Bài học

Xà phòng hóa chất béo ở mức nền tảng

Em sẽ làm được gì?

Sau bài này em giải thích được phản ứng thủy phân và phản ứng xà phòng hóa của chất béo, viết được phương trình chữ/phương trình tổng quát cho cả hai, và nêu được xà phòng được làm ra theo nguyên lí nào.

Cần nhớ trước

Bài trước em đã học chất béo có công thức tổng quát (RCOO)₃C₃H₅ — ester của glycerol và acid béo RCOOH. Nhớ lại thêm tính base của NaOH ở Hóa 8: NaOH là kiềm mạnh, phản ứng được với nhiều hợp chất hữu cơ chứa nhóm ester.

Khởi động

Bà em thường đun mỡ lợn (hoặc dầu dừa) với nước tro/vôi hoặc xút để tự làm xà phòng handmade tại nhà. Vì sao đun chất béo với một chất kiềm lại tạo ra xà phòng dùng để rửa tay, thay vì vẫn còn là chất béo nhờn?

Phản ứng thủy phân chất béo

Chất béo (RCOO)₃C₃H₅ có thể bị thủy phân — tức phản ứng với nước — khi có acid hoặc enzyme làm xúc tác và đun nóng, tạo ra glycerol và các acid béo:

(RCOO)₃C₃H₅ + 3H₂O →(xúc tác acid, to) 3RCOOH + C₃H₅(OH)₃

Đây chính là quá trình tiêu hóa chất béo trong cơ thể người: enzyme lipase trong ruột non thủy phân chất béo từ thức ăn thành glycerol và acid béo để cơ thể hấp thụ.

Cần lưu ý: phản ứng thủy phân trong cơ thể xảy ra ở điều kiện nhẹ nhàng (thân nhiệt ~37 °C, nhờ enzyme làm xúc tác), khác với phản ứng thủy phân trong phòng thí nghiệm hoặc công nghiệp thường cần đun nóng mạnh với acid vô cơ để phản ứng xảy ra đủ nhanh.

Chất béo (RCOO)₃C₃H₅ có thể bị **thủy phân** — tức phản ứng với nước — khi có acid hoặc enzyme làm xúc tác và đun nóng, tạo ra glycerol và các acid béo: **(RCOO)₃C₃H₅ + 3H₂O →(xúc tác acid, to) 3RCOOH + C₃H₅(OH)₃** Đây chính là quá trình tiêu hóa chất béo trong cơ thể người: enzyme lipase trong ruột non thủy phân chất béo từ thức ăn thành glycerol và acid béo để cơ thể hấp thụ. Cần lưu ý: phản ứng thủy phân trong cơ thể xảy ra ở điều kiện nhẹ nhàng (thân nhiệt ~37 °C, nhờ enzyme làm xúc tác), khác với phản ứng thủy phân trong phòng thí nghiệm hoặc công nghiệp thường cần đun nóng mạnh với acid vô cơ để phản ứng xảy ra đủ nhanh.

Phản ứng xà phòng hóa — tạo ra xà phòng

Khi đun chất béo với dung dịch kiềm mạnh (NaOH hoặc KOH) thay vì nước, phản ứng xảy ra tương tự thủy phân nhưng sản phẩm khác đi: thay vì acid béo tự do, ta thu được muối sodium của acid béo — chính là xà phòng:

(RCOO)₃C₃H₅ + 3NaOH →(to) 3RCOONa + C₃H₅(OH)₃

Phản ứng này gọi là phản ứng xà phòng hóa. Muối RCOONa (ví dụ C₁₇H₃₅COONa từ acid stearic) chính là thành phần chính của xà phòng bánh; glycerol là sản phẩm phụ, thường được tách ra để dùng làm mỹ phẩm, dược phẩm giữ ẩm da.

Khi đun chất béo với dung dịch kiềm mạnh (NaOH hoặc KOH) thay vì nước, phản ứng xảy ra tương tự thủy phân nhưng sản phẩm khác đi: thay vì acid béo tự do, ta thu được **muối sodium của acid béo** — chính là **xà phòng**: **(RCOO)₃C₃H₅ + 3NaOH →(to) 3RCOONa + C₃H₅(OH)₃** Phản ứng này gọi là **phản ứng xà phòng hóa**. Muối RCOONa (ví dụ C₁₇H₃₅COONa từ acid stearic) chính là thành phần chính của xà phòng bánh; glycerol là sản phẩm phụ, thường được tách ra để dùng làm mỹ phẩm, dược phẩm giữ ẩm da.

Sơ đồ quy trình sản xuất xà phòng thủ công từ phản ứng xà phòng hóa.

Ví dụ

Ví dụ 1 — Phân biệt thủy phân và xà phòng hóa

1
Phản ứng thủy phân và phản ứng xà phòng hóa của chất béo khác nhau ở điểm nào?
2
Thủy phân: chất béo + nước (xúc tác acid) → glycerol + acid béo (RCOOH). Xà phòng hóa: chất béo + kiềm NaOH → glycerol + muối của acid béo (RCOONa = xà phòng). Cả hai đều bẻ gãy liên kết ester, nhưng chất phản ứng và sản phẩm cuối khác nhau.
3
Khác nhau ở chất phản ứng (nước có xúc tác acid vs kiềm NaOH) và sản phẩm (acid béo tự do vs muối RCOONa/xà phòng). Chỉ phản ứng với kiềm mới trực tiếp tạo ra xà phòng.

Ví dụ

Ví dụ 2 — Tính khối lượng xà phòng thu được (bài toán exam-style)

1
Một cơ sở sản xuất đun 1 kg chất béo với dung dịch NaOH dư để làm xà phòng. Biết phản ứng xảy ra hoàn toàn và cứ 1 kg chất béo phản ứng vừa đủ tạo ra khoảng 1,03 kg hỗn hợp xà phòng thô (RCOONa) và glycerol theo tỉ lệ khối lượng gần đúng 9 : 1. Ước tính khối lượng xà phòng RCOONa thu được.
2
Theo phương trình (RCOO)₃C₃H₅ + 3NaOH → 3RCOONa + C₃H₅(OH)₃, khối lượng phần chất phản ứng chuyển hóa gần như bảo toàn (cộng thêm khối lượng NaOH tham gia), cho ra tổng sản phẩm 1,03 kg. Xà phòng chiếm 9 phần trong tổng 10 phần khối lượng sản phẩm (9 : 1), nên khối lượng xà phòng = 1,03 × 9/10.
3
Khối lượng xà phòng RCOONa thu được ≈ 1,03 × 0,9 = 0,927 kg. Đây là dạng bài tính theo tỉ lệ sản phẩm thường gặp trong đề kiểm tra, không cần biết công thức cụ thể của R.

Vì sao xà phòng rửa sạch được dầu mỡ?

Phân tử xà phòng RCOONa có cấu tạo đặc biệt: một đầu là nhóm –COONa ưa nước (tan tốt trong nước), còn đuôi là gốc hydrocarbon dài kỵ nước (tan tốt trong dầu mỡ). Khi rửa tay dính dầu mỡ, đuôi kỵ nước của phân tử xà phòng chui vào bám lấy hạt dầu mỡ, còn đầu ưa nước quay ra ngoài tiếp xúc với nước — nhờ vậy dầu mỡ bị bao bọc thành những hạt nhỏ li ti (gọi là nhũ tương) lơ lửng trong nước và dễ dàng bị rửa trôi, thay vì bám dính trên da hay bát đĩa. Đây chính là lý do vì sao chỉ rửa bằng nước thường không làm sạch được dầu mỡ, nhưng có thêm xà phòng thì sạch ngay.

Phân tử xà phòng RCOONa có cấu tạo đặc biệt: một đầu là nhóm **–COONa ưa nước** (tan tốt trong nước), còn đuôi là **gốc hydrocarbon dài kỵ nước** (tan tốt trong dầu mỡ). Khi rửa tay dính dầu mỡ, đuôi kỵ nước của phân tử xà phòng chui vào bám lấy hạt dầu mỡ, còn đầu ưa nước quay ra ngoài tiếp xúc với nước — nhờ vậy dầu mỡ bị bao bọc thành những hạt nhỏ li ti (gọi là **nhũ tương**) lơ lửng trong nước và dễ dàng bị rửa trôi, thay vì bám dính trên da hay bát đĩa. Đây chính là lý do vì sao chỉ rửa bằng nước thường không làm sạch được dầu mỡ, nhưng có thêm xà phòng thì sạch ngay.

Ví dụ

Ví dụ 3 — So sánh xà phòng làm từ các loại chất béo khác nhau

1
Xà phòng làm từ dầu dừa thường tạo bọt nhiều và dễ tan trong nước hơn xà phòng làm từ mỡ bò. Giải thích ngắn gọn vì sao có sự khác biệt này, biết dầu dừa chứa chủ yếu acid béo mạch carbon ngắn hơn so với mỡ bò.
2
Xà phòng RCOONa có gốc hydrocarbon (R) càng ngắn thì phân tử càng dễ hòa tan trong nước, do phần kỵ nước nhỏ hơn so với phần ưa nước –COONa. Dầu dừa chứa nhiều acid béo mạch ngắn (như acid lauric, 12 carbon) hơn mỡ bò (chủ yếu acid béo mạch dài 16–18 carbon).
3
Xà phòng từ dầu dừa có gốc R ngắn hơn nên tan tốt hơn, tạo bọt nhiều hơn trong nước so với xà phòng từ mỡ bò. Đây là lý do các nhà sản xuất thường phối trộn nhiều loại dầu/mỡ khác nhau để cân bằng độ tạo bọt và độ cứng của bánh xà phòng.

Sai lầm thường gặp

Nhiều bạn nghĩ xà phòng hóa là phản ứng của chất béo với nước xà phòng có sẵn. Không phải vậy — chính phản ứng chất béo + NaOH mới tạo ra xà phòng. Xà phòng là sản phẩm sinh ra, không phải chất có sẵn để "cho vào" phản ứng.

Nhắc lại cho chắc: chất béo có thể bị thủy phân (với nước, xúc tác acid) cho glycerol và acid béo tự do, hoặc bị xà phòng hóa (với kiềm NaOH) cho glycerol và muối RCOONa — chính là xà phòng. Đây là phản ứng nền tảng của công nghiệp sản xuất xà phòng.

Hiểu được cơ chế này còn giúp em giải thích vì sao nước rửa chén, dầu gội và nhiều sản phẩm tẩy rửa khác cũng chứa các chất có cấu tạo tương tự xà phòng (gọi chung là chất hoạt động bề mặt) — đều có một đầu ưa nước và một đuôi kỵ nước để cuốn trôi dầu mỡ, bụi bẩn.

Nhắc lại cho chắc: chất béo có thể bị **thủy phân** (với nước, xúc tác acid) cho glycerol và acid béo tự do, hoặc bị **xà phòng hóa** (với kiềm NaOH) cho glycerol và muối RCOONa — chính là xà phòng. Đây là phản ứng nền tảng của công nghiệp sản xuất xà phòng. Hiểu được cơ chế này còn giúp em giải thích vì sao nước rửa chén, dầu gội và nhiều sản phẩm tẩy rửa khác cũng chứa các chất có cấu tạo tương tự xà phòng (gọi chung là chất hoạt động bề mặt) — đều có một đầu ưa nước và một đuôi kỵ nước để cuốn trôi dầu mỡ, bụi bẩn.

Bài tiếp theo

Chất béo cung cấp năng lượng, nhưng carbohydrate mới là 'nhiên liệu' chính, nhanh chóng cho hoạt động hằng ngày của cơ thể. Chương tiếp theo sẽ tìm hiểu glucose và saccharose — hai loại carbohydrate quen thuộc nhất.