Obiet du TP:

Fabrication d'un savon; étude de quelques propriétés des solutions aqueuses de savon.

Matériel et produits:

 matériel de chauffage à reflux; bécher de 250 mL; éprouvette graduée; filtre Büchner; tubes à essais , pipette graduée de 5 mL; gants à utiliser lors de la manipulation de la solution de soude concentrée; spatule ; entonnoir et papier filtre; petit moule destiné à recueillir et  égoutter le savon .

Huile de table; éthanol; solution de soude alcoolisée (88 de soude + 100 mL d'eau + 450 mL d'éthanol) ; eau salée saturée ; solution à 0,1 mol.L^-1 de chlorure de calcium ;  copeaux de savon ; pierre ponce.

I/ FABRICATION D'UN SAVON

a)Principe:

Une solution concentrée de soude est utilisée pour réaliser la saponification d'un corps gras . Afin de favoriser le contact entre les réactifs, ceux-ci sont mis en solution dans l'éthanol. Le savon qui se forme lentement, à température élevée ( ici, à environ 100°C),est peu soluble dans l'eau salée; il est relargué dans une solution concentrée de chlorure de sodium.

b)Protocole:

* Dans un ballon de 250 mL, introduire à l'aide d'une éprouvette graduée:                   

            - 15 mL de solution de soude alcoolisée  (attention, mettre des gants)                    

            - 17 mL d'huile de table                  

            -  quelques grains de pierre ponce.

* Adapter le réfrigérant et chauffer à reflux le mélange réactionnel.

* Maintenir une ébullition douce pendant 30 minutes.

* Verser le mélange réactionnel encore chaud dans un bécher de 250 mL contenant environ l00 ml solution saturée de chlorure de sodium. Agiter: le savon précipite. 

* Filtrer le mélange obtenu sur un filtre (environ le contenu d'un tube à essais). Si la filtration est trop lente on peut envisager une filtration büchner .

* Changer le filtre, y déposer le savon et le rincer modérément à l'eau distillée.

* Mettre le savon à sécher dans un petit moule percé de trous pour l'égouttage

Il est déconseillé d'utiliser le savon ainsi obtenu pour se laver les mains ! en effet, il contient encore beaucoup de soude; il est donc caustique.

Q1) Écrire l'équation de la réaction de saponification en admettant que l'huile n'est formée qu triglycéride de l'acide oléique C_l7H₃₃-COOH.

Q2) Quel est le rôle de l'éthanol introduit dans le mélange réactionnel lors de la réaction de saponification ?

 Q3) Quel est le rôle de l'eau salée utilisée en fin de réaction ?

Q4)L'huile a une densité de 0,9; I'un des réactifs est-il en excès (faire la même hypothèse simplificatrice que dans Q1)

Q5) Quelles sont les espèces chimiques présentes dans le filtrat ?

II/- QUEQUES PROPRIÉTÉS DES SOLUTIONS AQUEUSES DE SAVON

a)Préparation de la solution de savon:

* Dans 100 mL d'eau distillée , introduire 2 ou 3 g de copeaux de savon et agiter.

* Filtrer afin d'obtenir une solution limpide . Soit S cette solution .

* Déterminer approximativement son pH (à l'aide de papier indicateur).

     Q6) Quel est le pH de la solution aqueuse de savon ?

b) Action de l'eau salée:

* À 2 mL de solution S, ajouter goutte à goutte un solution concentrée de chlorure de sodium. Noter les observations.

c)Action moussante des savons:

L'expérience montre que, en général, un savon qui mousse bien a de bonnes propriétés détergentes. Il s'agit de tester l'action d'eaux plus ou moins dures, c'est-à-dire d'eaux contenant plus ou moins de calcium ou magnésium, sur les propriétés moussantes d'un savon.

*Numéroter trois tubes à essais et introduire:

      dans le tube n° 1: 5 mL d'eau déminéralisée

       dans le tube n°2: 5 mL de solution de chlorure de calcium (jouant le rôle d'eau très dure)

        dans le tube n°3: 5 mL d'eau du robinet

*Ajouter alors dans chaque tube 10 gouttes de solution S et observer.

* Agiter énergiquement les trois tubes

      Q7) comparer les quantités de mousse obtenues.

d)mode d'action des savons :

L'ion carboxylate et l'eau :

où   représente un ion caboxylate RCOO^-  :

La chaîne carbonée n'a aucune affinité avec l'eau (hydrophobe) . Elle a par contre beaucoup d'affinité avec les corps gras (lipophile)

Le groupe carboxylate COO^- a avec l'eau des liaisons hydrogène (liaison intermoléculaire entre un atome d'hydrogène d'une molécule et un atome d'oxygène d'une autre molécule) ce qui lui donne un caractère hydrophile marqué .

On désigne par le terme <<tensio-actif>> des composés dont une partie de la molécule (ou de l'ion) est hydrophile et l'autre hydrophobe .

Si la concentration du savon est grande, il se forme dans la solution des micelles : agglomérat de 10 à 100 ions carboxylate.

e)Propriétés détergentes :

La salissure est "arrachée " au tissu et dispersée dans le liquide à cause des charges positives (Na⁺ ou K⁺ )

III/Mecanisme réactionnel :

La réaction de saponification est une réaction d'hydrolyse en milieu basique . Le mécanisme de cette réaction peut être décrit en trois étapes :

a)Première étape : addition de HO^- sur l'ester :

 

les liaisons C-O sont polarisées , l'oxygène étant plus électronégatif que le carbone . Le carbone du groupe carboxyle est de ce fait un site électrophile.

Par ailleurs l'oxygène de l'ion hydroxyde est un site nucléophile . Cette compatibilité entre les deux sites va être à l'origine de l'addition de l'ion hydroxyde sur l'ester . L'approche de l'ion hydroxyde du carbone de l'ester du groupe carboxyle va favoriser le départ de l'un des doublets de la liaison C=O vers l'oxygène qui est engagé dans cette liaison.

L'ion obtenu est représenté ci-dessus.

b)Deuxième étape:élimination du groupe alcoolate :

L'ion obtenu précédemment est instable : un réarrangement électronique conduit à l'élimination d'un ion alcoolate et la formation de l'acide .

 

L'acide carboxylique formé a un pK_a compris en général entre 3 et 4 se trouve dès lors en présence de la base relativement forte qu'est l'ion alcoolate, dont le  pK_a est compris entre 18 et 20, ce qui va donner lieu à une réaction acido-basique.

c)Troisième étape : Réaction acide-base

De par la polarisation de la liaison O-H , H est un site électrophile . Celui-ci réagit avec le site nucléophile de l'ion alcoolate .

IV/Exercice :

Exercice à chercher : 13 page 156

TP Savon (spe) : Correction :

1)L'huile peut être considérée comme le triester du glycérol obtenu à partir de l'acide oléique. Ecrivons la réaction correspondante :

la réaction de saponification (hydrolyse en milieu basique) est :

2)L'éthanol favorise le contact entre les réactifs

3)L'eau salée utilisée en fin de réaction favorise la précipitation du savon (relargage)

4)* soude :n = m/M=(88/40)/550*15= 0,06 mol C_bV_b = 10*20 10^-3 = 0,2 mol

* huile : n=m/m = rV/M= r_eau*d*V/M = 1000 g.L^-1 *0,9*17. 10^-3 /884=0,017 mol  (M_huile = 884 g.mol^-1)

La soude est en excès car n(huile introduit)<n(soude introduit)/3 :[ 0,017 < 0,06/3=0,02 ]

5)Dans le filtrat on trouve :

- de la soude (excès)

-du glycérol

-de l'alcool

6) pH > 7 : la solution de savon est basique .

7)C'est dans le tube n°1 (eau déminéralisée ) que la mousse est la plus abondante : cela signifie que c'est en eau douce que le savon est le plus efficace .

En solution saline (Na⁺ + Cl^-) ou en eau dure (riche en Ca²⁺ et Mg²⁺) , le savon précipite : cette situation est défavorable à l'action détergente du savon .