Những loại dầu trơn nhờn như dầu ăn hay mỡ lợn dù rửa bằng bao nhiêu nước cũng khó sạch. Thế nhưng nếu trộn loại dầu này với một dung dịch kiềm mạnh rồi khuấy đều, theo thời gian nó sẽ biến thành xà phòng có thể tẩy sạch vết dầu mỡ. Nói cách khác, chính dầu lại trở thành chất rửa sạch dầu. Có một phản ứng hóa học biến dầu thành xà phòng như vậy. Đó chính là ‘xà phòng hóa (Saponification)’.
Nói một cách đơn giản, xà phòng hóa là phản ứng trong đó một chất gọi là este (ester) gặp dung dịch kiềm như natri hydroxit và bị tách thành muối cacboxylat và ancol. Tên gọi này bắt nguồn từ từ sapo trong tiếng Latinh, nghĩa là xà phòng, và khi chuỗi của muối cacboxylat được tách ra có độ dài lớn thì người ta gọi đó là xà phòng.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu phản ứng xà phòng hóa diễn ra như thế nào, nguyên lý xà phòng tẩy sạch vết bẩn, chặng đường lịch sử của xà phòng hóa, và những dạng thức đa dạng của xà phòng hóa bên ngoài xà phòng.
Sự ra đời của loại dầu rửa sạch dầu
Nguyên lý của phản ứng xà phòng hóa
Xà phòng hóa là phản ứng cắt rời các phân tử dầu nhờ sự hỗ trợ của kiềm. Trong hóa học, nó được xếp vào một loại quan trọng của phản ứng thủy phân trong môi trường kiềm.
(1) Nguyên liệu mang tên triglyceride
Dầu thực vật và mỡ động vật phần lớn được cấu tạo từ triglyceride. Đây là cấu trúc gồm một phân tử glycerol liên kết với ba axit béo qua liên kết este, và là nguyên liệu truyền thống của phản ứng xà phòng hóa.
(2) Ion hydroxit cắt đứt liên kết
Khi ion hydroxit trong dung dịch kiềm tấn công vào phía nguyên tử cacbon của liên kết este, liên kết sẽ bị đứt. Kết quả là axit béo trở thành muối của axit béo kết hợp với natri, tức là xà phòng, còn phần còn lại tách ra dưới dạng glycerol.
(3) Glycerol được tạo ra cùng lúc
Ví dụ, một phân tử stearin phản ứng với ba phân tử natri hydroxit tạo thành ba phân tử natri stearat và một phân tử glycerol. Quá trình này cũng là một phương pháp công nghiệp chủ yếu để sản xuất glycerol, và đôi khi glycerol được giữ lại trong xà phòng để làm thành phần dưỡng ẩm.
Mỗi loại dầu cần một lượng kiềm khác nhau để xà phòng hóa, và lượng này được gọi là chỉ số xà phòng hóa (saponification value). Vì giá trị thực tế của loại dầu đang dùng có thể hơi khác so với mức trung bình trong phòng thí nghiệm, những người làm xà phòng cố ý cho ít kiềm hơn một chút để trong xà phòng thành phẩm không còn sót kiềm.
Nguyên lý xà phòng tẩy sạch vết bẩn
Phân tử xà phòng sinh ra từ phản ứng xà phòng hóa có cấu trúc đặc biệt: một đầu ưa nước, còn đầu kia ưa dầu.
(1) Phân tử có hai gương mặt
Phần đầu của phân tử xà phòng mang điện nên dễ hòa hợp với nước, còn phần đuôi hydrocacbon dài thì dễ hòa hợp với dầu. Chất có cùng lúc hai phần mang tính chất khác nhau như vậy được gọi là chất hoạt động bề mặt.
(2) Mixen giam giữ vết dầu mỡ
Trong nước, phần đuôi của các phân tử xà phòng chui vào vết dầu mỡ, còn phần đầu hướng ra phía nước bên ngoài. Nhờ vậy hình thành những mixen (micelle) nhỏ hình cầu ôm vết dầu mỡ bên trong, và các mixen này hòa vào nước rồi bị rửa trôi cùng nước.
(3) Xà phòng cứng và xà phòng mềm
Tính chất của xà phòng thay đổi tùy theo loại kiềm được sử dụng.
- Xà phòng natri (sodium soap): Được làm từ natri hydroxit, đông cứng lại thành xà phòng bánh dạng rắn.
- Xà phòng kali (potassium soap): Được làm từ kali hydroxit, có dạng mềm hoặc lỏng nên được dùng làm xà phòng nước.
Xà phòng khó tạo bọt trong nước cứng là vì các ion canxi và magie trong nước kết hợp với xà phòng tạo thành cặn không tan trong nước.
Chặng đường lịch sử của xà phòng hóa
Xà phòng hóa là một trong những phản ứng hóa học mà con người đã sử dụng từ rất lâu đời.
(1) Nước tro và dầu thời cổ đại
Dấu vết lâu đời nhất về việc làm ra chất giống xà phòng xuất hiện ở Babylon cổ đại vào khoảng năm 2800 trước Công nguyên. Một tấm bảng đất sét của người Sumer từ khoảng năm 2500 trước Công nguyên có ghi lại cách đun nóng dầu cùng tro gỗ để tạo ra chất dùng khi giặt vải len.
(2) Kali lấy từ tro gỗ
Xà phòng thời kỳ đầu chủ yếu được làm từ mỡ động vật và thành phần kali chiết ra từ tro gỗ. Nước tro thu được khi ngâm tro vào nước chính là chất đóng vai trò kiềm cần thiết cho phản ứng xà phòng hóa. Ngược lại, xà phòng ngày nay phần lớn được làm từ dầu thực vật, và xà phòng làm từ dầu ô liu được gọi là xà phòng Castile hay xà phòng Marseille, nổi tiếng vì sự dịu nhẹ.
(3) Bản chất của dầu mỡ được Chevreul làm sáng tỏ
Đầu thế kỷ 19, nhà hóa học người Pháp Michel Eugène Chevreul đã nghiên cứu mỡ động vật và tách được các axit béo như axit stearic và axit oleic. Việc dầu mỡ được cấu tạo từ axit béo và glycerol cũng trở nên rõ ràng nhờ nghiên cứu của ông. Nghiên cứu của ông đã làm thay đổi lớn quy trình sản xuất xà phòng và nến, và Chevreul được đánh giá là người đặt nền móng cho hóa học hữu cơ hiện đại.
Xà phòng hóa bên ngoài xà phòng
Xà phòng hóa còn xảy ra ở những nơi bất ngờ bên ngoài bồn rửa mặt.
(1) Bình chữa cháy dập lửa trong bếp
Đám cháy dầu ăn cháy nóng hơn đám cháy chất lỏng dễ cháy thông thường nên bình chữa cháy thông thường khó dập tắt. Vì vậy, bình chữa cháy dùng cho nhà bếp dập lửa bằng cách nhanh chóng xà phòng hóa lớp dầu đang cháy, biến nó thành một lớp xà phòng không cháy.
(2) Những cục xà phòng nở ra trong tranh sơn dầu
Khi các loại màu vẽ chứa thành phần kim loại như trắng chì hay trắng kẽm phản ứng với axit béo trong dầu, xà phòng kim loại có thể được tạo thành. Khi loại xà phòng này nổi lên bề mặt bức tranh sẽ tạo ra những cục u nhỏ hoặc vết loang màu trắng, và kiểu hư hại này đã được phát hiện trong nhiều bức tranh sơn dầu từ thế kỷ 15 đến thế kỷ 20.
(3) Sáp xác còn lại trên thi thể
Ở những thi thể được chôn tại nơi ẩm ướt và kém thông khí, chất béo có thể bị xà phòng hóa và biến thành sáp xác (adipocere) giống như sáp. Sáp xác có thể bảo tồn hình dạng cơ thể trong thời gian dài và đôi khi trở thành manh mối trong điều tra pháp y.
Xà phòng hóa là phản ứng tạo ra chất tẩy sạch dầu mỡ từ những nguyên liệu phổ biến là dầu và kiềm. Ngay cả trong khoảnh khắc ngắn ngủi khi rửa tay, trí tuệ hóa học tích lũy qua hàng nghìn năm vẫn đang đồng hành cùng chúng ta.
Thử hình dung những biến đổi phân tử ẩn chứa trong bánh xà phòng dùng hằng ngày, đó chính là bước đầu tiên để học hóa học trong đời sống.
