Fremstilling af Creme - Rapport i Kemi

Side 1

Fugtighedscreme

[navn fjernet] & [navn fjernet] – Kemi højniveau

Frederiksborg Gymnasium & HF

27. august 2004

Side 2

Formål:

Formålet med forsøget var at få fremstillet en brugbar og anvendelig fugtighedscreme. Denne rapport er lavet på baggrund af forsøget, samt vores årsprøve i kemi, maj 2004. Intentionen med rapporten er at beskrive hvad en emulgator er, samt redegøre for hvad en emulsion er. Herudover vil vi gøre rede for vandfasen og fedtfasen, samt de bindinger som indgår i stofferne i vores creme. Vi har desuden valgt at medbringe de normale punkter i rapporten.

Teori:

Emulgator & emulsion:

Hvis man prøver at blande en polær væske med en upolær, ser man, at det ikke lader sig gøre så nemt. Hvis man ryster en beholder med vand tilsat fedtstof rigtig godt, er væsken et kort øjeblik uklar, og det ser ud som om, de to væsker er blandet. Men hurtigt går vandet og fedtstoffet hver til sit igen. I levnedsmiddelindustrien fx har man dog brug for at kunne lave en sådan blanding, og man danner derfor en emulsion. Der findes to slags emulsioner:

• O/V-emulsion (olie i vand)
• V/O-emulsion (vand i olie)
Et eksempel på en O/V-emulsion er mælk, som indeholder 3-4% smørfedt i vand.
Et eksempel på en V/O-emulsion er smør, som indeholder ca. 80% smørfedt og ca. 20% vand.

I olie-i-vand emulsioner er olien eller fedtstoffet fint fordelt i vand som bittesmå dråber. De holdes svævende i vandet, fordi de er indkapslet i en skal af emulgatormolekyler. Til disse emulsioner kræves der emulgatorer med relativt store hydrofile ender.

I vand-i-olie emulsioner er emulgatormolekyles hydrofile kugler trængt ind i vanddråberne og vender de hydrofobe ender ud mod den omgivende olie.

For at kunne opretholde en sådan emulsion, har man emulgatorer. Disse tilhører stofgruppen tensider, som er kendetegnet ved at have en hydrofil og en lipofil (også kaldet hydrofob) gruppe.

Den hydrofile gruppe består af tre OH-grupper, og den lipofile hale består af en C-kæde, C17H35-.

Man kan forestille sig, at emulgatoren har to hænder, hvor den med den ene kan holde fast i et vand og med den anden kan holde fast i et fedtstof, og på den måde forbinde et polært molekyle med et upolært. Tensider har den funktion, at de kan nedsætte overfladespændingen.

Side 3

Triethanolamin Stearinsyre Triethanolammoniumstearat

(base) (syre) (salt)

( ) ( )

HO-CH -CH - N + C H -COOH HO-CH -CH - NH , O-CO-C H →
        17 35
                33

+-

Emulgatorer er kendetegnet ved at have fra 7-25 CH2-grupper.

Når man tilsætter tensider til en beholder med vand, vil de i starten lægge sig i væskeoverfladen, med deres hydrofobe ende bort fra vandet på overfladen. Grænsefladen er derved ændret fra

vand/luft til vand/tensid og tensid/luft, hvilket betyder at overfladespændingen er blevet nedsat. Når

dette dækker hele overfladen, vil yderligere tilsatte tensider dykke ned under overfladen og samle sig med deres hydrofobe ender sammen, således at de danner en såkaldt micelle. Da de hydrofile grupper vender ud mod vandet, kan den holde sig ”svævende” i vandet. Det er i midten af disse miceller fedtstoffet vil kunne sætte sig ind, og det er dermed medføre at blande fedt og vand.

Emulgatoren brugt i cremen er triethanolammoniumstearat, der dannes af triethanolamin tilført via vandfasen og stearinsyre tilført via fedtfasen, ved følgende reaktion:

Bindinger:

Idet vi tilsætter vores emulgator til opløsningen vil emulgatorens lipofile del binde sig til fedtet, og der dannes altså en binding mellem fedtet, som består af lange CH-kæder, og emulgatoren. Denne binding, som binder to upolære stoffer sammen kaldes en london-binding. En london-binding kan forklares ved, at det ene molekyle i en kortere periode har en skæv elektronsky og påvirker derfor nabomolekylets elektronsystem så der i et lille tidsinterval er en vis polaritet hos nabomolekylet.

Derved tiltrækkes de to, nu, polære molekyler af hinanden og danner en binding som kaldes london-binding. Deres styrke afhænger selvfølgelig af hvor mange elektroner der er og selvfølgelig hvordan molekylet er opbygget, oval-formet molekyler har således større overflade hvor det kan bindes en fx et cirkel-formet molekyle. Det gør så at der er en større kraft mellem bindingerne hvis overfladen, hvor molekylet kan binde sig til andre molekyle, er stor.

Derimod vil emulgatoren hydrofile del, som består af tre OH-grupper, vil derimod søge væk fra fedtet og danne bindinger med vandet. Her dannes dog ikke london-bindinger, da vand jo som sagt Denne reaktion er en syre-basereaktion, triethanolamin er en base, stearinsyre en syre, og triethanolammoniumstearat et salt.

Side 4

er polært. Der dannes hydrogen-bindinger, som er meget de stærkeste intermolekylære-bindinger.

Disse dannes mellem et positivt hydrogenatom i vandmolekylet og et ledigt elektronpar på oxygenatomet i nabomolekylet. Da disse bindinger er så stærke kræves der som en selvfølge også meget energi til at bryde dem, derfor har stoffer hvor hydrogen-bindinger indgår et højt kogepunkt.

Fedtfasen:

Cremens fedtfase består af en lille række forskellige stoffer. Størstedelen består selvfølgelig af fedt, i form af svinefedt. Svinefedtet består af en procentvis del af forskellige stoffer, som er som følgende:

∼ 2% myristinsyre

∼ 24% palmitinsyre

∼ 11% stearinsyre

∼ 52% oliesyre

∼ 11% linolsyre

Endvidere består fedtfasen også af paraffinolie og 5g ekstra stearinsyre. Svinefedt og stearinsyre kan fremskaffes meget nemt, mens fedtstoffer fremstilles gennem en mere indviklet proces.

Fedtstoffer er upolære stoffer, hvilket skyldes de lange upolære carbonhydridkæder. Omkring O-atomerne er der en vis polaritet, men sammenlignet med de lange carbonhydridkæder betyder de ikke noget. Derfor er fedtstoffer upolære.

Fremstilling af fedtstoffer sker ved, at man lader en alkohol reagere med en eller flere carboxylsyrer, hvorunder der fraspaltes vand. Dette er kendt som en kondensering. Under dannelsen af fedtstoffet dannes der en estergruppe.

En estergruppe (ses på figuren) er altså et carbonatom bundet til 2 oxygenatomer, hvorimellem den ene binding er en dobbeltbinding. Hvis estergrupperne sidder på lange CH-kæder kaldes de polyesterbindinger, grundet der er så mange af dem. Med hensyn til fedtstoffer tænker man først og fremmest på triglycerider. Et triglycerid er en ester af alkoholen 1,2,3-propantriol (glycerol).

Side 5

Ved hjælp af londonbindinger bindes de lange CH-kæder til den lipofile del i emulgatoren. Vi ved jo, at upolære stoffer normalt kun er forenelige med upolære stoffer og ligeledes med polære, men en emulgator gør det muligt at blande disse.

Fedt er som sagt upolært, og hvor vand tilfører huden fugt, har fedt til opgave at binde sig til vand, således at vandet ikke fordamper, men tilføres huden.

Normalt sker denne ligevægt:

H O ↔ H O

2 (l) 2 (g)

(huden) (omgivelserne)

På tørre dage med lav fugtighed vil huden afgive noget vand til omgivelserne. Reaktionen går mod højre. Derimod vil der på fugtige dage ikke afgives så meget pga. omgivelserne er mættet på vand.

Reaktionen går mod venstre. Derfor hjælper det ikke at påføre vand direkte på tør hud, da det ikke vil bindes. Udover cremen hjælper til med at binde vandet til huden, giver det også et beskyttende lag på huden mod f.eks. bakterier.

Vandfasen

Ligesom fedtfasen består vandfasen af forskellige stoffer. Vandfasen består selvfølgelig primært af vand, men også og af 2 andre ting. Stofferne i vandfasen er som følgende:

∼ 60 mL vand

∼ 0,5 g triethanolamin

∼ 0,5 g glycerol

Hvert af stofferne i vandfasen har selvfølgelig deres specifikke funktion. Vandets primære funktion er at tilføre huden fugt, mens triethanolamin (polært) tilføres for at det kan reagere med stearinsyre

(upolært) og danne emulgatoren triethanolammoniumstearat, som er et salt. Glycerolen tilføres cremen, for at blødgøre huden.

Vand er meget stærkt uoplært pga. det har en positiv og negativ side som følge af en skæv elektronfordeling. Endvidere skyldes det den relativt store elektronegativitetsforskel mellem H og O og den lille bindingsvinkel på 104,5°, hvilket bevirker at opbygningen er tetraedisk.

Fig. H O’s opbygning

2

Side 6

Tyngdepunktet i vandmolekylet ligger mellem de to H-atomer.. Mens der er dipol-dipolbindinger i

                                      +
vandmolekylet, er der hydrogenbindinger fra H til N,O,F- atomer.

Hydrogenbindingerne går fra det positive hydrogenatom til det ledige elektronpar på N. Helt generelt er det kun de tre grundstoffer N,O og F, som kan lave hydrogenbindinger pga. deres størrelse og store elektronegative.

Triethanolamins funktion er tidligere nævnt. Der sker som sagt det, at en amin reagerer med en stærk syre, og derved dannes saltet triethanolammoniumstearat. Generelt for aminer er, at de indeholder nitrogen og et ledigt elektronpar.

Glycerolen tilsættes som sagt for at blødgøre huden. Glycerol kan dannes ved at et fedtstof reagerer med NaOH og derved fås sæbe og glycerol. Dette sker ofte eftersom man ønsker at fremstille sæbe, der blødgør huden.

Apparatur:

∼ Petriskåle

∼ Bunsenbrænder

∼ Trefod + metalnet

∼ Vægt

∼ 100 mL måleglas

∼ Dråbepipette

∼ Glasspatel

∼ Termometer

Apparatur til analysen af emulsionen:

∼ Petriskål

∼ Dråbepipette

∼ Methylenblåt

Kemikalier:

Fedtfasen: 25 g svinefest (”Raffinol” el.l. rent friture fedt tilsat antioxidanter)

5 g paraffinolie (f.eks. Brugsens kvalitet ”til indvortes brug”)

5 g stearinsyre (stearin fra et stearinlys kan udmærket bruges)

Side 7

Stearin er en blanding af flere fede syrer, dog overvejende palmitinsyre, C H COOH, og stearinsyre, C H COOH.

17 33 17 35

Vandfasen: 60 mL vand

0,5 g triethanolamin N(CH CH OH) (kan købes på velassorterede apoteker)

2 2 3

0,5 g triethanolamin fylder ca. 17 dråber med dråbepipette.

5 g (4 mL) glycerol (handelsnavnet glycerin bruges stadig)

Evt. tilsættes 1 dråbe parfume af god kvalitet, alternativt lidt citronolie.

Fremgangsmåde:

Efter vi havde fremstillet den rette blanding til hver af faserne, opvarmede vi disse til bestemme temperature (fedtfasen til 80 °C og vandfasen til 90 °C). Fedtfasen må ikke komme i nærheden af

100 °C, da den her vil kunne koge eksplosivt. Da de 2 faser havde nået den rette temperatur, tog vi vandfasen og hældte den over i fedtfasen. Dette foregik roligt og med samtidig omrøring.

Omrøringen fortsatte indtil temperaturen i bægerglasset var faldet til 30 °C. For at give creme lidt duft, tilsatte vi lidt parfume til blandingen.

Konklusion:

Vi kan konkludere, at vores forsøg forløb udmærket. Vi fik fremstillet en fast og brugbar creme.

Efter fremstillingen af cremen undersøgte vi om vi havde en olie-i-vand emulsion el. en vand-i-olie emulsion. Ved nærmere undersøgelse med indikatoren methylblåt viste det sig at vi havde fremstillet en olie-i-vand emulsion.

______________________ ______________________ ______________________

Asmus Mortensen Jesper Grüning Morten Lundsager