Riassunto / Abstract

Questa esperienza è stata proposta in una classe quarta. Tutto è nato dal fatto che un’allieva presenta un’allergia ai detergenti commerciali per cui è stato spontaneo cercare di realizzare, nel nostro laboratorio, un sapone che potesse essere utilizzato anche dall’allieva stessa utilizzando pochi e semplici ingredienti.

L’attività laboratoriale è stata preceduta dallo studio dell’epidermide umana.

Scheda sintetica delle attività

In preparazione all’attività nel laboratorio multimediale di informatica sono state effettuate ricerche in rete sull’epidermide, successivamente nel laboratorio di chimica è stato preparato un sapone con idrolisi alcalina e sono state realizzate saponette utilizzando stampini di plastica.

Risorse necessarie

Materiale:

• 500 g di olio extravergine di oliva (Nocellara del Belice) contenente trigliceridi dell’acido oleico;
• 62,5 g di idrossido di sodio in gocce;
• 150 g di acqua distillata;
• 10 mL di olio essenziale di gelsomino. 

Strumentazione

• piastra riscaldante;
• bilancia tecnica;
• contenitori di vetro pyrex resistenti al calore e alla corrosione;
• spatole di acciaio;
• bacchette di vetro per mescolare energicamente;
• pipette di vetro;
• termometro;
• cartine indicatori di pH ,
• stampini in plastica;
• guanti, mascherine e occhialini.

Prerequisiti necessari

• Saper classificare le reazioni chimiche in funzione degli scambi di energia con l’ambiente;
• conoscere le proprietà delle basi;
• conoscere il pH e sapere utilizzare la sua scala di misura;
• conoscere i principali gruppi funzionali dei composti organici;
• conoscere l’utilizzo del materiale e della bilancia tecnica.

Obiettivi di apprendimento

• Capacità di interazione costruttiva tra gli elementi del gruppo;
• capacità di determinare la concentrazione di una soluzione;
• capacità di  valutare l’energia prodotta o assorbita nella dissoluzione di un soluto in un solvente (esotermica o endotermica);
• sapere determinare il pH di una soluzione;
• comprensione del significato di tensioattivo e sue applicazioni.

Dotazioni di sicurezza

Utilizzo di camice, occhialini, guanti e mascherina

Svolgimento

PREPARAZIONE DI UN SAPONE NATURALE

Gli studenti sono stati divisi in gruppi (2 persone) per potere discutere fra loro in funzione della capacità dei singoli e delle affinità di ciascuno per gli altri appartenenti al gruppo.

L’attività laboratoriale è stata preceduta dallo studio dell’epidermide umana. Attraverso slides abbiamo osservato l’epidermide, che è la parte più esterna della pelle, un esempio di tessuto epiteliale squamoso stratificato caratterizzato in superficie da uno spesso strato di cellule morte che, venendo a contatto con l’esterno, vengono continuamente rimosse utilizzando il sapone per l’igiene (figura 1).

I saponi dal punto di vista chimico sono sali degli acidi carbossilici ottenuti per saponificazione delle sostanze grasse ad opera di alcali in soluzione acquosa.

Si è spiegato agli allievi che il processo è un’idrolisi alcalina che procede con un meccanismo di sostituzione nucleofila acilica: il nucleofilo \(-OH\) attacca il \(C^+\) dei gruppi \(-C=O\) del trigliceride secondo la reazione di figura 2;  come si vede la struttura del trigliceride si perde e si liberano le parti componenti.

I saponi, essendo sali di sodio degli acidi grassi a lunga catena, sono solubili in acqua dove liberano gli ioni \(Na^+\) e carbossilato \(RCOO^-\) che li costituiscono.

Ogni ione carbossilato è costituito da una lunga catena idrocarburica (coda) alla cui estremità si trova lo ione \(-COO^-\) (testa). La coda apolare ha comportamento idrofobico, mentre la testa ionica è idrofila. Gli allievi chiedono spiegazioni sul potere pulente della miscela acqua-sapone; a questo punto viene introdotto il concetto di micella spiegando che quando il sapone è mescolato con l’acqua, le lunghe code idrocarburiche si associano a costituire una sfera idrofobica che si attacca bene alle sostanze grasse, mentre le teste idrofile si pongono all’esterno della superficie sferica rivolte verso l’acqua: questi aggregati molecolari si chiamano micelle (figura 3).

Si ribadisce ulteriormente che in presenza di sporco (per lo più costituito da grassi untuosi) le code apolari idrofobiche delle micelle interagiscono con le molecole di unto anch’esse apolari e penetrano nelle goccioline di grasso mentre le teste idrofile si protendono fuori dalla gocciolina di grasso costituendo una nube di cariche negative, così la repulsione elettrostatica impedisce alle micelle di riaggregarsi mantenendole in sospensione nell’acqua. Il sapone, essendo un detergente tensioattivo, modifica la tensione superficiale del grasso (sudiciume) rompendone la continuità e costringendolo ad assumere la forma di tante goccioline che vengono poi allontanate per strofinio e risciacquo (figura 4).

Per soddisfare la curiosità dei ragazzi a proposito dell’influenza sulla durezza dell’acqua si chiarisce che man mano che il sapone sodico si scioglie in acqua si trasforma in sapone metallico e precipita in solubile senza esplicare la sua azione detergente. Ecco perché si afferma che le acque dure lavano male e consumano molto sapone.

Altra osservazione fatta dai ragazzi riguarda il perché alcuni saponi lasciano la pelle secca. A tal proposito si chiarisce che nella maggior parte dei saponi il glicerolo viene rimosso per essere utilizzato come sotto prodotto, pertanto mancando tale componente  la pelle non può essere idratata naturalmente. 

Procedimento

 Dopo avere indossato guanti, mascherine e occhialini, gli allievi, utilizzando la bilancia tecnica, hanno pesato prima l’idrossido di sodio \(NaOH\) in gocce, poi l’acqua riposta nel contenitore di vetro pyrex aiutandosi con le pipette e, infine, allo stesso modo l’olio extravergine di oliva. 

Hanno poi versato poco a poco l’idrossido nell’acqua mescolandolo in modo da scioglierlo bene, mai al contrario perché la reazione sarebbe tumultuosa con formazione di schizzi ustionanti (figura 6).

Gli allievi notano che la reazione sviluppa calore, cioè è fortemente esotermica, si misura quindi la temperatura della soluzione così ottenuta con il termometro e poi si mette il contenitore da parte a raffreddare.
Per curiosità hanno poi bagnato una striscia di cartina universale con una piccola quantità della soluzione, hanno confrontato il colore assunto dalla cartina con quello riportato sulla scala per apprezzare il corrispondente valore di pH (figura 6).

Quindi mettono l’olio extravergine di oliva in un contenitore capiente e lo riscaldano a fuoco bassissimo mescolandolo di tanto in tanto e controllando sempre la temperatura.
Quando la temperatura della soluzione di \(NaOH\) e dell’olio sono a 45°C circa, gli allievi hanno versato dolcemente la soluzione di \(NaOH\) nell’olio mescolando poi energicamente con le bacchette di vetro (figura 7, a sinistra e al centro).
N.B. quest’ultima operazione non va fatta sulla piastra.

Man mano che si va avanti nell’operazione si assiste al cambio di colore e di consistenza dell’olio che diventa man mano più opaco e più cremoso (figura 7, destra).
Dopo qualche tempo, facendo colare un po’ di prodotto nel contenitore, gli allievi hanno notato che restava in superficie per qualche secondo prima di affondare: si è formato il “nastro” e il sapone è pronto.

Per completare hanno aggiunto l’olio essenziale di gelsomino. Mescolando dolcemente per non disperdere il calore hanno versato il sapone negli stampini che hanno riposto in un luogo caldo (vicino il termosifone) dove la temperatura grazie anche al calore sviluppato dalla reazione soda caustica e grassi  si alzerà arrivando intorno ai 50° C  e la saponificazione dei grassi si completerà (figura 8).

Dopo 48 ore, cioè nella lezione successiva, gli allievi hanno sformato il sapone e lo hanno messo a maturare in un luogo fresco e asciutto per due mesi circa (figura 9).

Non avendo allontanato il glicerolo, il sapone sarà idratante e gentile con la pelle.

Bibliografia

• http://online.scuola.zanichelli.it/chimicafacile;
• http://it.wikipedia.org/wiki/soluzione_(chimica)#idrolisialcalina;
• http://www.treccani.it/enciclopedia/sapone/.

Autori

Lentini Francesca

Specifiche esperimento Materia Chimica Classi a cui è rivolto 2° biennio Tipologia di laboratorio Strumentazione semplice Reperibilità del materiale Negozi specializzati, siti web Materiale specifico Vetreria da laboratorio, piastra riscaldante, bilancia, spatole di acciaio, termometro, cartine indicatori di pH, stampini in plastica, DPI, idrossido di sodio, olio Durata esperimento in classe 2 h Capacità di bricolage/assemblaggio No Necessità lavorazioni meccaniche/elettroniche No Necessità PC per acqusizione/analisi dati No Necessità di uno smartphone No Parole chiave Chimica Chimica organica Gruppi funzionali Reattività degli esteri