Почему мыло пенится?
Пузырек – это прежде всего воздух или любой другой газ, заключенный в тонкую мембрану. Если это пена от мыла или стиральных порошков, оболочка пузырька состоит из молекул, которые, если посмотреть на них в микроскоп, похожи на булавки с круглой головкой и длинным острием. «Голова» молекулы взята у гидрофильного вещества, то есть такого, которое любит воду (слово «гидрофильный» происходит от греческих слов «хидор» — вода и «филиа» — любовь). Длинный хвостик в молекуле мыла позаимствован у жира. Жиры воды «боятся» и не растворяются в ней, поэтому их называют гидрофобными (от греческого слова «фобос» — страх). В присутствии воды все эти молекулы-булавки окунаются головками в воду и, прижимаясь друг к другу, образуют тонкую гибкую пленку, способную закрываться и удерживать воздух либо другие тела. Мыло очень богато такими молекулами-булавками – этакими маленькими ракетами, жадными до всего, что покрыто жиром.
Когда кусок мыла трут влажными руками, образуется эмульсия между водой, мыльными молекулами-булавками и частичками грязи. Для молекул-булавок это желанная добыча. Они тут же нападают на эти частички и окружают их, оставляя головки в контакте с водой. Таким образом, образуется пузырьки трех видов: «чистые» (содержащие только воздух), «менее чистые» (содержащие воздух и небольшое количество грязи) и «грязные» (в которых много грязи и мало воздуха). «Менее чистые» пузырьки не так стойки, как «чистые», и живут недолго, тогда как «грязные» пузырьки очень малы по размеру и незаметны. Таким образом, при равном количестве мыла чистая вода дает более устойчивую и обильную пену, чем грязная вода.
А теперь более серьезно про пену и мыло
При растворении даже незначительного количества мыла в воде оно скапливается (адсорбируется) на границе воды с отмываемой поверхностью или тканью. В результате ослабляется прилипание частиц жира и грязи к ткани. Тонкая пленка мыла на поверхности, например, жировой капли не дает ей возможности смачивать поверхность ткани. Похожее явление можно наблюдать при смачивании стекла водой. Если стекло чистое, то капельки растекаются по его поверхности, а если грязное, то вода стекло не смачивает, и капельки стараются сохранить свою форму, т.е. собираются шариками.
Адсорбированные молекулы мыла окружают капельки жира и отмываемую поверхность плотно заполненным одинарным (мономолекулярным) слоем, который обладает высокой механической прочностью. Молекулы мыла сильно связаны друг с другом, и разорвать пленку очень трудно. Поэтому при стирке пленки из адсорбированных молекул не разрушаются и препятствуют обратному прилипанию уже оторвавшихся капелек жира к поверхности ткани и слиянию капелек друг с другом. Взвешенные в воде частички грязи и капельки жира удаляются вместе с ней.
В XIX веке изучением строения мыльной пены всерьёз увлёкся бельгийский учёный Жозеф Плато. Он первым обратил внимание на то, что в каждом ребре, разделяющем пенные многогранники, всегда сходятся три плёнки, ни больше и ни меньше. Оказалось, что сами плёнки — двойные, а рёбра между ними — это каналы, заполненные жидкостью. Пена оседает, потому что вода понемногу стекает по каналам вниз.
Ж. Плато нашёл способ поставить мыльные плёнки на службу математике. Он опускал в мыльный раствор проволочные рамки различной конфигурации и наблюдал, какую форму принимает мыльная плёнка. Эти опыты способствовали развитию пространственной геометрии (стереометрии). Заметим, что из-за поверхностного натяжения площадь мыльной плёнки стремится к минимуму. Поэтому мыльные пузыри, выдуванием которых увлекаются и дети и взрослые, имеют почти идеальную сферическую форму.
Пена состоит из множества пузырей, которые соприкасаются друг с другом. Наиболее выгодной формой мыльного пузыря в составе пены с точки зрения минимизации поверхностного натяжения оказался додекаэдр. Он напоминает угловатый шар, образованный из 12 соединённых гранями пятиугольников.
Варьируя ингредиенты мыла и их пропорцию, можно производить различное количество пены. Мыло, оставляющее больше пены на руках и теле, пользуется большим коммерческим спросом, чем то, которое не обладает таким эффектом, хотя их мылкость от этого не зависит. И если обильная пена только приветствуется у товаров, используемых для личной гигиены, она совершенно не нужна в стиральных порошках для машинной стирки. А значит, в порошки нужно вносить добавки, делающие пузырьки непрочными и тем самым ограничивающие образование пены.
Этот эффект можно наблюдать всякий раз, когда мы принимаем душ или пользуемся шампунем. Чем грязнее наше тело, тем труднее получить обильную пену.
Для того, чтобы повысить количество пены, в мыла вводят дополнительные растительные масла (преимущественно кокосовое и пальмоядровое), либо прибавляют рициноловую кислоту (жирная кислота касторового масла), сульфорициноловую кислоту, лаурет и лаурил сульфаты натрия, канифоль, ланолин, спермацет.
Водопроводная вода отличается тем, что обычно содержит много солей кальция и магния. В такой воде мыло мылится плохо, на коже образуется налет труднорастворимых солей, и она неприятно стягивается. Все это означает, что вода жесткая.
Жесткость воды частично устраняется кипячением. А можно умягчить воду, добавляя молочную, винную или лимонную кислоту, т.е. ложку молока, ложку вина или немного пищевой лимонной кислоты. Эти вещества образуют с катионами кальция и магния прочные комплексные соединения и не позволяют им взаимодействовать с анионами жирных кислот, входящими в состав мыла. Еще более прочные комплексы с этими катионами дает этилендиаминтетрауксусная кислота (ЭДТА) или ее соль трилон Б (ЭДТА Na). Эти вещества обычно входят в состав гелей для умывания и душа.
Конечно, лучше использовать для умывания не просто умягченную, а мягкую природную (дождевую или снеговую) воду, и притом собранную в местности с благоприятными экологическими условиями, а не в большом городе, где в атмосфере едва ли не больше загрязнений, чем в жесткой воде. Но приходится быть реалистами, поэтому, умывшись водопроводной водой, протрите лицо тампоном, пропитанным кипяченой или даже дистиллированной водой. Особенно это относится к тем, у кого сухая и очень нежная кожа лица.
