Hóa học của xà phòng và xà bông cục

Nghề làm xà phòng

Làm xà phòng là một nghề thủ công lâu đời ở châu Âu vào cuối thế kỷ thứ bảy. Nghề làm xà phòng đã được hồi sinh ở Ý và Tây Ban Nha, bắt đầu vào khoảng thế kỷ thứ tám. Đến thế kỷ thứ mười ba, thành phố Marseilles, Pháp, nổi lên như một trung tâm sản xuất xà phòng nổi bật cho thị trường châu Âu. Trong thế kỷ mười bốn, nước Anh cũng chính thức khởi xướng kỹ thuật xà phòng hóa.

Vào thời điểm này, xà phòng hóa thường liên quan đến việc kết hợp dầu thực vật và động vật với tro của thực vật, cùng với hương thơm dễ chịu. Trong khi xà phòng sản xuất ở Nam Âu, Ý, Tây Ban Nha và các cảng phía Nam của Pháp được tổng hợp từ dầu ô liu chất lượng cao, xà phòng sản xuất ở Anh và miền Bắc nước Pháp được sản xuất từ ​​mỡ động vật chất lượng thấp hơn (ví dụ: mỡ động vật, mỡ từ gia súc) và xà phòng được sản xuất ở Bắc Âu thường sử dụng dầu cá.

Các quốc gia Nam Âu có hoạt động buôn bán xà phòng xuất khẩu sôi động, vì các khu vực này đều tự hào về nguồn cung cấp dầu ô liu cũng như barilla, một loại cây rất tốt có tro được dùng để làm công thức dung dịch kiềm cần thiết cho xà phòng hóa vào thời điểm đó.

Các hiệp hội sản xuất xà phòng và hiệp hội thương mại nhận ra sự cần thiết phải điều chỉnh quá trình sản xuất xà phòng sinh lợi, và xà phòng bị đánh thuế là mặt hàng xa xỉ ở Anh và Pháp trong suốt thế kỷ XVII, XVIII và XIX. Thói quen tắm đã trở lại thành mốt và việc tiêu thụ xà phòng đã tăng lên rất nhiều vào thế kỷ XIX. Việc bãi bỏ một số biện pháp đánh thuế xà phòng của Châu Âu đã giúp giảm bớt quá trình chuyển đổi xà phòng từ một mặt hàng xa xỉ sang một mặt hàng vệ sinh cá nhân thông thường cho gia đình.

Trong khi những người định cư châu Âu đầu tiên đến New England mang theo xà phòng họ trên những con tàu do Công ty Vịnh Massachusetts thuê và sau đó tự sản xuất xà phòng từ các sản phẩm phụ (ví dụ như đun sôi dung dịch kiềm tro củi, nấu dầu mỡ và mỡ động vật với nhau) trong các hoạt động gia đình của họ, sản xuất xà phòng thương mại ở các thuộc địa của Mỹ bắt đầu vào năm 1608 với sự xuất hiện của một số nhà sản xuất xà phòng người Ba Lan và Đức trên con tàu thứ hai từ Anh đến Jamestown, Virginia.

Các nhà sản xuất xà phòng thu lợi nhuận kinh doanh và bán xà phòng, thường được gọi là xà phòng đun nước, sẽ thu thập một lượng lớn chất béo phế thải từ các hộ gia đình để đổi lấy một lượng nhỏ xà phòng đã được tổng hợp sẵn. Vì mỡ động vật cũng là thành phần chính của nến, nhiều lò xà phòng đã sản xuất cả xà phòng và đồ hộp.

Bước tiến quan trọng

Một bước tiến quan trọng đối với việc sản xuất xà phòng thương mại quy mô lớn xảy ra vào năm 1791, khi một nhà hóa học người Pháp, Nicholas Leblanc, được cấp bằng sáng chế cho một quy trình sản xuất tro soda (dung dịch kiềm), hoặc natri cacbonat, từ dung dịch nước muối của muối thông thường. Tro soda là chất kiềm thu được từ tro kết hợp với các chất béo khác nhau để tạo thành xà phòng. Quy trình Leblanc là một kỹ thuật dễ dàng, rẻ tiền, tạo ra một lượng lớn tro soda chất lượng tốt ở cấp độ công nghiệp.

Trong suốt những năm 1800, các nhà nghiên cứu hóa học khác của Pháp và Bỉ đã đóng góp vào sự tiến bộ của công nghệ xà phòng bằng cách khám phá bản chất và mối quan hệ hóa học của chất béo, glycerine và axit béo, và bằng cách phát minh ra quy trình amoniac, sử dụng muối ăn thông thường (sodium chloride [NaCl]) để làm ra tro soda với giá thành rẻ và tăng số lượng để sản xuất xà phòng chất lượng cao.

Do đó, vào thời Victoria, xà phòng đã ra đời khi xà phòng hóa chuyển từ một phần thủ công và vật phẩm dân gian sang một ngành công nghiệp phát triển hoàn chỉnh. Sản xuất xà phòng là một trong những ngành công nghiệp phát triển nhanh nhất của Mỹ vào năm 1850, với sự nổi lên của các công ty như Colgate & Company, Palmolive, Lever Brothers (một công ty ở Anh) và Procter & Gamble. Sự sẵn có rộng rãi của xà phòng cho phép sản phẩm thay đổi từ một mặt hàng xa xỉ, thường được tổng hợp như một tác phẩm nghệ thuật gia dụng, thành một mặt hàng thiết yếu hàng ngày được sử dụng rộng rãi.

Hóa học của xà phòng

Xà phòng thực sự tạo thành một loại chất tẩy rửa rất hẹp. Thời hạn “Xà phòng” bị hạn chế đối với muối natri (hoặc hiếm khi là kali) của axit cacboxylic mạch dài. Như đã chỉ ra ở trên, xà phòng tự nhiên, muối natri hoặc muối kali của axit béo, ban đầu được tổng hợp thông qua xà phòng hóa, một quá trình đun sôi mỡ lợn hoặc mỡ động vật khác (và sau đó là chất béo thực vật) cùng với dung dịch kiềm hoặc bồ tạt (kali hydroxit). Chất béo và dầu do đó trải qua quá trình thủy phân, tạo ra xà phòng thô và một sản phẩm phụ gọi là glycerol. Một ví dụ về xà phòng thô như vậy là natri octa- decanoat (C17H35COONa).

Xà phòng là chất hoạt động anion (mang điện tích âm) được tạo ra từ quá trình thủy phân chất béo trong một phản ứng hóa học được gọi là xà phòng hóa. Nói cách khác, xà phòng là muối natri hoặc muối kali hòa tan trong nước của axit béo được tổng hợp từ chất béo và dầu (hoặc axit béo của chúng) bằng cách xử lý hóa học chúng với một chất kiềm mạnh (bazơ). Mỗi phân tử xà phòng có một chuỗi hydrocacbon dài (các nhóm CH2 kết thúc bằng nhóm CH3), thường được gọi là “đuôi”, được liên kết bằng liên kết cộng hóa trị với nhóm cacboxyl (CO2H), thường được gọi là “đầu”. Anion của nhóm cacboxyl được cân bằng bởi điện tích dương của cation natri hoặc kali.

Trong nước, các ion natri hoặc kali di chuyển tự do, cuốn vào vùng đầu mang điện tích âm. Nó có một đầu oxy, là phân cực và một đầu axit béo, là không phân cực. Do đó, một phần của phân tử chứa một cấu trúc phân cực ưa nước (ưa nước); vùng đầu ion bị thu hút về phía các phân tử nước nhưng tránh các hydrocacbon và các chất gốc dầu khác. Phần đuôi hydrocacbon dài của phân tử là một cấu trúc không phân cực kỵ nước (sợ nước); nó tránh nước nhưng dễ dàng trộn lẫn với các chất nhờn, gốc dầu để đẩy lùi phần đầu ưa nước. Các chuỗi hydrocacbon của các phân tử xà phòng khác nhau trong một khối nước bị hút vào nhau bởi lực phân tán và kết tụ lại với nhau để tạo thành các mixen.

Trong các mixen này, các nhóm đầu cacboxylate tạo thành một bề mặt hình cầu tích điện âm, với các chuỗi hydrocacbon bên trong hình cầu thu hút chất bẩn nhờn. Vì phần bên ngoài của các micelle mang điện tích âm nên các micelle xà phòng đẩy nhau và vẫn phân tán trong nước. Dầu mỡ và bụi bẩn bị hút vào phần hydrocacbon không phân cực của các mixen, sau đó được “bắt” vào bên trong các mixen, và sau đó có thể được rửa sạch.

Xà phòng là chất tẩy rửa vừa làm giảm sức căng bề mặt của nước, vừa cho phép nước xâm nhập vào chất bẩn và sau đó làm lơ lửng các giọt dầu mỡ trong các mixen, ngăn không cho chúng tiết lại trên chất được làm sạch và cho phép rửa sạch chất bẩn nhờn. Vì các nhóm anion cacboxylat của các phân tử xà phòng cung cấp một lớp phủ điện tích âm trên bề mặt của mỗi micelle, nên xà phòng được coi là chất tẩy rửa anion.

Chất béo và dầu được sử dụng trong sản xuất xà phòng có nguồn gốc từ động vật hoặc thực vật. Mỗi chất béo hoặc dầu bao gồm một hỗn hợp đặc biệt của một số triglycerid. Triglyceride, các hợp chất hữu cơ chính của động vật và dầu thực vật, được cấu tạo từ ba phân tử axit béo gắn với một phân tử glycerine. Axit béo là thành phần của chất béo và dầu được sử dụng để tổng hợp xà phòng. Chúng là những axit yếu được cấu tạo bởi hai phần: một nhóm axit cacboxylic và một chuỗi hiđrocacbon kèm theo. Do sự kết hợp của cả đặc tính ưa nước và kỵ nước trong một phân tử xà phòng, nên cần phải có được sự cân bằng giữa hai thành phần để đạt được lợi ích lớn nhất.

Ví dụ, lợi ích tốt nhất dường như có được từ tham chiếu của phân tử axit béo C-14 trong chuỗi hydrocacbon. Khi chuỗi hydrocacbon kéo dài, khả năng hòa tan trong nước giảm. Trên C-18, độ hòa tan trở nên quá thấp để có thể sử dụng trong thực tế. Khi chuỗi hydrocacbon bị rút ngắn, khả năng đọng lại các giọt dầu rõ ràng là giảm đáng kể. Muối natri của axit béo có chứa mười đến mười tám nguyên tử cacbon tạo thành xà phòng tốt nhất. Có nhiều loại chất béo trung tính, với mỗi loại có sự kết hợp đặc biệt của các axit béo. Dầu dừa được coi là khá phù hợp vì hàm lượng axit lauric, myristic và palmitic cao bất thường.

Xem tiếp trang sau…