Síntesis de Jabones Exóticos

PRACTICA N° 4

Síntesis de Jabones Exóticos

Antecedentes Históricos:

Los pueblos primitivos usaban solamente agua para fines higiénicos, con pobres resultados: actúan individualmente, el agua no es un buen agente limpiador. Probablemente también se utilizaron plantas como la hierba europea Saponaria sp, u otras plantas “jabonosas” de la América tropical. Estas plantas contienen compuestos químicos llamados saponinas, los cuales en solución acuosa, producen una espuma similar a la del jabón.

Estudios históricos revelan que los egipcios y los babilonios utilizaron las cenizas vegetales alcalinas con fines de limpieza, hace más de 5.000 años. Cuando la madera se quema, durante el proceso de combustión, los átomos metálicos que esta contiene. Forman óxidos metálicos de sodio, Na2O, potasio, K2O, y calcio,  Ca2O, los cuales son sólidos iónicos, componentes principales de las cenizas de las plantas. Las cenizas vegetales también contienen carbonato de potasio, K2CO3 y carbonato de sodio, Na2CO3. Tanto los óxidos metálicos como los carbonatos, son fuentes de iones hidróxido.

En el antiguo proceso de manufactura del jabón, se recolectaban las cenizas de la madera y se remojaban en agua. Después de varios días, se separaba una solución muy básica de las cenizas insolubles. La reacción entre el agua y el oxido de sodio produce iones oxidrilo.

Na2O (s) + H2O (l)       2 NaOH (ac)[pic 1]

NaOH (ac)       Na´ (ac) + OH (ac)[pic 2]

También, el ion carbonato de las sales de potasio y sodio, reacciona con el agua produciendo una solución alcalina.

CO3-2 (ac) + H2O (l)      HCO3- (ac) + OH- (ac)[pic 3]

La solución básica sobrenadante, producto del remojo de las cenizas vegetales, por si sola posee propiedades limpiadoras.

La preparación del jabón es una de las reacciones químicas mas antiguamente conocida. En las obras del romano Plinio El viejo, se describe como los fenicios sintetizaban jabón utilizando sebo de cabra y cenizas de plantas. El jabón fue utilizado también por los estrucos; entre las ruinas de la ciudad de Pompeya se han encontrado los restos de una fábrica de jabón. Así, también los griegos y los romanos conocieron el uso del jabón: hace varios milenios se descubrió que las mezclas crudas de grasas animales y las cenizas alcalinas de plantas, generaban jabones que limpiaban eficientemente. Mas tarde y durante siglos, la elaboración del jabón constituyo una tarea casera; los jabones modernos son producto de la experimentación con estas mezclas de grasa.

En la segunda mitad del siglo XIX, factores económicos y tecnológicos, generaron el desarrollo de la industria del jabón. El proceso industrial de fabricación de jabones difiere poco del casero: las cenizas se sustituyen por hidróxido de sodio principalmente, aunque también se utiliza hidróxido de potasio y la reacción de uno de estos hidróxidos con diferentes grasas como sebo, aceite de oliva, de coco, etc., Produce diferentes tipos de jabones, a los cuales se les adiciona perfumes, colorantes, emolientes o desinfectantes, según el uso para el cual se destinen.

Fabricación del Jabón:

La reacción de hidrólisis básica (saponificación) de una grasa, produce jabón y glicerina. La gran mayoría de las grasas y aceites (triglicéridos) son triesteres que contienen tres cadenas largas de ácidos carboxílicos alifáticos unidos a una molécula de glicerol.

[pic 4]

El proceso de saponificación involucra el calentamiento de una grasa animal o vegetal en una solución alcalina. La solución alcalina produce la hidrólisis del triglicérido a sus partes constituyentes, como sales de ácidos carboxílicos de cadena larga (RCOO-Na+) y glicerol. La adición de una solución de cloruro de sodio, facilita la precipitación de las sales carboxilatos, es decir, del jabón, por efecto del ion común: el jabón es una sal sódica soluble en agua pero no tanto como el cloruro de sodio. Cuando una solución contiene dos sales de diferente solubilidad con un ion común (en este caso el ion Na+), un exceso de este, provoca la precipitación de la sal menos soluble. El jabón precipitado de esta forma se separa por filtración.

El glicerol o glicerina, también se aprovecha como componente de jabones, en algunos casos. El glicerol es un liquido viscoso, incoloro e inodoro (punto de ebullición: 290°C), que actúa como buen agente humectante debido a su capacidad higroscópica. Puede separarse de la solución filtrada por destilación y añadirse luego al jabón antes del proceso de secado.

Las sales carboxilato obtenidas a través de este proceso tienen, en general, diferentes estructuras químicas con cadenas lineales que van desde 8 a 18  carbonos. Algunas de estas cadenas contienen sitios de instauración, el grado de instauración y el número de átomos de carbono presentes en la cadena, dependen de la fuente de triglicérido utilizada.

La longitud de la cadena carbonada y el numero de enlaces dobles en la porción del acido carboxílico de la grasa o aceite, determinaran las propiedades del jabón resultante. Así, la sal de un acido saturado de cadena larga, producirá un jabón mas duro y mas insoluble. Recordemos que la longitud de la cadena carbonada afecta la solubilidad de los compuestos orgánicos en agua.

La grasa de res y rumiantes en general (vacas, ovejas, cabras, etc) o sebo, es el principal material graso utilizado en la industria del jabón. La grasa solida del ganado se derrite con vapor y la capa de sebo formada en la superficie, se remueve. Los fabricantes de jabón generalmente suavizan este sebo con aceite de coco y someten a saponificación esta mezcla. Así, el jabón resultante contiene las sales de los ácidos palmítico, esteárico y oleico provenientes del sebo y las sales de los ácidos láurico y miristico del aceite de coco (ver tabla N°4 para justificar4 estas afirmaciones). La adición de aceite de coco aumenta la solubilidad del jabón resultante. ¿Porque?

En esta experiencia utilizaremos diversas fuentes de triglicéridos y observaremos diferentes propiedades en los jabones obtenidos: textura, solubilidad, color y olor. El objetivo básico es relacionar el cambio químico a nivel molecular, con cambios macroscópicos observables; intentaremos relacionar las diferencias en textura y solubilidad, con el grado de instauración o saturación y con la extensión o números de átomos de carbono, de las cadenas de sales carboxilatos obtenidas.

¿Como limpian los jabones?

Un jabón es una molécula química especial: un extremo de su estructura es polar, hidrófilo y se disuelve en agua, y el otro, es no polar, lipofilo, y se disuelve en un solvente no polar, este comportamiento de solubilidad dual, confiere a los jabones y detergentes su poder limpiador. El jabón corriente es una mezcla de sales sódicas de ácidos grasos de cadenas largas.

Podría pensarse que estas sales son solubles en agua y de hecho se pueden preparar “soluciones jabonosas”. Sin embargo, no se trata de soluciones verdaderas, en las cuales las moléculas de soluto se desplazan libre e independientemente, solvatadas por moléculas de solvente; lo que ocurre es que el jabón se dispersa en grupos esféricos llamados micelas. Cada micela puede contener centenares de moléculas de jabón. Una molécula de jabón tiene un extremo polar, -COO-Na+, y otro no polar, la cadena larga con 12 a 18 carbonos. El extremo polar, es soluble en agua y se dice que es hidrófilo. El extremo no polar, es hidrófobo o lipofilo, soluble en solventes no polares como el aceite y las grasas. Este tipo de moléculas se llama anfipática: tiene extremos polares y no polares y además es suficientemente grande como para que cada extremo tenga su propio comportamiento de solubilidad.

Las largas cadenas carbonadas, se agrupan alrededor de una gota de grasa, con sus extremos insolubles en agua orientados hacia dentro y sus extremos cargados orientados hacia afuera, hacia el agua. La repulsión entre cargas similares mantiene dispersas a las micelas entre si, con lo que se forma una emulsión estable de aceite y agua, que puede separarse de3 la superficie que se esta lavando. La gotita (micela) que contiene al aceite, pasa a la solución de lavado y se elimina al enjuagar. Esta propiedad de emulsionar y por lo tanto de limpiar, la comparten otras moléculas anfipática, además de las sales de los ácidos carboxílicos o jabones. En la actualidad la mayoría de las personas compran jabones y detergentes comerciales, pero en el siglo XIX, la gente preparaba su propio jabón a partir de lejía (hidróxido de sodio, NaOH) y grasa animal (manteca o sebo de cerdo, oveja, cabra, etc.)

PARTE EXPERIMENTAL

• El estudiante deberá traer al laboratorio 40 g de la fuente de grasa, la cual seleccionara de la tabla N°1.
• Disuelve 20 g de NaOH en 160 ml de una mezcla 50:50 de agua-etanol al 95%. Precaución: La solución de NaOH es corrosiva y muy peligrosa para los ojos, en especial, y piel. Trabaja bajo campana de extracción de gases y utiliza los lentes de seguridad.
• En un vaso de precipitado de 250 ml, mezcle los 40 g de la grasa que hayas seleccionado, con la solución alcalina.
• Sumerge el vaso de precipitado de 250 ml en un vaso de mayor tamaño que contenga agua hirviente, durante 45 minutos-1 hora. Las paredes de los vasos no deben estar en contacto y el nivel de la mezcla debe quedar cubierto por el baño de maría. Ver figura N°1.
•  Agite el contenido de la mezcla durante el periodo de calentamiento y añade 40 ml adicionales de la solución de agua-etanol, después de unos 30 minutos o cuando la mezcla se endurezca excesivamente. La reacción habrá llegado a completación cuando desaparezcan las gotitas de la grasa en la mezcla.
• Si el vaso se llena de espuma, retírelo del fuego unos minutos hasta que esta descienda.
• Vierta la mezcla saponificada sobre 400 ml de una solución acuosa fría de NaCl al 25 % p/p. Agite vigorosamente 6 y deja enfriar hasta alcanzar la temperatura ambiente.
• Separe el jabón precipitado por filtración al vacio y lávelo con varias porciones de acido acético diluido al 5% frio y agua fría. Mida el pH del líquido y observe si este disminuye a medida que aumenta el número de lavados. Ajustar el pH hasta que llegue a un valor de 7 a 6.
• Repitiendo el proceso de salado o adición de la solución de cloruro de sodio, y dejando reposar por unas 12 horas, puede mejorarse la calidad del jabón.
• Deje secar al aire el jabón solido obtenido por una semana o séquelo en estufa a 50°C por unos 8 días.
• Observa y anota la textura, solubilidad en agua, color y olor del jabón obtenido.

Observaciones:

1. En el caso de que no precipite suficiente jabón (sales carboxilato), emplear NaCl puro.
2. Las soluciones de NaCl y acido acético deben ser enfriadas en baño agua-hielo (también el agua destilada para los lavados).
3. Traer un recipiente que sirva de molde para el jabón; puede ser: plástico si se va a secar al aire ó metálico si se va a emplear horno. Se sugieren los recipientes para cereales de los yogurts que traen cereal y latas de sardinas ó patés.

[pic 5]

Figura N°1

Tabla N°1. Fuentes de grasa y características de los jabones obtenidos.

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