生活現(xiàn)象背后的化學(xué)本質(zhì)
——毛巾變硬原因及“再生”方法研究

江蘇省錫山高級中學(xué)(214174) 張 磊

1 問題提出

毛巾變硬是一個很常見的生活現(xiàn)象，我們可運(yùn)用化學(xué)知識分析毛巾變硬的原因并用實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證，從而根據(jù)變硬的原因找出毛巾“再生”的方法，通過循環(huán)使用，提高資源利用率，樹立綠色化學(xué)觀念。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 探究目的

(1)開發(fā)適合中學(xué)生進(jìn)行的化學(xué)生活小實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用化學(xué)知識解決生活問題，從而激發(fā)他們學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，提高學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

(2)探究毛巾變硬的原因。

(3)探究毛巾“再生”的方法。

2.2 探究過程

經(jīng)過查閱文獻(xiàn)資料，肥皂、洗衣粉、洗面奶等洗化用品中都含有表面活性劑，而有些表面活性劑對硬水比較敏感，與硬水中的鈣鎂離子結(jié)合生成鈣、鎂鹽難溶于水，通常稱其為鈣、鎂皂；鈣、鎂皂容易沉積在毛巾上，從而使毛巾變硬。用鹽酸或醋酸浸泡變硬的毛巾，可以使鈣鎂皂溶解，從而達(dá)到毛巾“再生”(變軟)的目的。在此基礎(chǔ)之上制定實(shí)驗(yàn)探究方案。

2.2.1 洗化用品主要成分分析

洗衣粉的主要成分是：十二烷基苯磺酸鈉(表面活性劑)、三聚磷酸鈉(與鈣鎂離子形成螯合物)、硅酸鈉(防止污垢再沉積到織物上)、硫酸鈉(填充劑)、碳酸鈉(除去脂肪污垢并調(diào)節(jié)pH)、過氧硼酸鈉(提供活性氧)、羥甲基纖維素(防止污垢再沉積到織物上)、熒光增白劑、香料等。肥皂的主要成分：硬脂酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、漂白粉、香料等。洗面奶的主要成分是：礦油(油性組成)、十二烷基苯磺酸鈉(表面活性劑)、水、甘油、丙二醇、香精、防腐劑、抗氧劑等。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)原理

從洗衣粉、肥皂和洗面奶的成分推斷，影響毛巾變硬的物質(zhì)可能是十二烷基苯磺酸鈉、三聚磷酸鈉、硫酸鈉、硅酸鈉，接下來就是要用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。

2.3 實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

(1)儀器：50 mL燒杯10只、玻璃棒、新毛巾2條。

(2)藥品:洗衣粉、肥皂、十二烷基苯磺酸鈉、三聚磷酸鈉、硫酸鈉、硅酸鈉、碳酸鈉、碳酸氫鈉、鹽酸、醋酸。

2.4 實(shí)驗(yàn)步驟

2.4.1 毛巾變硬原因探究實(shí)驗(yàn)

(1)為了實(shí)驗(yàn)效果更加明顯且縮短實(shí)驗(yàn)時間，將洗衣粉、肥皂、十二烷基苯磺酸鈉、三聚磷酸鈉、硫酸鈉、硅酸鈉、碳酸鈉、碳酸氫鈉分別在30～40 ℃的水中配成飽和溶液。

(2)將毛巾剪成若干小片，然后分別放于裝有相應(yīng)飽和溶液的燒杯里浸泡1 h。

(3)一段時間后將浸泡的毛巾洗滌干凈并晾干。

(4)比較毛巾的硬度。

2.4.2 毛巾“再生”實(shí)驗(yàn)

根據(jù)以上毛巾變硬原因的探究，我們可以確定只要是能將鈣鎂鹽從毛巾上除去就可以使毛巾“再生”。我們知道酸可以使鈣鎂鹽溶解，而不同濃度、不同種類的酸，對毛巾“再生”的效果是不一樣的，生活中可以選用鹽酸和醋酸來浸泡毛巾。

(1)將同一塊變硬的毛巾剪成若干小片。

(2)將鹽酸和醋酸分別按1∶1、1∶5、1∶10的比例配成溶液。

(3)將毛巾放入所配溶液中進(jìn)行浸泡。

(4)1 h后將毛巾取出洗滌干凈并晾干。

(5)比較浸泡后的毛巾與浸泡前的硬毛巾、新毛巾的硬度。

3 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)過程及現(xiàn)象見表1～5。

表1 洗化用品對毛巾硬度影響的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

表2 用鹽酸軟化發(fā)硬毛巾的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

表3 用醋酸軟化發(fā)硬毛巾的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

表1反映了毛巾在幾種不同溶液中浸泡1 h以后發(fā)生了硬度變化。從表1中我們可以得出洗衣粉和肥皂中的一些成分與水中的鈣、鎂離子形成難溶鹽粘附在毛巾上，從而使毛巾變硬。

表2、表3反映了不同濃度的酸對毛巾的軟化效果是不一樣，并非酸的濃度越大越好。因?yàn)槊硎抢w維制品，而纖維在一定的酸性條件下是會發(fā)生水解的，所以浸泡毛巾的酸溶液的濃度有一個上限。但是如果酸的濃度太小的話，反應(yīng)速率太小，效果也不是很好。因此在生活中，要用適當(dāng)濃度的酸來浸泡毛巾。

表4 不同濃度鹽酸和醋酸軟化效果比較

表4反映了生活中常見鹽酸和醋酸在相同體積比時浸泡毛巾效果比較。我們都知道鹽酸是強(qiáng)酸，醋酸是弱酸，它們在水中的電離程度是不同的。因此，相同體積比的兩種酸的酸性是不一樣的，因而浸泡毛巾的效果是不同的。

表5 酸對不同成分的軟化效果比較

表5反映了不同試劑浸泡后的變硬的毛巾用酸軟化的效果是不同的。酸浸泡只能除去碳酸鹽和硅酸鹽對毛巾硬度的影響。

4 結(jié)論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)可得出以下結(jié)論：毛巾變硬的原因是洗化用品中的一些物質(zhì)與鈣、鎂離子發(fā)生作用形成了一些難溶鹽，分別為碳酸鈣、碳酸鎂、硅酸鈣、硅酸鎂、硫酸鈣、十二烷基苯磺酸鈣、十二烷基苯磺酸鎂等。因此，可用生活中常見的鹽酸和醋酸來軟化。由于毛巾的主要成分是纖維，纖維在酸性條件下會發(fā)生水解，所以酸的濃度要適當(dāng)。但酸浸泡只能解決碳酸鹽和硅酸鹽對毛巾硬度的影響，而硫酸鈣和十二烷基苯磺酸鈣、十二烷基苯磺酸鎂并不能用酸浸泡使之溶解，需進(jìn)一步查閱資料并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。

讓學(xué)生透過生活中常見的現(xiàn)象，看到了背后的化學(xué)本質(zhì)；指導(dǎo)學(xué)生通過毛巾變硬原因及“再生”方法研究這一實(shí)驗(yàn)活動，讓學(xué)生親歷親為體會實(shí)驗(yàn)探究的一般步驟，感受化學(xué)的奇妙性與實(shí)用性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，切實(shí)提高學(xué)生化學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)；同時也為開發(fā)適合中學(xué)生進(jìn)行的化學(xué)生活小實(shí)驗(yàn)做了一定可行性的研究。