XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Качественное определение содержания карбоновых кислот и спиртов в косметических кремах
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В современном мире косметические крема занимают важное место в жизни человека, она не только помогает поддерживать здоровье кожи, но и способствует улучшению внешнего вида. Однако с ростом популярности косметических кремов возникает необходимость в глубоком понимании их химического состава. Это исследование направлено на анализ различных компонентов, входящих в состав популярных кремов, которые используются и по сей день.
Актуальность темы: тема определения карбоновых кислот и спиртов в кремах актуальна из-за их ключевого влияния на безопасность, эффективность и качество косметических продуктов. Эти компоненты выполняют разные функции: некоторые действуют как консерванты, предотвращая порчу средства, другие - как активные ингредиенты, влияющие на состояние кожи. Их концентрация и тип напрямую определяют свойства крема, его пригодность для разных типов кожи и потенциальный риск побочных эффектов. В наше время косметические крема популярны, потому что многие люди хотят выглядеть молодо, красиво и ухоженно. Но не все знают, как важно опираться на знание типа кожи, чтобы подобрать правильный крем.
Цель проекта: обнаружение карбоновых кислот и спиртов в косметических кремах для кожи.
Объект исследования: крем Образец 1, детский крем Образец 2, увлажняющий крем Образец 3.
Предмет исследования: физико-химический состав кремов.
Задачи:
1. Изучение литературы и интернет источников.
2. Освоить методику химического анализа по определению карбоновых кислот и спиртов.
3. Изучить физико-химические свойства карбоновых кислот, спиртов
4. Исследовать наличие карбоновых кислот и спиртов в кремах.
5. Выявить влияние химического состава крема на кожу.
Методы: качественный анализ, научное наблюдение, изучение литературы, сравнение.
Гипотеза: различные категории косметического крема содержат разные уровни активных ингредиентов и консерванты, что напрямую влияет на их эффективность и безопасность для кожи.
Глава 1. Теоретическая часть.
1.1. Кремы их использование в современном мире.
Кремы - это один из самых базовых и универсальных продуктов ухода за кожей. Их задача не только увлажнять и питать, но и защищать кожу, замедлять процессы старения и решать конкретные проблемы, такие как сухость. Основная функция крема - удержание влаги в коже. После очищения и использования тоника кожа нуждается в защите от потери влаги, которую обеспечивают активные компоненты крема. Увлажняющие кремы подходят для любого типа кожи, но особенно важны для сухой и чувствительной кожи, которая склонна к раздражению. Увлажняющие кремы - базовый элемент ухода за кожей, который поддерживает её водный баланс, защищает от потери влаги и улучшает внешний вид. Их действие основано на трёх группах компонентов: хумектантах (глицерин, гиалуроновая кислота - притягивают и удерживают воду), окклюзивах (вазелин, воски, масла - создают защитный барьер) и эмолентах (ж/к, растительные масла - восстанавливают кожный барьер). При выборе крема для лица стоит учитывать следующие факторы: Тип кожи - нормальная, сухая, жирная или комбинированная. Возраст - производители часто выпускают кремы с маркировкой «для кожи после 30, 35, 50+ лет» с учётом характерных проблем и потребностей кожи на каждом возрастном этапе. Также важно знать pH - это водородный показатель, количественно выражающий кислотность среды, pH важен для косметических кремов. Он показывает, чего в средстве содержится больше: кислоты или щелочи, по стандартам допустимый диапазон. значения pH для увлажняющих кремов - от 5,0 до 6,0. Оптимальное значение близко к естественному pH кожи (около 5,5), чтобы не нарушать кислотную мантию кожи; минимизировать раздражение; обеспечить стабильность активных компонентов. Шкала pH варьируется от 0 до 14: pH<7 - кислая среда; pH=7 - нейтральная среда; pH>7 щелочная среда.
1.2. Физико-химические свойства карбоновых кислоти влияние на кожу.
Карбоновые кислоты - класс органических соединений, молекулы которых содержат карбоксильную группу (-COOH), связанную углеводородным радикалом. Карбоновые кислоты классифицируют на: одноосновные, содержащие одну карбоксильную группу - СООН. Многоосновные, которые включают две и более карбоксильные группы СООН. В косметологии используют разные виды карбоновых кислот, например, жирные насыщенные кислоты (стеариновая, пальмитиновая C16H32O2) - входят в состав средств для очищения кожи. Жирные ненасыщенные кислоты (олеиновая C17H33COOH, линолевая C17H31COOH) - применяются в средствах для очищения кожи и её глубокого увлажнения ночными и дневными кремами.
Предельные, карбоксильная группа (СООН) соединена с предельным радикалом. В углеводородном радикале только простые связи. Наример: этановая кислота - СН3-СООН. Они имеют особенности, молекулы не содержат п-связей в углеводородном радикале. Непредельные, карбоксильная группа (СООН) соединена с непредельным радикалом. В углеводородной цепи есть одна или несколько двойных связей. Примеры: акриловая кислота - СН2=CН-СООН; линолевая кислота - C17H31COОН - содержит две двойные связи. Важно знать какая кислота наносит вред коже и которая пользу. Рассмотрим 2 карбоновые кислоты, встречающиеся в кремах - это стеариновая и лимонная.
Лимонная кислота — органическая кислота средней силы, относящаяся к классу предельных карбоновых кислот. Это компонент, который часто встречается в косметических средствах. Она относится к группе альфа-гидроксикислот (АНА) и воздействует на верхний слой кожи, способствуя её обновлению. Химическая формула - С6Н807.
Хорошо растворима в воде, растворима в этиловом спирте, малорастворимая в диэтиловом эфире, имеет сильный кислый вкус. Химические свойства и реакции: образование хелатных комплексов с ионами кальция, магния, меди, железа и других металлов. Образование сложных эфиров со спиртами в присутствии кислотных катализаторов (серная кислота, пара-толуолсульфокислота) или без катализатора с высококипящими спиртами.
Реакция с пищевой содой: C6H807+3NаHCО3→Nа3C6Н507+3СО2+3Н20
(выделение газа).
Влияние на кожу лимонной кислоты. Лимонная кислота удаляет омертвевшие клетки эпидермиса, ускоряет обновление, стимулирует синтез коллагена и эластина. Также лимонная кислота блокирует активность тирозиназы - фермента, участвующего в производстве меланина. Благодаря этому пигментные пятна становятся менее заметными. Еще лимонная кислота растворяет кератин (белок), который участвует в образовании кератиновых пробок в порах и становится причиной образования чёрных точек и комедонов. Лимонная кислота помогает нейтрализовать действие свободных радикалов - нестабильных молекул, которые ускоряют процессы старения кожи. Также она создаёт на поверхности кожи тонкую пленку, которая защищает её от пересушивания и чрезмерного испарения влаги.
Стеариновая кислота - одноосновная насыщенная, предельная карбоновая кислота с химической формулой С17H35СООН или С18H3602.
Она входит в состав животных и растительных жиров. Нерастворима в воде, но растворяется в горячем этиловом спирте, диэтиловом эфире, хлороформе, ацетоне и других органических растворителях, не имеет запаха. Химические свойства: реагирует со щелочами с образованием стеаратов, вступает в реакцию этерификации со спиртами, образуя сложные эфиры.
Реакция с хлоридом кальция: при взаимодействии с CaCI2 с образованием стеарата кальция и соляной кислоты.
2C17H35COOH+CaCl2 → (C17H35COO)2Ca+2HCl2C17H35COOH+CaCl2→(C17H35COO)2Ca+2HCl
Влияние на кожу стеариновой кислоты. Стеариновая кислота - естественный компонент кожи, входит в состав липидов рогового слоя. Она выполняет несколько важных функций. Образует на поверхности кожи невидимую плёнку, которая защищает от агрессивного воздействия факторов окружающей среды: мороза, ветра, сухого воздуха и т.д. Укрепляет липидный барьер, предотвращая избыточное испарение влаги. Это снижает восприимчивость кожи к внешним воздействиям, делает её более увлажнённой и гладкой. Помогает заживлять микротрещины на коже, которые могут появляться зимой от контакта с холодным воздухом. Стеариновая кислота особенно полезна для сухой, обезвоженной и чувствительной кожи. В косметике она также выполняет функции стабилизатора, эмульгатора и загустителя, улучшает текстуру продуктов и способствует равномерному распределению активных ингредиентов.
1.3. Физико-химические свойства спиртов и влияние на кожу.
Спирты - кислородсодержащие органические соединения, в молекулах которых один или более атомов водорода замещены на гидроксильную группу (-OH). Общая формула ряда предельных одноатомных спиртов - CnH2n+1OH. Агрегатное состояние зависит от молекулярной массы и структуры:низкомолекулярные спирты (метанол, этанол, пропанол) - жидкости при комнатной температуре.Высокомолекулярные спирты с длинными углеводородными цепями (цетиловый спирт, стеариловый спирт) - твёрдые вещества. Низкомолекулярные спирты хорошо растворяются в воде.Спирты с увеличенной длиной углеводородной цепи (бутанол, пентанол и выше) растворяются в воде хуже.Длинноцепочечные спирты (с числом углеродных атомов 10 и более) практически нерастворимы в воде, но хорошо растворяются в органических растворителях. Спирты имеют значительно более высокие точки кипения и плавления. Особенности воздействия на кожу. Простые спирты могут сушить и раздражать кожу. Они «срывают» естественную кислотную оболочку кожи, обезвоживая клетки. Жирные спирты (например, стеариловый, цетиловый) не сушат, а, наоборот, смягчают кожу. Рассмотрим 2 спирта, встречающиеся в кремах-это линалоол и цетеариловый спирт.
Линалоол С10H18O - спирт, относящийся к терпеноидам.
Встречается в эфирных маслах многих растений, таких как лаванда, базилик, лимон, апельсин. Бесцветная жидкость с запахом ландыша. Растворим в этаноле и пропиленгликоле, нерастворим в воде.Линалоол входит в состав многих эфирных масел. Его получают из растительных ароматических масел методом гидрирования. Химические свойства: при действии органических кислот линалоол легко переходит в гераниол, при действии серной кислоты - в смесь терпинеолов. Окисление линалоола ведёт к цитралю. Реакция окисления с перманганатом калия (KMnO4).
5C10H18O+6KMnO4+9H2SO4→5C10H16O+6MnSO4+3K2SO4+14H2O
Влияние на кожу. Антимикробные свойства: способствует подавлению роста бактерий и грибков. Противовоспалительные свойства: уменьшает воспалительные реакции на коже. Однако линалоол может вызывать и негативные эффекты: у некоторых людей вызывает раздражение кожи, экзему или контактный дерматит. Может окисляться при контакте с воздухом, образуя соединения, способные вызвать аллергические реакции. Может быть опасен для людей с бронхиальной астмой или хроническими заболеваниями печени.
Цетеариловый спирт - смесь высших жирных спиртов цетилового (C₁₆H₃₄O) и стеарилового (C₁₈H₃₈O).
Представляет собой белое воскообразное вещество с нейтральным запахом. Нерастворим в воде, растворим в горячем этаноле, эфире, хлороформе и маслах. Химические свойства: эмульгирующие свойства: облегчает смешивание воды и масел, стабилизирует эмульсии. Образует защитную плёнку на коже, предотвращая потерю влаги. Текстура и консистенция: придаёт кремам и лосьонам плотность и мягкость. Стабилизация эмульсии: предотвращает её расслоение на водные и масляные компоненты. Загуститель: увеличивает вязкость косметических средств, делая их более густыми и кремообразными. Также цетеариловый спирт относится к малоопасным веществам. Не токсичен, не вызывает раздражения кожи и слизистых оболочек при нормальных условиях применения. Качественная реакция окисления с хромовой смесью. Происходит изменение цвета раствора (от оранжевого к зелёному).
C16H32O2+K2Cr2O7+H2SO4→C16H30O2COOH+Cr2(SO4)3+K2SO4+H2O
Влияние на кожу. Цетеариловый спирт не оказывает раздражающего действия на кожу. Это жирный спирт, смесь цетилового и стеарилового спиртов, получаемый обычно из кокосового или пальмового масла. Цетеариловый спирт выполняет в косметических средствах смягчающую, увлажняющую и смазывающую функции. Создаёт окклюзионный слой, который предотвращает чрезмерное испарение воды с поверхности кожи. Снижает сушащие свойства анионных поверхностно-активных веществ, оставляя поверхность кожи увлажнённой. Способствует проникновению питательных веществ в более глубокие слои кожи.
1.4. Методика определения pH и наличия спиртов и карбоновых кислот.
1. Определение pH крема. Нанести 0,5 г крема на чистую стеклянную пластинку добавить 1 -2 мл дистиллированной воды, тщательно перемешать стеклянной палочкой дооднородной эмульсии. Приложить полоску индикаторной бумаги к поверхности эмульсии, слегка прижать на 2-3 с. Сразу сравнить окраску бумаги со шкалой на упаковке. Записать значение pH с точность до 0,5
2. Определение лимонной кислоты.
Взять 0,5 г крема, поместить в пробирку. Добавить 2 мл дистиллированной воды или этанола, встряхнуть до эмульгирования. Внести 1 мл раствора NaHCO₃, аккуратно перемешать. Наблюдать в течение 1-2 минут выделение пузырьков CO₂.
3. Определение стеариновой кислоты
Взять 0,5 г крема перенести в пробирку. Добавить 10 мл этанола, нагреть над спиртовкой (50-60 градусов) до полного растворения. Внести раствор CaCl₂, перемешать. Оставить на 4-5 минут. Появление белого мелкокристаллического осадка, помутнение раствора.
4. Определение линалоола (реакция с перманганатом калия).
Взять 0,5 крема, поместить в пробирку. Добавить 5 мл дистиллированной воды, нагреть до растворения. Добавить 0,5 мл H₂SO₄ и 0,5 мл раствора KMnO₄. Перемешать, наблюдать в течение 2 минут быстрое обесцвечивание фиолетового раствора.
5. Определение цетеарилового спирта с хромовой смесью.
Взять 0,5 г крема, перенести на пробирку. Добавить 5 мл дистиллированной воды нагреть до растворения. Добавить 2 мл хромовой смеси, встряхнуть. Наблюдать изменение окраски с оранжевой на зеленую возможно помутнение
II. Экспериментальная часть
2.1. Определение pH в кремах
Оборудование: пластины керамические для капельного анализа, ложечка, бумажные индикаторы, и крема.
Опыт 1. В результате определения содержания рH в исследуемых косметических кремах выяснилось, что:
Показатель рН в детском креме Образец 2 имеет светло-желтый, бледный оттенок и рH приблизительно равен 6. Соответствует требованиям. Показатель рН в увлажняющим креме Образец 3 имеет желто-зеленый оттенок и его рН приблизительно 6,8. Не соответствует требованиям. Показатель рН в креме Образец 1 имеет темно-желтый оттенок и его рН=6. Соответствует требованиям.
Мы доказали, что не все крема подходят для ежедневного применения, т.к.
допустимый диапазон для увлажняющих кремов от 5-6, 2 крема соответствуют
этому показателю, кроме увлажняющего крема Образец 3.
2.2. Обнаружение карбоновых кислот в кремах
Оборудования: мерные цилиндры или пипетки, пробирки, спиртовка, стеклянная палочка, этанол или изопропанол, кремы.
Реактивы:раствор хлорида кальция (CaCl2), пищевая сода (NaHCO3).
Опыт 2. Обнаружение содержания лимонной кислоты.
В каждую пробирку поместить 0,5 г крема. Чтобы крем растворился разбавим со спиртом этанолом или изопропанолом. Добавить 2 мл насыщенного раствора NaHCO3. Перемешать и наблюдать выделение пузырьков газа. Лимонная кислота обнаружилась в увлажняющим креме Образец 3, а в 2 кремах лимонная кислота отсутствовала (детский крем Образец 2, крем Образец 1).
Опыт 3. Обнаружение содержания стеариновой кислоты.
В каждую пробирку поместить 0,5 г крема. Добавить 10 мл теплого этанола или изопропанола, перемешать до растворения. Влить раствор CaCI2 и перемешать. Теперь наблюдаем выпадение белого осадка стереата кальция. В ходе опыта была выявленно, что стеариновая кислота находится во всех 3 кремах.
2.3. Обнаружение спиртов в кремах.
Оборудования: исследуемые кремы, дистилированная вода, пробирки 6 штук, стеклянная палочка, пипетки, спиртовка.
Реактивы: перманганат калия (KMnO4), хромовая смесь K2Cr2O7.
Опыт 4. Обнаружение содержания линалоола.
В пробирку поместить 0,5 г крема и добавить 5 мл дистиллированной воды. Нагреть над спиртовкой, далее охладить до комнатной температуры. Добавить 2 мл раствора KMnO4 перемешать. После наблюдаем изменение окраски в течение 3-5 минут. Происходит обесцвечивание фиолетовой окраски KMnO4, также появление бурого осадка MnO2. Но для определения именно линалоола нужно сделать реакцию с реактивом Лукаса (ZnCI2+HCI). Линалоол (третичный спирт) дает быстрое помутнее раствора. Таким образом мы выявили, что линалоол содержится в детском креме Образец 2 и увлажняющим креме Образец 3, в креме Образец 1 отсутствует.
Опыт 5. Обнаружение содержания цетеарилового спирта.
В пробирку поместить 0,5 г крема и добавить 5 мл дистиллированной воды. Нагреваем над спиртовкой и охладить до комнатной температуры. Осторожно добавить 2 мл хромовой смеси, перемешать. При слабом нагревании наблюдаем изменение цвета в течение 3-10 минут. Но также, чтобы определить именно цетеариловый спирт, нужно сделать тест на растворимость, так как цетеариловый спирт нерастворим в воде, растворим в этаноле. Цетеариловый спирт присутствуем в увлажняющим креме Образец 3 и детском креме Образец 2 В креме Образец 1отсутствует.
Выводы:
1. В ходе подготовительного этапа: проанализированы научные публикации, прочитан состав косметических кремов, изучены физико‑химические свойства карбоновых кислот и спиртов линалоола, цетеарилового спирта. Рассмотрены механизмы воздействия компонентов на кожу.
2. Освоили методики химического анализа. Отработаны следующие методики:
Для карбоновых кислот: реакция с CaCl2 (обнаружение стеариновой кислоты по нерастворимому стеарату кальция). С NaHCO3 (выявление лимонной кислоты по газовыделению CO2). Для спиртов: проба Лукаса (дифференциация третичных спиртов, например, линалоола). Окисление хромовой смесью (обнаружение цетеарилового спирта).
3. Изучение физико‑химических свойств карбоновых кислот и спиртов
Карбоновые кислоты: стеариновая кислота - твёрдая, гидрофобная, стабилизирует текстуру. Лимонная кислота - водорастворимая, регулирует pH. Спирты: линалоол - ароматический, может вызывать повышение чувствительности. Цетеариловый спирт - смягчает кожу, укрепляет липидный барьер.
4. В результате качественного анализа косметических кремов на наличие карбоновых кислот и спиртов были выявлены следующие результаты: в массовых кремах Образец 2, Образец 3 обнаружены все тестируемые компоненты. В креме Образец 1 минимизированы потенциальные раздражители (линалоол, лимонная кислота), что соответствует позиционированию продукта для чувствительной кожи.
Заключение
В результате качественного анализа, выявлено наличие карбоновых кислот, спиртов и определено pH полученные данные подтвердили, что исследуемые кремы детский крем Образец 2, увлажняющий крем Образец 3 и Образец 1 пригодны для использования. Однако в креме Образец 3 обнаружена лимонная кислота и линалоол, что приводит к ухудшению качества кожи, поэтому при использовании этого крема следует попробовать намазать его на отдельный участок, чтобы убедиться не наносит ли вред кожи этот крем. Детский крем Образец 2 является хорошим кремом, но имеет компонент линалоол, поэтому следует, перед использованием тестировать на отдельном участке кожи. Образец 1 среди 3 кремов оказался лучшим, имеет положительные компоненты, что свидетельствует о его высоком качестве. Использовать безопасные кремы, которые защищают, питают и придают здоровый вид вашей кожи - это выбор каждого. Поэтому следует смотреть на состав крема для вашего комфорта, и чтобы не получить каких-нибудь раздражении. Наша гипотеза подтвердилась, важно читать состав продукта перед использованием чтобы не навредить кожи, и обеспечить ее безопасность. Перспектива дальнейшей работы по исследованию косметических кремов это их количественный анализ наличия карбоновых кислот и спиртов.
Список литературы
-
Габриэлян О. С., Остроумов И.Г., Сладков С.А., Химия 10 класс Москва Просвещение, 2019.
-
В. В. Еремин, Н. Е. Кузьменко, В. И. Теренин, А. А. Дроздов, В. В. Лунин. Химия 10 класс углубленый уровень, Москва Просвещение, 2025.
-
Кнунянц И.Л. «Химический энциклопедический словарь». М.: Научное издательство «Большая Российская энциклопедия», 2003.
-
Ковалев, А. В. «Основы косметологии». Москва: Медицина, 2018.
-
Кузнецова, Е. А. «История развития косметической индустрии». Известия высших учебных заведений. Психология и педагогика, 2019.
-
Мальцева, Н. И. «Уходовая косметика: определение и виды». Журнал косметологии и дерматологии, 2020.
7. Петров, С. М. «Косметика и здоровье: что нужно знать о составе». Москва: Наука, 2021.
Интернет-ресурсы
1. https://www.evitastore.ru/blog/istoriya-razvitiya-kosmetiki-ot-drevnosti-i-do-nashikh-vremen.html
2. https://mederispb.ru/articles/open/64
3. https://www.thevoicemag.ru/beauty/face/o-chem-molchat-etiketki-opasnye-ingredienty-v-kosmetike/