Le savon est un produit d'hygiène connu depuis l'Antiquité. Concurrencé de nos jours par les savons liquides, le savon solide reste très utilisé pour se laver les mains et peut être fabriqué à la maison. La transformation chimique qui en permet la fabrication est la saponification : un corps gras, comme l'huile d'olive, est hydrolysé en milieu basique pour former le savon et du glycérol.
L'objectif de cet exercice est d'analyser un protocole de saponification à froid proposé par un site Internet et de le comparer à un protocole de saponification artisanale historique.
Données :
- Dans tout l'exercice, on considère que l'huile d'olive est uniquement constituée d'oléine.
- Masse volumique de l'huile d'olive : \rho = 0{,}91 \text{ g.mL}^{-1}.
- La saponification de l'oléine est considérée comme totale. L'équation de la réaction modélisant cette transformation est donnée ci-dessous :
Caractéristiques des espèces chimiques utilisées
1. Un savon surgras fait maison
À quelle famille chimique la molécule d'oléine appartient-elle ?
Dans la formule de l'oléine, on reconnaît le groupe caractéristique ester qui est présent trois fois :
Cette molécule est donc un triester.
Quelle est la formule brute du glycérol, noté A dans l'équation de saponification de l'oléine ?
Pour déterminer la formule brute du glycérol, on compte le nombre d'atomes de chaque élément présents du côté des réactifs et des produits :
| Élément | Réactifs | Produits | Produits - Réactifs |
| Carbone (\ce{C}) | 3\times 17 + 6 \times 1 = 57 | 3\times 17 + 3 \times 1 = 54 | 57-54=3 |
| Hydrogène (\ce{H}) | 3\times 32 + 2 + 2 + 1 + 3 \times 1 = 107 | 3\times 33=99 | 107 - 99=8 |
| Oxygène ( \ce{O} ) | 6 + 3 \times 1 = 9 | 3\times 2=6 | 9-6=3 |
| Sodium (\ce{Na}) | 3 | 3\times1=3 | 3-3=0 |
De plus, la charge électrique est équilibrée.
Ainsi, pour respecter la conservation des éléments chimiques, la formule brute du glycérol doit être \ce{C3H8O3}.
On donne sur la figure 1 ci-après la formule topologique de l'ion oléate, qui possède des propriétés lavantes. Cette molécule est amphiphile : elle possède une partie hydrophile, entourée sur la figure 1, et une partie lipophile qui correspond à la chaîne carbonée. Une représentation schématique de cette molécule est également donnée sur la figure 1.
Quel est le schéma qui illustre correctement les propriétés lavantes des savons ?
D'après l'énoncé, l'ion oléate qui possède des propriétés lavantes est un composé amphiphile :
- La partie hydrophile, entourée sur la figure 1, sera au contact de l'eau.
- La partie lipophile, qui correspond sur le schéma à la chaîne hydrocarbonée, sera au contact du gras.
On donne ci-dessous un protocole de fabrication d'un savon à base d'huile d'olive élaboré à partir d'un site Internet :
- Introduire 50 mL d'eau dans un bécher et ajouter très doucement 25 g d'hydroxyde de sodium solide en agitant régulièrement jusqu'à dissolution complète.
- Verser doucement 220 mL d'huile d'olive en agitant pendant une heure pour obtenir une pâte épaisse.
- Couler la pâte dans un moule, recouvrir hermétiquement de film alimentaire.
- Après 48 heures, démouler le solide et laisser à l'air libre au moins 6 semaines pour obtenir le savon.
Ce protocole est accompagné d'une consigne importante : « la saponification est dangereuse et nécessite de porter une blouse, des lunettes de protection et des gants ».
Quelle est la concentration en quantité de matière de la solution d'hydroxyde de sodium préparée dans la première étape du protocole en supposant que la dissolution s'effectue sans variation de volume ?
La concentration en quantité de matière de la solution d'hydroxyde de sodium préparée dans la première étape du protocole est :
C=\dfrac{n_{(\ce{NaOH})}}{V_S}
C=\dfrac{m_{(\ce{NaOH})}}{M_{(\ce{NaOH})} \times V_S}
C=\dfrac{25}{40 \times 50.10^{-3}}
C=13 \text{ mol.L}^{-1}
Quelle est l'évolution attendue du pH du milieu au cours de la fabrication du savon ? Justifier.
Dans la réaction de saponification, la soude est un réactif. Or, les ions hydroxyde \ce{OH-} contenus dans la soude sont responsables du caractère basique de la solution.
Ainsi, puisque la quantité de matière de ces ions diminue, la solution devient alors de moins en moins basique et son pH diminue (pour se rapprocher du pH neutre de 7).
Quelle est la masse restante d'oléine à l'état final ?
D'après les données, la réaction de saponification est considérée comme totale. Pour déterminer la masse restante d'oléine à l'état final, il faut déjà déterminer la nature du réactif limitant. On peut écrire l'équation de réaction ainsi :
\text{oléine} + 3 \ \ce{Na+} + 3 \ \ce{OH-} \ce{->}3 \text{ oléate de sodium} + 3 \text{ glycérol}
Il faut donc comparer les quotients \dfrac{n^i_{\text{oléine}}}{1}, \dfrac{n^i_{\ce{Na+}}}{3} et \dfrac{n^i_{\ce{OH-}}}{3}. Or :
- n^i_{\text{oléine}}= \dfrac{m_{\text{oléine}}}{M_{\text{oléine}}}=\dfrac{\rho \times V_{\text{(huile d'olive)}}}{M_{\text{oléine}}}=\dfrac{0{,}91 \times 220}{884}=0{,}23 \text{ mol}
- \dfrac{n^i_{\ce{Na+}}}{3} = \dfrac{n^i_{\ce{OH-}}}{3}=\dfrac{m_{\text{NaOH}}}{3 \times M_{\text{NaOH}}}=\dfrac{25}{3\times 40} = 0{,}21 \text{ mol}
Ainsi, \dfrac{n^i_{\ce{Na+}}}{3} = \dfrac{n^i_{\ce{OH-}}}{3} \lt \dfrac{n^i_{\text{oléine}}}{1} et les ions hydroxyde et sodium apportés par la soude sont les réactifs limitants.
La valeur de l'avance maximal est donc :
x_{\text{max}} = \dfrac{n^i_{\ce{Na+}}}{3} = \dfrac{n^i_{\ce{OH-}}}{3} = 0{,}21 \text{ mol}
D'où :
n^f_{\text{oléine}} = n^i_{\text{oléine}} - x_{\text{max}} = 0{,}23 - 0{,}21 = 0{,}02 \text{ mol}
La masse d'oléine restant à l'état final est donc :
m^f_{\text{oléine}} = n^f_{\text{oléine}} \times M^f_{\text{oléine}} = 0{,}02 \times 884=18 \text{ g}
On appelle « surgraissage » le pourcentage en masse d'huile non saponifiée lors de la fabrication du savon. La plupart des savons ont un surgraissage compris entre 5 % et 10 %.
Quel est le surgraissage du savon obtenu par cette méthode ?
D'après l'énoncé, le surgraissage correspond au pourcentage en masse d'huile non saponifiée lors de la fabrication du savon. On a donc la relation :
\text{Surgraissage} =\dfrac{m^f_{\text{oléine}}}{m^i_{\text{oléine}}}
Avec :
- m^i_{\text{oléine}} =\rho \times V_{\text{(huile d'olive)}}=0{,}91 \times 220 = 200 \text{ g}
- m^f_{\text{oléine}} =18 \text{ g} (calculé dans la question précédente)
D'où :
\text{Surgraissage} =\dfrac{18}{200} = 0{,}09 = 9 \text{ \%}
2. Fabrication artisanale du savon
Le procédé historique de fabrication du savon de Marseille est décrit dans le Traité complet de la fabrication des savons écrit par G. Eugène Lormé en 1859.
On donne ci-dessous les étapes décrites dans le traité :
- Le mélange d'un excès de soude et d'huile d'olive est porté à ébullition pendant une dizaine d'heures.
- De l'eau salée est ajoutée au milieu réactionnel (relargage).
- De la soude est ajoutée au savon très chaud pour qu'il gagne en consistance et en pureté, puis il est lavé plusieurs fois à l'eau, le savon est enfin laissé à l'air libre plusieurs semaines pour sécher.
D'après ces données, quel est l'intérêt du relargage ?
Le relargage consiste à ajouter de l'eau salée dans le milieu réactionnel. Or, d'après le tableau, l'oléate de sodium (= savon) est insoluble dans l'eau salée contrairement au glycérol (autre produit de la réaction) et à l'hydroxyde de sodium (réactif en excès). Ainsi, le relargage permet de séparer le savon qui précipite des autres constituants du milieu réactionnel.
Dans le protocole de la partie ci-dessus, quelle est la stratégie choisie permettant d'optimiser le procédé par rapport à celle de la fabrication maison du savon de la partie 1 ?
Dans la partie 2 du protocole, on chauffe le milieu réactionnel, ce qui permet d'augmenter la vitesse de la transformation car la température est un facteur cinétique.
On donne ci-dessous la copie d'un extrait du Traité complet de la fabrication des savons et son adaptation :
Extrait
Ce « savon épuré » a pour composition massique :
| % massique moyen | |
| Oléate de sodium | 50,2 |
| Hydroxyde de sodium | 4,6 |
| Eau | 45,2 |
| Total | 100,0 |
Quelle est la masse d'oléate de sodium présente dans le « savon épuré », en fonction de P le pourcentage massique moyen ?
On peut calculer la masse d'oléate de sodium présente dans le « savon épuré » à partir du pourcentage massique moyen :
m^f_{\text{oléate de sodium}} = P \times m_{\text{savon}}
m^f_{\text{oléate de sodium}} = \dfrac{50{,}2}{100} \times 1{,}350
m^f_{\text{oléate de sodium}} = 0{,}678 \text{ kg}
Par déduction, quel est le rendement maximal de la fabrication du savon obtenu par le procédé artisanal ?
Par définition, le rendement de cette transformation est égal à la masse de produit expérimentalement obtenue, m_{\text{exp}}, et la masse m_{\text{max}} qu'il était possible d'obtenir théoriquement.
\eta = \dfrac{m_{\text{exp}}}{m_{\text{max}}}, avec m_{\text{exp}} = 0{,}678 \text{ kg} = 678 \text{ g}
Ici, la soude est en excès, le réactif limitant est donc l'oléine, d'où :
x_{\text{max}} = \dfrac{n^i_{\text{oléine}}}{1} = \dfrac{m^i_{\text{oléine}}}{M_{\text{oléine}}}
Et d'après l'équation de la réaction, la quantité de matière maximale d'oléate de soudium qui peut être formée est :
n^{\text{max}}_{\text{oléate de sodium}} = 3 \times x_{\text{max}}
D'où la masse correspondante :
m_{\text{max}} = n^{\text{max}}_{\text{oléate de sodium}} \times M_{\text{oléate de sodium}} = 3 \times x_{\text{max}} \times M_{\text{oléate de sodium}} = 3 \times \dfrac{m^i_{\text{oléine}}}{M_{\text{oléine}}} \times M_{\text{oléate de sodium}}
m_{\text{max}} =3 \times \dfrac{1{,}000.10^3}{884} \times 304\\
m_{\text{max}} =1 \ 032 \text{ g}
D'où :
\eta = \dfrac{678}{1 \ 032}
\eta = 0{,}657 = 65{,}7\text{ \%}