一个分析化学综合实验_洗衣粉中表面活性剂的分析.docx

一个分析化学综合实验洗衣粉中表面活性剂的分析王 月 荣 ，胡坪 ，苏 克 曼 ，章 弘 扬 ，王氢 ，孙 学 芹（华东理工大学 化学与分子工程学院 ，上 海 ）摘 要本文介绍了一个分析化学综合实验 洗衣粉中表面活性剂的分析 。 该 实 验 采用回流法提取洗 衣 粉中表面活性剂 ，并利用化学分析和多种仪器分析方法对表面活性剂进行结构鉴定 ，在一个实验中实 现了样品预处理 、化学鉴定及仪器分析的有机结合 ，有利于提高学生对分析化学知识的综合应用能力 。关 键 词分析化学综合实验 ；洗 衣 粉 ；表 面 活 性 剂 ；分 析 ：， ，：， ， ， ， ：；本 科 高 年 级 开 设 分 析 化 学 综 合 实 验 ，将 基 础化 学 分 析 和 仪 器分析的相 关知识有机结合 ，有 助 于 学生进一步 巩 固和理解 实 验中所运用到的分析 化 学 知 识 点 ，锻炼学生 的实验操作技能 ，提 高 化 学 类 专业本科生 对 所学专业 知 识和实验技能的综合 应 用 能 力 。本文拟介 绍 我校近年 来 开设的一个分析化学 类 综 合 实 验 “洗 衣 粉 中 表 面 活 性 剂 的 分 析”。表 面 活 性剂是一类非常重要的 化 工 产 品 ，它 的应用几乎渗透到所有技 术 经 济 部门 。 世 界 上表 面 活 性 剂 总 产 量 的 约 用 于 洗 涤 剂 工 业 ，它 是 洗涤剂中主要活性成分 ，它 的 种 类 、含 量 直 接 影响 洗 涤 剂 的 质 量 和 成 本 。 因 此 ，分析研究洗衣粉 中 表面活性剂具有现实意义 。洗 衣 粉 中 常用到的 是阴离子表面活性剂 （如 烷 基 苯 磺 酸 钠），有 些 也 会 掺 杂 一 些 非 离 子 表 面 活 性 剂（如聚氧乙烯型的）。这 些 表 面 活 性 剂 的 种 类 可以通过学生已经学到的 一 些 分 析化 学方 法进 作 者 简 介王 月 荣（），女 ，讲 师 ，博 士 。一个分析化学综合实验 洗衣粉中表面活性剂的分析 行 鉴 定 ，如 化 学 分 析 法 、红 外 光 谱 法 、核 磁 共 振 波谱 法 等 。 因 此 ，我们利用学生熟 知的研究对象洗 衣 粉 设 计 了 一 个 分 析 化 学 综 合 实 验 ，综 合 采 用 样 品 预 处 理 方 法 、化学鉴 定及多种仪器分析方法 ，对 洗 衣 粉 中 的 表 面 活 性 剂 进 行 提 取 ，并 对 表 面 活 性 剂 的 种 类 进 行 鉴 定 和 结 构 分 析 ，以期提高学生的 科 研兴趣和对 分 析化学知 识 的综合运用能力 。一 、实 验 原 理（一）样品的预处理洗 衣 粉 中 除 了以表面活性剂为主 要 成 分 外 ， 还 配 加 有 三 聚 磷 酸 钠 、纯 碱 、羧甲基纤维素等无机 和 有 机 助 剂 以 增 强 去 污 能 力 ，防 止织物的再污染 等 ，因 此 要 将 表 面活性剂与洗衣 粉中其他成分分 离 开 来 。 通 常 采 用 的 方 法 是 液 固 萃 取 法 ，可 用 索 氏 萃 取 器 连 续 萃 取 ，也可 用 回流方法进行萃取 。 萃 取 剂 可 选 用 乙 醇 、 异 丙 醇 、丙 酮 、氯 仿 或 石 油 醚 等 。（二）表面活性剂的离子型鉴定表 面 活 性 剂 的 品 种 繁 多 ，但 按 其 在 水 中 的 离 子 形态可分为 离 子型表面 活 性剂和非离子型表面 活 性 剂 两 大 类 。 其中离子 型 表面活性剂又可以分 为 阴 离 子 型 、阳离子型和两性 型 三种 。 利 用 化 学 分 析 法 可 以 快 速 、简便地确定表 面活性剂的离子 类 型 ，有 利 于 限 定 范 围 ，指 示 分 离 、分 析 的 方 向 。确 定 表 面 活 性 剂 的 离 子 型 方 法 很 多 ，本 实 验 选 用 酸 性 亚 甲 基 蓝 试 验 法 。 染料亚甲基蓝溶于水 而 不 溶 于 氯 仿 ，它能与阴离子表 面活性剂反应形 成 可 溶 于 氯 仿 的 蓝 色 络 合 物 ，从 而使蓝色从水相 转 移 到 氯 仿 相 。 本法可以 鉴 定除皂类之外的其他 广 谱 阴 离 子 表 面 活 性 剂 。 非 离子型表面活性剂不 能 使 蓝 色 转 移 ，但会使水相发 生 乳 化 。 阳 离 子 表 面 活 性 剂 虽 然 也 不能使蓝色从水相转移到氯仿 相 ，但 利 用 阴 、阳 离 子 表 面 活 性 剂 的 相 互 作 用 ，可 以 间 接 鉴 定 。（三）波谱分析法鉴定表面活性剂的结构红 外 光 谱 、紫 外 光 谱 、核 磁共振谱和质谱是有 机 化 合 物 结 构 分 析 的 主 要 工 具 。 在表面活性剂的 结 构 分 析 中 ，红外光谱的作用 尤 为重要 。 这 是 因 为 表面活性剂 中 的主要官 能 团均在红外光谱中产 生 特 征 吸 收 ，据 此 可 以 确 定 其 类 型 ，进 一 步 借 助 于 红 外 标 准 谱 图 可 以 确 定 其 结 构 。 表面活性剂的疏 水 基 团 通 常 有 一 个 长 链 的 烷 基 ，该烷基的碳数不 是 单 一 的 ，而是具有一定分布 的 同系物 。 该 烷 基的 碳 数 多 少 和 分 布 的 状 况 影 响 表 面 活 性 剂 的 性能 ，用红外光谱很难获 得 这 方面 的信息 ，而 核 磁 共 振 谱测定比较有效 。 这 是 由 于 核 磁 共 振 氢 谱 中 积 分 曲线高度比代表了分子中 不 同 类 型的 氢原 子数 目 之 比 ，所 以 可 用来测定表面活性剂疏水基 团 中 碳 链 的 平 均 长 度 。二 、主要实验仪器 与 试 剂回 流 装 置 、蒸 馏 装 置 、红 外 光 谱 仪 （，）、 超 导 核 磁 共 振 谱 仪（，）。 乙 醇 、无 水 乙 醇 、氘 代 氯 仿 （含 四 甲 基 硅 烷）、亚 甲 基 蓝 试 剂 、氯 仿 、阴 表 面 活 性 剂 、阳 离 子 表 面活性剂和非离子表面活 性 剂 对 照试 样 。三 、实 验 步 骤（一）表面活性剂的分离提取取 一 定 量 的 洗 衣 粉 试 样 于 研 钵 中 研 细 。 称 取 研 细 的 洗 衣 粉 样 品 放 入 的 圆 底 烧 瓶 中 ，加 入 乙 醇 。 搭 装 好 回 流 装 置 ，打 开 冷 却 水 ，用 水 浴 加 热 回 流 提 取 分 钟 。撤 去 水 浴 ，冷 却 后 取 下 烧 瓶 ，静 置 。 待 上 层 液 体 基 本 澄 清 后 ，将上层提取清液转移到 的 圆 底 烧 瓶 中（小 心 倾 倒 或 用 滴 管 吸 出）。重 新 加 入 乙 醇 ，重 复 上 述 回 流 提 取 和 分 离 操 作 ，合 并 两 次 提 取 液 。在 合 并 的 提 取 液 中 放 入 几 粒 沸 石 ，搭 装 好 蒸 馏 装 置 。 用 水 浴 加 热 ，将 提 取 液 中 的 乙 醇 蒸 出 ，直 至烧瓶中残余液为 后 撤 去 水 浴 。将 烧 瓶 中 的 蒸 馏残余物定量转移到干燥 并 已 称 量 过 的 烧 杯 中 。将 烧 杯 置 于 红 外 灯 下 ，烘 去 剩 余 的 乙 醇 溶 液 。 称量并计算表面活性剂 的 百 分 含量 。（二）表面活性剂的离子型鉴定对 照 试 样 的 鉴 定阴 离 子 表 面 活 性 剂 的 鉴 定 ：取 亚 甲 基 蓝 溶 液和 氯 仿 各 约 ，置 于 一 带 塞 的 试 管 中 ，剧 烈 振 荡 ，然 后 放 置 分 层 ，此 时 ，氯 仿 层 无 色 。 将 浓 度 约 的 阴 离 子 表 面活性剂对照试样逐滴加入 该 试 管 中 ，每加入一滴后剧 烈 振 荡试 管并静置分层 ，观察 并 记 录 实 验 现 象 ，直至 加入的阴离子表面活性 使 水 相 层 无 色 ，氯 仿 层 呈 深 蓝 色 为 止 ，阴 离 子 表 面 活 性 剂 鉴 定 完 成 。阳 离 子 表 面 活 性 剂 的 鉴 定 ：在 上 述 试 验 的 试 管 中 ，逐滴加入阳离子 表 面 活性 剂对照试样（浓 度 一个分析化学综合实验 洗衣粉中表面活性剂的分析 约 ），每 加 一 滴 剧 烈 振 荡 试 管 后 静 置 分 层 ，观察 并 记 录 两 相 的 颜 色 变 化 ，直至 氯仿层的蓝色重 新 全 部 转 移 到 水 相 ，阳 离子表面活性剂鉴定完成 。非 离 子 表 面 活 性 剂 的 鉴 定 ：另 取 一 带 塞 的 试管 ，依次加入亚甲 基 蓝溶液和 氯仿各约 ，剧 烈 振 荡 ，然 后 放 置 分 层 ，氯 仿 层 无 色 。 将 浓 度 约 的非 离子表面活性 剂对照试样逐滴加入其中 ，每 加 一 滴 剧 烈 振 荡 试 管 后 静 置 分 层 ，观 察 并 记 录 两 相 颜 色 和 状 态 的 变 化 ，此时水相有乳化现象 。实 际 试 样 的 鉴 定取 少 许 从 洗 衣粉中提取的表面活 性 剂 试 样 ， 溶 于 蒸 馏 水 中 ，按 上 述 鉴 定 方 法 进 行 鉴 定 和 判 别 试 样 的 离 子 类 型 。取 适 量（约 ）洗 衣 粉 溶 于 蒸 馏 水 中 作 为 试 样 ，按 上 述鉴定方法进行 鉴定和判别试样 的 离 子 类 型 ，观察和记录现象 。 以考察洗衣粉中 的 其 他 助 剂 对 此 鉴 定 是 否 有 干 扰 。（三）表面活性剂的结构鉴定红 外 光 谱 测 定用 几 滴 无 水 乙 醇 将 小 烧 杯 中 的 试 样（提 取 物） 溶 解 ，将 试 样 浓 溶液滴在打磨透 明的溴化钾盐片 上 ，置 于 红 外 灯 下 烘 去 乙 醇 ，待 测 。按照所用 红 外光谱仪 的 操作规程打开和调试 好 仪 器 ，设 置 好 测 试 所 需 参 数 （扫 描 范 围 为 ，扫 描 次 数 为 次 ，其他参数选用默 认 值）。 将涂有试样的 溴化钾盐片置于样品架上 ， 测 定 其 红 外 光 谱 ，并对谱图上的 主要吸收峰进行 标 注 。核 磁 共 振 氢 谱 测 定取 少 量 烘 去 溶 剂 的 试 样 （提 取 物 ）溶 于 约 的 ，混 合 均 匀 后 ，小心将溶液转移 到 直 径 为 的 核 磁 样 品 管 中 ，溶 液 高 度 约 为，盖 好 样 品 管 帽 。按 照 核 磁 共 振谱仪的操作规程调 试 好 仪 器 ，设置 好 测 试 所 需 参 数 （扫 描 次 数 次 ，溶 剂 选 择 氘 代 氯 仿 ，其 他 参数选择默认值 ），将 装 有 试 样 的样 品 管 放 入 核 磁 共 振 谱 仪 的 样 品 探 头 ，进 行 调 频调 谐 、锁 场 、匀 场 等 操 作 后 采 集 试 样 的信 号 。谱 图 解 析四 、结 果 与 讨 论（一）表面活性剂提取方法的比较对索氏提 取 法和回流 提 取法两种方法进行比 较 发 现 ，当提取时间相 同 时 ，索 氏 提 取 法 获 得 的 样品 杂 质 含 量 较 少 ，但 提 取 率 相 对 低 些 ；而 回 流 提 取 法 得 到 的 表 面 活性剂提取率相对高些 ，但 杂 质 含 量 也 较 高 ，由 于 这些杂质对后期表面活性剂 的 鉴 定 影 响 不 大 ，因 此 ，两 种 提 取 方 法 都 是 可 取 的 。 综 合 考 虑 所 用 仪 器 装 置 的 成 本 以 及 实 验 结 果 的 要 求 ，在 本 实 验 中 选择回流提取法分离提取洗 衣 粉 中 的 表 面 活 性 剂 。（二）表面活性剂类型的鉴定根 据 酸 性 亚 甲 基 蓝 试 验 法 得 到 的 现 象 判 别 洗 衣 粉 中 表 面 活 性 剂 种 类 时 发 现 ，大 多 数 品 牌 的 洗 衣 粉 提 取 物 鉴 定 得 到 的 现 象 与 阴 离 子 型 表 面 活 性 剂 的 一 致 ，同 时 也 有 少 数 洗 衣 粉 提 取 物 呈 现 出 较 弱 的 非 离 子 型 表 面 活 性 剂 现 象 ，说 明 洗 衣 粉 中 主 要 含 阴 离 子 表 面 活 性 剂 ，部 分 洗 衣 粉 可 能 还 含 有 极 少 量 的 非 离 子 型 表 面 活 性 剂 。 由 于 这 些 非 离 子 型 表 明 活 性 剂 含 量 很 低 ，故 而 在 后 续 的 结 构 分 析 中 不 会 影 响 阴 离 子 表 面 活 性 剂 的 结 构 判 别 。（三）表面活性剂的结构鉴定红 外 光 谱 研 究对 洗 衣 粉 提 取物进行红外光谱测定 ，可 得 到如 图 所 示 的 红 外 光 谱 图 ，对图中主要谱峰进行 归 属 后 列 于 表 。 其 中 ， 、 和 处的红 外吸收峰 说明洗衣粉提 取 物结 构 中 含 有 苯 环 ， 、 、 、 是 磺 酸 基 团 的 特 征 吸 收 峰 ，是 苯 环 对 位 取 代 的 特 征 吸 收 峰 ，是 直 链 烷 基 长 链 的 特 征 吸 收 峰 。 从 这 些 结 果 可 知 ，所 提 取 的 表 面活性剂可能为烷基苯磺酸 类 阴 离 子 表 面 活 性 剂 。图 洗衣粉提取物红外光谱图 一个分析化学综合实验 洗衣粉中表面活性剂的分析 表 红外吸收峰的归属 型 以 及 红 外 光 谱 和 核 磁 共 振 氢 谱 提 供 的 相 关 信息 ，我们通过查阅资料 以 及 红外 标准谱图 ，可 推 测 本 实验所选洗衣粉中的表面 活 性 剂 为十 二烷 基 十 四烷基苯磺酸钠 ，烷 基 链 上 含 有 甲 基 支 链 。表 核磁共振氢谱信息 由于洗衣粉是每个学生 平 时 在 日常 生活 中都 会 用到的化工产品 ，利 用 此 综 合 实 验 ，有 助 于 提 高 学 生 的 科 研 兴 趣 ，该实验涉及分析化学中的 多 个 知 识 点 ，如 样 品 的 预 处 理 、化 学 鉴 别 和 波 谱 分 析 ， 对 巩固学生的基础知识 、锻 炼 学 生 的 动 手 能 力 、培 养 学生的综合分析能力和文 献 查 阅 能力 都很 有帮 助 ，因 此 是 一 个 理 想 的 分 析 化 学 综 合 实 验 。 通 过 几 年 的 教 学 实 践 表 明 ，该 实验受到学生的普遍欢 迎 ，有 不 少 学 生 拿着自己做出来的图谱与老 师 讨 论 ，也 有 不 少 同 学因此喜欢上了分析化学这 门 科 峰强度可用符号表示 ： 强 ， 中 强 ， 弱 。核 磁 共 振 氢 谱 研 究采用核磁 共 振谱仪对 洗 衣粉提取物进行氢谱 测 定 ，得 到 如 图 所示 的核磁共振氢谱图 ，对 图 中 主 要 谱 峰 进 行 归 属 后 列 于 表 。 其 中 处 的 谱 峰 为 的 质 子 峰 ， 处 的 谱