Στόχοι
Στο τέλος αυτής της διδακτικής ενότητας θα πρέπει ο μαθητής να μπορεί να:
1. αναγνωρίζει ότι οι βιομηχανικές μέθοδοι παρασκευής έχουν τη βάση τους στο εργαστήριο.
2. εκτελεί πειραματικά τη σαπωνοποίηση των εστέρων (λιπών και ελαίων).
Λεξιλόγιο
Σαπωνοποίηση, εστέρας, λίπος, γλυκερίνη, σαπούνι, διήθηση, απόχυση, πράσινο σαπούνι, αδιάλυτα άλατα Ca2+ και Mg2+,
Προεργασία
Μία εβδομάδα πριν από την εκτέλεση του πειράματος ζητείται από τους μαθητές να ανατρέξουν σε πληροφορίες σχετικά με την παρασκευή σαπουνιών σε οικιακή κλίμακα
Πληροφορίες για τον καθηγητή
Ιστορική ανασκόπηση
Οι πρώτες γραπτές μαρτυρίες για την παρασκευή σαπουνιού στην αρχαία Βαβυλώνα ανάγονται περίπου στο 2800π.Χ.. Αναφορές σε Αιγυπτιακούς παπύρους (1550 π.Χ.) υποδεικνύουν ότι οι αρχαίοι Αιγύπτιοι έκαναν μπάνιο με ένα είδος σαπουνιού που προέκυπτε από την ανάμειξη ζωικών και φυτικών λιπών με άλατα αλκαλίων. Κατά τους ρωμαϊκούς χρόνους αναφέρεται για πρώτη φορά η λέξη "σαπούνι" (λατ. "sapo") από τον Πλίνιο τον Πρεσβύτερο στο έργο του "Historia Naturalis"· η παρασκευή του γίνεται από ξύγκια ζώων και στάχτες αλλά χρησιμοποιείται μόνο ως καλλυντικό για τα μαλλιά (μυραλοιφή).
Σύμφωνα με το θρύλο, η λέξη "sapo" έχει τις ρίζες της στο μυθικό Όρος Σάπο στο οποίο οι Ρωμαίοι θυσίαζαν ζώα στους Θεούς. Τα ρυάκια – με τη βοήθεια της βροχής – απόχυναν στις όχθες του Τίβερη ένα μείγμα ξυγκιών από τα ζώα και στάχτης από τα καμμένα ξύλα με το οποίο καθαρίζονταν τα ρούχα. Πιο πιθανό είναι όμως ότι η λέξη είναι δάνειο από την Κελτική ή τη Γερμανική γλώσσα και είναι συγγενική με το λατινικό "sebum" (λίπος).
Κατά το Μεσαίωνα, η παρασκευή σαπουνιού ήταν πλέον διαδεδομένη κυρίως στην Ιταλία (Νάπολη) και στην Ισπανία. Τον 7οαι. μ.Χ. εντατικοποιείται η παραγωγή από χημικούς στη Μέση Ανατολή (σημερινό Ιράκ), προστίθενται αρώματα και χρωστικές, ενώ τα σαπούνια εμφανίζονται και σε στερεή και σε υγρή μορφή, ορισμένα μάλιστα με αποκλειστικό σκοπό το ξύρισμα!
Κατά το 16οαι. μ.Χ. τα φυτικά έλαια εκτοπίζουν τα ζωικά λίπη στην παρασκευή του, ενώ στη σύγχρονη εποχή η χρήση των σαπουνιών έχει καθιερωθεί διεθνώς χάρη στην κατανόηση του ρόλου της υγιεινής στη μείωση του πληθυσμού των παθογόνων μικροοργανισμών.
Όργανα - Αντιδραστήρια
Διδακτική προσέγγιση – Φάσεις
Φάση 1 - συζήτηση πριν το εργαστήριο
Τονίζουμε ότι η προσθήκη της αιθανόλης δρα ουσιαστικά ως κοινός διαλύτης των λιπών ή ελαίων, ενώ της βάσης γίνεται για επιτάχυνση της διαδικασίας παραγωγής. Η περιεκτικότητα του διαλύματος του NaOH έχει ιδιαίτερη σημασία. Αν το λάδι που χρησιμοποιείται είναι μηδενικής οξύτητας (δεν περιέχει ελεύθερα οξέα) δεν χρειάζεται τόσο πυκνό διάλυμα NaOH π.χ. 10 % w/V είναι αρκετό. Αν το διάλυμα είναι πολύ πυκνό ο παραγόμενος σάπωνας είναι πολύ δυσδιάλυτος και εγκλείει μεγάλες ποσότητας λίπους. Επίσης στη φάση της εξαλάτωσης η περιεκτικότητα του διαλύματος του NaCℓ που χρησιμοποιείται εξαρτάται από τη διαλυτότητα του σάπωνα και τελικά από την πρώτη ύλη. Αν χρησιμοποιηθεί καθαρό ελαιόλαδο διάλυμα 15 % w/V σε NaCℓ, αρκεί.
Φάση 2 - προφυλάξεις - επισημάνσεις
Προφυλάξεις
Προσοχή να μη έλθει σε επαφή φλόγα με το οινοπνευματικό διάλυμα.
Βοήθεια - υποδείξεις
Υπάρχει περίπτωση κατά την πρώτη φάση να «κόψει» ο παραγόμενος σάπωνας. Αν συμβεί αυτό προσθέτουμε νερό, οπότε παράγεται σαπούνι με μορφή γαλακτώματος. Μπορούμε αν θέλουμε να ελέγξουμε το τέλος της εξαλάτωσης αν πάρουμε, ενώ διαρκεί ο βρασμός, ένα μικρό δείγμα σε δοκιμαστικό σωλήνα και ψύξουμε εξωτερικά με νερό της βρύσης. Αν το δείγμα δε θολώσει η εξαλάτωση είναι πλήρης. Η φάση της εξαλάτωσης θέλει βρασμό επί 10 min τουλάχιστον. Η αποχυνόμενη υγρή φάση που υπέρκειται του σαπουνιού περιέχει γλυκερίνη, σαπούνια μικρότερου Μr, τυχόν περίσσειες NaOΗ και NaCℓ. Για τον υπολογισμό της απόδοσης υπολογίζουμε τη μάζα του ελαιόλαδου, m1 = V1⋅ρ . Επίσης ζυγίζουμε την ποσότητα του παραγόμενου σάπωνα, m2.
Άρα η % απόδοση είναι : (m2 /m1) ⋅ 100
Φάση 3 - συζήτηση μετά το εργαστήριο
Πράσινο σαπούνι
Μπορούμε να ρωτήσουμε τους μαθητές για το πράσινο σαπούνι. Αυτό παράγεται από το πυρηνέλαιο με εκχύλιση με διαλύτη όπως CCℓ4 ή βενζίνη. Ο διαλύτης εκχυλίζει και τη χλωροφύλλη με αποτέλεσμα το παραγόμενο σαπούνι να είναι πράσινο.
Αδιάλυτα άλατα
Κατά την κοινή έκφραση το σαπούνι με σκληρό νερό «δεν πιάνει» χάνοντας την απορρυπαντική του δράση. Που οφείλεται αυτό; Στο ότι τα σχηματιζόμενα άλατα των οργανικών οξέων με Ca2+ ή Mg2+ είναι αδιάλυτα στο νερό με αποτέλεσμα την ανάλωση του σάπωνος για τέτοιες αντιδράσεις καθίζησης.
Στάχτη
Παλαιότερα για τη σαπωνοποίηση χρησιμοποιούσαν στάχτη από την καύση ξύλων. Γιατί αυτό; Στη στάχτη -τέφρα περιέχεται K2CO3 το οποίο σαπωνοποιεί τα ελεύθερα λιπαρά οξέα.
Παρουσίαση των αποτελεσμάτων
Γράφονται οι αντιδράσεις σαπωνοποίησης. Δίνονται οι υπολογισμοί της απόδοσης παραγωγής του σάπωνα.
Προεκτάσεις του πειράματος
Αν και δεν υπάρχει το αντίστοιχο θεωρητικό υπόβαθρο ρωτάμε την περιοχή τιμής του pH του διαλύματος του σάπωνα. Μπορούν οι μαθητές να το μετρήσουν με πεχαμετρικό χαρτί ή με δείκτη φαινολοφθαλεΐνη. Είναι πάνω από 8,5 μια και τα RCOO- είναι ασθενής βάσεις εφόσον τα λιπαρά οξέα, RCOOH, είναι πολύ ασθενή.
Τους ζητάμε να διερευνήσουν βιβλιογραφικά για τα διάφορα είδη σαπουνιών, όπως π.χ. σκληρά και μαλακά, αρωματικά, υγρά κλπ.
Σχήμα 2 Φάσεις στη διδακτική προσέγγιση
Πειραματική πορεία
1. Σε ποτήρι ζέσεως των 250ml, βάζουμε 10ml ελαιόλαδο και 20ml αιθανόλη. Στο διάλυμα που προκύπτει, προστίθενται με συνεχή ανάδευση 5ml από το διάλυμα του NaOH.
2. Το μίγμα θερμαίνεται σε ήπια φλόγα με συνεχή ανάδευση, μέχρι να σχηματιστεί παχύρευστη μάζα (σαπούνι)
3. Σβήνουμε το λύχνο, αφήνουμε το μίγμα να ηρεμήσει για 10-15 λεπτά και μετά προσθέτουμε 60ml νερό.
4. Θερμαίνουμε το μίγμα αναδεύοντας, μέχρι το μίγμα να διαλυθεί εκ νέου.
5. Προσθέτουμε 80ml κορεσμένου διαλύματος NaCl και αναδεύουμε καλά το περιεχόμενο.
6. Σβήνουμε το λύχνο και αφήνουμε το ποτήρι να ψυχθεί. Στην επιφάνεια του μίγματος σχηματίζεται παχύρευστη μάζα (σαπούνι).
7. Αφού ψυχθεί αρκετά, αποχύνουμε τα απόνερα (νερό και γλυκερίνη), ώστε μέσα στο ποτήρι να παραμείνει το σαπούνι.
8. Μεταφέρουμε το στερεό σε ύαλο ωρολογίου, όπου ξηραίνεται.
Προσοχή!!!: Η θέρμανση πρέπει να γίνει προσεκτικά με συνεχή ανάδευση, ώστε να αποφύγουμε εκτίναξη του περιεχομένου του ποτηριού. Σταματάμε τη θέρμανση μόλις διαπιστώσουμε ότι πλησιάζουμε το σημείο βρασμού.
Φύλλο Αξιολόγησης
1. Υπολογίστε την απόδοση της αντίδρασης σαπωνοποίησης
2. Για ποιο λόγο πιστεύετε ότι χρησιμοποιούμε τετραχλωράνθρακα για την παρασκευή πράσινου σαπουνιού;
3. Γιατί δε θα χρησιμοποιούσατε σκληρό νερό για να πλύνετε τα ρούχα σας;
4. Γιατί στο μείγμα της αντίδρασης προσθέτουμε αιθανόλη (CH3CH2OH);
5. Αν ρίξετε λίγη στάχτη στο μίγμα αντίδρασης τι θα συμβεί;
Βιβλιογραφία
1. Μαυρόπουλου, Μ., Σ., “Διδάσκω Χημεία”, Αθήνα: Σαββάλας, (1997)
2. Κανδήλης, Π., Α., “Φυσικές επιστήμες Μεθοδολογια και πειράματα”, 11η Έκδοση, Αθήνα: ΥΠΕΠΘ, (2003)
3. McMurry, J., Casteℓℓion, M., E., “Fundamentaℓs of Generaℓ, Organic and Bioℓogicaℓ Chemistry” 3rd Edition, New Jersey: Prentice Haℓℓ, Inc., (1999)
4. Γάκης, Δ., Λιοδάκης, Σ., “Χημεία Β λυκείου Εργαστηριακός οδηγός γενικής”, Αθήνα: ΟΕΔΒ, (2001)
5. Wolke, L., R., “Τι είπε ο Αϊνστάιν στον κουρέα του”, Αθήνα: Κέδρος, (2000)
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου
Σημείωση: Μόνο ένα μέλος αυτού του ιστολογίου μπορεί να αναρτήσει σχόλιο.