il sapone - Lauree Scientifiche

PROGETTO LAUREE SCIENTIFICHE
Università degli Studi della Basilicata
IL SAPONE
La storia del sapone
Il sapone ha una storia molto antica, basti pensare che già nel 2800 a.C. era conosciuto tra i babilonesi; gli
scavi, a Babilonia, hanno riportato alla luce delle giare sulle quali è indicata la composizione del sapone in
esse contenuto. Anche gli archivi egiziani, relativi ai trattamenti medicali del tempo, evidenziano l’uso del
sapone soprattutto a scopo terapeutico. Secondo un’antica leggenda romana il termine sapone deriva da
“Monte Sapo”, che è il luogo dove si sacrificavano gli animali; un termine simile è presente anche nella
lingua tedesca e sta ad indicare una miscuglio di grassi e cenere che veniva utilizzato per tingere i capelli di
rosso. Le donne galliche furono le prime a scoprire che trattando la biancheria con cenere e grassi si aveva
un effetto smacchiante.
Arriviamo intorno all’800 d.C. e sappiamo che già all’epoca la Francia, sfruttando le sue
materie prime, si impose nella scuola dei saponieri. Nel corso dei secoli man mano che
anche il concetto di igiene personale si diffondeva si è sviluppata l’arte del sapone, ma
fino allo scorso secolo era considerato un oggetto di lusso adatto soprattutto alle classi
più abbienti. Siamo ormai ai nostri giorni: il sapone è di uso quotidiano (a vantaggio
anche del nostro olfatto!!) ed accanto ad esso ritroviamo anche tanti detergenti, simili
al sapone dal punto di vista concettuale, ma diversi nelle materie prime. La differenza
fondamentale è che al miscuglio grasso/cenere, vengono sostituiti i tensioattivi, prodotti di sintesi e spesso
derivati dal petrolio.
Naturalmente il sapone “dell’antichità” era caratteristico della regione in cui veniva prodotto!!!Con parole
dei nostri giorni potremmo dire che era un sapone a Km 0 poiché sfruttava le materie prime locali. I grassi,
così come la sostanza basica, venivano scelti in base a ciò che era presente in loco. Le regioni in cui la
tradizione voleva il sacrificio di molti animali sfruttavano grassi animali, così come regioni in cui erano
diffusi vegetali “oleosi” (olivo, mandorlo, ecc…) utilizzavano prevalentemente grassi vegetali. Le condizioni
basiche potevano essere raggiunte utilizzando la cenere o pietre particolari in cui erano presenti sali basici.
La Francia, ricca nella sua parte meridionale, di piante officinali ed odorose ha
introdotto ben presto nelle sue preparazioni il profumo!!
Ma cerchiamo di capire più da vicino la composizione del sapone…
Cos’è il sapone?
Dal punto di vista chimico, il sapone è una sale ottenuto mescolando una base (soda, potassa, calce) con un
grasso (animale, vegetale o minerale).
La reazione spesso viene chiamata “reazione di saponificazione” ed avviene quando i reagenti vengono
riscaldati. Su scala industriale, le condizioni non sono più “quelle di una volta” nel senso che la reazione di
saponificazione viene effettuata “in continuo” ad alte pressioni ed in presenza di un catalizzatore in modo
che la trasformazione sia molto veloce e quindi l’intero processo molto efficiente.
Il processo antico prevedeva l’utilizzo di un grasso e della lisciva. Il grasso animale è il lardo o la sugna che
veniva purificato per produrre quello che viene chiamato sego. Per quanto riguarda la lisciva vale la pena
soffermarsi un po’ di più visto che ormai il suo uso si è notevolmente ridotto se non proprio eliminato.
La lisciva veniva ottenuta dalla cenere attraverso un processo di pulitura che prevedeva prima una
filtrazione e poi una sorta di “cottura”. Dopo la bollitura una successiva filtrazione con un panno di cotone
forniva un liquido abbastanza limpido che poteva essere conservato per lunghi periodi in recipienti di vetro.
I reagenti che vengono utilizzati attualmente appartengono ovviamente alle stesse categorie, ma con
sostanziali variazioni soprattutto volte a rendere il processo di saponificazione più veloce ed efficace.
Per quanto riguarda i grassi, ne possiamo utilizzare diversi e sceglierli in base al tipo di sapone che vogliamo
realizzare. Utilizzando dei grassi animali viene fuori un sapone adatto soprattutto per il bucato poiché è
abbastanza aggressivo; per ottenere, invece, un sapone adatto alle mani e al corpo sono più consigliabili oli
vegetali. Possiamo utilizzare anche combinazioni di diversi oli per ottenere saponi sempre diversi tra loro
per quantità di schiuma, colore, morbidezza, efficacia.
La funzione della lisciva era quella di fornire le condizioni alcaline e quindi oggi è possibile utilizzare
direttamente la base, in genere l’idrossido di sodio.
Perché il sapone pulisce?
Guardiamo la struttura del nostro sapone.
Ogni molecola ha una coda molto lunga idrofoba: quella parte della molecola tende a
ripiegarsi su se stessa o ad avvicinare altre molecole simili ad essa e in ogni caso
respinge l’acqua. La testa della nostra molecola, invece, è idrofila: questa parte di
molecola è molto affine all’acqua e quindi si legherà “ben volentieri” a molecole di acqua. La somma delle
due parti della molecola avrà quindi contemporaneamente due proprietà: da una parte la capacità di
legarsi a molecole non polari (lo sporco) e dall’altra all’acqua. Per fare una prova semplice, ma molto
efficace possiamo sporcarci le mani con un olio; adesso proviamo a lavarci le mani solo con l’acqua: che
succede? Le mani non si puliscono, l’olio non viene rimosso, anzi, sembra che le nostre mano diventino
quasi impermeabili!! Olio e acqua hanno polarità molto diverse e quindi non si sciolgono l’uno nell’altra.
L’olio resta sulle nostre mani. Proviamo adesso a lavarci le mani anche con il sapone: questa volta
utilizziamo qualcosa che ha una parte simile all’olio e che quindi sarà capace di legarsi ad esso ed una parte
solubile in acqua. Le mani si puliranno visto che le molecole di sapone hanno fatto da ponte tra le molecole
di acqua e le molecole di olio.
Il sapone si organizza in una struttura in cui le code idrofobe sono orientate in modo da
sfuggire all’acqua ed essere vicine tra loro e al grasso, mentre le teste idrofile sono
esposte all’acqua. Ne viene fuori una struttura “circolare”, che prende il nome di micella.
CHIMICAMENTE….
Nella reazione di saponificazione i grassi che in genere sono presenti in forma di trigliceridi vengono trattati
con una soluzione di idrossido di sodio. Le condizioni basiche idrolizzano il trigliceride e si forma così il sale,
che costituisce il nostro sapone, e la glicerina che nei processi industriali viene recuperata e riutilizzata
nell’industria cosmetica, farmaceutica e anche del tabacco come agente umidificatore.
I grassi li possiamo suddividere in due categorie, quelli che normalmente vengono chiamati oli e quelli che
invece vengono chiamati burri. Gli oli contengono per lo più acidi di grassi insaturi mentre i burri
contengono prevalentemente acidi grassi saturi; in genere le insaturazioni comportano un abbassamento
del punto di fusione e quindi è per questo che gli oli a temperatura ambiente sono liquidi, mentre i burri
sono solidi!!! I grassi animali che a temperatura ambiente sono solidi, contengono infatti, prevalentemente
grassi saturi. Guardando la stechiometria della reazione osserviamo che utilizzando 3 equivalenti di base
tutto il grasso si consuma, ma se non tutto il grasso reagisse otterremmo un sapone “più gentile” con la
pelle. Per questa ragione in base all’utilizzo del sapone (shampoo, doccia, mani, viso) viene effettuato in
diversa percentuale “lo sconto della soda”. Lo sconto della soda assicura così che ci sia una parte di grasso
non reagito nel nostro sapone: chimicamente parlando la soda diventa in questo modo il reagente
limitante.
Anche la scelta della base è importante; in generale infatti per la produzione di saponi solidi si utilizza
l’idrossido di sodio, invece per i saponi liquidi si utilizza l’idrossido di potassio.
LA PROFUMAZIONE
Per profumare un sapone l’industria moderna utilizza prevalentemente profumazioni sintetiche, ma gli oli
essenziali di qualsiasi tipo possono soddisfare questo scopo. Molto spesso l’estrazione di oli profumati
direttamente dalla natura richiede condizioni difficilmente realizzabili in “laboratori casalinghi”; in alcuni
casi è possibile ottenere soluzioni profumate anche in modo semplice. È quello che normalmente si fa
quando a casa si preparano i liquori direttamente dagli agrumi. Lasciando le bucce d’arancia in macerazione
in etanolo per qualche giorno, otterremo una soluzione di etanolo arricchita di tutte le sostanze volatili che
caratterizzano il classico odore d’arancia. Potremo utilizzare quindi questa soluzione per profumare il
sapone. Una soluzione di questo tipo, per quanto profumata, ovviamente non raggiungerà l’intensità di
odore degli oli essenziali commerciali che vengono preparati con tecniche più sofisticate, ma comunque
può essere utile al nostro scopo.
IN LABORATORIO….
Prepariamo un sapone all’olio di oliva
Durata dell’esperimento: 2 ore
“RICETTA”
80 g
olio di oliva
20g
olio di arachidi
12,4g idrossido di sodio
100ml acqua distillata
Attenzione alla soluzione di NaOH!!! La
soluzione ha un’elevata
concentrazione, quindi un alto potere
corrosivo. Non utilizzare materiali di
alluminio a contatto con la soluzione!!!
2 arance
50ml etanolo
Utilizziamo una miscela di oli e il burro e la cera d’api che aiuteranno la solidificazione del sapone.
PROCEDURA
Per il profumo:
Si sbucciano due arance e le bucce vengono lasciate in macerazione in etanolo. Se la il processo di
macerazione dura per qualche giorno si otterrà una profumazione più intensa!!!
Si preparala la soluzione di base:
12,4g di NaOH in 100 ml di H2O
Per preparare la soluzione di NaOH in
H2O aggiungere le pasticche di
idrossido all’acqua. La reazione è
esotermica, si può raffreddare con un
bagno di ghiaccio, oppure lasciarla poi
raffreddare lentamente.
In un beker si pesano l’olio di oliva, l’olio di arachidi. Si riscalda la miscela sulla piastra fino a quando
l’aspetto della miscela non diventa omogeneo. A questo punto bisogna portare la miscela dei grassi e la
soluzione di NaOH alla stessa temperatura intorno ai 40°C. Si aggiunge la soluzione di idrossido di sodio
molto lentamente alla soluzione dei grassi. Si mescola con un cucchiaio di legno facendo in modo di
mantenere sempre omogeneo l’aspetto della miscela. Dopo 10min circa si osserverà la formazione del
cosiddetto “nastro”. Prendendo con il cucchiaio un po’ della miscela e facendolo ricadere, si osserva che il
composto resta in superficie…si è raggiunta la consistenza quasi di un budino…
A questo punto la miscela viene messa a bagnomaria e si raggiunge una temperatura di circa 80°C:
attenzione all’ebollizione che non deve essere troppo vigorosa!!! Dopo circa 45 minuti il sapone ha
cambiato consistenza. Versiamo il sapone il uno stampo e lasciamolo solidificare per un paio di settimane. È
importante lasciar bollire il sapone per un tempo sufficientemente lungo poiché è in questa fase che
reagisce l’idrossido di sodio ciò significa che se la fase di bollitura dura meno, nel sapone resta della base
non reagita che è caustica!!!!
Trascorse le due settimane il sapone si sarà ben solidificato; possiamo ridurlo in scaglie e fonderlo a
bagnomaria. A questo punto aggiungiamo la profumazione stabilita e se vogliamo il colorante; prima che si
raffreddi troppo lo versiamo nei piccoli stampi finali. Lo lasciamo solidificare e nel giro di un paio di giorni il
sapone può essere utilizzato. Di seguito ho indicato alcune profumazioni facilmente realizzabili in
laboratorio con diversi metodi, per quanto riguarda, invece, i coloranti, conviene utilizzare quelli già
presenti in commercio. Sono da preferire i coloranti per candele che in genere vengono venduti in cubetti
di cera; per utilizzarli è necessario scioglierli a bagnomaria aggiungendo circa 30ml di un olio vegetale. Il
colorante così ottenuto può essere aggiunto lentamente ed amalgamando bene al sapone fuso.
PROFUMAZIONI
AROMA DI Arancia /Mandarino/Limone
ESTRAZIONE A FREDDO
Le bucce dell’agrume scelto vengono lasciate a macerare in etanolo. La procedura deve essere effettuata
almeno un paio di giorni prima dell’utilizzo, in questo modo la quantità di sostanza estratta dall’etanolo,
sarà sufficiente a profumare il sapone.
2 arance
50 ml etanolo
Le quantità possono essere variate, considerando che l’aggiunta di altro etanolo non implica un aumento
della sostanza estratta!!! Se, per fare il sapone, si utilizzano le quantità presentate nella “ricetta”, per
profumare basteranno 10ml di “etanolo profumato”.
AROMA DI Banana
PREPARAZIONE DELL’AROMA SINTETICO IN LABORATORIO
MATERIALE
Acido acetico
CH3COOH
Alcol isopentilico
20ml
(21g; 0,35mol)
3-metil-1-butanolo
Acido solforico concentrato
H2SO4 4ml
15ml
(12,2g; 0,138mol)
Acqua distillata
Solfato di sodio anidro Na2 SO4
Soluzione di bicarbonato di sodio al 5% NaHCO3
Attenzione all’acido solforico: non
respirare i vapori, ed evitare il contatto
sulla pelle: può provocare gravi
bruciature!!! Se dovesse venire a
contatto con abiti o sulla pelle, lavare
con molta acqua ed aggiungere solo
dopo molti lavaggi con sola acqua ,
anche del bicarbonato sodico.
Soluzione satura di NaCl
Reazione di formazione dell’essenza di banana:
In un pallone da 100ml, munito di refrigerante, vengono versati l’alcol isoamilico, l’acido acetico e
lentamente l’acido solforico; la miscela viene lasciata in agitazione per un’ora alla temperatura di riflusso.
Dopo un’ora, si spegne la piastra e si fa raffreddare la miscela. Raggiunta la temperatura ambiente si versa
la miscela di reazione in un imbuto separatore e si aggiunge l’acqua. Si tappa l’imbuto, si agita
vigorosamente, quindi si procede con la separazione tra la fase acquosa (strato inferiore, da scartare) e la
fase organica (strato superiore). Si aggiunge la soluzione di bicarbonato alla fase organica e si procede
nuovamente con la separazione (fase acquosa/fase organica). Si ripete la procedura di estrazione due volte
e si verifica che alla fine la fase acquosa di scarto abbia un pH alcalino. Si lava la fase organica con 25ml di
una soluzione acquosa satura di NaCl. Quindi si procede nuovamente con la separazione e nella beuta
contenente la fase organica si aggiunge una spatolata di solfato di sodio anidro. Si procede con la filtrazione
su ovatta e si evapora il solvente a pressione ridotta. Una volta evaporato il solvente, sarà ben evidente
l’aroma di banana, ma volendo è possibile procedere con un’ulteriore purificazione per distillazione. In
questo caso si raccoglierà la frazione che distilla ad una temperatura compresa tra 134 e 143°C. Se si decide
di procedere con la distillazione ricordarsi di introdurre un magnetino nel pallone contenente il prodotto da
distillare, in questo modo si eviterà l’ebollizione violenta. Inoltre data l’elevata temperatura di distillazione
è importante riscaldare il pallone con un bagno ad olio.
AROMA DI Cannella
ESTRAZIONE IN CORRENTE DI VAPORE
MATERIALE
10g bastoncini di cannella
100ml H2O distillata
Diclorometano CH2Cl2
Solfato di sodio anidro Na2 SO4
Si monta l’apparecchio di distillazione in corrente di vapore, si tritano 10g di bastoncini di cannella, si
versano nel pallone di distillazione e si aggiungono 100ml di acqua (meglio se calda). Si inizia tutto il
processo di distillazione e per il buon esito dell’intera estrazione è importante avere un riscaldamento lento
e graduale. Quando sono stati distillati circa 100ml di liquido, questo viene versato in un imbuto separatore
e lo si estrae due volte con diclorometano. Quindi alla fase organica (strato inferiore) si aggiunge una
spatolata di solfato di sodio anidro, si filtra su ovatta e il solvente viene allontanato lentamente per
riscaldamento a bagnomaria. Si otterranno alla fine circa 240mg di un residuo oleoso dall’intenso profumo
di cannella.
Il principale componente dell’essenza di cannella è la cinnamaldeide:
INDICAZIONE PER LA SUDDIVISIONE IN 16 ORE
Di seguito riporto i tempi orientativi i diversi esperimenti
1. Reazione di saponificazione
Dal raggiungimento del nastro occorre considerare 45minuti in cui il sapone deve continuare a
bollire in modo da poter consumare tutta la soda che è stata aggiunta. A questo tempo va aggiunto
quello necessario per pesare gli ingredienti, preparare la soluzione di NaOH (se non è stata già
preparata), sciogliere i grassi e aggiungere la soluzione di soda a quella dei grassi. È importante
ricordare che quando si aggiunge la soluzione di idrossido di sodio a quella dei grassi, entrambe
devono essere ad una temperatura di circa 40°C!!!Quando ha reazione di saponificazione è
terminata, il sapone deve essere versato in uno stampo che può essere di qualsiasi materiale
(anche le teglie di alluminio vanno benissimo).
Tempo: 2ore
2. Estrazione a freddo per l’aroma degli agrumi
Bisogna semplicemente sbucciare gli agrumi e lasciarli in etanolo. Per evitare processi di
ossidazione, conviene tenere la soluzione in un luogo buio. Il tempo richiesto è semplicemente
quello necessario a sbucciare gli agrumi. Questa operazione può essere effettuata su arance,
mandarini e limoni.
Tempo: 30minuti
3. Preparazione dell’aroma di banana
Il tempo necessario per la reazione e l’estrazione è di 2 ore a cui va aggiunto il tempo necessario
per pesare i reagenti, scegliere e montare la vetreria. Bisogna preparare anche la soluzione di
bicarbonato al 5%
Tempo: 3 ore e 30 minuti
4. Aroma di cannella
Il tempo necessario per tutto l’esperimento è di 4 ore; se si ritiene possa essere utile l’esperienza
può essere suddivisa in due parti. La prima parte comprende la distillazione e la seconda
l’estrazione e l’evaporazione del solvente.
Tempo: 4 ore
5. Profumazione (e colorazione) del sapone
Il sapone precedentemente preparato viene fuso a bagnomaria, quindi viene tolto dalla piastra e
quando la temperatura è intorno ai 40°C si aggiunge la profumazione desiderata. Quindi si versa il
sapone negli stampi e si lascia raffreddare.
Tempo: 1 ora
DIFFERENZA OLIO/BURRO
Dal momento che per fare il sapone si utilizzano oli e burri, in laboratorio è possibile anche fare piccoli
esperimenti che mettano in luce le principali differenze fra queste due categorie di grassi. Gli oli e i burri a
livello molecolare si differenziano per i doppi legami. Gli oli sono contengono in generale delle percentuali
variabili, ma comunque alte di grassi insaturi a differenza dei burri in cui, invece, la maggior parte dei grassi
presenti non ha doppi legano (grassi saturi).
Possiamo valutare la presenza più o meno significativa di doppi legami attraverso una reazione di addizione
elettrofila al doppio legame.
MATERIALE
Diversi tipi di burri e oli
Emulsione viola di salda d’amido e tintura di iodio
Sapone
Si solubilizza qualche millilitro di olio in acqua utilizzando un po’ di sapone e mescolando gentilmente per
evitare la formazione di schiuma. Si aggiunge lentamente goccia a goccia l’emulsione viola
precedentemente preparata. Alle prime gocce si osserverà l’immediata decolorazione, man mano che si
continua ad aggiungere emulsione, il colore svanirà più lentamente fin quando la miscela non varierà più
colore e resterà viola. A questo punto si prende nota dalla quantità aggiunta: si noterà che questa è
sicuramente inferiore nel caso di un burro piuttosto che di un olio. La decolorazione è data dall’addizione
dell’alogeno al doppio legame, quando non si osserva vuol dire non sono più presenti doppi legami!!!
Preparazione della salda d’amido: all’1%:
Portare all’ebollizione 500 ml di acqua distillata in un becher da 1 L. in un becher da 50 mL preparare una
pasta aggiungendo 10 g di amido solubile a 20 mL di acqua distillata. Aggiungere la pasta all’acqua in
ebollizione e lasciare bollire per 5 minuti. Versare la soluzione calda in un becher da 1 L contenente 450 mL
di acqua distillata molto fredda. Quando l’intera soluzione si è raffreddata, diluire ad 1 L.
Al momento dell’utilizzo, aggiungere alla salda d’amido la tintura di iodio.
Tempo: 1h
La presenza di doppi legame influisce anche sul punto di fusione del grasso in esame: la presenza di doppi
legami rende difficile “l’impacchetamento” delle molecole per formare un solido, ed infatti il punto di
fusione è più basso per un olio che per un burro!!!