Présentation et fonction des composants
Notre première partie portera sur la composition et la fabrication du savon.Dans un premier temps on s' intéressera à sa composition.
Le savon est un produit à base d'agent alcalin et d'un corps gras mais aussi d'autres composants comme: l'huile, l'éthanol, solution concentrée de soude, quelques grains de pierre de ponce, et pour finir de l'eau distillée. Chacun de ses composants ont des rôles spécifiques lors de la saponification (opération par laquelle un corps gras se transforme en savon) et pour ses actions détergentes.
Nous allons présenter chacun des composants et de plus leurs rôles afin de pouvoir expliquer par la suite la fabrication du savon :
_ Tout d'abord l'alcalin est très soluble, il possède un pouvoir mouillant et émulsionnant, c'est à dire qu'il facilite la suspension des particules très fines d'un liquide dans un autre. L'alcalin permet de neutraliser les acides.
_ L'éthanol est un alcool obtenu à partir de l'éthane, appelé aussi éthylique.
_ La solution concentrée de soude est issue de la dissolution de l'hydroxyde de sodium ( solide ionique de formule NaOH ).
_ Les corps gras sont essentiels pour la fabrication du savon car ils sont composés d'origine végétale ou animale, constitués de tri-glycérides ( forme de graisse , c'est pour cela que nous avons recourt à l'huile. Cette huile permet de produire de la mousse.
_ L' eau distillée est essentiel lors de la saponification car l'eau est le milieu dans lequel la réaction des corps gras se fait.
Chaques caractéristiques de chacun de ses composants interviendront et joueront un rôle important pour la fabrication du savon et lui conféreront les propriétés d'action détergentes.
Fabrication du savon
Dans un deuxième temps nous allons nous intéresser à la fabrication du savon.Elle se fait par plusieurs étapes. Pour cela nous avons besoin de:
_ 11mL d'huile d'olive
_ 20mL de soude à environ 10mol.L-1
_ 20mL d'éthanol pour homogénéiser le mélange
_ quelques grains de pierre de ponce.
Du côté matériel nous avons besoin d'un réfrigèrant à eau , d'un chauffe ballon , et d'un ballon ,des lunettes et des gants pour sa sécurité. Une fois que le matériel est près. Nous pouvons ainsi procéder à la manipulation.
Tout d'abord on met quelques grains de pierre de ponce dans le ballon ensuite on verse 20mL d'huile d'olive mesurer à l'aide d'une éprouvette graduée. Puis 20mL d'éthanol, 20ml de soude.
Une fois que le mélange réactionnel à chauffé dans le chauffe ballon on va procéder au chauffage à reflux qui consiste à insérer le ballon au réfrigérant à air puis on fait écouler de l'eau doucement puis chauffer à 10 degrés. L'eau pénètre dans le réfrigèrant à air qui possède une double parois ou il s'y passe un échange de vapeur. L'eau froide va transformer cette vapeur en forme de liquide et par la suite le liquide formé va couler dans le ballon.
Nous avons ainsi réaliser la saponification. Une fois terminée on laisse refroidir quelques instants. Afin de séparer le savon du mélange réactionnel on verse ensuite le mélange dans un grand bécher d'eau froide saturée en chlorure de sodium. On observe une précipitation du savon car il est très peu soluble dans l'eau salée. On appelle cette opération le relargage.
On pose un papier philtre dans le filtre Buchner . Ensuite on humidifie le papier philtre puis on verse le mélange qu'on a obtenu lors du relargage. Le filtre va permettre de récupérer le savon. Nous obtenons ainsi du savon.
Saponification
Dans un troisième temps , nous nous intéresserons plus en détails aux transformations chimiques qui ont lieu lors de la fabrication du savon. Pour cela nous étudierons la saponification. C'est une transformation des matières grasses en savon à la suite de leur décomposition par une base en sels d'acides gras ( ou savon ) et en glycérol . Cette transformation se traduit tout d'abord par la réaction entre un ester et les ions HO- . Cela aboutira à la formation d'un ion carboxylate et un alcool . De plus c'est pour cela que la saponification est aussi appelée hydrolyse basique ( ester + eau = acide carboxylique + alcool ) d'un ester.La réaction de l'hydrolyse est lente et non totale (seulement si les réactifs sont ester + eau) car les transformations des réactions de l'estérification et l'hydrolyse d'un ester ont lieu simultanément. Nous procéderons à la description de ces deux réactions à l'aide de notre graphique ci-dessous.
On remarque que la courbe représentant l'évolution de l'estérification prend la forme d'une fonction racine carré : elle est croissante puis devient constante à partir d'un certain seuil (au bout de 50 min). C'est le même cas pour la courbe représentant l'hydrolyse de l'ester , excepter qu'elle est décroissante au départ puis constante au bout de 50 minutes. Par ailleurs on peut voir que lorsque ces deux courbes deviennent constantes, elles se touches et c'est à ce moment là que les deux réactions se déroulent en même temps, et d'autre part c'est pour cela qu'elles sont lentes.De plus on remarque également que d'après cette courbe la composition chimique du système ( alcool, acide carboxylique, ester, eau) n'évolue plus. C'est un état dynamique car les deux transformations ont toujours lieu mais à des vitesses identiques. Par ailleurs on dit aussi qu'elles conduisent à un état équilibre car la vitesse de la réaction de l'estérification et l'hydrolyse de l'ester est la même.
Afin de résoudre ce problème, nous aurons recours à l'influence de certains facteurs sur les réactions d'estérifications et d'hydrolyse des esters. Premièrement la température joue un rôle de facteur cinétique. C'est-à-dire que l'élévation de température permet d'atteindre plus rapidement l'état d'équilibre mais ne modifie pas cet état d'équilibre. Ensuite nous aurons recours à un catalyseur qui est une espèce qui augmente la vitesse d'une réaction chimique sans figurer dans l'équation de la réaction et sans modifier l'état d'équilibre final du système. L'acide sulfurique en est un , il catalyse des réactions d'estérification et d'hydrolyse. De plus le remplacement de l'eau par l'ion hydroxyde HO- change les propriétés de la réaction qui devient rapide et totale: cela s'explique car la réaction inverse d'estérification n'intervient pas simultanément, puisqu'il se forme l'ion carboxylate RCOO- à la place de l'acide carboxylique RCOOH. L'équation de l'hydrolyse basique de l'ester prend donc la forme de :
Ce changement de réactif permet donc d'accroitre fortement le rendement de l'hydrolyse.
Le rendement r d'une transformation est le taux d'avancement final expérimental de la réaction :r = xf(expérimental) ÷ Xmax
Suite aux pertes inévitables de produits au cours d'un protocole expérimental, le rendement r est inférieur au taux d'avancement final théorique t = xf(théorique) ÷ Xmax car xf(expérimental) < xf(théorique) .
Une fois l'hydrolyse basique d'un ester terminé , la synthèse du savon ( ou saponification ) se met en marche. La saponification est avant tout un hydrolyse basique d'un corps gras qui un triglycéride composé d'un triester du glycérol et d'acides gras.
Ainsi nous obtenons un savon.