La saponification

Forfor 2011
La saponification
Une approche systématique de la réactivité en chimie organique
Ch. Moor
Ph. Snauwaert
CEFOSCIM
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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!
C'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. Ce processus
s'appelle la saponification. C'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 NETTOIENT 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°C) 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.
On coupe ensuite le bloc obtenu en barres que l'on met à "sécher" un
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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.
Couleurs 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'Orcanette, 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
64390 - Burgaronne FRANCE
tel: +33 (0)5 59 38 51 86
http://www.aromanature.com/savoir.html
Quels sont, d’après l’article, les substances nécessaires à la fabrication d’un savon ?
Retrouvez 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 !)
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2) La saponification à froid
2.1 Profil des réactifs à utiliser
Comme 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 (NaOH) et non soude Solvay (Na2CO3)
 L’hydroxyde de sodium est corrosif pour la peau, les yeux, les voies respiratoires et
digestives. (ronge, attaque en profondeur)
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L’hydroxyde de sodium est soluble dans l’éthanol et très soluble dans l’eau
(1090 g/L à 20°C).
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
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Les scientifiques préfèrent parler de lipide et non de corps gras
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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 5ème
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
CH2
acide gras
OH
triglycéride
O
CH2
O
C
O
R
CH
O
C
O
R
CH2
O
C
R
O
CH
OH
CH2
OH
+ 3 HO
C
R
eau
+ 3 H2O
 Le glycérol ou glycérine
Le glycérol est constitué de trois carbones et chaque carbone est porteur d’un
groupement OH (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
C’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 (C12), l’acide myristique (C14), l’acide palmitique (C16),
l’acide stéarique (C18)
l’acide oléique (C18) qui est mono insaturé
l’acide linoléique (C18) qui possède deux doubles liaisons.
☝Les acides gras naturels sont quasi tous, à chaîne droite et à nombre pair d’atomes
de carbone. On 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.
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☝Vous trouverez la représentation de quelques molécules d’acides gras ainsi que la nomenclature des
composés ω3, ω6, ω9 sur le site : http://webpeda.acmontpellier.fr/spc/ABCDORGA/Famille/Produit/ACIDES%20GRAS.html
(dernière consultation : 24/01/2011)
Les triglycérides
Ils peuvent être saturés, mono insaturés ou polyinsaturés. On 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. On 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. C’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.
On parle alors d’acides gras libres.
Voici les acides gras les plus importants entrant dans la composition de quelques huiles :
acide gras
acide oléique
acide palmitique
acide linoléique
autres
saturé
mono insaturé
polyinsaturé
huile d’olive
72 %
12 %
8%
8%
15 %
76 %
9%
huile de colza
58 %
6%
22 %
14 %
7%
61 %
32 %
huile de palme
38 %
44 %
10 %
8%
49,5 %
38 %
10,5 %
On 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 :
O
H2C
O
O
HC
O
C
O
H2C
O
C
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b) Profil de la réaction de saponification
Concept général :
Lipide
+
soude
→
savon
+
glycérine
O
C
O
R
O
C
O
R
O
C
R
CH2
O
CH
CH2
CH2
OH
CH
OH
CH2
OH
O
+ 3 NaOH
3 Na+ - O
C
R +
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 :
Réactifs :
∗
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)
solutions aqueuses de NaOH 12 mol/L et 10 mol/L
huile d’olive, huile de colza, …
éthanol dénaturé (98%)
Remarque : on peut aussi fabriquer ce savon en tube à essai (pyrex !). On utilise alors 2mL de NaOH 12 M
puis 4mL d’huile d’olive et 2mL d’éthanol. Couvrir 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,
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Mode opératoire :
 synthèse rapide d’un savon (mode opératoire initial)
 Préparer 10 mL de NaOH 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.
 Centrer le berlin sur l’agitateur magnétique et agiter énergiquement la solution
jusqu’à ce qu’elle durcisse.
Observer 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.
Retourner 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.
Reproduire le mode opératoire initial en remplaçant la solution de NaOH 12 M par une
solution de NaOH 10 M
2) influence de la nature de l’huile
Reproduire 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
Reproduire le mode opératoire initial en remplaçant le NaOH 12 M par KOH de même
concentration.
4) influence de l’alcool
Reproduire le mode opératoire initial sans utiliser l’éthanol.
5) influence des volumes de réactifs.
Reproduire 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
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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 !
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d) Utilisation des produits formés et gestion des déchets.
→ L’excès de NaOH
Lors de la fabrication d’un savon à partir de 20 mL d’huile d’olive avec 10 mL de NaOH de
concentration 12mol/L , quel est l’excès de NaOH ?
O
C
O
R
C
O
R
CH2 O C
R = - C17H3 3
R
CH2
O
CH
O
CH2
OH
CH
OH
CH2
OH
O
3 Na+ - O
+ 3 NaOH
C
R +
Quantité de soude utilisée :
10 mL de concentration 12 M soit : nNaOH = 12.10 - 2 mol
Quantité d’huile d’olive utilisée :
20 mL soit approximativement 20 g de C57 H104 O6
nhuile = 2,3. 10 - 2 mol.
(M=884 g/mol) ce qui correspond à
Quantité de soude nécessaire :
Sur base de l’équation pondérée : nNaOH = 3 nhuile soit nNaOH = 6,8. 10 - 2 mol
L’excès de soude est donc approximativement de 5,2.10 - 2 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.
Cet anion possède lui-même deux parties se comportant de manière très différente avec
l’eau :
- la queue, une longue chaine hydrocarbonée (-R) insoluble dans l’eau et qui constitue la
partie hydrophobe
- la tête -COO(-) susceptible de se lier à l’eau et qui constitue la partie hydrophile.
On symbolise généralement l’anion
de la manière suivante :
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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), …
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Exercices :
1) L’acide oléique peut se représenter de la façon suivante :
Représenter cette molécule en formule semi-développée.
Quelle est sa formule brute ?
Que représente R (à repérer sur la molécule) pour cette molécule d’acide oléique ?
Représenter la molécule en utilisant la lettre R
La forme saturée de cet acide est l’acide stéarique. Quelle sera sa formule brute ? ………
2)
Huile de colza :
CH2-O-CO-C15H31
l
CH- O-CO-C15H31
l
CH2- O-CO-C15H31
(palmitate de glycérol)
Retrouvez ce que représente R dans cette molécule de triglycéride. S’agit-il de chaine
saturée ou insaturée ? Justifier la réponse
Représentez 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.
O
O
O
HC
O
C
O
H2C
O
H2C
C
4) Résoudre une application concrète : FT3
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Document pour les élèves
Contexte
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
Consignes 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
Coprah
255-267
Palmiste
246-254
Palme
195-205
Olive
184-196
Arachide
187-196
Maïs
187-193
Tournesol
118-145
Soja
184-195
Noix
189-197
Lin cultivé
187-192
Colza
170-192
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Indice de saponification de corps gras animaux
Beurre
215-235
Suif de bœuf
192-198
Saindoux
191-197
Hareng
180-194
Sardine
190-196
Baleine
180-195
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