Săpunuri și detergenți

Săpunurile sunt săruri de sodiu sau potasiu ale acizilor grași, obținute prin saponificarea grăsimilor. Stearatul de sodiu este ${\mathrm{C}}_{17}{\mathrm{H}}_{35}\mathrm{COONa}$. Detergenții sintetici conțin agenți tensioactivi precum sulfați sau sulfonați cu lanț organic lung. În apă, partea hidrofilă stă spre apă, catena hidrofobă spre grăsime; moleculele formează micele care dispersează murdăria. În apă dură, săpunul formează săruri insolubile cu $\mathrm{C}{\mathrm{a}}^{2+}$ și $\mathrm{M}{\mathrm{g}}^{2+}$, în timp ce detergenții sintetici formează săruri solubile și rămân activi.

Obținerea săpunului. Săpunul se obține prin saponificarea grăsimilor cu o bază tare: cele trei legături esterice ale trigliceridei se rup, rezultând glicerol și trei moli de sare a acidului gras, adică de săpun, pentru fiecare mol de trigliceridă. Soluția se amestecă apoi cu $\mathrm{NaCl}$ (sărare), iar săpunul, mai puțin solubil în soluția sărată, se separă la suprafață.

Acțiunea de spălare. Anionul de săpun are un cap hidrofil, grupa $-\mathrm{CO}{\mathrm{O}}^{-}$, și o coadă hidrofobă, catena hidrocarbonată. Săpunul micșorează tensiunea superficială a apei, deci apa udă mai bine țesătura. Murdăria grasă intră în interiorul hidrofob al micelelor, iar capetele ionice din exterior le țin dispersate în apă; micelele, încărcate cu același semn, se resping și nu se unesc la loc. Astfel se formează o emulsie stabilă de grăsime în apă, care se îndepărtează prin clătire. Detergenții sintetici au același principiu, dar partea hidrofilă este o grupă sulfonat sau sulfat, iar sărurile lor de calciu și magneziu sunt solubile.

Apa dură. Apa cu mulți ioni $\mathrm{C}{\mathrm{a}}^{2+}$ și $\mathrm{M}{\mathrm{g}}^{2+}$ se numește dură. Acești ioni precipită săpunul sub formă de carboxilați insolubili, deci scade cantitatea de săpun dizolvat, iar spuma apare abia după ce ionii s-au consumat. Detergenții sintetici nu precipită în apă dură.

Compoziția și efectele asupra mediului. Un detergent comercial conține agent tensioactiv, substanțe care leagă ionii de calciu și magneziu (polifosfați, zeoliți), enzime (proteaze și lipaze care descompun petele de proteine și grăsimi), înălbitori și parfumuri. Polifosfații ajung în râuri și lacuri și provoacă înmulțirea excesivă a algelor (eutrofizare). Un tensioactiv cu catenă liniară este descompus de microorganisme, deci este biodegradabil, iar unul cu catenă ramificată persistă și formează spumă în ape. Săpunul se descompune ușor în mediu, dar în apă dură o parte din el se pierde prin precipitarea ionilor metalici.

Exemplu rezolvat 1. Saponificarea a $89$ kg de tristearină, $({\mathrm{C}}_{17}{\mathrm{H}}_{35}\mathrm{COO}{)}_3{\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_5$, cu $\mathrm{NaOH}$.

1. $M=890$ g/mol, deci $n=89000/890=100$ mol grăsime.
2. Ecuația este $({\mathrm{C}}_{17}{\mathrm{H}}_{35}\mathrm{COO}{)}_3{\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_5+3NaOH\to 3{\mathrm{C}}_{17}{\mathrm{H}}_{35}\mathrm{COONa}+{\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_5(\mathrm{OH}{)}_3$.
3. Se consumă $300$ mol $\mathrm{NaOH}$, adică $12$ kg, și se formează $300$ mol săpun, cu $M=306$ g/mol, adică $91,8$ kg.
4. La randament de $90\%$ se obțin $82,6$ kg săpun.

Exemplu rezolvat 2. Câtă cantitate de stearat de sodiu se consumă într-un metru cub de apă cu $100$ mg $\mathrm{C}{\mathrm{a}}^{2+}$ pe litru?

1. Un metru cub are $1000$ L, deci conține $100$ g $\mathrm{C}{\mathrm{a}}^{2+}$, adică $100/40=2,5$ mol.
2. Reacția $\mathrm{C}{\mathrm{a}}^{2+}+2{\mathrm{C}}_{17}{\mathrm{H}}_{35}\mathrm{CO}{\mathrm{O}}^{-}\to ({\mathrm{C}}_{17}{\mathrm{H}}_{35}\mathrm{COO}{)}_2\mathrm{Ca}$ cere $2$ mol săpun pentru $1$ mol ion.
3. Se consumă $5$ mol, adică $5\cdot 306=1530$ g de săpun, înainte să apară spumă.

Clasificarea detergenților după partea hidrofilă:

• anionici: alchilbenzensulfonați ($\mathrm{R}-{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_4-\mathrm{S}{\mathrm{O}}_3^{-}\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$), alchilsulfați (${\mathrm{C}}_{12}{\mathrm{H}}_{25}\mathrm{OS}{\mathrm{O}}_3^{-}\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$);
• cationici: săruri de amoniu cuaternar, de exemplu $[\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2{)}_{15}\mathrm{N}(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3{)}_3{]}^{+}\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$, cu acțiune dezinfectantă;
• neionici: $\mathrm{R}-\mathrm{O}-(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}{)}_{\mathrm{n}}\mathrm{H}$, obținuți cu oxid de etenă; partea hidrofilă este catena polieterică, fără ioni.

Detergenții cu catenă liniară sunt biodegradabili, iar cei cu catenă ramificată se descompun greu. Detergenții anionici se obțin prin sulfonarea alchilbenzenului și neutralizarea cu $\mathrm{NaOH}$: dodecilbenzensulfonatul de sodiu, ${\mathrm{C}}_{18}{\mathrm{H}}_{29}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_3\mathrm{Na}$, are $M=348$ g/mol.

Săpunurile se obțin prin saponificare: cu $\mathrm{NaOH}$ rezultă săpunuri solide (de sodiu), cu $\mathrm{KOH}$ săpunuri moi (de potasiu). Separarea săpunului din amestec se face prin adăugare de $\mathrm{NaCl}$ (sărare). Soluția apoasă a unui săpun este slab bazică, deoarece anionul carboxilat hidrolizează: $\mathrm{RCO}{\mathrm{O}}^{-}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\rightleftharpoons \mathrm{RCOOH}+\mathrm{H}{\mathrm{O}}^{-}$.

Apa dură. $\mathrm{C}{\mathrm{a}}^{2+}+2RCO{\mathrm{O}}^{-}\to (\mathrm{RCOO}{)}_2\mathrm{Ca}\downarrow$. Pentru $0,010$ mol $\mathrm{C}{\mathrm{a}}^{2+}$ se consumă $0,020$ mol stearat de sodiu, adică $0,020\cdot 306=6,12$ g săpun. Detergenții sintetici formează săruri de calciu solubile și nu își pierd activitatea în apă dură.

Partea hidrofobă este catena hidrocarbonată, iar grupa ionică $-\mathrm{CO}{\mathrm{O}}^{-}$ sau $-\mathrm{S}{\mathrm{O}}_3^{-}$ este hidrofilă.

Complement grupat. Despre săpunuri și detergenți sunt date patru afirmații:

1. săpunul de potasiu este moale;
2. alchilbenzensulfonatul de sodiu precipită cu ionii $\mathrm{C}{\mathrm{a}}^{2+}$;
3. detergenții cationici au acțiune dezinfectantă;
4. saponificarea cu $\mathrm{NaOH}$ dă ca produs secundar etanol.

• A. Numai 1, 2 și 3 sunt corecte
• B. Numai 1 și 3 sunt corecte
• C. Numai 2 și 4 sunt corecte
• D. Numai 4 este corectă
• E. Toate sunt corecte sau toate sunt false

Afirmațiile 1 și 3 sunt adevărate. Afirmația 2 este falsă, deoarece sulfonatul de calciu este solubil. Afirmația 4 este falsă, deoarece saponificarea unei trigliceride dă glicerol, nu etanol. Răspuns corect: B.

Greșeli frecvente

• Greșit: Catena hidrocarbonată a săpunului se orientează spre apă.
  Corect: Se orientează spre grăsime, în interiorul micelei.
• Greșit: Săpunul și detergentul sulfonat se precipită identic în apă dură.
  Corect: Săpunul formează carboxilați insolubili de Ca și Mg, iar detergentul sulfonat formează săruri solubile.
• Greșit: Săpunul se obține prin neutralizarea glicerolului cu o bază.
  Corect: Se obține prin saponificarea trigliceridei, adică hidroliza bazică a legăturilor esterice.
• Greșit: Un mol de trigliceridă dă un mol de săpun la saponificare.
  Corect: Dă trei moli de săpun și un mol de glicerol.
• Greșit: Soluția de săpun este neutră, pentru că săpunul este o sare.
  Corect: Soluția este slab bazică, deoarece anionul carboxilat hidrolizează.

Înainte și după