Karamö, le prof virtuelLeçon 6 sur 20
La fabrication du savon
Je sais décrire les étapes de fabrication d'un savon, expliquer comment un savon lave grâce à sa structure, et faire les calculs de production.
- 1 h
- 5 exercices corrigés
- 3 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Décrire les étapes de fabrication d'un savon (saponification, relargage, lavage, moulage)
- Expliquer la structure amphiphile d'un ion carboxylate et la formation des micelles
- Expliquer l'action lavante du savon et ses limites (eau dure, milieu acide)
- Calculer une masse de savon, de soude et un rendement ; utiliser l'indice de saponification
Avant de commencer : La leçon « La saponification des esters » (triglycérides, équation de saponification), la notion de polarité et de solubilité.
1Je découvre
Dans un quartier de Kissidougou, une petite savonnerie artisanale transforme de l'huile de palme en pains de savon. Lansana, qui y fait un stage de vacances, suit tout le travail : on chauffe l'huile avec une solution de soude dans une grande marmite en remuant longtemps ; puis on verse de l'eau très salée, et une pâte monte à la surface ; on la récupère, on la lave, on la verse dans des moules en bois.
Lansana se pose trois questions. Pourquoi ajouter du sel, alors qu'on veut du savon et pas de la sauce ? Comment une même substance peut-elle se mélanger à la fois à l'eau et à la graisse d'un vêtement ? Et pourquoi, au village de sa grand-mère, où l'eau du puits est très calcaire, le savon mousse-t-il mal ?
Comment fabrique-t-on un savon, et comment agit-il pour enlever les taches de graisse ?
2Je comprends
1. Les matières premières
- Un corps gras : huile de palme, huile de palmiste, huile d'arachide, beurre de karité, suif. Ce sont des mélanges de triglycérides (leçon précédente).
- Une base forte : la soude NaOH donne des savons durs (pains de savon) ; la potasse KOH donne des savons mous ou liquides. Dans le savon traditionnel, la base provient de cendres de végétaux, riches en carbonate de potassium, dont la solution aqueuse est basique.
- De l'eau et du chlorure de sodium (sel de cuisine) pour le relargage.
2. Les étapes de la fabrication
- 1Saponification : on chauffe longuement le corps gras avec la solution de soude, en agitant (le mélange devient une pâte homogène)
- 2Relargage : on ajoute une solution concentrée de chlorure de sodium ; le savon, très peu soluble dans l'eau salée, se sépare et monte en surface
- 3Séparation : on récupère la couche de savon ; la phase aqueuse contient le glycérol, l'excès de soude et le sel
- 4Lavage : on lave le savon à l'eau salée pour éliminer l'excès de soude, qui est corrosive pour la peau
- 5Mise en forme : on ajoute éventuellement parfum ou colorant, on moule, on laisse sécher et on découpe
Pourquoi le relargage fonctionne-t-il ? Le savon est un sel de sodium (R-COO^- + Na^+). Dans une eau très riche en ions Na^+ et Cl^-, sa solubilité devient très faible : il précipite et flotte, car il est moins dense que l'eau salée.
Le glycérol récupéré dans la phase aqueuse est valorisé : on l'utilise en cosmétique (crèmes hydratantes), en pharmacie et dans l'industrie.
3. La structure d'un ion carboxylate de savon
Prenons l'ion palmitate C15H31-COO^-. Il comporte deux parties aux propriétés opposées :
- Chargée, polaire
- Hydrophile (aime l'eau)
- Lipophobe
- Reste dans l'eau
- Non chargée, non polaire
- Hydrophobe (fuit l'eau)
- Lipophile (aime les graisses)
- Se plonge dans la graisse
Une molécule ou un ion qui possède à la fois une partie hydrophile et une partie hydrophobe est dit amphiphile.
4. Comment le savon lave
a) À la surface de l'eau. Les ions carboxylate se placent à la surface, tête dans l'eau et queue dans l'air. Ils diminuent la tension superficielle de l'eau : l'eau « mouille » mieux le tissu. On dit que le savon est un agent mouillant (ou tensioactif).
b) Dans l'eau : les micelles. Au-delà d'une certaine concentration, les ions s'assemblent en petites sphères appelées micelles : les queues hydrophobes vers l'intérieur, les têtes hydrophiles vers l'extérieur, au contact de l'eau.
c) Face à une tache de graisse. Les queues hydrophobes pénètrent dans la graisse ; les têtes restent dans l'eau. En frottant, on détache de petites gouttes de graisse entourées d'ions carboxylate. Ces gouttes, chargées négativement en surface, se repoussent entre elles et restent dispersées dans l'eau : c'est une émulsion. Le rinçage les emporte.
- 1Les queues hydrophobes des ions carboxylate pénètrent dans la tache de graisse
- 2Les têtes hydrophiles –COO⁻ restent tournées vers l'eau
- 3Le frottement découpe la graisse en gouttelettes entourées d'ions carboxylate
- 4Les gouttelettes, chargées négativement, se repoussent et restent dispersées dans l'eau
- 5Le rinçage emporte les gouttelettes : le tissu est propre
5. Les limites du savon
a) Eau dure. Une eau calcaire contient beaucoup d'ions calcium Ca2+ et magnésium Mg2+. Ils forment avec les ions carboxylate des composés insolubles :
2 R-COO^- + Ca2+ → (R-COO)2Ca (précipité).
Le savon est ainsi consommé sans laver : il mousse mal et laisse un dépôt. C'est ce qu'observe Lansana au village.
b) Milieu acide. En présence d'ions H3O^+, l'ion carboxylate redonne l'acide gras, insoluble dans l'eau et sans pouvoir lavant :
R-COO^- + H3O^+ → R-COOH + H2O.
c) Caractère basique. L'ion carboxylate est une base faible : une solution de savon a un pH supérieur à 7. Un savon mal lavé, qui contient encore de la soude, irrite la peau.
6. Calculs de production
Méthode
Pour un problème de fabrication de savon :
- J'écris l'équation de saponification du triglycéride (coefficient 3 pour la soude et le savon).
- Je calcule les masses molaires : triglycéride, savon (carboxylate de sodium ou de potassium), glycérol.
- Je calcule n(triglycéride) = m / M (masses en g, ou en kg avec M en kg/mol).
- J'en déduis n(soude) = 3 n, n(savon) = 3 n, n(glycérol) = n.
- Je multiplie par le rendement pour obtenir la masse réellement récupérée.
Exemple
Une savonnerie saponifie 8,06 kg d'un corps gras assimilé à de la palmitine (M = 806 g/mol) par la soude. Le rendement est de 80 %. Calculer la masse de soude nécessaire et la masse de savon obtenue.
n(palmitine) = 8060 / 806 = 10,0 mol.
n(NaOH) = 3 × 10,0 = 30,0 mol ; m(NaOH) = 30,0 × 40 = 1200 g = 1,20 kg.
Palmitate de sodium C₁₅H₃₁COONa : M = 278 g/mol.
Masse théorique de savon : 30,0 × 278 = 8340 g.
Masse obtenue : 0,80 × 8340 = 6672 g, soit environ 6,67 kg.
Indice de saponification. Pour caractériser un corps gras, on utilise l'indice de saponification Is : c'est la masse de potasse KOH, en milligrammes, nécessaire pour saponifier 1 g de corps gras.
Exemple
Calculer l'indice de saponification de l'oléine (M = 884 g/mol ; M(KOH) = 56 g/mol).
1 g d'oléine représente 1 / 884 mol. Il faut 3 fois plus de KOH : 3 / 884 mol.
Masse de KOH : (3 / 884) × 56 = 0,190 g = 190 mg.
Iₛ ≈ 190. (Pour la palmitine, on trouve de la même façon 3 × 56 × 1000 / 806 ≈ 208.)
Plus les chaînes sont longues, plus M est grande et plus l'indice est petit.
3Je retiens
Je retiens
Savon = carboxylate de sodium (dur) ou de potassium (mou) à longue chaîne, obtenu par saponification d'un corps gras.
Étapes : saponification à chaud, relargage à l'eau salée, séparation, lavage, moulage.
Relargage : le savon est peu soluble dans l'eau salée, il se sépare. Sous-produit : le glycérol.
L'ion carboxylate est amphiphile : tête –COO⁻ hydrophile, queue carbonée hydrophobe et lipophile.
Il forme des micelles et entoure les gouttes de graisse, qui restent dispersées dans l'eau.
Eau dure : 2 R–COO⁻ + Ca²⁺ → (R–COO)₂Ca (précipité) ; milieu acide : R–COO⁻ + H₃O⁺ → R–COOH + H₂O.
Indice de saponification : masse de KOH (en mg) pour saponifier 1 g de corps gras.
4Erreurs fréquentes
- Dire que le relargage sert à éliminer le glycérol « en le faisant précipiter » : c'est le SAVON qui se sépare ; le glycérol reste dans la phase aqueuse.
- Inverser les rôles : la tête –COO⁻ est hydrophile, la chaîne carbonée est hydrophobe.
- Oublier le coefficient 3 dans les calculs, ou utiliser la masse molaire de l'acide gras au lieu de celle du carboxylate de sodium.
- Calculer l'indice de saponification avec NaOH : par définition, il utilise la potasse KOH et s'exprime en mg.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Cite dans l'ordre les étapes de la fabrication d'un savon et donne le rôle du relargage.
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Saponification à chaud (corps gras + soude) ; relargage (ajout d'eau très salée) ; séparation de la couche de savon ; lavage ; moulage et séchage. Le relargage fait précipiter le savon, très peu soluble dans l'eau salée, pour le séparer de l'eau, du glycérol et de l'excès de soude.
2Exercice 2
Représente schématiquement (par une phrase ou un croquis légendé) un ion carboxylate de savon, puis explique comment il enlève une tache d'huile sur un vêtement.
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L'ion carboxylate est formé d'une longue chaîne carbonée (queue hydrophobe, lipophile) terminée par le groupe -COO^- (tête hydrophile). Les queues pénètrent dans l'huile, les têtes restent dans l'eau. En frottant, l'huile est découpée en gouttelettes entourées d'ions carboxylate, chargées négativement en surface, qui se repoussent et restent dispersées dans l'eau. Le rinçage les emporte.
3Exercice 3
Écris l'équation de la réaction entre l'ion stéarate C17H35COO^- et les ions magnésium Mg2+ d'une eau dure. Pourquoi consomme-t-on plus de savon avec une eau dure ?
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2 C17H35COO^- + Mg2+ → (C17H35COO)2Mg (précipité). Une partie du savon est consommée par les ions Mg2+ (et Ca2+) et précipite : elle ne lave plus. Il faut donc davantage de savon pour obtenir le même effet.
4Exercice 4
Calcule l'indice de saponification de la stéarine (M = 890 g/mol). Compare-le à celui de la palmitine (208) et explique la différence.
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Is = 3 × 56 × 1000890 ≈ 189. C'est plus faible que pour la palmitine (208) car la stéarine a une masse molaire plus grande (chaînes à 18 C au lieu de 16 C) : 1 g de stéarine contient moins de fonctions ester, donc consomme moins de KOH.
5Exercice 5
(Type BAC) Une coopérative de Guinée forestière fabrique du savon dur à partir de 44,2 kg d'une huile assimilée à de l'oléine, (C17H33COO)3C3H5, de masse molaire 884 g/mol.
a) Écris l'équation de la saponification par la soude.
b) Calcule la masse minimale de soude nécessaire.
c) La soude est vendue en solution à 10 mol/L. Quel volume minimal faut-il ?
d) On récupère 40,0 kg de savon sec (oléate de sodium, M = 304 g/mol). Calcule le rendement.
e) Pourquoi faut-il bien laver le savon avant de le vendre ?
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a) (C17H33COO)3C3H5 + 3 (Na^+ + HO^-) → 3 (C17H33COO^- + Na^+) + C3H5(OH)3.
b) n(oléine) = 44 200884 = 50,0 mol. n(NaOH) = 150 mol ; m = 150 × 40 = 6000 g = 6,0 kg.
c) V = nC = 15010 = 15 L.
d) Masse théorique de savon : 150 × 304 = 45 600 g = 45,6 kg. Rendement : r = 40,045,6 ≈ 0,877, soit environ 88 %.
e) Pour éliminer l'excès de soude, très basique et corrosive, qui irriterait la peau des utilisateurs.
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6Je vérifie
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