけて 変化を観察する パプリカで着色した油やラー油 ゴマ油でも良い (2 回目をするときは 水を交換する ) 油で実験したときは キッチンペーパーで水面に浮かんでいる油を吸わせて可燃ゴミに捨てるようにしてください 考察実験 2 で水滴の上に洗剤をつけると 球形の水滴が壊れる 水面に洗剤をつけるとコショウがすみっこに広がり また 真ん中に浮かんだ一円玉がすーっとすみっこへと移動 また 盛り上がっていた水があふれ 一円玉も沈んでしまった これらは洗剤の界面活性剤という物質が 水の表面張力を弱めたため起こった現象である コショウや一円玉が動くのは 表面張力の大きさに違いがあると より強い方に引っ張られるからである また 一円玉が沈んだのは スクラムを組んで一円玉を支えていた水分子どうしの結びつきが小さくなったからである 4 界面活性剤について 水の表面張力を弱める物質 実験 2 で 石けんや洗剤は 水の表面張力を小さくしたが これは石けんや洗剤の主成分である界面活性剤のはたらきである 界面活性剤にはこれ以外にも重要なはたらきがある (1) 界面活性剤とは 界面活性剤とは 界面とは 物質と物質の境目をいう その界面を変化させるものを界面活性剤という 石けんや洗剤の主成分である界面活性剤は マッチ棒に形が似ており 水と仲良くなる部分 ( 親水基 ) と 油と仲良くなる部分 ( 親油基 疎水基 ) を持っている ひとつの分子の中に このように性格の違う部分があるところが界面活性剤の特徴である 親油基は汚れや衣類と結びつき 親水基は水と結びついて 汚れや繊維のすき間に水がしみ込み 汚れを水の中へ取り出すことができる 界面活性剤の分子の大きさは 1mm の約 50 万分の 1 です 話題 サポニンやリン脂質 ペプチドなど 天然にも界面活性剤としてはたらく物質は数多く存在する ムクロジという木は 別名をセッケンノキといわれる 実には沢山のサポニンが含まれており その界面活性作用で泡立つのである この実の果皮を水に浸けてこすると 石けんのように泡だって 汚れを落とすことができる 黒い種子は堅くて光沢があるために 羽根突きの羽根の玉や 数珠玉として使われる - 2 -

4 (2) 界面活性剤の性質 界面活性剤の 4 つの性質 1 浸透作用 3 分散作用 2 乳化作用 4 再付着防止作用 これらの 4 つの性質が総合的にはたらき 石けんや洗剤の洗浄力が発揮されている 1 浸透作用 水は分子同士が引き合う力が大きいため 水にぬれにくいウールなどの 繊維を水の中に入れても 繊維のなかに水はなかなか入らない ところが 水に界面活性剤を加えると この力が下がり 繊維の表面と 界面活性剤溶液がなじみやすくなるため 繊維のなかに水は簡単に入っ ていく この原理で 繊維を洗剤の水溶液にひたすと 右図のように 水の表面張力が低下して繊維のすき間に洗剤が浸透する 実験 3 浸透作用 フェルトにしみていく様子 1 1cm 角に切ったフェルトの上に スポイトで水を一滴落とす これに洗剤または石けん水を爪楊枝の先につけたものをつけて 変化を観察する 2 ビーカーに毛糸またはフェルトを入れる 水面に 洗剤または石けん水を爪楊枝の先につけたものをつけて 変化を観察する 2 乳化作用水に油を混ぜても 油は上 水は下と分離してしまうが 界面活性剤を加えると 親油基 ( 疎水基 ) が油の粒子に吸着するため 油は界面活性剤の分子にとりかこまれ 小滴となって水中に散らばって 水と混じりあった状態になる 洗濯物の汚れを包み込むのはこの作用である 実験 4 乳化作用 1 2 つのビーカーに それぞれ水を入れる 1 つのビーカーには洗剤を入れ 泡が立たないように静かにかきまぜる 2 それぞれのビーカーに ゴマ油またはパプリカで着色した油を数滴たらして それぞれかき混ぜる 水の動きがとまったら ビーカーの中の油の状態を比べてみる - 3 -

5 3 分散作用ススのような粉状の固体を水に入れた場合も 混ざり合わずに表面に浮かんでしまうが 界面活性剤を加えると ススの粒子が界面活性剤の分子にとりかこまれて 細かな粒子になり 水中に散らばる 洗濯物から汚れを水中に引き出すのも この作用による 実験 5 分散作用 1 ろうそくに火をつける ガラスにススをつけて 集める 2 2 つの小型ビーカーに水を入れ それぞれに 1 のススを入れる あるいはレーザープリンターのトナーを少量入れても良い 3 それぞれかき混ぜる 1 つにビーカーには洗剤を入れる 4 再付着防止作用水面にススが浮かんだ状態のところに布を入れると 布にススが付いてしまいますが 界面活性剤を加えると ススが水中に分散し 布を入れても 布にススは付きにくくなります 洗濯物に汚れが再付着しないのも この働きがあるからです 実験 6 再付着防止作用 実験 5 の 3 のビーカーに 布をそれぞれ入れ 汚れの付着を比べる 5 汚れが落ちるまで (1) ミセルと乳化界面活性剤の濃度を上げていくと 表面張力がだんだん小さくなる さらに 濃度を上げていくと ついには界面がすべて界面活性剤の分子におおわれてしまい これ以上 界面に吸着できなくなる 界面活性剤分子がこれ以上界面に吸着できなくなってから さらに界面活性剤の濃度を上げると 水から逃げようとする親油基 ( 疎水基 ) は もう吸着できる界面がないので親油基 ( 疎水基 ) どうしで集まって水を避けるしかなくなる こうして 界面活性剤分子は 親油基 ( 疎水基 ) を内側に 親水基を外側 ( 水のある側 ) に向けて 集まりはじめる この界面活性剤の集合体をミセルと呼ぶ また ミセルができはじめる濃度を臨界ミセル濃度と呼ぶ 臨界ミセル濃度に達すると 表面張力はほとんど変わらなくなる したがって 洗剤の入れすぎは 何の効果もない 正しく計って規定量の洗剤を投入するようにすることが大切である 乳化 ミセルは 中心部が親油性 ( 疎水性 ) つまり油となじみやすい性質であるので 水に溶けにくい油性の物質を ミセルの内部に取り込むことができる この時 水が透明な状態を可溶化といい 牛乳のように白く濁る状態を乳化という - 4 -

6 (2) ローリングアップ 1 界面活性剤の親油基が 汚れに吸いつく 2 界面活性剤が汚れを取り込む こうなると 洗濯機の水の力やこする力で 汚れが布から簡単に離れる 3 布から離れた汚れは 界面活性剤のはたらきで どんどん小さな粒になっていく この汚れは界面活性剤に取り囲まれているので 布にさわってもくっつかない 実験 7 汚れが落ちる瞬間の観察 ( ローリングアップ ) 12 個のビーカーに水を入れる 21 つのビーカーには洗剤を入れ 泡が立たないように静かにかきまぜる 3 毛糸にゴマ油 ( またはラー油や色のついた油 ) を広げるようにぬる できれば 板状のプラスチックにすきまがないように巻きつけた毛糸の上に ゴマ油やラー油をぬると良い 41 の 2 つのビーカーの中に それぞれ板状のプラスチックを 1 つずつ たてかけるように静かに入れる 比較的少量の洗剤でも油は浮き上がります このことから 食器を洗うときも洗剤を少なめにした洗剤に浸してから洗うと少量の洗剤で汚れを落とせることも示せます 6 石けんと洗剤の違い 石けん 洗剤は 両方とも界面活性剤の作用で汚れを落とす製品である 石けんと洗剤は原料が違う 石けんは植物から 合成洗剤は植物や石油から作られている この石けんや洗剤には 界面活性剤の他にいろいろの成分が配合されている 石けんには 水をアルカリ性にして石けんのはたらきを高める炭酸塩 ( 炭酸ナトリウム ) などのアルカリ剤が入っている 洗濯用洗剤には 界面活性剤の他に 界面活性剤のはたらきを助けたり 汚れを落とす性能を上げるための成分が入っている その成分は 水軟化剤 蛍光増白剤 酵素 香料などである 水軟化剤 蛍光増白剤 酵素 洗濯する水の中に含まれているカルシウムイオンやマグネシウムイオンなどの金属イオンが洗剤の汚れを落とす力をじゃましないようにする物質 アルミノけい酸塩など 染料の一種 紫外線があたると青紫色になる そのため 黄色っぽくなった衣料の場合 青い光が加わって白く見せる作用をもつ 界面活性剤だけでは落ちにくいがんこなタンパク質汚れや油汚れを 選択して落とす物質 - 5 -

7 石けんとは石けんは 脂肪酸または脂肪酸混合物のアルカリ金属塩 つまり 脂肪酸ナトリウムと脂肪酸カリウムのことをいう 石けんのできる化学反応 ( けん化反応 ) Rは炭化水素基 ( 油脂の種類によって異なる ) CH 2 -OCOR CH 2 -OH CH-OCOR + 3NaOH CH-OH + 3RCOONa CH 2 -OCOR CH 2 -OH 油脂 水酸化ナトリウム 高級脂肪酸のナトリウム塩 ( 石けん ) 硬水と軟水とは 井戸水や水道水などの生活用水は 純粋な水ではなく いろいろな不純物を含んでいて それによっ て洗浄効果に影響する場合がある 特に カルシウムイオン (Ca 2+ ) マグネシウムイオン (Mg 2+ ) は 石けんのはたらきに大きな影響がある 硬度とは水の中に含まれるカルシウムとマグネシウムの量をいう 単位は dh( ドイツ硬度 ) または ppm( アメリカ硬度 ) で表す アメリカ硬度は 水 1L 中に含まれるカルシウムとマグネシウムの量を炭酸カルシウム (CaCO 3 ) の濃度に換算した重量 (mg: ミリグラム ) である ドイツ硬度は 水 100mL 中の酸化カルシウム (CaO) の重量 (mg) に換算したものである 硬度の低い水を軟水 高い水を硬水と呼ぶ 日本では 生活用水の 80% が 80ppm 以下の軟水であるが 地域によっては硬水を生活用水にしているところもある 商品名硬度 ( ラベルに表示 ) 四万十の水 11.9 六甲のおいしい水 84.0 Volvic 61.6 Vittel Contrex 硬 度 ppm きわめて軟水 0~ 40 軟 水 40~80 やや軟水 80~120 やや硬水 120~180 硬 水 180~300 きわめて硬水 300 以上 石けんとカルシウムイオンは 次のように反応する ( マグネシウムも同様 ) 2RCOONa + Ca 2+ (RCOO) 2 Ca + 2Na + 石けん ( 水に溶ける ) カルシウム石けん ( 水に溶けない ) カルシウム石けんやマグネシウム石けんのような 水に溶けない 脂肪酸の金属塩は 金属石けんと呼ばれている この反応によって 石けんの洗浄力が落ちるばかりでなく 金属石けんが衣類などに付着して汚れる原因にもなる - 6 -

8 硬水の軟化法には アルカリ法 ( 水酸化ナトリウムまたは炭酸ナトリウムを用いる ) イオン封鎖法 ( エデト酸塩などの金属イオン封鎖剤を用いる ) イオン交換法 ( イオン交換樹脂を用いる ) などがある 実験 8 硬水と石けん 硬水と軟水のそれぞれを試験管に取り それぞれに石けん液を入れて振り 観察する 実験 9 石けんはどれか 洗剤には 主に 石けん 複合石けん 合成洗剤 がある 酢を使って 石けんと合成洗剤を見分ける簡単な実験を行う ( 簡易実験なので あくまでも一つの参考 ) 1 透明なコップかビーカーに水を入れ そこに調べたい洗剤や石けんやシャンプーなどを溶かす 2 泡が出るまでかき混ぜたら その中に酢をたらして混ぜて 泡の様子を見る 泡が消えて白く濁る 石けん 泡が消えず 変化なし 合成洗剤 泡が消えずに白く濁る 複合石けん 石けんは脂肪酸とアルカリの結びついたもの 酸性の酢がアルカリを中和して 白い脂肪酸が出てくる 石けんが分解されて界面活性作用が消えるので 泡がなくなる もともと中性の合成洗剤は 酸性の酢とは反応しない 石けんと合成洗剤が混ざっているので 両方が混ざった結果になる 実験 10 USB マイクロスコープの利用 HORIC USB マイクロスコープブラック HUSB-759CABK 価格 3500 円程度照明付 30 万画素 映像拡大倍率約 25 倍 パソコンにつなぐと使用できる 繊維の汚れの観察や織り方など 活用できる 写真撮影も可能 襟汚れスーツ Tシャツ 参考資料 出典 洗剤と洗浄の科学中西茂子コロナ出版 石鹸 洗剤 100 の知識左巻健男東京書籍 ライオンHP 日本石鹸洗剤工業会 HP - 7 -

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