Tillverka din egen tvål, del 1: Själva tvålen

Tillhör kategori: vardagens kemi

Författare: Linda Larsson, Boel Öhlund

Introduktion Riktlinjer Säkerhet Materiel Förarbete Utförande Förklaring Kemisk bakgrund Fördjupning Litteratur Fler experiment

    

Tid för förberedelse: 10 minuter

Tid för genomförande: 80 minuter

Antal tillfällen: 1

Säkerhetsfaktor: Utföres med normal varsamhet

Svårighetsgrad: Kräver viss labvana

Introduktion

Detta experiment består av två delsteg, där den första är tillverkning av din egen tvål. I del två får du möjlighet att bearbeta tvålen, tillsätta färg, doft och andra tillsatser.

Riktlinjer

Experimentet utförs lämpligen som elevförsök (grupp).

Man kan tillverka tvål för skojs skull, men experimentet är också lämpligt när man läser organisk kemi.

Säkerhet

Eftersom man arbetar med lut (NaOH) måste man vara försiktig. Man måste använda skyddsrock, handskar, glasögon och eventuellt hårnät. Läraren måste än en gång gå igenom säkerhetsföreskrifterna.

Överbliven lut kan spolas ned i avloppet. Överblivet fett kan kastas i soporna.

Materiel

• Enligt recept:
  • 500 g ister (bakfett)
  • 200 g rapsolja
  • 90 g lut (natriumhydroxid)
  • 280 ml kallt vatten
• Eventuellt skyddspapper på bänken
• Skyddsglasögon
• Gummi- eller plasthandskar
• Våg
• Värmetålig plasttillbringare med lock och ordentligt handtag
• En långskaftad plastsked
• 2 st glastermometrar (bra om de går sätta fast på kanten)
• 3-5 liters rostfri kastrull (eller en oskadd emaljerad)
• Rostfri slev eller träslev
• Plastlådor med lock (t ex 2 Big Pack eller en större variant)
• Kokplatta
• För torkning:
  • Nät, som tvålen kan torka på (myggnät i ram)
  • Vass kniv, att dela tvålarna med

Förarbete

Inget annat än att plocka fram ingredienser och övrigt material.

Utförande

Gör iordning lutlösning och fettblandning enligt nedanstående.

Lutlösningen

1. Mät upp vatten i tillbringaren.
2. Väg upp luten och rör ned den försiktigt i vattnet - undvik stänk! Värmeutveckling sker.
3. Låt lösningen svalna till 38 °C, medan du smälter fettet.

Fettblandningen

1. Väg upp fetterna i kastrullen och smält samman dem, på låg till medium värme, under omrörning.
2. Tag kastrullen från plattan och kyl i vattenbad under omrörning till 38 °C.

Tillverka tvålen

När du har gjort iordning lut och fett gör du följande.

1. Kontrollera att både lutlösningen och fettblandningen är 35-38 °C.
2. Häll försiktigt ned luten (i en tunn stråle) i fettblandningen, under omrörning. Se till att all lut absorberas. Om luten flyter på ytan av fettet - vänta med att hälla i mer lut tills allt har löst sig. Forsätt att röra försiktigt tills det tjocknar så mycket att det blir tydliga spår om man lyfter sleven och låter tvålen droppa ned på ytan. Det kan bli grynigt till en början, men det försvinner när man fortsätter att röra.
3. Häll försiktigt den varma tvålen i plastlådan.
4. Sätt snabbt på locket och låt stå, ostört i 24 timmar, på ett varmt ställe.

Var försiktig när du stjälper upp tvålen, så att du får fina bitar.

Undersök tvålen efter 24 timmar (ev. 48 timmar), använd handskar. Om olöst lut finns, är det bästa att kasta bort tvålen. Tvålen är färdig att stjälpas upp när man kan lämna fingeravtryck på ytan. Om ytan på tvålen fortfarande är mjuk, får den stå utan lock i någon dag så att den torkar.

Låt tvålen torka i några dagar, tills den går att skära. Ska du göra del 2 av tvåltillverkningen, genomför du den nu. Om inte, skär du upp bitar (använd varm kniv), och låter dem torka på nätet tills ytan är hård. Det tar ungefär två veckor och först då är den ej frätande.

Förklaring

Reaktionen är en förtvålning av fetter.

Triglycerider + hydroxidjoner → fettsyrajoner(tvåljoner) + glycerol

Fettsyrajoner är tvättverksamma (sänker ytspänningen och emulgerar/löser fett), och är den väsentliga delen i tvål.

Kemisk bakgrund

Historia

Man tror att Babylonierna gjorde tvål för nästan 5000 år sedan, men det var romarna som skrev ner receptet. De fick fram sin tvål genom att hetta upp getfett tillsammans med aska, som innehåller starka baser. Även lut användes, vilket är en betydligt starkare bas är de extrakt som finns i aska.

Vid romarrikets fall föll även tvåltillverkningen i glömska. Konsten att tillverka tvål nådde inte England förrän på 1300-talet. På 1800-talet började man tillverka tvål kommersiellt. Innan dess var tvåltillverkning en hushållskonst.

Tvålens kemin

Tvål kan framställas på flera olika sätt. Med den metod som vi har valt, kall process, tar förtvålningen flera dagar att fullbordas och glycerin (= glycerol) som är en naturlig biprodukt vid förtvålning, finns kvar i den färdiga tvålen.

Under mitten av 1900-talet använde sig industrierna av en process som kallas kok- eller kittelmetoden. Den innebar att man lät het ånga passera genom tvållösningen. Efter att förtvålningen hade skett tillsatte man salt, vilket bidrog till att tvålen steg till ytan och glycerinet sjönk till botten. Man kunde då även ta till vara på glycerinet, rena det och sälja det separat.

Idag används en kontinuerlig process istället, i vilken förtvålningen sker medan ingredienserna är under högt tryck i en stor tank. Det höga trycket i kombinaton med höga temperaturer, bidrar till att förvålningen sker direkt. Denna metod gör det möjligt att tillsätta ingredienserna kontinuerligt i en ände av tanken, medan man avlägsnar tvål från den andra. Efter förtvålningen behandlas ofta tvålen med väte, vilket påskyndar torkningen av tvålen.

När fett (triglycerid) reagerar med natriumhydroxid (NaOH) löst i vatten sker en hydrolys. Slutprodukterna blir glycerol + natriumfettsyrasalter. De senare tas till vara som tvål. Glycerol finns kvar i tvålen och är mjukgörande. Den bästa tvålen får man av fettsyror som innehåller 10-18 kol.

Förtvålning

En tvålmolekyl består av en joniskt laddad del, som löser sig i vatten (hydrofil), och en lång kolkedjesvans, som ej är vattenlöslig (hydrofob). Det är tack vare denna dubbelnatur som tvålen är en så effektiv rengörare.

När tvål tillsätts till vatten vill den hydrofoba svansen bort från vattnet och strävar därför upp mot vattenytan. Dessa bryter krafterna vid ytan och leder till minskad ytspänning. Tillsätts ytterligare tvål kommer det tillslut att bli fullt med molekyler vid ytan och istället bildar molekylerna sfärer med de hydrofoba svansarna innåt (för att komma så långt bort från vattnet som möjligt) och de hydrofila huvudena utåt mot vattnet. Dessa sfärer kallas miceller.

Vid en tvätt sänker tvålen ytspänningen och vattnet får då lättare att transportera in miceller till smutsen. När tvålmolekylerna träffar på smuts attraheras de hydrofoba svansarna av smutsen och den stängs in i micellerna.

Ingredienserna i receptet

Ister: Djurfett. Finns att köpa på matvaruaffären, som bakfett.
Lut: NaOH. Ett mycket starkt basiskt, frätande ämne.
Rapsolja: Vegetabilisk olja, som är rik på fleromättade och mättade fetter. Finns att köpa på matvaruaffär.
Doftoljor: Används som arom. Finns att köpa bl a på Body Shop och matvaruaffärer.
Benzoin: Antiseptiskt medel.

Fördjupning

Natriumhydroxid

Egenskaper

Natriumhydroxid, NaOH, är ett vitt, fast salt som är lättlösligt i vatten. Upplösningen sker under kraftig värmeutveckling. Om tillsatsen av fast natriumhydroxid är stor kan värmeutvecklingen bli så kraftig att det finns risk att bränna sig. Natriumhydroxid innehåller den starka basen OH^– och är frätande både i vattenlösning och i fast form. Eftersom den är lättlöslig kan man få lösningar med mycket stark basisk reaktion.

Ibland kallas natriumhydroxiden för "kaustik soda" vilket betyder "frätande soda". Sodan anger att ämnet är basiskt. Benämningen "kaustik" används för att skilja natriumhydroxiden från vanlig soda som är natriumkarbonat, Na₂CO₃. Ytterligare ett namn på natriumhydroxid är "natronlut". Då man köper natriumhydroxid får man det ofta i formen flingor eller små pastiller.

Hälsorisker

Den starkt basiska hydroxiden denaturerar och bryter ned proteiner. Speciellt utsatt är man för stänk i ögat. Ögat är nämligen fullt med proteiner som koagulerar och bildar en vit massa, som äggvitan i ett kokt ägg. Det är därför viktigt med glasögon när du arbetar med natriumhydroxid. Om du ändå skulle få stänk i ögat måste du omedelbart spola ögat rikligt med rinnande vatten och fortsätta skölja länge. Ring läkare och be om råd när du har spolat ögat i några minuter, eller ännu bättre - be någon hjälpa ringa dig medan du fortsätter spola. Sedan måste du besöka läkare för kontroll och eventuell behandling.

Stänk på huden är visserligen frätande, men inte farliga på samma sätt. Huden är tjock och släpper inte igenom luten. Om du sköljer omgående, så klarar du dig sannolikt utan skador. Stänk på kläder, arbetsbänkar och liknande ska sköljas och torkas bort på en gång, så att det inte blir bortglömt. Annars kan någon ovetande komma i kontakt med hydroxiden och kanske gnugga sig i ögat.

Koncentrationen har betydelse

Hydroxidens frätande förmåga är har direkt samband med koncentrationen. En vanlig förrådslöning med NaOH är ofta 2 molar (2 M, 2 mol/dm³). Den är kraftigt frätande och ska behandlas med stor försiktighet. En NaOH-lösning på lab som är 0,1 mol/dm³ är inte alls lika farlig, men ändå ganska stark. Om koncentrationen är 0,010 mol/dm³, så kan NaOH-lösningen betraktas som relativt ofarlig, men ändå riskabel att få stänk av i ögonen. Är den bara 1 millimolar, dvs. 0,001 mol/dm³, så är NaOH-lösningen tämligen harmlös, för då är den 2000 gånger mer utspädd än förrådslösningen som var 2 mol/dm³.

Polaritet

I kemiska föreningar delas elektroner mellan atomerna som ingår i föreningen. Olika grundämnen har olika förmåga att attrahera elektronerna. Denna egenskap kallas elektronegativitet. Generellt sett har metaller låg elektronegativitet och ickemetaller hög elektronegativitet. Tittar man på ickemetallerna så är elektronegativiteten högst hos kväve (N), syre (O) och fluor (F). Lägst elektronegativitet, dvs. de mest elektropositiva grundämnena, finns i grupp 1 nedtill i periodiska systemet.

Polaritet hos molekylföreningar

Elektronegativitet förskjuter elektronmolnet i molekylen

Molekylföreningar är ämnen där ickemetaller har bundits till varandra. Bindningarna är kovalenta bindningar, så kallade elektronparbindningar. Elektronparen bildar elektronmoln som binder samman de två atomerna i bindningen. På grund av olika elektronegativitet hos de olika atomslagen, så förskjuts elektronmolnet mot det mer elektronegativa atomslaget. Om till exempel syre och väte bind till varandra, så är elektronmolnet förskjutet mot syre på grund av dess höga elektronegativitet.

I vätefluorid (HF) är fluor den mer elektronegativa atomen till höger.

CC Benjah-bmm27

Elektronerna är bara förskjutna i bindningen, men flyttar inte över helt och hållet. Men förskjutningen av elektronmolnet gör att en del av molekylen kan vara mer negativ. Eftersom den totala laddningen för en molekyl är noll, så finns motsvarande positiva laddning på den atom som har lägre elektronegativitet. Man säger att bindningen är polär.

Molekylen blir en dipol

Den polära bindningen kan göra att molekylen som helhet blir polär. En sådan molekyl kallas för dipol. Exempelvis är vätefluorid en dipol där fluoret har ett negativt laddningsöverskott (rött) och vätet ett positivt (blått).

Vatten är ett starkt polärt ämne på grund av syrets höga elektronegativitet.

CC

Ett annat exempel är vattenmolekylen där syret har ett negativt laddningsöverskott och vätena ett positivt. Här är det två bindningar till syret, en till vardera väteatomen. Den negativa laddningen på syret är därför summan av de positiva laddningarna på vätena. På grund av att den är vinklad är vattenmolekylen en dipol med den negativa änden vid syret och den positiva mitt emellan väteatomerna.

I koldioxid (CO2, O=C=O)är båda bindningarna mellan kolet i mitten och syret i änden polära, men motsatt riktade. Molekylen som helhet blir därför opolär.

CC

Symmetri kan släcka ut polariteten hos bindningarna

Koldioxid innehåller bindningar mellan kol och syre. Syreatomerna i var sin ända är mer elektronegativa än kolatomen i mitten. Bindningarna är alltså polära.

Koldioxid är en rak molekyl, till skillnad från vattenmolekylen. Dessutom är den polära bindningen mellan kol och syre i den ena änden motriktad motsvarande bindning i den andra änden. De motsatt riktade bindningarna släcker ut varandras polaritet, så att molekylen som helhet blir opolär, trots att de ingående bindningarna är polära.

Detta är exempel på att man måste känna till den tredimensionella strukturen hos en molekyl för att veta om den faktiskt är polär.

I kvävgas (N2) är båda atomerna lika elektronegativa. Bindningen mellan atomerna är därför opolär.

CC

En bindning mellan samma atomslag är opolär

Mellan olika atomslag finns det alltid en viss skillnad i elektronegativitet. Skillnaden kan vara stor eller liten, men inga atomslag av två olika grundämnen har exakt samma egenskaper. Däremot är två atomer av samma atomslag exakt likadana. Det betyder också att bindningen mellan dem är helt opolär. Exempel på sådan molekyl är kvävgas.

Förening mellan metall och ickemetall

I en kristall natriumklorid är den positiva Na+-jonen (lila) omgiven av negativa Cl–-joner (grön) och vice versa.

CC Benjah-bmm27

Joner är alltid polära

I föreningar mellan metall och ickemetall är skillnaden i elektronegativitet så stor att en eller flera elektroner hoppat över helt och hållet från metallen till ickemetallen. Kvar blir då positiva metalljoner och negativa ickemetalljoner. Polär betyder ”laddad”. Det innebär att joner, som ju alltid har en laddning, alltid är polära.

Ett typiskt exempel på en jonförening är natriumklorid, dvs. vanligt koksalt. Saltkristallerna är uppbyggda av tätt sammanpackade positiva natriumjoner och negativa kloridjoner. Varannan jon är positiv och varannan negativ för att plus- och minusladdningar ska komma så nära varandra som möjligt. Positiv och negativa laddningar attraherar nämligen varandra.

Några föreningar mellan metall och ickemetall är gränsfall

Några metaller är inte så elektropositiva, dvs. deras elektronegativitet är inte så låg. De finns i periodiska systemen i gränsområdet mellan metaller och ickemetaller. Halvmetallerna är sådana, men även några som betecknas som metaller är ändå inte så elektropositiva.

Ett sådant exempel är silver (Ag). När silver och klorid reagerar till silverklorid (AgCl), så är skillnaden i elektronegativitet för liten för att det ska bildas joner. Men bindningen är ändå starkt polär. Därför är bindningen i silverklorid polär kovalent. Silverklorid är visserligen ett polärt ämne, men inte så starkt polärt. Lösligheten i vatten är därför dålig.

Hydrofil och hydrofob

Det grekiska ordet fili betyder kärlek, vänskap och dragning till. Motsatsen i grekiskan är fobi, som betyder fruktan eller rädsla för. Även ordet hydro kommer från grekiskan och anger att något har med vatten att göra.

Inom kemin talar vi om hydrofila eller hydrofoba egenskaper hos molekylgrupper eller hela molekyler. Förklaringen till de hydrofila och hydrofoba egenskaperna ligger hos attraktionskrafterna mellan partiklarna i en vattenlösning, det vill säga de intermolekylära bindningarna.

Vatten är ett starkt polärt lösningsmedel

Vi utgår från att vårt lösningsmedel är vatten.

Mellan vattenmolekylerna finns starka vätebindningar. Vätebindningarna orsakas av ett positivt laddningsöverskott på väteatomen och ett negativt på syreatomen. Vätet i en vattenmolekyl attraheras därför av syret i en angränsande vattenmolekyl. Det är den starka polariteten i vätebindningarna som är kännetecknande för vattnets egenskaper.

Det finns andra lösningsmedel som har liknande egenskaper som vatten. Ett exempel är metanol (CH₃OH), som också har en OH-grupp och kan vätebinda. Ett annat exempel är ättiksyra (CH₃COOH), som även den har en OH-grupp som kan vätebinda. Vatten är dock i en särställning bland lösningsmedel vad gäller styrkan hos polariteten.

Förklaringen bakom "lika löser lika"

I vattenlösningen binder vattenmolekyler till varandra med sina vätebindningar. En lösning förutsätter att lösningsmedlet och det lösta ämnet blandas ända ner på molekylnivå. Det lösta ämnet och lösningsmedlet är i väldigt nära kontakt med varandra. För att detta ska vara möjligt måste bindningen mellan det lösta ämnet och vattnet vara så stark att den kan konkurrera med vätebindningen mellan vattenmolekyler.

Polärt ämne i polärt lösningsmedel

En förutsättning för en stark bindning mellan det lösta ämnet och vatten är att det lösta ämnet också är polärt, det vill säga har laddningar som kan attrahera vattenmolekylernas laddningar. Exempelvis kan metanol, med sin polära OH-grupp, vätebinda till vattenmolekyler. För vattenmolekylerna gör det därför inte så stor skillnad om de binder till en annan vattenmolekyl eller till en metanolmolekyl. Vatten och metanol kan blandas ända ner på molekylnivå.

Ett annat exempel på polärt ämne är koksalt. Polariteten finns inbyggd i saltets byggstenar, som ju är jonerna Na⁺ och Cl^–. Polariteten hos saltet gör att det löser sig i vatten.

Opolärt ämne i polärt lösningsmedel

Vatten och olja separerar i två faser eftersom vatten är polärt, men olja opolär.

Bild: Svante Åberg

Om det lösta ämnet är opolärt, eller bara är svagt polärt, så skapas ingen stark bindning till vatten. Vattnet binder bara till andra vattenmolekyler. Det betyder att allt vatten klumpar ihop sig till en fas.

Det ämne som skulle lösas blir över och bildar en egen fas. Det är inte så att molekylerna i det opolära ämnet attraheras till varandra. Tvärtom är bindningarna mellan de opolära molekylerna svaga. Men det är helt enkelt så att de blir över när vattenmolekylerna håller ihop.

Bildningen av faser bygger på att polära och opolära ämnen inte blandar sig med varandra. Sedan gör skillnaden i densitet att den ena fasen flyter upp och den andra sjunker. Om du försöker blanda vatten (polärt) med bensin (opolärt), så kommer den lättare bensinen att lägga sig som ett lager ovanpå vattnet. Bensinen utgör den ena fasen och vattnet den andra.

För att lättare förstå hur detta fungerar kan du tänka dig att du har en kulpåse med stenkulor och små runda magneter. Om du skakar på påsen ett tag, så kommer magneterna att klumpa ihop sig. Över blir stenkulorna, som ligger för sig själva. Magneterna motsvarar vattenmolekyler och stenkulorna opolära molekyler i denna liknelse.

Opolärt ämne i opolärt lösningsmedel

När lösningsmedlet är opolärt, som till exempel bensin, så finns inga starka bindningar mellan molekylerna i lösningsmedlet. Det gör det lätt för andra molekyler att konkurrera med bindningarna mellan lösningsmedelsmolekylerna. Till exempel kan opolära jodmolekyler lösa sig i bensin. Bindningen mellan jod och bensin är visserligen svag, men det gör inget eftersom bindningen mellan två bensinmolekyler också är svag. Det lösta ämnet och lösningsmedlet blandar sig ner på molekylnivå.

Detta exempel kan illustreras med en kulpåse där man har stenkulor och glaskulor. Även om det är olika sorters kulor, så blandas de med varandra om påsen skakas, eftersom inga kulor attraherar varandra.

Tvätt och rengöring

Smuts innehåller ofta feta ämnen, var sig det är matrester på tallriken eller fläckar på kläderna. Fetter har mycket låg löslighet i vatten. Det är därför svårt att få rent genom att bara tvätta i vatten.

Men om man tillsätter disk- eller tvättmedel, så blir det stor skillnad. Det finns flera namn för denna typ av ämnen:

amfifil = ämne med en hydrofil och en hydrofob del
detergent = ämne som rengör
tensid = ämne som sänker ytspänningen
ytaktivt ämne eller surfaktant = ämne som lägger sig i fasgränsytor

Disk- och tvättmedelsmolekyler är amfifiler

Detergentmolekylerna bäddar in fettpartiklar så att de får en hydrofil yta. Då blir de "vattenlösliga" och kan sköljas bort.

Bild: Svante Åberg

Gemensamt för sådana molekyler är att de dels har en hydrofob (vattenskyende) del, ofta i form av en kolvätekedja, dels en hydrofil (vattenälskande) grupp i andra änden. Den hydrofoba svansen är fettlöslig samtidigt om det hydrofila huvudet är vattenlösligt.

Amfifilen är ytaktiv

Detergenten sätter sig spontant i gränsskiktet mellan fett och vatten. Då hamnar den fettlösliga delen i det opolära fettet samtidigt om den vattenlösliga delen har kontakt med det polära vattnet.

Det leder till att fettpartiklar bäddas in i ett lager av amfifilen där molekylernas polära huvuden pekar ut mot vattenlösningen.

Amfifilen gör fettpartiklarna "vattenlösliga"

En dispersion (emulsion) av fettpartiklar i vatten stabiliseras av emulgeringsmedlet, som är ett ytaktivt ämne.

Bild: Svante Åberg

Inbäddade fettpartiklar med en hydrofil yta kan börja sväva i vattenlösningen. Det handlar inte om äkta löslighet eftersom blandningen inte är på molekylnivå, utan med större partiklar. Varje fettpartikel utgör en egen fas skild från vattenfasen.

En sådan blandning av olösliga partiklar i en vätska kallas dispersion. Ett annat namn är emulsion. Vid tvättprocessen är fettpartiklarna små droppar medan vattenlösningen är en kontinuerlig fas som omger fettpartiklarna.

Mekanisk bearbetning underlättar tvättprocessen

Det krävs att fettpartiklarna är små för att man ska få en dispersion. Mekanisk bearbetning slår sönder fettet i mindre delar. Då kommer amfifilmolekylerna åt att bädda in fettpartiklarna.