La chimie du savon

Qu’un mélange aussi hétéroclite d’eau, d’alcali et de corps gras puisse donner naissance à une substance qui n’a plus rien à voir avec l’étonnante mixture de départ, c’est magique, n’est-ce pas ?

1. La réaction de saponification

Pourtant derrière chaque savon, se cache bel et bien une réaction chimique connue en langage courant sous le nom de saponification.

Elle consiste à hydrolyser, sous l’effet d’une base forte ou alcali, un ester en ion carboxylate et alcool. Comme vous pouvez l’entrevoir, cela va bien au delà d’une simple recette de cuisine dont le résultat se limite à la somme des ingrédients.

De par sa définition, on comprend aisément pourquoi en jargon chimique pur, elle est appelée « hydrolyse basique des esters » ou encore « hydrolyse des esters en milieu basique » … Oui mais… ester, ion carboxylate, alcool, hydrolyse basique… y a pas moyen de faire plus simple!…

Repartons des trois éléments fondamentaux qui permettent la fabrication du savon en ne nous concentrant que sur l’essentiel…

Les corps gras (beurres et huiles) font partie d’un ensemble complexe de composés organiques appelés lipides ou graisses caractérisés par leur insolubilité dans l’eau. Et ce qui nous intéresse ici, c’est qu’ils sont majoritairement composés de triglycérides autrement appelés « triester de glycérol » issus d’une molécule de glycérol et de trois acides gras comme reproduit dans le schéma ci-dessous:

Histoire de se simplifier la vie, on pourrait représenter la molécule de glycérol sous la forme d’un grand E où chacun des trois bras est constitué d’un groupe hydroxyle, représenté par le radical OH et correspondant à la fonction alcool et les acides gras (que nous verrons en détail en temps opportun), sous forme d’un petit train plus ou moins long dont chaque wagon représente un atome de carbone transportant un ou deux atomes d’hydrogène avec à sa tête une locomotive qui possède un groupe fonctionnel carboxyle, COOH, signant leur appartenance à la famille des acides carboxyliques. Autre notion importante à prendre en compte, ce sont des acides faibles car en solution, ils ne se dissocient que partiellement mais nous y reviendrons…

Lors de leur rencontre, deux ions d’hydrogène et un d’oxygène soit une molécule d’eau (H₂0) par acides gras concernés sont expulsés pour laisser place à une liaison ester. Cette réaction est appelée estérification.

A y regarder de près, on se rend compte que la réaction inverse est possible et permet de restituer les réactifs de départ. Cette réaction s’appelle l’hydrolyse des esters… Quel que soit le sens de la réaction, il n’y a pas de création de « nouvelles molécules »…

Viennent ensuite les alcalis… L’hydroxyde de sodium (soude caustique, NaOH) et l’hydroxyde de potassium (potasse caustique, KOH) appartiennent quant à eux à la famille des métaux alcalins.

Composés de l’ion sodium, Na⁺, (Natrium en latin) ou de l’ion potassium, K⁺, (Kalium en latin), ils sont reliés par une liaison d’une extrême instabilité à l’ion OH^–.

Toujours prêt à partir au quart de tour, leur rencontre avec un liquide déclenche une réaction violente et exothermique (qui dégage de la chaleur) se soldant par une dissociation (ou ionisation) complète sous forme d’ions Na⁺ ou K⁺ et OH^– qui les classent dans la famille des bases fortes. En faisant appel à la notion de pH, on peut qualifier la solution obtenue de basique ou alcaline.

Et enfin, l’eau (ou tout autre liquide) … Bien qu’elle n’apparaisse pas dans la réaction de saponification, on peut constater que son rôle est bien plus important qu’il n’y paraît puisque par la mise en solution de l’alcali, elle en permet la dissociation et déclenche ainsi le processus sous l’action de l’ion OH^–.

Cette réaction chimique s’appelle l’hydrolyse basique des esters. Elle se déroule en trois temps:

Pour le coup, c’est nettement moins sorcier (du moins, je l’espère) et apporte tout son sens à la définition même de la saponification…

Réaction lente, complète (qui se déroule jusqu’à épuisement de l’un ou l’autre des constituants) et exothermique, elle aboutit à la formation:

– de molécules de savon appelées également sels sodiques ou potassiques d’acides carboxyliques, carboxylates de sodium ou de potassium ou encore sels métalliques alcalins.

– de glycérol, sous-produit de la réaction de saponification plus connu sous le nom commercial de glycérine qui en profite pour reprendre sa structure chimique de base par récupération d’ions hydrogène,

– de quelques molécules d’eau qui assurent la cohésion de tout ce petit monde.

2. Structure et propriétés du savon

Il va sans dire qu’il y a sel et sel et ce qui fait toute la différence, ce sont bien sûr les réactifs utilisés. Partons d’un exemple simple, le sel de table (NaCl) pouvant être obtenu en faisant réagir de l’acide chlorhydrique avec de l’hydroxyde de sodium:

Bien que la même réaction chimique en soit à l’origine à savoir une simple neutralisation acido-basique, les produits en résultant dépendent de la nature même des réactifs de départ qui leur confèrent des propriétés particulières même si certaines peuvent être partagées.

Retournons à notre carboxylate… Résultat de la rencontre d’un acide faible et d’une base forte, sa formule chimique simplifiée peut s’écrire:

Et en chimie, là où traine un ⁺, on y retrouve un ^–, et cela s’explique par le fait qu’un sel est un composé ionique constitué de cations chargés positivement et d’anions chargés négativement, réécrivons la formule en en tenant compte:

Ce qui nous permet enfin de découvrir l’ion carboxylate, responsable des propriétés du savon et qui, si vous avez quelques notions de chimie, est la base conjuguée de l’acide carboxylique dont il est issu.

Libérée par la mise en solution du savon, cette étonnante molécule est composée de deux parties: d’une part, une chaine hydrocarbonée plus ou moins longue héritée de l’acide carboxylique parent et d’autre part, le radical COO^–.

La chaine hydrocarbonée électriquement neutre (dite apolaire) constitue la « queue » de la molécule. Elle est lipophile c’est-à-dire qu’elle aime les graisses, par contre, elle n’a aucune affinité pour l’eau et est ainsi qualifiée d’hydrophobe.

Le groupement carboxylate, appelée « tête » possède une charge négative (dite polaire ou ionique) qui va lui permettre d’être attiré par l’eau et d’interagir avec elle. Il est donc hydrophile et par conséquent lipophobe.

Enfin, sachez que les composés à la fois attirés par les molécules d’eau et les molécules de graisse sont qualifiés d’amphiphiles et que cette particularité est le propre des tensioactifs…

J’en profite pour glisser une petite parenthèse concernant la terminologie des sels de savons… Pour obtenir le nom d’un ion carboxylate, il suffit de remplacer le suffixe -ique ou -oïque de l’acide carboxylique parent par -ate ou -oate et le tour est joué comme par exemple pour l’acide oléique qui après saponification devient de l’oléate de sodium ou de potassium et ainsi de suite pour les autres acides gras.

3. Le pouvoir lavant du savon

La force de frappe de notre bon savon est régit par un phénomène physico-chimique.

Tensioactif possédant une charge négative (COO^–) qu’il libère en solution aqueuse, il appartient à la classe des anioniques. Il sert en quelque sorte de pont entre deux liquides non miscibles et permet lors de la friction de créer une émulsion par diminution de la tension superficielle à l’interface de l’autre liquide. La formation des bulles de savon répond au même phénomène et ici, c’est l’air qui joue le rôle de fluide apolaire. Mais ne vous y méprenez pas, la mousse ne nettoie pas… C’est juste un effet collatéral dû au phénomème physique de friction.

Par le caractère amphiphile de ses constituants, une fois mélangé à l’eau, le savon va pouvoir jouer son rôle de détergent grâce à la formation de micelles qui emprisonnent les corps gras qui seront ensuite évacués lors du rinçage.

Le savon est un produit « nettoyant ». Par nature, ses molécules sont « asséchantes » puisqu’elles entraînent avec elles une plus ou moins grosse partie du film hydrolipidique protecteur de la peau. Il ne peut donc pas être « hydratant » car il lui est impossible de remplir deux fonctions diamétralement opposées en même temps!!!!… Un savon, ça lave et c’est tout ce qu’on lui demande…

Mais, il est bien sûr possible d’en diminuer la détergence en privilégiant des acides gras qui apportent de la douceur, en choisissant un taux de surgraissage adapté à la formulation et au type de peau et enfin, ne négligeons pas le rôle humectant du glycérol naturellement produit lors du processus de saponification et l’ajout de certains additifs. Tout cela contribuera à le rendre moins agressif et permettra un renouvellement plus rapide du film hydrolipidique…

Il est à noter également que la qualité de l’eau aura une influence sur le pouvoir nettoyant et moussant du savon. Caractérisée par une teneur plus ou moins élevée en ions calcium et magnésium, une eau dure aura des répercussions négatives sur ses performances. (voir: « Un remède à l’écume de savon »). Cela s’explique par le fait que ses ions chargés positivement vont accaparer les ions carboxylates et les précipiter. Ce qui en diminue la disponibilité et contribue à en minimiser la détergence.

Il en est de même pour ses performances en eau salée dans laquelle il n’arrive pas à se dissoudre puisque les molécules d’eau ont déjà fort à faire avec l’ion sodium. Voilà ce qui explique pourquoi un savon ne mousse pas dans l’eau de mer puisqu’elle est à la fois salée et dure de par la présence de nombreux minéraux.

Il y a toutefois une exception à cette règle, un savon formulé à base d’huile de coco dont l’acide gras majoritaire est l’acide laurique. Composé de 12 atomes de carbone, il a la particularité d’être beaucoup plus soluble que ses cousins à longues chaines carbonées, ce qui lui permet de produire de la mousse même dans l’eau de mer et explique son haut niveau de détergence. (voir: « Pourquoi certains acides gras en excès dans une formulation assèchent-ils la peau? »)

Enfin sachez qu’un savon ne fonctionne que parce que son pH est basique!… Qu’il soit proche de la neutralité et qu’il puisse continuer de remplir la fonction qui lui a été assignée est chimiquement impossible…

Nous voici arrivés au terme de ce long chapitre théorique. N’hésitez pas à consulter les nombreuses autres pages. Comme toujours, je reste disponible pour toute interrogation en suspens…

Bullez bien… Soyez prudents et prenez soin de vous…

Bibliographie:

Amphiphile: https://fr.wikipedia.org/wiki/Amphiphile

Comment le savon lave-t-il ?: https://www.futura-sciences.com/sciences/questions-reponses/chimie-savon-lave-t-il-6335/#

De l’eau douce à l’eau salée: http://soniag.chez.com/experience/eau3.html

Estérification – Hydrolyse – Saponification: https://tice.ac-montpellier.fr/ABCDORGA/Famille/ESTEYDRO.html

Estérification , hydrolyse et réaction de saponification (hydrolyse basique) : https://chimiephysiquescience.wordpress.com/2021/03/21/esterification-hydrolyse-et-reaction-de-saponification/

Glycérol: https://fr.wikipedia.org/wiki/Glycérol

Glycérol : qu’est-ce que c’est ?: https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/chimie-glycerol-3534/

La constante de basicité sur https://www.alloprof.qc.ca/fr/eleves/bv/chimie/la-constante-de-basicite-kb-c1061

La mousse du savon: https://www.chimix.com/ifrance/devoirs/t062.htm

La neutralisation acidobasique: https://www.alloprof.qc.ca/fr/eleves/bv/sciences/la-neutralisation-acidobasique-s1068

Le Savon : Découvrez comment et pourquoi le savon lave !: https://www.biotyfullbox.fr/cosmetique-bio/actualite-bio/savon/

Les esters: https://www.faidherbe.org/site/cours/dupuis/esters.htm#:~:text=Milieu%20basique,étape%20bimoléculaire%20est%20cinétiquement%20déterminante.

Les sels: https://www.nagwa.com/fr/explainers/706159237273/

Propriétés du savon: https://dlatreyte.github.io/premieres-pc/chap-12/4-proprietes-savons/

Saponification: the process of making soap: https://www.olabs.edu.in/?brch=3&cnt=1&sim=119&sub=73

Saponification: https://fr.wikipedia.org/wiki/Saponification#:~:text=La%20saponification%20est%2C%20dans%20le,permet%20la%20synthèse%20du%20savon.

Savons: propriétés, applications et illustrations: https://www.maxicours.com/se/cours/savons-proprietes-applications-et-illustrations/#:~:text=Les%20ions%20carboxylate%20interagissent%20avec,ce%20qui%20permet%20leur%20élimination.

Transformer les réactions chimiques: https://www.superprof.fr/ressources/scolaire/physique-chimie/terminale-s/transformations-ester-chimie.html

Kevin M.Dunn, Scientific Soapmaking: The Chemistry of the Cold Process, Clavicula Press; Illustrated edition (March 16, 2010)