Práctica: Obtención y propiedades de un jabón
1) Objetivos
a) Preparar jabón de coco glicerinado a partir de aceite de coco.
b) Estudiar las propiedades de los jabones tomando como referencia el jabón de coco obtenido.
c) Investigar determinadas propiedades de los jabones: solubilidad (en aguas ricas en ion sodio, en aguas ácidas y en aguas duras), poder emulsionante, poder humectante, poder dispersante y alcalinidad.
d) Estudiar la solubilidad de los detergentes sintéticos y luego comparar con la de los jabones.
2) Introducción
Los jabones más comunes son sales de metales alcalinos (de sodio o de potasio) o de amonio (NH4+) de ácidos grasos
saturados o insaturados o sea ácidos carboxílicos con cadena lineal de 10 o más átomos de carbono.
Los ácidos grasos insaturados se caracterizan por presentar uno o más dobles enlaces a lo largo de la cadena hidrocarbonada.
Los ácidos grasos más frecuentes en la naturaleza son aquellos que presentan de 10 a 18 átomos de carbono, dispuestos linealmente.
Dentro de los ácidos grasos saturados encontramos los siguientes:
Acido láurico o dodecanoico: CH3
(CH
2
)
10COOH
Acido mirístico o tetradecanoico: CH3
(CH
2
)
12COOH
Acido palmítico o hexadecanoico: CH3
(CH
2
)
14COOH
Acido esteárico u octadecanoico: CH3
(CH
2
)
16COOH
Dentro de los ácidos grasos insaturados se encuentran los siguientes:
Acido oleico o ácido 9-octadecenoico: CH3
(CH
2
)
7CH
CH – (CH
2)
7COOH
Acido linoleico CH3
– (CH
2
)
4CH
CH – CH
2
CH
CH – (CH
2
)
7COOH
Acido linolénico: CH3
– CH
2
CH
CH – CH
2
CH
CH – CH
2
CH
CH – (CH
2
)
7COOH
Las sales de estos ácidos carboxílicos de larga cadena se denominan jabones y se nombran como carboxilatos de sodio, potasio, amonio, plomo, etc, de acuerdo al catión que esté presente en la sal.
Ejemplos: CH3
(CH
2
)
14COO
-Na
+ Palmitato de sodio u octadecanoato de sodio.CH3
– (CH
2
)
7CH
CH – (CH
2
)
7COO
-
K
+ Oleato de potasio u 9-octadecenoato de potasio
CH
3
(CH
2
)
16COO
-
2Mg
2+
estearato de magnesio u octadecanoato de magnesio
Como se observa, el jabón está constituido por un anión carboxilato (R – COO 1-) y un catión (Na1+, K1+, NH4
1+
,
Mg2+).
El ion carboxilato se caracteriza por presentar una larga cadena hidrocarbonada apolar (“cola” del jabón) que determina la solubilidad de los jabones en sustancias apolares (por ejemplo, aceites) (sector hidrófobo u oleófilo). Por otra parte, el ion carboxilato también presenta un sector polar dado por: - COO1-(grupo carboxilato, “cabeza” del jabón) que permite que el jabón sea soluble en agua y otros solventes polares (sector hidrófilo u oleófobo).
Los jabones de uso diario son sales de sodio, por ser más económicos que los de potasio.
Los jabones de baja masa molar, como el de coco, son más solubles en agua y dan espuma suelta de burbujas inestables. Los jabones de alta masa molar dan espuma tupida y estable.
Los jabones son biodegradables, o sea que se descomponen por acción de los microorganismos, evitando problemas de polución.
Los jabones se pueden obtener por hidrólisis alcalina de grasas o aceites, proceso que se denomina saponificación.
Las grasas y aceites son ésteres, por lo que previo a definirlos, se recordará que los ésteres resultan de la reacción de los ácidos con los alcoholes. Los ésteres carboxílicos se originan formalmente por pérdida intermolecular de una molécula de agua entre un ácido carboxílico y un hidroxiderivado, pudiendo cualquiera de ellos pertenecer a las series alifática, aromática o heterocíclica.
R – C – OH + H – O – R´
R – C – O – R´ + H
2O
O O
Los aceites y grasas son ésteres de la glicerina (1,2,3-propanotriol o glicerol) con los ácidos carboxílicos superiores (ácidos grasos). Estos ésteres pueden ser monoglicéridos, diglicéridos o triglicéridos de acuerdo a que se encuentren esterificados uno, dos o tres grupos hidroxilos del glicerol.
Como se observa en la reacción anterior de esterificación, el átomo de oxígeno que formará parte del agua, procede del alcohol.
Los aceites y grasas naturales son mezclas de diferentes glicéridos, habitualmente triglicéridos.
Formalmente, la obtención de una grasa o aceite a partir del glicerol y de los correspondientes ácidos carboxílicos se puede representar de la siguiente forma:
O
H
2C
OH O H
2C
O
C
R
1
HC
OH + 3 HO
C
R
HC
O
C O
R
2
H
2C
OH H
2C
O
C
R
3
O
El radical hidrocarbonado R depende de la naturaleza del ácido graso que esterifique a cada grupo hidroxilo del glicerol. En el caso de los triglicéridos o diglicéridos, el radical puede ser el mismo en la molécula considerada (correspondiendo a una grasa o aceite simple) o más habitualmente diferente (correspondiendo a una grasa o aceite mixto).
A continuación se dan ejemplos de triglicéridos y se dan los correspondientes nombres de donde surgen las pautas generales para su nomenclatura.
O
H
2C
O
C
(CH
2
)
16CH
3
Triestearina
HC
O
C O
(CH
2
)
16CH
3
Triestearato de glicerilo
H
2C
O
C
(CH
2
)
16CH
3O
H
2C
O
C
(CH
2
)
16CH
3
-estearo-
-palmito-
-miristato de glicerilo
HC
O
C O
(CH
2
)
14CH
3
-estearo-
-palmitomiristina
H
2C
O
C
(CH
2
)
12CH
3 (triglicérido mixto) O
3) Obtención de jabón de coco glicerinado
3.1) Fundamento
La obtención de jabón de coco glicerinado se hará por hidrólisis alcalina del aceite de coco. A la hidrólisis alcalina de un aceite o grasa como ya fuera dicho se le denomina saponificación.
El aceite de coco es líquido en su lugar de origen, pero solidifica a 25ºC. El aceite de coco es una mezcla de varios ésteres entre los que predominan los derivados de los ácidos láurico (45,5%), mirístico (18%), palmítico (10,5%), esteárico (2,3%) y oleico (7,5%).
Los nombres IUPAC de estos ácidos son: ácido dodecanoico (láurico), acido tetradecanoico (mirístico), ácido n-hexadecanoico (palmítico), ácido n-octadecanoico (esteárico) y ácido n-9-octadecenoico (oleico).
Para su saponificación se trata el aceite de coco (glicérido) con hidróxido de sodio en presencia de etanol, el cual favorece la saponificación, ya que el etanol es un solvente orgánico que favorece la dispersión del aceite en el agua.
El proceso de saponificación de un triglicérido se puede representar, en términos generales, como:
O
H
2C
O
C
R
1
Etanol
HC
O
C O
R
2+ 3 Na
1+(aq)+ 3 OH
1-(aq)
Calor
H
2C
O
C
R
3
O
H
2C
OH O O O
HC
OH + R
1
C
O
1-Na
1+(s)+ R
2
C
O
1-Na
1+(s)+ R
3
C
O
1-Na
1+(s)
H
2C
OH
Jabón: sales sódicas (pueden también ser de potasio o amonio) de ácidos grasosPuede ser un jabón simple dónde R1 = R2 = R3 o lo que es habitual que esté
constituido por una mezcla de sales de diferentes ácidos grasos.
La mezcla de las sales sódicas obtenidas constituye el jabón, que se denomina glicerinado mientras no se extraiga la glicerina.
En la industria las grasas y aceites se hidrolizan con agua hirviendo y un catalizador adecuado, y luego los ácidos obtenidos se tratan con carbonato de sodio (Na2CO3), obteniéndose así las sales de sodio o jabones.
3.2) Técnica
2) Mientras tanto medir en otra probeta 4,0 ml de aceite de coco. En caso de que el aceite de coco esté sólido, tomar una muestra del mismo y fundirla en un vaso de Bohemia.
3) Agregar a la solución hidro-alcohólica de NaOH tibia el aceite de coco, mientras se continúa calentando y mezclando permanentemente con una varilla de vidrio, hasta que se forme una pasta blanca que se suelta de las paredes de la cápsula. Esta pasta contiene al jabón de coco, mezclado con la glicerina, NaOH en exceso, y otras sustancias que están presentes en el aceite.
4) A la pasta obtenida se le agrega medio tubo de ensayo de solución acuosa saturada de cloruro de sodio y se calienta y agita durante 3 minutos más.
5) Una vez que se ha enfriado el contenido de la cápsula, se lo filtra, quedando retenido en el filtro el jabón.
6) El jabón que ha quedado en el filtro es lavado mediante el agregado de medio tubo de agua destilada. 6) Se traspasa el jabón a otro papel de filtro seco y se lo seca y compacta.
4) Reconocimiento de las propiedades de los jabones
A los efectos de facilitar el desarrollo de la práctica, se verá en forma conjunta manipulación y fundamento de las propiedades investigadas.
Como todos los ensayos se realizaran con agua jabonosa, se preparará 50 mL de agua jabonosa. De este volumen se extraerán las muestras necesarias para los ensayos.
Técnica: * En un vaso de Bohemia de 100 mL se colocan 50 mL de agua destilada. * Se coloca en el agua un pequeño trozo del jabón obtenido.
* Se agita con ayuda de una espátula hasta que el jabón se disuelva y disperse. * Reconocer si la mezcla obtenida es opaca o no, y si se formó espuma o no.
* Si la cantidad preparada no es suficiente para todos los ensayos, se prepara nuevamente agua jabonosa.
4.1) Solubilidad de los jabones
4.1.1) Solubilidad de los jabones en agua y aguas blandas
Técnica: Ya se realizó al preparar los 50 mL de agua jabonosa.
Fundamento: Los jabones de sodio, potasio y amonio son solubles en agua destilada y en aguas blandas (poseen bajas concentraciones de cationes Mg2+, Ca2+, Ba2+). En agua los jabones forman dispersiones coloidales y abundante espuma. Por ejemplo, en el caso de un jabón de sodio, a medida que se dispersa también permanecen en solución los iones correspondientes:
R – C – O
1-Na
1+(s)
R – C – O
1-(aq)+ Na
1+(aq) O O
4.1.2) Solubilidad en aguas duras
Técnica: * Se colocan 2 ml de solución acuosa de jabón en un tubo de ensayo y se agrega unas 10 gotas de cloruro de bario al 5% acuoso.
* Observar y anotar eventuales cambios.
O O
2 R
C
O
1-(aq)+ Ba
2+(aq)=====
(R
C
O
1-)
2Ba
(s)Ion carboxilato (jabón) Jabón de bario
4.1.3) Precipitación por efecto del ion común
Técnica: * Se coloca en un tubo de ensayo 4 ml de solución acuosa de jabón y se le agrega 2 ml de solución saturada de NaCl.
* Se agita y se comprueba que el jabón precipita en forma de grumos o gelifica.
Fundamento: Esta propiedad de los jabones fue en la que se basó la etapa de purificación del jabón obtenido cuando se le adicionó solución acuosa saturada de NaCl. Si se considera el equilibrio de disociación del jabón de sodio en una dispersión saturada, se observa que al aumentar la concentración de ion sodio del medio, el equilibrio se desplaza en el sentido en que precipita el jabón (Principio de Le Chatêlier).
R – C – O
1-Na
1+(s)
R – C – O
1-(aq)+ Na
1+(aq) O O
Cuando se agregó solución saturada de cloruro de sodio al jabón obtenido se logró entonces la precipitación del jabón de sodio, permaneciendo en solución acuosa impurezas tales como: exceso de NaOH, etanol, glicerina, y otras impurezas que pudieran estar presentes en el aceite de coco.
4.1.4) Solubilidad en medio ácido
Técnica: * Se coloca 2 ml de solución de jabón y se le agrega unas 10 gotas de HCl 6 M. * Observe y anote los cambios.
Fundamento: En soluciones débilmente ácidas los jabones no limpian bien debido a que se regenera el ácido graso a partir de los iones carboxilato correspondientes. De esta forma se pierde la acción limpiadora ya que los ácidos grasos son insolubles en agua y carecen de la cabeza polar del ion carboxilato o jabón.
Esto explica por que una mancha ácida (por ejemplo, manchas de fruta) es difícil de lavar con jabón común.
Como se ha visto, los jabones, precipitan en aguas ácidas, ricas en ion sodio (agua salada) y en aguas duras, lo que determina que pierdan su capacidad detergente. Por tal motivo, en estas situaciones se usan los detergentes sintéticos, debido a que permanecen solubles en estos medios. Los detergentes son en general: a) sales de sodio de ácidos sulfónicos de largas cadenas (detergentes aniónicos), b) catiónicos y c) no iónicos, pero todos tienen una parte oleo-soluble y una parte hidrosoluble.
4.2) Hidrólisis de los jabones (alcalinidad de los jabones)
Los ácidos carboxílicos son ácidos débiles que se disocian de acuerdo a la siguiente ecuación:
R – COOH
(aq)
R – COO
1-(aq)+ H
1+(aq)Las bases fuertes se disocian totalmente, por ejemplo, el hidróxido de sodio:
NaOH
(aq)
Na
1+(aq)+ OH
1-(aq)Las sales que derivan de ácidos débiles y bases fuertes, como los jabones, se caracterizan por que al disolverse en agua se hidrolizan generando una solución alcalina, teniendo entonces lugar los siguientes procesos:
Agua
R
COO
1-(aq)+
H
O
H
(l)
R
COO
H
(aq)+
OH
-1(aq)Como los iones carboxilato y los hidrogeniones tienen gran tendencia a combinarse para regenerar el ácido carboxílico, la concentración de iones hidróxido se torna mayor que la de hidrogeniones, por lo que la solución acuosa del jabón será alcalina o básica.
Técnica: * Se coloca una pequeña parte del jabón obtenido en un tubo de ensayo y se le agrega 1 ml de etanol y se calienta suavemente hasta que el jabón se disuelva.
* Luego, se le añaden 3 o 4 gotas de un reactivo indicador como la fenolftaleína, la cual se torna fucsia en medio alcalino.
* A continuación, se neutraliza el medio agregando gota a gota y ácido sulfúrico agitando 0,05 M. La neutralización se comprueba cuando al agregar 1 gota de ácido se decolora la fenolftaleína.
* Por último, al líquido neutralizado se le agrega agua destilada, comprobándose la reaparición del color fucsia como consecuencia de la hidrólisis del jabón.
4.3) Poder emulsionante
Técnica: * En un tubo de ensayo se colocan 3 ml de solución acuosa de jabón y en otro tubo 3 ml de agua destilada. * A ambos tubos se les agrega 1 ml de aceite y se los tapa y agita enérgicamente.
* En el tubo con solución jabonosa y aceite se formará una emulsión estable.
* En el tubo con agua y aceite se formará una emulsión inestable, separándose finalmente ambas fases.
Fundamento: El agua no disuelve a aceites ni grasas debido a que la polaridad de las moléculas de agua genera fuerzas de atracción entre ellas que impiden a las moléculas de aceites o grasas (que son apolares) dispersarse entre las de agua, o sea, el agua no es compatible con grasas y aceites.
El jabón en solución acuosa genera micelas salinas.
Se llama micela a una partícula que posee adyacente a su superficie una doble capa de cargas de signo opuesto. Si existe una tercera sustancia que posea una fracción de su molécula que atrae fuertemente a las moléculas de aceite (grupo oleófilo) y otro sector que atrae fuertemente a las moléculas de agua (grupo hidrófilo), dicha sustancia se dispersará en agua formando una dispersión coloidal, siempre que el efecto del grupo hidrófilo sea los suficientemente fuerte. Los jabones presentan justamente estas características.
Si se agita aceite con la solución acuosa de jabón, las colas oleófilas del jabón se disuelven en la gotita de aceite, de forma tal que dichas colas se dirigen hacia el centro de la gotita, mientras que las cabezas (hidrófilas) generan una corona negativa inmersa en el agua. El conjunto se denomina micela, y dado que todas ellas son negativas, las mismas se repelen lo que les permite permanecer en dispersión en el agua sin conglomerarse y separarse de la fase acuosa. La capa externa de la micela, constituida por el grupo carboxilato, se hidrata atrayendo hacia si los polos positivos de las moléculas de agua. Por otra parte los polos negativos de las moléculas de agua atraen a los iones sodio, aportados por el jabón, constituyéndose una doble capa iónica en la periferia del agregado.
En suma, al agitar la solución jabonosa en presencia de aceite se logra una nueva micela iónica más grande, ocupando el aceite el centro de la micela.
El jabón mediante agitación mecánica de una prenda manchada con aceite en agua jabonosa, emulsiona la mancha. La emulsión se realiza más fácilmente si el jabón forma espuma, por que la mancha de aceite se extiende en capas delgadas en las uniones de las burbujas.
4.4) Poder humectante
Fundamento: Los jabones tienen la capacidad de disminuir la tensión superficial del agua, lo que les confiere poder humectante.
La solución de jabón al disminuir la tensión superficial del agua le permite entrar en los poros de las prendas y de la piel, humectando en profundidad sus superficies. La tensión superficial del agua determina una resistencia a la deformación de su superficie.
Si la fuerza de atracción entre la superficie a mojar y el agua es menor que la tensión superficial del agua, la superficie no se moja. Para resolver este problema se usan ciertas sustancias llamadas agentes humectantes, de las cuales el jabón es un ejemplo.
4.5) Poder dispersante
Fundamento: Los jabones tienen la capacidad de dispersar en el agua sustancias de diferente naturaleza. Un ejemplo de ello, lo constituye su poder emulsionante de grasas y aceites. También dispersan partículas sólidas (por ejemplo, el polvo que ensucia las prendas de vestir) en el agua.
Técnica: * Se coloca 10 mL de solución acuosa de jabón en 1 tubo de ensayo (aproximadamente, medio tubo) y 10 mL de agua destilada en otro tubo de ensayo.
* Al contenido de cada tubo se le agrega una pizca de bióxido de manganeso en polvo que cumple la función de partículas de suciedad.
* Se tapan ambos tubos y se los agita enérgicamente y luego se filtran sus contenidos independientemente.
Observaciones: La solución acuosa jabonosa pasa por el filtro arrastrando consigo al bióxido de manganeso, mientras que cuando se filtra la mezcla de agua y bióxido de manganeso, el papel retiene al bióxido debido a que no se dispersó lo suficiente en el agua (el filtrado queda con una escasa cantidad de bióxido de manganeso). El papel de filtro ofició de prenda que se desea lavar: en ausencia de jabón la suciedad queda retenida en la prenda.
4.6) Acción detergente de los jabones
La acción detergente o limpiadora de los jabones depende de sus propiedades humectantes, emulsionantes y dispersantes.
Por ejemplo, las partículas de suciedad en ausencia de jabón se adhieren a las superficies por medio de partículas de grasa o aceite. Cuando existe jabón, éste se adhiere a la superficie permitiendo que el agua la moje (poder humectante), con lo que se desprende la capa de aceite bajo forma de pequeñas gotas (poder emulsionante), arrastrando consigo también partículas de polvo. Por otra parte, las partículas de polvo adheridas a la prenda en ausencia de grasas o aceites, también se dispersarán en el agua (poder dispersante).
