Comment le savon fonctionne-t-il?

    Avant d' expliquer le mode d' action du savon il faudrait tout d' abord connaître les caractéristiques de celui- ci.

Pour donner une petite approche, nous pourrions commencer par dire que le savon a un caractère ambivalent du fait de la spécificité de ses molécules, mais c’ est aussi un agent détergent représentant le plus courant des tensioactifs, il est donc capable de modifier les propriétés de l' eau .En effet un corps tensioactif sert à conférer à un liquide un pouvoir  mouillant  vis à vis de l’ eau.

Eh oui car au départ l' eau ne possède pas de pouvoir mouillant , l'énergie de surface de l' eau est relativement faible ( 0.07J/m*²) et si on verse de l' eau sur un tissu, celle ci aura tendance à  glisser .Donc si l' on veut que l' eau "mouille" il faudra s' armer d' un savon afin que celui-ci augmente le pouvoir mouillant du liquide.

Au niveau moléculaire, le savon se compose de molécules dites" bipolaires", contenant des ions carboxylates qu’ on peut ranger en deux groupes :     

-         celles formées par un groupe polaire hydrophile, c’ est le groupe  _COO   porteur d’ une charge électrique négative.

-         et celles formées par un groupe hydrophobe mais aussi lipophile c’est à dire non polaire et soluble aux substances organiques, avec une chaîne carbonée R  provenant de l’ acide gras et dont le nombre d’ atomes de carbone est en général élevé .

Dans la composition du savon, l' huile apporte la partie hydrophobe( ou non polaire) et la soude apporte la partie hydrophile (ou polaire).

 

 

Intéressons nous maintenant au mode d' action proprement dit:

On peut dire que le nettoyage des surfaces est permis grâce à deux éléments associés l' un à l' autre:

-         le pouvoir mouillant (faible tension superficielle)  cf. les bulles, la mousse,

-          le pouvoir émulsifiant du savon dans l' eau.

Le savon grâce aux propriétés respectives de ses molécules va agir étape par étape :

1.      émulsion entre l’eau , la saleté et le savon

2.      fixation du corps gras à l' aide du côté lipophile et des corps aqueux avec le côté hydrophile

3.      dissolution des matières grasses

4.      élimination des saletés et bactéries avec l’ eau de rinçage.

        Etant donné le nombre de particules, les molécules de savon s' insinuent entre  la peau et les saletés et les décollent , elles  font donc office de lien entre l'eau et les diverses salissures, de ce fait le savon a des propriétés détergentes, ainsi que la salissure soit grasse ou non , elle sera fixée , décollée puis emportée avec l' eau de rinçage.

Cependant lorsque le savon est en pleine dissolution, il va retirer de l' épiderme les huiles essentielles qui contribue à l' hydratation de la peau par conséquent il assèche celle- ci.

Cet écran met plusieurs heures à se reconstruire. Un savon ne peut donc pas à la fois nettoyer et hydrater!

C' est bien beau de savoir que le savon fixe la saleté puis la dissout mais je ne vous ai toujours pas dit de quelle manière le savon s' y prend. Alors voilà je vais tout vous révéler: en fait lorsque les molécules de savon se retrouve dans l' eau face à une saleté , elles se comportent de façon spécifique, j' explique!

Les molécules ont tendance à se placer en structures sphériques: ce sont les micelles. Au centre de celle-ci on trouve la particule de saleté et autour on trouve la partie hydrophobe et lipophile vers l' intérieur attachée sur la salissure et vers l' extérieur l' extrémité hydrophobe.

Lorsqu' on agite l' eau les gouttelettes d' huile ou de graisse s' associent à la partie centrale des micelles, elles y sont en suspension et seront entraînées lors du rinçage.

Voilà un petit schéma qui vous aidera à y voir plus clair:

 

 

Le mode d’action du savon est souvent nommé sous le nom de mécanisme de la détergence .Ce pouvoir du détergent est la résultante d’ un ensemble d’ actions de la part des agents de surfaces sur les salissures à éliminer.

Si on veut expliquer ce qu’ il se passe en approfondissant , alors on peut s’ intéresser à ce qui se passe au niveau des éléments chimiques constituant les molécules de savon :

En fait ce qu’il se produit c’ est que lorsqu’ on mouille un support et des salissures, les surfactants se déposent en couches mononucléaires aux interfaces salissure- support- bain grâce au détergent (le savon) dont la queue hydrophobe peut adhérer au tissu et à la graisse, on a alors une fragilisation des liaisons support-salissure car les têtes hydrophiles ont tendances à se repousser et le mouvement de lavage romps ces liaisons. Les particules de salissures se retrouve alors en suspension  dans le bain grâce aux micelles puis elles se dispersent dans le bain ,( en général les particules sont négatives du fait de la présence de d’ éléments tensioactifs anioniques , par conséquent elles se repoussent). Enfin elles partent avec l’ eau de rinçage.

Et la mousse, pourquoi est- elle là ?

Les surfactants ou agents de surface sont des substances organiques qui changent les propriétés de l' eau .Ils sont capables de réduire la surface de tension de l'eau, ils peuvent aussi détacher et disperser les saletés dans l'eau. Les surfactants sont classés en 4 catégories :

- anionique( charge négative) Ex: le savon

- non ionique( pas de charge)

- cationique( charge positive)

- amphoténique ( positif/négatif)

Le secret des bulles réside justement en ces tensioactifs qui à l’aide d'une tête hydrophile et d’une longue queue hydrophobe créent les forces nécessaires à l'équilibre de la bulle.

Si de l’ air barbote dans de l’ eau , les bulles formées au sein du liquide crèvent en arrivant à la surface mais si l ‘eau contient un agent tensioactif , les bulles sont stables et s’ amassent pour former une mousse .

En effet lorsqu' on rajoute du savon à l'eau celui-ci a tendance à aller vers la surface afin de baisser l' énergie de surface à une valeur assez faible( 0.02J/m*² au lieu de 0.07J/m*²) pour de l' eau pure.

Mais si on veut faire une bulle plus grande la quantité de savon n' est plus suffisante pour couvrir toute l' eau et conserver l' énergie faible .Par conséquent l' énergie augmente, le système devient instable et il " préfère" se transformer en gouttes de liquides et alors ... la bulle éclate!

La mousse quand à elle est due à un ensemble de phénomènes physiques:

- la tension superficielle de l' eau d' une part, et les propriétés du savon d' autre part.

En ce qui concerne la formation de la mousse, celle ci va apparaître lorsqu’on amène de l’air à l’intérieur  des molécules de savon .Mais voilà  maintenant une explication plus scientifique: 
quand les molécules s’accolent ensemble sans saleté il se forme une bulle d’air car les extrémités hydrophiles forment une fine surface d’eau et à l’intérieur, l’extrémité hydrophobe des molécules s’accrochent dans l’air. Ceci constitue s'ils sont en grande quantité, la mousse du savon .La mousse sera particulièrement stable dans le cas des savons qui donnent des films suffisamment rigides et résistants.

Pour aller encore plus loin et mieux comprendre !

Lorsqu’ un savon va être mélanger à de l’ eau  on observe des états mésomorphes obtenus par le mélange de certaines substances ( ici ce sera des molécules du savon) avec un solvant , ils se nomment cristaux liquides lyotropes.

Ces cristaux liquides contiennent toujours deux constituants :

·        un  dérivé mésogène ( dans notre cas  c’est une  molécule de savon) ,

·        et un solvant en  principe de l’ eau.

Le solvant n’ a pas simplement  pour effet de diluer la phase cristalline liquide, il participe à l’ organisation  du matériau . Dans le cas de l’ eau, le mésogène est en général  une molécule constituant les savons, c’ est à dire une chaîne paraffinique substituée à son extrémité par groupement carboxylate :

                              

Comme nous l’ avons déjà dit les savons sont des corps dits amphiphiles avec une partie hydrophile et une autre hydrophobe .Cela  a pour conséquence de marquer fortement le type d’ organisation des cristaux  liquides lyotropes :

- les parties hydrophiles tendent à s’ agréger  pour former des régions polaires

- au contraire les parties hydrophobes s’ associent pour former des zones apolaires.

On distingue alors deux types d ‘organisation : les phases de symétrie lamellaire et cylindrique.

On peut déjà rencontrer l’ organisation lamellaire dans la forme solide des savons anhydres ( sans eau) .

Les groupes carboxylates fortement liés à leur contre ion ( généralement un ion alcalin) tapissent l’ extérieur des plans formés par les chaînes paraffiniques . Les parties hydrophiles et hydrophobes sont toutes deux  cristallisées et  figées , on obtient des phases cristallines solides .Selon la grosseur  de la tête polaire des structures  en bicouche ( fig.4a) ou en mono couche (fig. 4b) peuvent être observées . En effet la distance entre les chaînes paraffiniques cristallisées ne peut être supérieur  à 0.45 nm . Dans une structure en bicouche , des têtes polaires trop volumineuses conduiraient à des distances interchaînes plus importantes , une structure en mono couche  est donc adoptée.

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En présence d’ eau c’ est une phase gel qui est obtenue. Les molécules d’ eau s’ introduisent entre les plans  constitués des  molécules amphiphiles et les écartent  à des distances pouvant atteindre 10 nm .Simultanément les têtes polaires s’ ionisent et le groupe carboxylate et son contre ion sont solvatés séparément .

Une structure  en mono couche est obtenue .Les chaînes hydrocarbonées se trouvent encore dans un état quasi cristallin et sont entièrement étendues . Par élévation de température , les chaînes paraffiniques fondent pour former des cristaux liquides (fig.4d) et (fig.4e) . Les composantes hydrophiles et hydrophobes ne s’ordonnent  plus selon aucune périodicité. 

Lorsque la concentration en eau augmente une organisation de symétrie cylindrique apparaît (fig. 5). Dans tous les cas les chaînes paraffiniques sont dans un état cristal liquide . Dans la phase dite «normale», des cylindres infinis  constitués des molécules amphiphiles sont séparés les uns des autres par un milieu aqueux (fig. 5a) . Les cylindres forment généralement un réseau hexagonal  bidimensionnel .Des molécules polaires tel le méthanol ou des électrolytes peuvent être incorporés au milieu  aqueux intercolomnaire sans rompre la structure de la mésophase .

Dans quelques cas , des cylindres possédant un cœur formé de groupements hydrophiles et d' un milieu aqueux ont été mis en évidence (fig. 5c) ; le milieu intercolomnaire est cette fois constitué de la partie hydrophobe de la molécule ; des solvant apolaires tels que le benzène ou des alcanes sont généralement ajoutés au milieu.

 Voici les structures schématiques des principales phases de cristaux liquides lyotropes de symétrie cylindrique formées avec des composés amphiphiles:

Les corps gras ( graisse[solide] , ou huile [ liquide]) sont pour la majeure partie d’ entre eux  des triesters du glycérol : CH2OH-CHOH-CH2OH et d’ acides gras .Ces esters sont appelés triglycérides .Les  propriétés chimiques des corps sont à la fois celle de la fonction ester ou acide et celles de la chaîne carbonée des acides gras.

FORMULE GENERALE :

Les propriétés de la fonction : par action de l’ eau à chaud sous pression , les parties alcool ( glycérol) et acide ( acide gras ) se séparent . C’ est l’ hydrolyse . La libération des acides gras est progressive et s ‘accompagne de la formation de glycérides partiels : un résultat analogue est obtenu en traitant le corps gras par la soude aqueuse , c’ est la saponification.

(R-COO)3 – C3H5 + 3NaOH => C3H5 –(OH)3 + 3R-COONa

La saponification des triglycérides  par l’ hydroxyde de  sodium conduit au glycérol et à des carboxylates de sodium( R-COO+Na) qui constituent le savon.

 Triglycéride + soude => glycérol + savon