Bài 2. Xà phòng và chất giặt rửa – Tóm tắt Hoá học 12

1. Xà phòng là gì?

Định nghĩa

Xà phòng là muối sodium hoặc potassium của acid béo, thường là những acid có mạch carbon từ $\mathrm{C_{12}}$ đến $\mathrm{C_{18}}$ . Ví dụ sodium stearate $\mathrm{C_{17}H_{35}COONa}$ , sodium palmitate $\mathrm{C_{15}H_{31}COONa}$ . Xà phòng potassium mềm hơn, dễ tan hơn nên thường dùng làm xà phòng lỏng.

Cấu tạo phân tử chất hoạt động bề mặt

Phân tử xà phòng gồm hai phần đối lập:

Phần ưa nước (tan trong nước): đầu phân cực, gồm nhóm $\mathrm{-COO^-Na^+}$ .
Phần kị nước (không tan trong nước): đuôi không phân cực, là mạch hydrocarbon $\mathrm{R-}$ .

Nhờ hai phần đối lập, phân tử định hướng tại bề mặt tiếp giáp giữa nước và dầu mỡ, do đó xà phòng được gọi là chất hoạt động bề mặt.

Cơ chế tẩy rửa

Khi xà phòng vào nước có dính dầu mỡ hoặc mảng bẩn:

1.
Phần đầu $\mathrm{-COONa}$ hướng vào lớp nước; phần đuôi $\mathrm{R-}$ cắm sâu vào giọt dầu.
2.
Nhiều phân tử xà phòng cùng vây quanh giọt dầu, tạo thành cấu trúc cầu gọi là micelle: lõi bên trong là dầu, vỏ ngoài là các đầu phân cực mang điện âm.
3.
Các micelle mang điện cùng dấu đẩy nhau, không kết dính, phân tán vào nước và bị dòng nước cuốn trôi, vải được sạch.

Như vậy, xà phòng làm giảm sức căng bề mặt nước và nhũ tương hoá dầu mỡ trong nước.

2. Tính chất hoá học và điều chế

Hai tính chất cần nhớ

Trong nước, xà phòng phân li thành ion $\mathrm{Na^+}$ và gốc carboxylate, nên có phản ứng trao đổi:

1.
Tác dụng với acid mạnh, ví dụ $\mathrm{HCl}$ hoặc $\mathrm{H_2SO_4}$ loãng: thu được acid béo kết tủa, chứng tỏ có nhóm $\mathrm{-COONa}$ .

$\mathrm{C_{17}H_{35}COONa + HCl \longrightarrow C_{17}H_{35}COOH\downarrow + NaCl}$
2.
Tác dụng với ion $\mathrm{Ca^{2+}}$ , $\mathrm{Mg^{2+}}$ trong nước cứng: tạo kết tủa muối không tan, làm xà phòng mất tác dụng giặt.

$\mathrm{2C_{17}H_{35}COONa + CaCl_2 \longrightarrow (C_{17}H_{35}COO)_2Ca\downarrow + 2NaCl}$

Điều chế xà phòng bằng phản ứng xà phòng hoá

Chất béo là triester của glycerol với các acid béo. Cho chất béo thuỷ phân trong môi trường $\mathrm{NaOH}$ đặc, đun nóng sẽ thu được xà phòng và glycerol:

\mathrm{(C_{17}H_{35}COO)_3C_3H_5 + 3NaOH \xrightarrow{t^\circ} 3C_{17}H_{35}COONa + C_3H_5(OH)_3}

Quá trình này gọi là phản ứng xà phòng hoá. Sau phản ứng, thường cho thêm $\mathrm{NaCl}$ để xà phòng tách khỏi dung dịch glycerol.

Lưu ý

Trong thực tế chất béo là hỗn hợp glyceride của nhiều acid béo khác nhau. Khi giải bài tập, người ta lấy một triglyceride điển hình như tristearin hoặc tripalmitin để viết phương trình.

3. Chất giặt rửa tổng hợp

Định nghĩa

Chất giặt rửa (detergent) là những chất hoạt động bề mặt tổng hợp. Khác với xà phòng, phần ưa nước của hầu hết chất giặt rửa tổng hợp là nhóm sulfonate $\mathrm{-SO_3Na}$ hoặc sulfate $\mathrm{-OSO_3Na}$ , ví dụ sodium alkylbenzene sulfonate $\mathrm{R-C_6H_4-SO_3Na}$ .

Tiêu chí	Xà phòng	Chất giặt rửa tổng hợp
Nhóm ưa nước	$\mathrm{-COONa}$	$\mathrm{-SO_3Na}$ hoặc $\mathrm{-OSO_3Na}$
Trong nước cứng	Dễ kết tủa với $\mathrm{Ca^{2+}}$ , $\mathrm{Mg^{2+}}$	Hầu như không mất tác dụng
Môi trường	Dễ phân huỷ sinh học	Khó phân huỷ nếu mạch có nhánh; muối phosphate trong bột giặt gây phú dưỡng nguồn nước

4. Phương pháp giải bài tập

Các bước tính toán khối lượng xà phòng từ chất béo

1.
Viết phương trình xà phòng hoá của chất béo.
2.
Tính $n_{\text{chất béo}}=\dfrac{m}{M}$ .
3.
Theo hệ số trong phương trình suy ra $n_{\text{xà phòng}}$ và $n_{\mathrm{NaOH}}$ ; đối với tristearin thì $n_{\text{xà phòng}}=3n_{\text{chất béo}}$ và $n_{\mathrm{NaOH}}=3n_{\text{chất béo}}$ .
4.
Tính khối lượng cần dùng hoặc thu được bằng $m=n\cdot M$ .

Nhận biết xà phòng và chất giặt rửa

1.
Cho thêm dung dịch $\mathrm{CaCl_2}$ đặc vào hai mẫu thử.
2.
Xà phòng xuất hiện kết tủa trắng do tạo muối không tan, đồng thời ít bọt.
3.
Chất giặt rửa tổng hợp hầu như không cho kết tủa.

5. Ví dụ có lời giải

Ví dụ 1

Xà phòng hoá hoàn toàn $10{,}0$ gam tristearin bằng lượng $\mathrm{NaOH}$ vừa đủ, đun nóng. Tính khối lượng xà phòng thu được.

Lời giải · 3 bước

Phương trình phản ứng:

\mathrm{(C_{17}H_{35}COO)_3C_3H_5 + 3NaOH \xrightarrow{t^\circ} 3C_{17}H_{35}COONa + C_3H_5(OH)_3}

Bước 2

Ta có $M(\text{tristearin})=890$ và $M(\mathrm{C_{17}H_{35}COONa})=306$ .

n_{\text{tristearin}}=\frac{10{,}0}{890}\approx 0{,}01124 \text{ (mol)}

Bước 3

Theo hệ số của phương trình:

n_{\text{xà phòng}}=3\cdot 0{,}01124\approx 0{,}0337 \text{ (mol)}

m_{\text{xà phòng}}=0{,}0337\cdot 306\approx 10{,}3 \text{ (gam)}

Ví dụ 2

Giải thích vì sao giặt bằng xà phòng trong nước cứng kém hiệu quả. Viết phương trình minh hoạ.

Lời giải · 2 bước

Nước cứng chứa nhiều ion $\mathrm{Ca^{2+}}$ , $\mathrm{Mg^{2+}}$ . Những ion này kết hợp với gốc carboxylate của xà phòng tạo muối không tan:

\mathrm{(C_{17}H_{35}COO)_2Ca\downarrow} \quad\text{hay}\quad \mathrm{(C_{17}H_{35}COO)_2Mg\downarrow}

Bước 2

Lúc này xà phòng bị kết tủa thay vì tạo micelle bao quanh dầu mỡ, nên hiệu quả làm sạch giảm rõ rệt.

Ví dụ 3

Có hai dung dịch loãng: (1) sodium stearate; (2) chất giặt rửa tổng hợp. Nêu cách phân biệt.

Lời giải

Nhỏ thêm dung dịch $\mathrm{CaCl_2}$ đặc vào mỗi mẫu.

Ống nghiệm (1) xuất hiện kết tủa trắng:

$\mathrm{2C_{17}H_{35}COONa + CaCl_2 \longrightarrow (C_{17}H_{35}COO)_2Ca\downarrow + 2NaCl}$
Ống nghiệm (2) hầu như không hiện tượng kết tủa.

6. Lưu ý hay gặp