Forfor La saponification. Une approche systématique de la réactivité en chimie organique. Ch. Moor Ph. Snauwaert CEFOSCIM

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1 Forfor 2011 La saponification Une approche systématique de la réactivité en chimie organique h. Moor Ph. Snauwaert EFSIM

2 P. Snauwaert. Moor : 2

11 La fabrication du savon 1) Mise en situation Lire l article puis répondre aux trois questions posées. Faire du savon est à la fois simple et magique! 'est un mélange d'une base alcaline liquide (soude dans eau, infusion, ou lait) et d'une sélection d'huiles et de graisses (végétales et/ou animales) que l'on va émulsionner ensemble. e processus s'appelle la saponification. 'est un peu comme par magie que les liquides deviennent solides, que la soude et les huiles disparaissent pour donner naissance à la molécule de savon. Par la composition de leurs ingrédients et grâce à des recettes équilibrées, nos savons moussent généreusement, embaument la salle de bain, et qui plus est NETTIENT tout en douceur! Saponification à froid Nous employons cette méthode traditionnelle dite "à froid" que nous croyons être le procédé le plus simple, le plus naturel, et le plus économe en énergie; rien n'est retiré ni rajouté à nos recettes d'origine. 2 produits sont issus du processus de "saponification": le savon et la glycérine. En général, l'industrie savonnière extrait la glycérine naturelle du savon pour sa valeur ajoutée d'une part et d'autre part, la matière brute serait bien trop collante dans les machines utilisées pour mettre en forme et débiter les barres de savon. En outre, cette base industrielle appelée aussi bondillons est produite en masse à partir de 3 ou 4 matières grasses seulement (suif/coco/palme/palmiste) A froid, les ingrédients sont mélangés sans chauffe ni cuisson (entre 35 et 45 ) ce qui permet de mieux préserver la qualité des huiles végétales. Lorsque tous les ingrédients sont bien mélangés, on verse la préparation dans un moule et on la laisse agir au moins 24 heures. n coupe ensuite le bloc obtenu en barres que l'on met à "sécher" un P. Snauwaert. Moor : 11

12 mois environ. Le processus de saponification est alors terminé et seule l'eau en excès s'évapore pour faire de superbes barres de savon surgras. ouleurs et Textures Seuls des ingrédients naturels comme les herbes, épices, jus de légumes sont mis à contribution et nous dénichons sans cesse de nouvelles couleurs que la Nature nous fournit (comme par exemple ce bleu lumineux issu de l'infusion de racines d'rcanette, les graines d'annato,etc). Nous avons délibérément choisi de ne pas employer de couleurs et de parfums synthétiques car nous croyons que la Nature pourvoit largement! Des textures permettent aussi d'obtenir des effets de gommage: Graines de lin ou de fruits rouges moulues, poudre d'amande, pour n'en citer que quelques unes sont des ingrédients exfoliants. Nous souhaitons que vous prendrez autant de plaisir à utiliser nos savons que nous en avons à le fabriquer. copyright Leanne Timm aromanature Burgaronne FANE tel: +33 (0) Quels sont, d après l article, les substances nécessaires à la fabrication d un savon? etrouvez les extraits qui poussent à croire que la fabrication d un savon est à la portée de tous. Tout scientifique averti s aperçoit rapidement que les informations fournies par le texte ne suffisent pas pour entreprendre, en classe la fabrication d un savon. Quels renseignements vous paraitraient utiles? (3 réponses au minimum!) P. Snauwaert. Moor : 12

13 2) La saponification à froid 2.1 Profil des réactifs à utiliser omme indiqué dans l article, pour fabriquer un savon, il faut - une base alcaline - un corps gras 1 Que choisir? a) La base alcaline. Deux bases alcalines sont couramment utilisées pour la fabrication du savon l hydroxyde de potassium (encore appelée potasse caustique) pour la fabrication d un savon liquide l hydroxyde de sodium (appelée aussi soude ou soude caustique) pour la fabrication du savon dur. Nous nous limiterons par la suite à la fabrication de savon dit «dur». Nous utiliserons donc ce que beaucoup appelle de la soude, sous entendu soude caustique (NaH) et non soude Solvay (Na23) L hydroxyde de sodium est corrosif pour la peau, les yeux, les voies respiratoires et digestives. (ronge, attaque en profondeur) Nouveau logo ancien logo L hydroxyde de sodium est soluble dans l éthanol et très soluble dans l eau (1090 g/l à 20 ). Au contact de l eau, la réaction étant fortement exothermique, cet hydroxyde réagit violemment, risquant de provoquer de graves brûlures. La concentration en hydroxyde de sodium nécessaire à la fabrication de savon est importante, environ 12 mol/l soit 480g de soluté pour un litre de solution! La préparation d une telle solution provoque une forte augmentation de température, il est donc souhaitable de prévoir un système de refroidissement (par exemple un grand récipient avec de l eau et de la glace dans lequel on plongera le berlin servant à la dissolution). Eviter de préparer cette solution en présence des élèves 1 Les scientifiques préfèrent parler de lipide et non de corps gras P. Snauwaert. Moor : 13

14 Les risques de brûlures étant important, cette solution sera préparée par le professeur et non par les élèves! Il est conseillé de porter des gants de protection et des lunettes pour toute manipulation avec l hydroxyde de sodium! b) Les lipides. Les lipides se retrouvent sous trois catégories : les triglycérides, les phospholipides et les stéroïdes. Les phospholipides et les stéroïdes ont été étudiés en 4 ème et 5 ème dans le cours de biologie (membrane cellulaire, hormones, ). Nous nous attarderons ici tout particulièrement sur les triglycérides car ils sont les composants essentiels dans la fabrication du savon. Les triglycérides sont les graisses et huiles que l on connaît. Ils sont formés par l union du glycérol et de trois acides carboxyliques encore appelés acides gras. glycérol acide gras triglycéride eau H 2 H H 2 H H + 3 H H + 3 H 2 H 2 H H 2 Le glycérol ou glycérine Le glycérol est constitué de trois carbones et chaque carbone est porteur d un groupement H (fonction alcool) A température ambiante, il se présente sous la forme d un liquide visqueux, transparent. Il est non toxique. Il est soluble dans les solvants polaires (eau, éthanol, ) Il est utilisé, entre autre, en alimentation (saveur sucrée), en cosmétique (agent hydratant) L acide gras est une molécule d acide carboxylique à longue chaine carbonée (12 à 22 carbones Les acides gras naturels sont peu nombreux ; les principaux sont, parmi les acides gras saturés, l acide laurique (12), l acide myristique (14), l acide palmitique (16), l acide stéarique (18) l acide oléique (18) qui est mono insaturé l acide linoléique (18) qui possède deux doubles liaisons. Les acides gras naturels sont quasi tous, à chaîne droite et à nombre pair d atomes de carbone. n peut expliquer la présence d un nombre pair de carbone, par le fait qu ils résultent d une biosynthèse à partir de l acide acétique. P. Snauwaert. Moor : 14

15 Vous trouverez la représentation de quelques molécules d acides gras ainsi que la nomenclature des composés ω3, ω6, ω9 sur le site : (dernière consultation : 24/01/2011) Les triglycérides Ils peuvent être saturés, mono insaturés ou polyinsaturés. n a tendance à dire que les triesters d origine animale sont saturés et solides (à température ambiante) et que les triesters d origine végétale sont insaturés et liquides. n remarque néanmoins que l acide palmitique, acide gras saturé servant à la synthèse de triesters, est présent dans les graisses animales et dans l huile de palme! Une huile est constituée de différents triglycérides qui diffèrent entre eux par les acides gras qui ont servi à les former. est pour cela qu on parle généralement de la composition en acide gras d une huile. A côté des triglycérides, il y a aussi des acides gras qui n ont pas réagit avec le glycérol. n parle alors d acides gras libres. Voici les acides gras les plus importants entrant dans la composition de quelques huiles : acide gras huile d olive huile de colza huile de palme acide oléique 72 % 58 % 38 % acide palmitique 12 % 6 % 44 % acide linoléique 8 % 22 % 10 % autres 8 % 14 % 8% saturé 15 % 7 % 49,5 % mono insaturé 76 % 61 % 38 % polyinsaturé 9% 32 % 10,5 % n trouve aussi des triglycérides formés à partir de trois acides gras différents, c est le cas du beurre de cacao dont la formule du triglycéride principal est : H 2 H H 2 P. Snauwaert. Moor : 15

16 b) Profil de la réaction de saponification oncept général : Lipide + soude savon + glycérine H 2 H + 3 NaH 3 Na H 2 H H H H 2 H 2 H c) Gestion d une réaction de saponification Il existe deux grandes méthodes pour réaliser la saponification : la méthode à chaud et la méthode à froid. Nous avons choisi la méthode à froid car elle est rapide, elle utilise des réactifs courants, nécessite peu de matériel et peut s intégrer dans une séquence de cours. Les objectifs de la manipulation sont : - mise en évidence des paramètres intervenant dans la gestion de la réaction de saponification - mise en œuvre d une méthode simple et rapide de fabrication de savon en limitant les risques. Pour réaliser ce laboratoire, quel matériel et quels réactifs faut-il prévoir? Matériel : un berlin de 100 ml 2 cylindres gradués de 10 ml et un cylindre de 25 ml (ou plus grand) un agitateur magnétique + aimant une fine lame de couteau ou spatule (démoulage) éactifs : solutions aqueuses de NaH 12 mol/l et 10 mol/l huile d olive, huile de colza, éthanol dénaturé (98%) emarque : on peut aussi fabriquer ce savon en tube à essai (pyrex!). n utilise alors 2mL de NaH 12 M puis 4mL d huile d olive et 2mL d éthanol. ouvrir le tube d un papier parafilm ou d un bouchon. Bien agiter jusqu à complète solidification. Le professeur expulsera la cartouche en chauffant la partie inférieure du tube., avec la flamme d un bec bunsen, P. Snauwaert. Moor : 16

17 Mode opératoire : synthèse rapide d un savon (mode opératoire initial) Préparer 10 ml de NaH 12 mol/l, 20 ml d huile d olive et 10 ml d éthanol Placer successivement dans le berlin : l aimant, l hydroxyde de sodium, ensuite l huile et pour terminer verser l éthanol. entrer le berlin sur l agitateur magnétique et agiter énergiquement la solution jusqu à ce qu elle durcisse. bserver et noter les différents aspects du mélange lors de l agitation ainsi que la durée nécessaire d agitation, d éventuelle augmentation de température pendant et après l agitation. Laisser reposer une à deux minutes Démouler le savon en le «détachant» de la paroi du berlin à l aide d une fine lame. etourner le sur une feuille de papier et enlever l aimant pris dans la masse. NB. A ce stade, il est important de remarquer que le savon obtenu ne présente pas encore ses caractéristiques définitives ; il est mou et la température du produit est supérieure à la température ambiante. La réaction n est pas encore totalement terminée, il faut attendre plusieurs jours pour obtenir un produit relativement dur. gestion de la réaction : influence de différents facteurs 1) influence de la concentration de la solution d hydroxyde. eproduire le mode opératoire initial en remplaçant la solution de NaH 12 M par une solution de NaH 10 M 2) influence de la nature de l huile eproduire le mode opératoire initial en remplaçant l huile d olive par l huile de colza (ou autre) 3) influence de la nature de l hydroxyde eproduire le mode opératoire initial en remplaçant le NaH 12 M par KH de même concentration. 4) influence de l alcool eproduire le mode opératoire initial sans utiliser l éthanol. 5) influence des volumes de réactifs. eproduire le mode opératoire initial et augmenter le volume d huile utilisé... Dresser un tableau comparatif des expériences (durée, variation de température, aspect, ) et discuter Mise en garde P. Snauwaert. Moor : 17

18 Dans les trois expériences proposées, nous avons travaillé avec un excès de base, de façon à accélérer la formation du savon et permettre ainsi l intégration de cette synthèse dans une séquence de cours. L artisan savonnier travaille avec des concentrations de base plus faibles mais la prise du savon nécessite alors une durée de 24 heures. Par précaution on évitera d utiliser le savon pour se laver les mains. Suivant le temps dont vous disposez, il est possible d envisager la fabrication d un savon avec un excès de soude caustique nettement plus faible. Dans la littérature, on signale qu un savon dont le ph =10 est tolérable pour se laver les mains. Avec des élèves restons très prudents! P. Snauwaert. Moor : 18

19 d) Utilisation des produits formés et gestion des déchets. L excès de NaH Lors de la fabrication d un savon à partir de 20 ml d huile d olive avec 10 ml de NaH de concentration 12mol/L, quel est l excès de NaH? H 2 H + 3 NaH 3 Na H 2 H H H H 2 H 2 H = - 17H3 3 Quantité de soude utilisée : 10 ml de concentration 12 M soit : n NaH = mol Quantité d huile d olive utilisée : 20 ml soit approximativement 20 g de 57 H104 6 (M=884 g/mol) ce qui correspond à nhuile = 2, mol. Quantité de soude nécessaire : Sur base de l équation pondérée : n NaH = 3 nhuile soit n NaH = 6, mol L excès de soude est donc approximativement de 5, mol! Dans la fabrication normale du savon, un tel excès ne peut exister! Le pouvoir détergent du savon. En solution aqueuse, les molécules de savon (sel d acide), se dissocient d une part en cation métallique (Na +, K + ) et d autre part en anion organique à longue chaine. et anion possède lui-même deux parties se comportant de manière très différente avec l eau : - la queue, une longue chaine hydrocarbonée (-) insoluble dans l eau et qui constitue la partie hydrophobe - la tête - (-) susceptible de se lier à l eau et qui constitue la partie hydrophile. n symbolise généralement l anion de la manière suivante : P. Snauwaert. Moor : 19

20 Lié à ce double comportement, l anion est dit : tensio-actif. Les savons mélangés à l eau sont d excellents détergents : ils sont capables par exemple d enlever les taches d huile ou de graisse absorbées par les tissus. Leur mode d action peut se résumer de la manière suivante : - grâce aux forces de Van der Waals, les queues non polaires des anions s orientent et s associent aux longues chaines carbonées non polaires des huiles ou des graisses absorbées. - les têtes polaires des anions restent liées à l eau et tendent ainsi à détacher de la surface du tissu des particules de triglycérides - il se forme alors des assemblages moléculaires particuliers, appelés micelles, dans lesquels les extrémités non polaires des anions ne sont plus en contact avec l eau - les micelles, chargés négativement à leur surface, se repoussent mutuellement. Ils ne peuvent s agglomérer et une simple agitation de l eau va les disperser dans toute la solution. autres développements possibles Mesure de ph, distinction détergent - savon, dureté d une eau et savon, rôle du savon (santé), P. Snauwaert. Moor : 20

21 Exercices : 1) L acide oléique peut se représenter de la façon suivante : eprésenter cette molécule en formule semi-développée. Quelle est sa formule brute? Que représente (à repérer sur la molécule) pour cette molécule d acide oléique? eprésenter la molécule en utilisant la lettre La forme saturée de cet acide est l acide stéarique. Quelle sera sa formule brute? 2) Huile de colza : H2---15H31 (palmitate de glycérol) l H- --15H31 l H H31 etrouvez ce que représente dans cette molécule de triglycéride. S agit-il de chaine saturée ou insaturée? Justifier la réponse eprésentez la molécule de palmitate de glycérol, en écrivant les chaines carbonées en formule semi-dévelopée 3) Pour le triester principal du beurre de cacao, dont la formule est représentée cidessous, indiquer l équation de saponification en présence d hydroxyde de sodium. H 2 H H 2 4) ésoudre une application concrète : FT3 P. Snauwaert. Moor : 21

22 Document pour les élèves ontexte Les savonniers doivent déterminer les quantités nécessaires d huiles et/ou de graisses et de soude caustique pour fabriquer leurs savons. A cette fin, ils disposent de tables reprenant les indices de saponification de différentes huiles ou de graisses. L'indice de saponification d'un lipide est la masse de potasse (exprimée en mg) nécessaire pour : neutraliser les acides gras libres et saponifier les acides gras estérifiés contenus dans 1 g de matière grasse. A partir de la table ci-dessous et de la définition de l indice de saponification, déterminer si la solution de soude utilisée lors de l expérimentation en classe pour fabriquer un savon était trop peu, suffisamment ou trop concentrée? Justifier onsignes et contraintes Vous disposez de 20 minutes pour remettre votre réponse écrite et justifiée. Vous réaliserez le travail par équipe de deux élèves à cours ouvert. Quelques Indices de saponifications Indice de saponification de corps gras végétaux Indice de saponification de corps gras animaux oprah Beurre Palmiste Suif de bœuf Palme Saindoux live Hareng Arachide Sardine Maïs Baleine Tournesol Soja Noix Lin cultivé olza P. Snauwaert. Moor : 22