DETERMINACIÓN Y COMPARACIÓN DE PROPIEDADES DELOS DETERGENTES

Angello Molina, José Madroñero

Universidad del Valle, Facultad de Ciencia Naturales y Exactas, Departamento de Química, Cali – Colombia.

Fecha de realización: 4 de Septiembre de 2015Fecha de entrega: 11 de Septiembre de 2015

Resumen: Se realizó la síntesis de un detergente jabonoso y otro no-jabonoso a partir de aceite de ricino, cuyo mayor componente es ácido ricinoleico. El detergente jabonoso se obtuvo mediante un proceso de saponificación y no-jabonoso se obtuvo mediante un proceso de sulfatación1. Se realizaron pruebas fisicoquímicas del detergente jabonoso usando agua, HCl 10%, y CaCl2, donde se observó la formación de espuma, la formación de un líquido blanco y la formación de un precipitado, respectivamente. Se realizó una prueba al detergente no-jabonoso usando CaCl2 y se obtuvo una cantidad pequeña de precipitado.

Palabras clave: sulfatación, hidrólisis, ácido graso, Jabón, Detergente, Saponificacion.

1. Metodología Experimental y Resultados

En la tabla 1 se detalla el procedimiento para preparación y los resultados de las pruebas realizadas al jabón.

Tabla 1. Síntesis y pruebas al jabón.

Procedimiento: jabón preparación En agua pura. En sal de calcio.

En ácido clorhídrico

1.0 mL de NaOH al 20% + aceite de castor

+ calor+ cloruro de sodio.

solución homogénea antes

de saturar y se obtuvo un sólido

blanco

El sólido se diluyo fácilmente, se tornó incoloro y produce burbujas al agitar

apareció un precipitado de color blanco

Se distingue un cambio de color en

la solución de incoloro a blanco

opaco.

En la tabla 2 se detallan los procedimientos para la síntesis y las pruebas realizadas al detergente.

Tabla 2. Síntesis y pruebas al detergente.Procedimiento:

detergente preparación En agua. En sal cálcica.

aceite de castor + 2.0 mL ácido sulfúrico en

frio, posterior neutralización con

NaOH

Al mezclar el aceite con el ácido se observó un cambio en el color del

aceite, el cual era de un color amarillo claro y paso a naranja; después de agitar y agregar agua se vuelve una mezcla muy viscosa de color café La solución obtenida presentaba un pH acido, al neutralizarse con NaOH se

observó dos fases en la solución, una fase aceitosa y una fase acuosa.

Un poco de la fase aceitosa en agua se observa dilución completa

y pasa de amarillo muy

claro a incoloro y forma un poco de

espuma al agitarse

Se forma un precipitado el cual al

adicionar agua se disuelve

parcialmente

2. Discusión.

Cualquier sistema de detergente efectivo debe realizar dos funciones: Desprender la suciedad de la

superficie a limpiar Dispersar o disolver la suciedad en

el líquido de lavado, de tal modo que el sustrato limpio pueda separarse del líquido de lavado sin que la suciedad se deposite sobre la superficie limpia.

La clave de ambos requisitos radica en la naturaleza de las interacciones entre el sustrato, la suciedad y el líquido de lavado. Por lo general los sustratos más empleados como detergentes son las sales de ácidos carboxílicos de cadena larga, pues tienen dos regiones, una cabeza hidrofílica, el grupo carboxilato soluble en agua, y una cola hidrofóbica, la parte de cadena hidrocarbonada que es repelida por las moléculas del agua y atraída en cambio por las cadenas hidrocarbonadas de las moléculas vecinas. Este comportamiento micelar, como se muestra en la Figura 1, permite que la suciedad se disuelva dependiendo de su naturaleza, si es una grasa por ejemplo al interior de la micela, y si en soluble en agua por acción de la atracción iónica del extremo polar de la micela. En general los sustratos que exhiben estas propiedades, a la que pertenecen las sales de ácidos carboxílicos, se conocen como tensoactivos o surfactantes.2

Figura 1. Micela de jabón donde los grupos CO2

- se disuelven en agua y las cadenas no polares interaccionan entre sí.

En general los jabones se producen o derivan a partir de aceites vegetales o grasas animales, por un proceso denominado saponificación que se describirá en breve. Estos aceites vegetales, como el aceite de coco o el aceite de castor empleado en la práctica, y las grasas animales como el sebo son esteres de glicerina con ácidos grasos. Dichos esteres, que son la composición mayoritaria del aceite o grasa, se les conoce como triglicéridos ya que por cada molécula de glicerol se pueden formar tres uniones ester.2

En la primera parte de la sesión experimental se sintetizó un detergente jabonoso a partir del aceite de castor, a través de un proceso conocido como saponificación, que consistió o en general consiste en el tratamiento de la grasa o aceite con una base fuerte como la sosa o potasa para producir la sal del ácido graso conocida como jabón y liberar glicerol. Químicamente la reacción que ocurre es la hidrólisis básica de las uniones ester en la molécula del triglicérido.

El reactivo empleado como se mencionó anteriormente fue el aceite de castor, esta denominación es una mala traducción del aceite de ricino extraído de la planta de ricinuscommunis, el aceite contiene a su vez el 70-77% de los triglicéridos del ócielos ricinoléico. En

la Figura 2, se representa la estructura química del triglicérido del ácido ricinoléico; si se observa detalladamente en la molécula hay tres centros reactivos a los que se puede dirigir un ataque químico: el enlace oleofínico en la posición 9-10, el grupo hidroxilo sobre el carbono 12 y las uniones ester claves en el proceso de saponificación. Un ataque en cualquier centro reactivo de la molécula se verá mediado por las condiciones de reacción y los reactivos empleados.3

Figura 2. Centros reactivos en el triglicérido del ácido ricinoléico.

En la Figura 3, se modela el mecanismo de la reacción de la hidrólisis básica de las uniones ester en el triglicérido utilizado como sustrato. Este reacción es la típica reacción de sustitución nucleofílica sobre el grupo acilo, en la que ion hidroxilo proveniente del hidróxido de sodio con el que se trató el aceite actúa como nucleófilo. La acción de este nucleófilo produce un intermedio tetraédrico inestable, que elimina como grupo saliente el ion alcóxido que desprotona en una paso concertado al acido carboxílico formado, para la obtención final del ion carboxilato de cadena larga (jabón) y el alcohol en cada una de las tres uniones (glicerol). Como se modela en el mecanismo, Figura 3, el ataque del ion hidroxilo se da por igual en cada una de las tres cadenas alifáticas del triglicérido.3

Figura 3.Mecanismo de la reacción del aceite de ricino con NaOH.

La reacción debió someterse a temperatura con el objeto de facilitar la hidrólisis sobre los grupos esteres en el triglicérido, ya que la eliminación de un ion alcóxido (que es un mal grupo saliente) no se ve favorecida a temperatura ambiente.

En la primera fase sintética, hablando en materia de la secuencia de preparación del jabón, se observó la homogenización de la muestra al tratar la mezcla reacción a temperatura, pues la capa grasosa desapareció lentamente evidenciando la reacción de saponificación satisfactoria. Posteriormente en la segunda fase se saturó la solución con NaCl con el objetivo de producir una separación de fases: una acuosa y una orgánica Como el jabón es insoluble en el agua salada, se acumula en forma de grumos y sube a la superficie por su menor densidad.2

En la fase acuosa la sal del ácido carboxílico disuelta, se separa de otras impurezas orgánicas presentes en bajas proporciones en el aceite o grasa que no saponificables, constituida por

hidrocarburos y alcoholes sólidos; estos últimos se denominan esteroles y son derivados hidroxílicos del ciclopentano-perhidrofenantreno. En el proceso a pequeña escala realizado no fue muy notorio dicha distinción de fases, pero en procesos macro juega un papel determinante. 4

Después de la preparación Se disolvió una pequeña cantidad del jabón en agua destilada, se observó la disolución completa de la muestra y la formación de una emulsión espumosa, que da evidencia de la obtención del jabón como producto principal ya que es soluble en agua por acción de la atracción iónica del extremo polar de la micela y forma la espuma por la parte hidrofóbica.

Cuando se disolvió una pequeña cantidad de jabón en solución de CaCl2, se observó, la formación de un precipitado de color blanco abundante. Dicho precipitado corresponde a la sal cálcica del carboxilato, que es insoluble en agua debido a su constante de producto de solubilidad tan baja (que da cuenta de la covalencia del enlace entre los iones). Este comportamiento se plantea químicamente en la Reacción 1.4

(1)

Cuando se disolvió una pequeña cantidad de jabón en agua y se le adiciono HCl, se observó el cambio de la solución inicialmente incolora a una solución lechosa. Este comportamiento es debido a la formación del ácido

ricinoléico, tal como se muestra en la Reacción 2; el ácido aparte de neutralizar el residuo básico del proceso de saponificación restaura el ácido de cadena larga, es por ello que hay un cambio notorio en la coloración de la solución e incluso se alcanzaba a observar una pequeña distinción entre las fases orgánica y acuosa, corroborado por unas finas gotas de aspecto grasoso observadas sobre las paredes del tubo de ensayo. 4

(2)

En la segunda parte de la sesión experimental, se sintetizó un detergente no jabonoso utilizando como reactivo el mismo sustrato de partida, el aceite de castor. El detergente no jabonoso sintetizado se conoce como aceite rojo de Turkey.

Como se muestra en la Figura 2, el triglicérido del ácido ricinoléico posee un grupo hidroxilo, que en este segundo proceso sintético fue el blanco de ataque. Se trató el aceite de castor con ácido sulfúrico concentrado, en un baño de hielo. El proceso mecanístico de la preparación de este detergente consiste en la sulfatación de la molécula. La sulfatación designa el establecimiento de un grupo -OSO2OH (sulfato ácido) sobre un átomo de carbono, lo cual ocurre exclusivamente en compuestos que poseen enlaces oleofinicos (alquenos), hidroxilos fenolicos o alcohólicos, o esteres de los últimos.2

Podría pensarse de que la sulfatación ocurriese igualmente en la instauración de la molécula en el carbono 9-10, sin embargo el grupo hidroxilo es más reactivo y el ataque de sustitución nucleofílica por parte del grupo -OSO2OH se da en mayor proporción sobre el sector de la molécula en donde está el –OH. El proceso de sulfatación planteado se modela en la Reacción 3. Posterior a la sulfatación de la molécula se neutralizó con hidróxido de sodio para obtener la sal del alquilsulfato que presenta la propiedad de surfactante (detergente), presentado en la Reacción 4.2

(3)

(4)

En esta reacción fue importante el control termodinámico realizado por varias razones: Primero que el ataque no se llevara a cabo sobre la unión ester del triglicérido, puesto que los esteres pueden hidrolizarse también en medio acido actuando como nucleófilo moléculas de agua que se generan en el proceso de síntesis, ver Reacción 4, así se halla tratada la mezcla con H2SO4

concentrado.

El hecho de que la temperatura de reacción sea baja desfavorece dicha ruptura. Segundo porque al aumentar la temperatura de trabajo se aumenta la velocidad y el grado de sulfonación. Hay que tener cuidado en el control de la temperatura ya que un exceso de esta hace tender la reacción a la polisulfonación, por esto se hace necesario en la práctica operar con condiciones térmicas y con las proporciones de reactivos adecuadas para obtener la menor cantidad posible de los productos que impurifican al principal. Y tercero y último porque la reacción es altamente exotérmica.

Se obtuvo finalmente un aceite de color amarillo sobrenadante en una solución acuosa. Las pruebas cualitativas evidenciaron la característica no jabonosa del detergente aceitoso obtenido, puesto que al disolverse en agua destilada no se observó la emulsión espumosa observada en el caso del jabonoso. Al adicionar el aceite obtenido a una solución acuosa de CaCl2 no se observó una pequeña cantidad de precipitado y el cambio de color la solución de incolora a lechosa, esto debido a que las sales cálcicas, magnésicas y sódicas de los detergentes de alquilsulfato son igualmente solubles en agua, además muestra también que el producto sintetizado presenta pequeñas cantidades de impurezas.

3. Solución a preguntas

- ¿Por qué los jabones se cortan en contacto con aguas que tienen iones

Ca2+¿ oMg2+¿¿ ¿? Escriba las ecuaciones correspondientes.

Los jabones ordinarios presentan desventajas en las aguas que se denominan "duras". Las aguas duras contienen iones calcio y magnesio disueltos, de forma que cuando se usa jabón en dichas aguas, las sales cálcicas y magnésicas de los ácidos carboxílicos del jabón precipitan. Este precipitado es la espuma que puede verse a veces en la superficie del agua y que causa un anillo de precipitado alrededor de la bañera. Por si se trata el carboxilato del ácido esteárico en aguas duras se precipitara la sal magnésica del ácido esteárico.

- ¿Qué determina la formación de un precipitado? ¿Cuál es el rango de valores K Ps para sales cálcicas y magnésicas de ácidos carboxílicos de cadenas entre 12 y 18 átomos de carbono?

La formación de un precipitado en una solución se ve mediado por la solubilidad del compuesto en determinado solvente. La solubilidad de algún soluto en un solvente dado, frecuentemente depende de variables como la temperatura, la naturaleza química de los componentes en la solución y la presión. Experimentalmente la solubilidad de compuestos como sales en soluciones acuosas se mide por equilibrios de productos de solubilidad cuyos valores denominados Kps expresan la tendencia de determinada sal a disolverse en agua, y que expresa igualmente la propensión de la sal a precipitarse si se encuentra en un medio acuoso, entre más pequeño sea el valor de la contante de producto de solubilidad Kps mayor será la tendencia de la sal a precipitarse en

solución acuosa. Las sales magnésicas y cálcicas de ácidos carboxílicos por ejemplo exhiben Kps del orden de 10-22, un valor bastante pequeño que corrobora la insolubilidad y por ende tendencia a precipitarse en medio acuoso.

- ¿Normalmente a que longitud de cadena carbonada de un carboxilato se empiezan a presentar las propiedades de un jabón?

Si el número de átomos de carbono está dentro del rango de 12 a 18 carbonos, las reacciones resultantes para la obtención de las sales jabonosas son ideales, en comparación con cadenas más largas que tendrían una muy baja solubilidad y no serviría como capsula de materiales orgánicos (suciedad), o las de cadenas más cortas que al contrario de lo anterior serían más solubles de lo deseado removiendo así toda la capacidad receptora de los detergentes.

- ¿Por qué los detergentes de tipo sulfato o sulfonato no se cortan en contacto con aguas duras?

Los detergentes tipo sulfato no precipitan en soluciones acuosas de sales de calcio o magnesio, porque el grupo que poseen es semi-iónico siendo este un cuerpo o estructura grande hasta llegar a la parte catiónica del oxígeno con el sodio, tal como se observa en la Figura X.

Figura 4. Molécula de Alquilsulfato de sodio.

Esta especie es un tensoactivo, lo cual quiere decir que soporta bien los cationes divalentes y genera una buena

solubilidad en soluciones de estos mismos.

- Describa un detergente de tipo catiónico con su estructura, nombre y sus usos

Cloruro de benzalconio.

Es un líquido incoloro o ligeramente amarillento, es miscible en etanol y agua y el resultado es una solución ligeramente básica.

Es una amina cuaternaria o sal de amonio que posee características de acciones desinfectantes y antisépticas lentas. A grandes concentraciones presentan acción bactericidas junto con propiedades de detergente, emulgente y astringente suave.

Dentro de la dosificación en humanos es utilizado como tratamiento de infecciones orales superficiales y un excelente espermicida.

Figura 5. Detergente catiónico. Sal de amonio amina cuaternaria.

4. Conclusiones.

Las grasas animales y aceites vegetales son sustratos muy útiles para la obtención de surfactantes como lo son los detergentes de uso cotidiano, a través de procesos de

síntesis sencillos como la saponificación y la sulfatación.

La saponificación es un proceso que químicamente involucra la hidrólisis de grupos esteres en las moléculas de triglicéridos provenientes de sustratos lipídicos, a través del mecanismo de sustitución nucleófilico sobre el grupo acilo.

Las condiciones de reacción (como la temperatura) y los reactivos empleados en la síntesis de algún compuesto, pueden modificarse o manipularse para dirigir un ataque químico hacia un centro reactivo especifico en una molécula, tal como se demostró al partir de aceite de castor en ambos procesos sintéticos y obtener por un lado un jabón y por el otro lado un detergente no jabonoso.

5. Bibliografía.

- Insuaty Braulio, Ramirez Arnoldo. Prácticas de química orgánica a pequeña escala. Ed de la Universidad del Valle.

- Carey, F. A.; Sundberg R. J. Advanced Organic Chemistry. Charlottesville: spriger; 2007. 654-656pp

- química orgánica. Detergentes (lab). http://quimiorg8.blogspot.com/. Consultado el 10/09/15.

- Wade, L. G. Química Orgánica. 5 ed. Madrid: Pearson Prentice Hall; 2004.