Baixe Trabalhando a química dos sabões e detergentes e outras Notas de estudo em PDF para Química, somente na Docsity! Universidade Federal do Rio Grande do Sul Instituto de Química Área de Educação Química TRABALHANDO A QUÍMICA DOS SABÕES E DETERGENTES Odone Gino Zago Neto José Claudio Del Pino 2 TRABALHANDO A QUÍMICA DOS SABÕES E DETERGENTES Elaboração: Odone Gino Zago Neto - Professor de Química da Sociedade Educacional Província de São Pedro e Bixo Vestibulares. José Claudio Del Pino - Professor de Química da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Apoio: Fundação de Amparo a Pesquisa do Rio Grande do Sul (FAPERGS) Pró-Reitoria de Extensão da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (PROREXT) Programa de Apoio ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico: Subprograma Educação para a Ciência (SPEC-PADCT). 5 PREFÁCIO “O que devemos pensar dessa educação bárbara que sacrifica o presente a um futuro incerto, que sobrecarrega a criança com cadeias de todas as espécies e começa por fazê-la infeliz visando prepará-la, muito tempo antes, para uma pretensa felicidade que nunca chegará a gozar?” Jean-Jacques Rousseau Este material foi elaborado com o objetivo de servir como instrumento de trabalho para o professor, podendo ser utilizado em sala de aula e no laboratório. Sua aplicação permite abordar não somente os assuntos específicos que ele trata, que são sabões e detergentes, mas também poderá ser utilizado, em partes, como auxiliar ou como ilustrativo, aliando assuntos do cotidiano com alguns tópicos importantes da Química tratados com um enfoque mais tradicional. É perceptível o desânimo de professores e alunos com o atual ensino de Química. É visando contribuir para modificar este quadro que elaboramos materiais didáticos alternativos para o ensino desta ciência natural. Este material é elaborado segundo premissas básicas como: a - utilizar linguagem acessível sem deixar de aprofundar o conteúdo; b - ater-se a assuntos que possuem relação com o cotidiano do aluno e do professor; c - abordar o tema levando em conta o desenvolvimento cognitivo dos alunos; d - buscar substituir abordagem tradicional. Com o material “Trabalhando a Química dos Sabões e Detergentes” podem ser tratados vários assuntos como: lipídios, éteres, ácidos carboxílicos, cadeias carbônicas normais e ramificadas, saturadas e insaturadas, reações, tensão superficial, dureza de águas, tensoativos, entre outras (Observe os diagramas 1 e 2). Esperamos que este trabalho auxilie a educação através da química a firmar raízes no árido solo que se encontra hoje o ensino desta ciência. Os Autores 6 SABÕES PRODUÇÃO INDUSTRIAL CLORETO DE SÓDIO CARBONATOS ÓLEOS E GORDURAS BIODEGRADABILIDEADE ELETRÓLISE REAÇÃO DE HIDRÓLISE CADEIAS CARBÔNICAS HIDRÓXIDOS ÁCIDOS CARBOXÍLICOS ÉSTERES REAÇÃO DE SAPONIFICAÇÃO REAÇÃO DE ESTERIFICAÇÃO REAÇÃO DE RANCIFICAÇÃO O PRODUTO SABÃO POLARIDADE DA MOLÉCULA TENSÃO SUPERFICIAL DETERGÊNCIA AÇÃO DO SABÃO EM ÁGUAS DURAS DIAGRAMA 1 - A QUÍMICA DOS SABÕES 7 ADITIVOS TENSOATIVOS A PRODUÇÃO DE DETERGENTES BIODEGRADABILIDADE NÃO-IÔNICOS CATIÔNICOS ANIÔNICOS ALCENOS OS DETERGENTES ÁLCOOIS POLUIÇÃO POR DETERGENTES TENSOATIVOS ANFÓTEROS REAÇÃO DE ALQUILAÇÃO CORANTES ENZIMAS CADEIAS CARBÔNICAS CARBONATOS SILICATOS BORATOS FOSFATOSREAÇÃO DE SULFONAÇÃO DETERGENTE TENSOATIVO DE SOJA DIAGRAMA 2 - A QUÍMICA DOS DETERGENTES Trabalhando a Química dos Sabões e Detergentes 10 IRGASAN DP-3 0 0 ( 2 -Hidróxi-2,4,4- Triclorodifeniléter) Com base nestes dados, a - Procure em um dicionário o significado das palavras desinfetante e anti- séptico. Diga qual a função do IRGASAN DP-300 dentro do sabão medicinal da fórmula acima. b - Relacione as funções da Química Orgânica que podem ser encontradas na fórmula do IRGSAN DP-300? c - Sabendo que é comum a indústria química dar nomes fantasia a seus produtos, quais fatores levam as indústrias a proporem estas nomenclaturas não técnicas? 1.1 - A PRODUÇÃO INDUSTRIAL DE SABÕES Os produtos utilizados comumente para a fabricação do sabão comum são o hidróxido de sódio ou potássio (soda cáustica ou potássica) além de óleos ou gorduras animais ou vegetais. O processo de obtenção industrial do sabão é muito simples. Primeiramente coloca-se soda, gordura e água na caldeira com temperatura em torno de 150ºC, deixando-as reagir por algum tempo (± 30 minutos). Após adiciona-se cloreto de sódio - que auxilia na separação da solução em duas fases. Na fase superior (fase apolar) encontra-se o sabão e na inferior (fase aquosa e polar), glicerina4, impurezas e possível excesso de soda. 4 Composto que possui três hidroxilas na estrutura de sua molécula (um triálcool) que interage com a água devido à existência de pontes de hidrogênio entre suas moléculas. Fórmula: H2C - OH | HC - OH | H2C - OH OH O Cl Cl Cl A Produção Industrial de Sabões 11 Nesta etapa realiza-se uma eliminação da fase inferior e, a fim de garantir a saponificação da gordura pela soda, adiciona-se água e hidróxido de sódio à fase superior, repetindo esta operação quantas vezes seja necessário. Após terminado o processo pode-se colocar aditivos que irão melhorar algumas propriedades do produto final. Observe a Figura 1.1.1, que apresenta o esquema de funcionamento de uma indústria de sabão. SODA CÁUSTICA E GORDURA AQUECIMENTO POR TRINTA MINUTOS ( ETAPA 1 ) ADIÇÃO DE CLORETO DE SÓDIO ( ETAPA 2 ) SEPARAÇÃO DA SOLUÇÃO EM DUAS FASES -Superior : sabão . -Inferior : glicerina e impurezas . ( ETAPA 3 ) ELIMINAÇÃO DA FASE INFERIOR ( ETAPA 4 ) ADIÇÃO DE ÁGUA E SODA CÁUSTICA ( ETAPA 5 ) FIGURA 1.1.1 - Esquema simplificado de um processo de produção de sabão A glicerina separada do sabão no processo industrial é utilizada tanto por fabricantes de resina e explosivos como pela indústria de cosméticos. Devido a isso, seu preço, depois de purificada, pode superar o do sabão. A Tabela 1.1.1 apresenta a porcentagem de glicerina que pode ser obtida através da saponificação de gorduras animais. Tabela 1.1.1 - Percentual de glicerina obtida da saponificação de matérias graxas Fonte: MELLO, R. - Como Fazer Sabões a Artigos de Toucador. SP, Cone, 1986. Gordura Ou Óleo Matéria Graxa (%) Glicerina (%) Estearina do Sebo de Boi 92 8 Estearina de Sebo de Carneiro 91 9 Sebo de Toucinho 91,5 8,5 Estearina de Graxa de Toucinho 92 8 Oleína da Graxa de Toucinho 90 10 Trabalhando a Química dos Sabões e Detergentes 12 ATIVIDADES 1) Quais são os principais produtos químicos utilizados para a fabricação do sabão comum? 2) O hidróxido de sódio (NaOH) reage com ácidos graxos (gorduras) para formar os sabões. Que tipo de reação é esta? Esta reação deverá ser exotérmica ou endotérmica? 3) Justifique o motivo da adição de uma solução de hidróxido de sódio na etapa 5 apresentada na Figura 1.1.1. 4) Explique como a adição de sal de cozinha auxilia na separação das fases (lembre-se que a solução é aquosa). 5) Observe a Tabela 1.1.1 e responda as questões abaixo: a - Qual das estearinas possibilitará a maior formação de sabão? E de glicerina? b - A oleína da graxa de toucinho pode ser extraída do sebo do toucinho. Compare os percentuais de matéria graxa e de glicerina fornecida por estes. É vantagem realizar o processo de separação da oleína do sebo do toucinho? c - Se misturarmos estearina de sebo de boi, sebo de toucinho e estearina do sebo de carneiro na proporção de 10%, 20% e 70% respectivamente, qual será o percentual de glicerina que poderemos obter? 1.2 - ÓLEOS E GORDURAS NA FABRICAÇÃO DE SABÕES Tanto sabões quanto detergentes servem, principalmente, para livrar-nos da incômoda sujeira. Mas, de que é composta a sujeira? Na maioria das vezes, ela é constituída por óleos ou gorduras, acompanhadas ou não por microorganismos ou outras substâncias apolares ou pouco polares como pó, restos de alimentos, etc. Partindo do mesmo tipo de gorduras e óleos que formam as sujidades, poderão ser produzidos os sabões. Portanto, para uma boa compreensão da química dos J Óleos e Gorduras na Fabricação de Sabões 15 seja, encontramos em seres vivos, ácidos graxos com 4, 6, 8, 10, 12, ...átomos de carbono, dispostos em cadeias não ramificadas6. Essas características estruturais virão a favorecer a degradação dos mesmos, quando houver tal necessidade. Tanto nas gorduras quanto nos óleos, os ácidos graxos encontram-se esterificados, existindo, entre estes, um pequeno percentual de ácidos graxos não esterificados. A Figura 1.2.2 apresenta a reação de formação de um óleo (ácidos graxos esterificados). Figura 1.2.2 - Reação de esterificação Reações de esterificação como a apresentada na Figura 1.2.2 poderão formar monoésteres, diésteres, triésteres como produtos finais. Este fato ocorre porque a glicerina possui três pontos que podem ser esterificados7. As gorduras e os óleos, quando expostos ao meio ambiente externo sofrem a ação do oxigênio do ar ou de bactérias, rancificando-se. Isto pode ocorrer de três formas: hidrolítica, cetônica ou auto-oxidativa. A primeira é catalisada por enzimas chamadas lipases. Estas liberam os ácidos graxos do éster, aumentando a acidez do meio (Figura 1.2.3). Tal processo ocorre comumente na manteiga, que é rica em ácidos graxos de baixa massa molecular e portanto mais voláteis, como o ácido butírico, responsável pelo cheiro desagradável liberado pela manteiga rancificada. 6 Algumas bactérias produzem gorduras a partir de ácidos graxos de cadeia ramificada, como os ácidos tubérculo-esteárico (C19) e ftióico (C26) existentes no bacilo de tuberculose. 7 São aqueles em que estão as hidroxilas da glicerina. Os carbonos localizados nestes pontos são chamados α, β e α,, conforme representação abaixo: H2C α οη | HC β OH | H2C α’ OH C11H23COOH H2C HC OH OH H2C OH H2C HC H2C OOC OOC OOC C11H23 C11H23 C11H23 + 3 + 3 H2O Glicerina Ácido Laúrico Triesterato de Água glicerina Trabalhando a Química dos Sabões e Detergentes 16 Fonte: VILLELA, G.G. el alii - Bioquímica. EDUSP, SÃO PAULO, 1976. Figura 1.2.3 - Reação de rancificação hidrolítica A rancificação cetônica também é um processo oxidativo e enzimático. Esse processo origina metilcetonas que conferem o odor desagradável ao produto rancificado (Figura 1.2.4). Fonte: VILLELA, G.G. el alii - Bioquímica. EDUSP, SÃO PAULO, 1976. Figura 1.2.4 - Reação de rancificação cetônica ou aromática. A rancificação auto-oxidativa ocorre devido à presença de grande número de moléculas de ácidos graxos livres na gordura. Estes promovem sua própria oxidação, que se processa com maior rapidez em óleos poli-insaturados, como no óleo de linhaça, e no óleo de semente de girassol. As Tabelas 1.2.3 e 1.2.4 apresentam os ácidos graxos mais comuns e a composição de algumas gorduras. Tabela 1.2.3 - Fórmulas dos ácidos graxos mais comuns COOHH2C HC OH OH H2C OH H2C HC H2C OOC OOC OOC C11H23 H7C3C3H7 C3H7 enzima H23C11 3 H2O + 2 COOH ÁC. BUTÍRICO α,β-Dibutirato- Glicerina Ácido Laúrico α‘-Laurato de Glicerina β- oxidação descarboxilação COOHCH2 CH2R O2 R C O CH2 COO H CO2 R C O CH3 + β α Ácido. Graxo Metilcetona R : Radical orgânico Nome do ácido Nº de carbonos Fórmula Laúrico 12 H3C-(CH2)10-COOH Mirístico 14 H3C-(CH2)12-COOH Palmítico 16 H3C-(CH2)14-COOH Esteárico 18 H3C-(CH2)16-COOH Oléico 18 H3C-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7-COOH Linoléico 18 H3C-(CH2)4-CH=CH-CH2-CH=CH-(CH2)7-COOH Óleos e Gorduras na Fabricação de Sabões 17 Fonte: AMBROGI, A. et alii - Unidades Modulares de Química. HAMBURG, SÃO PAULO, 1987. Tabela 1.2.4 - Composição percentual média de ácidos graxos em gorduras e óleos. Fonte: VILLELA, G. G. el alii - Bioquímica. EDUSP, SÃO PAULO, 1976. ATIVIDADES 01) Como você definiria as sujidades ? 02) Microorganismos nocivos à saúde encontram-se em toda a pa r t e , principalmente onde existe sujeira. Os sabões e detergentes auxiliam na eliminação destes microorganismos? Como? 03) Qual é a principal diferença entre óleos e gorduras? Quais suas similaridades? 04) O óleo de soja é muito utilizado em culinária. Qual a principal função de tal utilização? Ele poderia ser substituído por uma gordura? E por água? Justifique. 05) A estrutura do ácido araquidônico, apresentada anteriormente, está mais próxima da estrutura de um ácido graxo formador de um óleo ou de uma gordura? Justifique (Observe o ponto de fusão na Tabela 1.2.2). 06) Os óleos vegetais são muito utilizados na fabricação da margarina. A margarina é obtida por uma ração de hidrogenação das insaturações existentes nos ácidos graxos formadores dos óleos (observe a Figura 1.2.5). Ácidos Óleo de milho Sebo de vaca Óleo de oliva Óleo de girassol Óleo de soja Óleo de gergilin Mirístico ---- 6,3 % 0,2 % ---- ---- ---- Palmítico 7,8 % 27,4 % 9,5 % 3,7 % 6,8 % 9,1 % Esteárico 3,5 % 14,1 % 1,4 % 1,6 % 4,4 % 4,3 % Oléico 46,3 % 49,6 % 80,6 % 42,0 % 34,0 % 45,4 % Linoléico 41,8 % 2,5 % 7,0 % 52,0 % 51,0 % 40,4 % J Trabalhando a Química dos Sabões e Detergentes 20 g - Compare os ácidos que possuem saturação no carbono 9 com os que possuem no carbono 11. O que ocorre com o ponto de fusão? h - Quais as similaridades da estrutura do ácido linoléico e do ácido eleosteárico? Quais as diferenças? Procure justificar estas diferenças. 19) Observe a Tabela 1.2.4 e responda as questões a seguir. a - Qual dos óleos apresentados na Tabela é mais rico em ácidos graxos com cadeia insaturada? b - Qual das misturas de ácidos graxos (óleos ou sebo de vaca) será a mais indicada para um indivíduo utilizar em sua alimentação, considerando que ele possui alto índice de triglicerídeos em seu organismo e não pode consumir gorduras, ou óleos, saturados? Justifique. c - Poderíamos, analisando a composição das misturas de ácidos, inferir quais teriam ponto de fusão maior ou menor. Qual mistura deveria ter ponto de fusão maior? E menor? 20) Atividade complementar: procure nos rótulos das margarinas qual sua origem e verifique com que tipos de óleos elas são fabricadas. Procure comparar essa especificação com os dados da Tabela 1.2.4. EXPERIÊNCIA 1.2.1 - A Produção de Sabão a partir de óleo de soja Reagentes e Materiais Necessários: - 20 ml de óleo de soja; - 16 pastilhas de hidróxido de sódio ou, aproximadamente, trinta gramas; - 15 ml de etanol (álcool comum); - Cloreto de Sódio (sal de cozinha); - Gelo; - Bacia; - Um béquer de 100 ml (ou um copo comum); - Dois béqueres de 250 ml (ou uma panela e um copo comum); - Um proveta de 180 ml (ou uma seringa de 20 ml); - Um bastão de vidro (ou uma colher); I Óleos e Gorduras na Fabricação de Sabões 21 - Um suporte universal (ou um tripé); - Um agarrador; - Tela de amianto (se usar panela, não é necessário); - Agarrador circular para tela de amianto. Procedimento: Primeiramente prepare a solução alcalina em um béquer de 250 ml, colocando as 30 g de hidróxido de sódio em aproximadamente 100 ml de água da torneira (agi te com um bastão de vidro para homogeneizar a solução e cuidado, pois ela é cáustica). Após, monte o equipamento para o banho-maria (Figura 1.2.6). No béquer de 100 ml, coloque 20 ml de óleo de soja, 20 ml da solução alcalina e 15 ml de etanol. Leve a mistura ao banho-maria até cobrí-la, como mostra a Figura 1.2.6. Agite constantemente para emulsionar os componentes. A q u e ç a a m i s t u r a ( s o l u ç ã o 1 ) p o r aproximadamente 30 minutos, acrescentando um pouco de água, se a pasta formada estiver ficando muito dura. Após este período, retire a solução 1 do banho-maria e coloque para aquecer 200 ml de água num béquer de 250 ml. Quando a água estiver fervendo, adicione cloreto de sódio até saturar a solução (solução 2). Após verta a solução 1 no frasco da solução 2. Agite fortemente e leve a mistura formada para um banho de gelo. Deixe repousar por trinta minutos. ATIVIDADES 1) Por que se coloca uma solução de cloreto de sódio, se já temos o sabão, na primeira etapa da experiência? 2) Se utilizássemos óleo de milho ao invés de óleo de soja, ocorreria a formação de sabão? 3) Após colocada no banho de gelo, o que ocorreu com a mistura? O que contém cada fase desta mistura? 4) O sabão obtido é líquido ou sólido? Observe a Tabela 1.2.1, 1.2.2 e 1.2.4 . Procure justificar sua resposta. Figura 1.2.6 - Montagem do aparelho J Trabalhando a Química dos Sabões e Detergentes 22 5) O que poderíamos fazer para obter um produto final de melhor qualidade? 6) Para obtermos um sabonete que aditivos teríamos de colocar? Com que objetivo? Em qual etapa do processo poderíamos colocar estes aditivos? 7) Na experiência 1.2.1, a reação de saponificação será completa, ou existirão, no produto, ácidos graxos livres? 8) Complete a reação da Figura 1.2.7 que ocorre entre um triacilglicerídeo do ácido láurico (éster do ácido láurico - 12 carbonos) e o hidróxido de sódio (reação de saponificação). Qual é o nome do produto obtido? 9) Utilizando papel indicador, realize um teste de pH no sabão obtido no experimento 1.2.1. Qual é o resultado? Esse resultado era o esperado? Justifique. 10) Realize um teste de limpeza com o sabão obtido no experimento 1.2.1. Qual o resultado obtido? Obs: O óleo de soja possui, em sua composição, aproximadamente 51% de ácido linoléico esterizado. Figura 1.2.7 - Reação de saponificação. EXPERIÊNCIA 1.2.2 - Solubilidade do Óleo de Soja em Água e Etanol Reagentes e Materiais Necessários: I Soda, Fator Limitante para a Produção de Sabão 25 03) Quais procedimentos deveríamos fazer para usar uma gordura? Neste experimento? 04) Por que o óleo queima com certa facilidade? (lembre-se da produção de óleos e gorduras pelos seres vivos) 1.3 SODA, FATOR LIMITANTE PARA A PRODUÇÃO DE SABÃO O sabão é produzido a partir de óleos e gorduras e de bases como hidróxidos de sódio e o hidróxido de potássio, que, ao reagirem, realizam o processo de saponificação. Na antigüidade a grande restrição para a produção de sabão foi a dificuldade de se produzir estas bases. A primeira comercialização do sabão deve-se, provavelmente, ao Egito, graças à facilidade de encontrar-se bicarbonato de sódio em incrustações de lagos da região8. Na Europa Central, a base utilizada para a produção de sabão era retirada das cinzas da madeira (lixívia potássica9), as quais possuem um grande percentual de carbonato de potássio. Este foi, também, um processo muito utilizado pelos fenícios. A obtenção dos hidróxidos no nordeste do mediterrâneo ocorreu através da cinza de plantas marinhas (lixívia sódica), que possui grande percentual de carbonato de sódio. Atualmente, uma maneira de se obter o hidróxido de sódio (soda cáustica) é através da eletrólise10 de soluções aquosas de cloreto de sódio (NaCl - 8 O bicarbonato de sódio em solução aquosa produz hidróxido de sódio e ácido carbônico, segundo as reações abaixo: NaHCO3(S) ⇔ Na+(aq.) + HCO3-(aq.) dissolução do sal HCO-3(aq.) + H2O(ll) ⇔ H2CO3(aq.) + OH-(aq.) H2CO3(aq.) ⇔ H2O(l) + CO2(g) 9 Solução rica em hidróxido de potássio que é obtida pelo processo de lixiviação, ou seja, pela fervura da cinza com água ou passagem de água quente pela cinza. O carbonato de potássio ou de sódio contido na cinza passa para a fase aquosa por serem solúveis em água. Este processo, através de reações, originará hidróxido de sódio ou de potássio. 10 Decomposição de uma substância, devido à passagem de corrente elétrica Trabalhando a Química dos Sabões e Detergentes 26 sal de cozinha). Nesse processo, ocorrem as reações que aparecem na Figura 1.3.1. Figura 1.3.1 - Reações de eletrólise de uma solução de NaCL Observe que não é o sódio que sofre redução e sim o hidrogênio que resulta da auto-ionização da água (Figura 1.3.1). Esta preferência ocorre por que o hidrogênio é reduzido com maior facilidade que o sódio, ou seja, há menor gasto de energia para reduzir o hidrogênio. Na Figura 1.3.2 estão as semi-reações de redução e o potencial padrão de redução (Eo), em volts. Figura 1.3.2 - Potenciais padrão de redução do sódio e hidrogênio O fato do hidrogênio reduzir-se, ao invés do sódio, é muito conveniente, pois permite que o sódio se mantenha na solução para formar a soda cáustica (NaOH). Além disso, se tivéssemos a redução do sódio, teríamos sérios problemas devido à grande facilidade do mesmo em reagir com a água rapidamente e mediante grande liberação de energia. REAÇÃO NO CÁTODO : 2H+(aq.) + 2e- ⇒ H2(g) REAÇÃO NO ÂNODO : 2Cl+(aq.) ⇒ Cl2(g) + 2e- REAÇÃO GLOBAL: 2NaCl(S) + 2H2O ⇒ 2Na+(aq.) + 2OH-(aq.) + H2(g) + Cl2(g) 2H2O ⇔ H3O+ + OH- reação de auto-ionização Na+ + 1e- ⇔ Na(s) EO = - 2,71 v 2H+ + 2 e- ⇔ H2(g) EO = 0,00 v Soda, Fator Limitante para a Produção de Sabão 27 ATIVIDADES 01) A que função da química inorgânica pertencem o hidróxido de sódio e de potássio e quais as propriedades características destas funções? 02) O hidróxido de sódio e de potássio são bases fortes, médias ou fracas? Justifique. 03) A que função da química inorgânica pertencem os carbonatos de sódio e de potássio? E os bicarbonatos de sódio e potássio? Que propriedades físicas e químicas caracterizam estes compostos? 04) Os sais são sempre substâncias polares? Justifique. 05) A polaridade que ocorre na molécula de sabão é decorrente da diferença de eletronegatividade existente entre o sódio (1,7) e o oxigênio (3,5). Para qual destes elementos o par de elétrons da ligação irá se deslocar? Justifique. 06) Na cadeia carbônica (parte apolar da molécula de sabão), os elementos se ligam seguindo o modelo covalente de ligação. Quais as diferenças entre as ligações iônicas e as covalentes? 07) Mostre, através de reações de hidrólise, como ocorre a formação de hidróxido de sódio e de potássio a partir dos respectivos carbonatos. 08) Observe as reações abaixo: H2O REAÇÃO 1 : NaHCO3(s) ⇔ Na+(aq.) + HCO3-( aq.) REAÇÃO 2 : HCO-3(aq.) + H2O(l) ⇔ H2CO3(aq) + OH-(aq.) REAÇÃO 3 : H2CO3(aq.) ⇔ H2O(l) + CO2(g.) a - Qual é o estado físico do bicarbonato de sódio (NaHCO3) na temperatura ambiente? O que ocorre quando ele entra em contato com a água (Observe a reação 1)? b - O ânion bicarbonato (HCO-3 ), quando em contato com a água, age como uma base, formando ácido carbônico (H2CO3 ). A água, por sua vez, J Trabalhando a Química dos Sabões e Detergentes 30 5) Supondo que o óleo de soja seja composto apenas por ésteres do ácido linoléico, escreva uma reação entre ele e o hidróxido de potássio. 6) Na solução obtida da cinza produzida pelo caule da planta assa-peixe (planta do nordeste brasileiro), foram identificados os íons: Fe3+, Al3+, Ca2+, K+, CO32-, PO4 2- e SiO3 2- Quais compostos a combinação destes íons poderá formar? Classifique-os de acordo com a função química a que pertencem. Quais destes compostos poderão, em contato com a água, formar bases fortes? 1.4 SABÃO: UMA SUBSTÂNCIA COM CARACTERÍSTICA POLAR E APOLAR Como vimos anteriormente, o sabão é uma substância obtida pela reação de gorduras ou óleos com hidróxido de sódio ou de potássio. O produto desta reação é um sal (reação de um ácido com uma base). Sabe-se que os sais são substâncias que possuem, pelo menos, uma ligação com caráter tipicamente iônico. As ligações iônicas são caracterizadas quando os elementos ligantes apresentam acentuada diferença de eletronegatividade, o que da origem a uma forte polarização, já que se forma um dipolo elétrico. Desta forma dizemos que os sabões, por serem sais, apresentam pelo menos um ponto de forte polarização em sua molécula. A Figura 1.4.1 e 1.4.2 apresentam a molécula de um sabão e a reação de saponificação de uma gordura. Observe o produto resultante: e a polaridade (zona marcada) características das moléculas de sabão. Figura 1.4.1 - Molécula de sabão - H H H H H H H H H H H | | | | | | | | | | | O H - C - C - C - C - C - C - C - C - C - C - C - C// | | | | | | | | | | | \ H H H H H H H H H H H [O-Na+ ] Laurato de sódio (um sabão) Fórmula mínima: C12H23O2Na Sabão: uma Substância com Característica Polar e Apolar 31 Figura 1.4.2 - Reação de saponificação O sal formado pela reação de saponificação possui característica básica, pois deriva de uma reação entre uma base forte e um ácido fraco (ácido graxo). Por esse motivo o sabão não atua muito bem em meios ácidos, nos quais ocorrerão reações que impedirão uma boa limpeza (ver unidade 2.2 - As diferenças entre sabões e detergentes). ATIVIDADES 01) Como deve ser a estrutura de uma molécula de sabão? 02) Que tipo de reação ocorre entre um ácido graxo e o hidróxido de sódio? 03) Na reação de saponificação, quem atua como base? E como ácido? 04) Escreva uma reação entre um éster do ácido oléico e o hidróxido de potássio (KOH). Quais são os produtos obtidos? 05) Em relação às ligações que seguem o modelo iônico, as ligações entre carbono e hidrogênio que enquadram-se mais dentro do modelo covalente podem ser consideradas polares ou apolares? Justifique. 06) O sal de cozinha (cloreto de sódio) dissolve-se em água? Quando presente em uma solução aquosa, ele aumenta a polaridade desta? Justifique. 07) Como poderemos separar os produtos obtidos da reação de saponificação (Figura 1.4.2 - lembre-se que esta reação ocorre em solução aquosa) ? H2C-OOC-C11H23 H2C-OH | | HC-OOC-C11H23 + 3NaOH ⇒ HC-OH + 3H3C-(CH2)10-COO-Na+ | | H 2C-OOC-C11H23 H2C-OH Gordura Soda Glicerina Sal sódico de Ácido graxo(Sabão) J Trabalhando a Química dos Sabões e Detergentes 32 08) A estrutura molecular do sabão é polar, apolar ou possui ambas características? Justifique. 09) Sabendo que as sujeiras estão, geralmente, fixas nos tecidos através de moléculas orgânicas apolares, proponha uma forma possível da molécula de sabão dissolvê-las e eliminá-las através da água. 10) Observe as reações A, B e C e responda as questões abaixo: A - B - C - a - Quais as similaridades entre as três reações? HCl + NaOH ⇒ NaCl + H2O Ácido Hidróxido Cloreto Água Clorídrico de Sódio de Sódio (HOH) H2C-O-C//-C11H23 H2C-OH O | O O | HC-O-C// -C11H23 + 3NaOH ⇒ 3H3C-(CH2)10 -C// + HC-OH | O \ | H2C-O-C// -C11H23 Soda O-Na+ H2C-OH Gordura Cáustica Laurato Glicerina de Sódio O O H3C-CH2-C// + NaOH ⇒ H3C-CH2-C// + H2O \ \ OH Hidróxido O- NA+ Água de Sódio Propanoato Ác. Propanóico de Sódio (H-OH) Sabão: Um Redutor da Tensão Superficial 35 do álcool etílico (etanol) e da água podem ser comparadas com base nas relações intermoleculares pois, estas substâncias são moleculares. As moléculas que constituem o sabão possuem característica polar e apolar (cadeia carbonada: parte apolar da molécula, extremidade -COO-Na+: parte polar). Estas moléculas, quando entram em contato com líquidos, polares ou apolares, dissolvem-se, interagindo com as moléculas deste líquido. Ocorre, então, uma redução do número de interações entre as moléculas do líquido dissolvente e, como conseqüência, reduz-se amplamente sua tensão superficial. Por esse motivo, sabões e detergentes são chamados de substâncias tensoativas. Como efeito, observa-se que quando colocamos sabão em água e agitamos a solução, forma-se espuma em sua superfície. OBSERVAÇÕES: Sabões alcalinos são mais eficientes que os próximos da neutralidade. Seu poder de limpeza é maior devido ao aumento de interações que realizam com as sujidades. Por outro lado, a alcalinidade excessiva torna-o impróprio para a utilização, devido a sua ação cáustica. O poder espumante de um sabão está ligado diretamente ao efeito detergente, mas a espuma nem sempre é sinal de poder de limpeza. Muitas vezes as indústrias de produção de sabões podem adicionar espessantes ao produto final. Essas substâncias reduzem mais ainda a tensão superficial produzida pelo sabão, aumentando, com isso, a produção de espuma. O contrário também é verificado, certos sabões recebem uma carga de aditivos que reduzem seu poder espumante (sabões em pó para máquinas de lavar roupa, por exemplo). ATIVIDADES 01) A água é uma substância polar. Quando colocamos sabão em água, qual a parte da molécula de sabão que interage com a água? Se agitarmos essa solução ocorrerá aparecimento de espuma. Poderíamos vincular este fenômeno ao processo de dissolução do sabão em água? O que ocorre com a tensão superficial da água? Esse fato está relacionado com a produção de espuma? Justifique. 02) O que é a espuma? 03) A gordura é formada por substâncias apolares. Quando adicionamos esta a uma solução de água e sabão, qual a parte da molécula de sabão que interage com a gordura? O que ocorre com a outra parte da molécula? Você acha que aparecerá espuma se agitarmos essa solução? Justifique. J Trabalhando a Química dos Sabões e Detergentes 36 04) Quais os tipos de interações que ocorrem entre as moléculas a) de água; b) de gordura; c) do sabão; d) de misturas sabão-água; e) de misturas água-gordura; f) de misturas água-gordura-sabão. 05) Com base no texto, justifique a diferença de tensão superficial dos três líquidos da Figura 1.5.1. Qual deles possui a maior e a menor tensão superficial? 06) Por que os sabões são chamados de tensoativos? EXPERIÊNCIA Procedimento 1: adicione a dois copos de 50 ml de água. Em um coloque sal até saturar a solução (marque-o). Adicione sabão aos dois copos. Agitar as duas soluções com uma colher. a - Qual das duas soluções formou maior quantidade de espuma? Justifique. b - A espuma ocorre devido ao efeito da redução da tensão superficial da solução. Quanto maior a quantidade de espuma menor será a tensão superficial? Justifique. Procedimento 2: passe óleo de soja sobre uma superfície e teste o poder de limpeza das duas soluções. a - Qual delas limpou melhor? Justifique. b - O sal influenciou no poder de limpeza da solução? Justifique. Procedimento 3: com um mesmo conta-gotas pingue em uma superfície limpa e lisa uma gota de água, uma de álcool e uma de óleo de soja (nesta ordem e eqüidistantes de uns 5 cm). I Explicando como o Sabão Exerce seu Poder de Limpeza 37 a - Qual delas esparramou-se mais? Qual terá interações intermoleculares mais fortes? b - Qual o motivo de usarmos o mesmo conta-gotas? 1.6 EXPLICANDO COMO O S A BÃO EXERCE SEU PODER DE LIMPEZA Como já foi visto, a molécula que constitui o sabão pertence à função química sal; logo, possui pelo menos uma ligação com característica tipicamente iônica, e, portanto, polar. Essa polaridade, bem como o tamanho da cadeia carbonada apolar, possibilita que o sabão se dissolva em substâncias polares e apolares e até mesmo em ambas simultaneamente. É essa propriedade que atribui ao sabão seu poder de limpeza. Observe os desenhos á seguir, que demonstram como atua o sabão nas sujidades. Superfície com sujidades. Trabalhando a Química dos Sabões e Detergentes 40 Ocorre a formação de micelas solíveis em água e dessa forma pode-se eliminar a sujeira da superfície. Observe que, quando realizamos a limpeza de uma superfície, auxiliamos a atuação do sabão ao esfregarmos a superfície. ∗ Figura 1.6.1 - Representação Ampliada de uma Micela ATIVIDADES 01) Por que não se fala em sabão ácido? 02) Por que um sabão alcalino deve limpar melhor que um sabão neutro? ∗ Figuras adaptadas do livro “Unidades Modulares para o Ensino de Química “ - Ambrogi, A. et alii. Hamburg, São Paulo, 1987. J Biodegrabilidade do Sabão 41 03) São comuns anúncios de xampus e de sabonetes (principalmente infantis) que oferecem produtos neutros. Poderíamos julgar esse tipo de comercial como “propaganda enganosa”? 04) As micelas são solúveis em água? Por quê? 05)Observe a Figura 1.6.1 e tente criar, com base nessa Figura, uma regra geral para a solubilidade. 06) Por que o sabão, quando em solução aquosa, faz espuma? 07) De que é formada a espuma? E a “bolha de sabão”? Existe alguma relação com a tensão superficial? 08) Se fizermos borbulhar ar dentro de um copo com uma solução de água e sabão, ocorrerá a formação de espuma. Se utilizarmos uma solução de sabão e álcool etílico, também ocorrerá a formação de espumas? Justifique. Obs: Faça o teste borbulhando ar dentro de uma solução de álcool etílico e sabão. 09) Se adicionarmos ao sabão produtos espessantes, o que ocorrerá com seu poder de limpeza? E com a quantidade de espuma? O espessante possui poder de limpeza? Um espessante comumente usado como aditivo alimentar é o agar-agar (a gelatina também é um espessante). Experimente adicioná-lo a uma solução aquosa de sabão. Agite e observe a formação de espuma (se não tiver agar-agar, use gelatina). Compare com a espuma formada por uma solução de água e sabão de mesma concentração. Qual o resultado? 1.7 BIODEGRADABILIDADE DO SABÃO O sabão é um produto biodegradável, o que significa dizer que é uma substância que pode ser degradada pela natureza. Essa possibilidade de degradação das moléculas formadoras do sabão muitas vezes é confundida com o fato do produto ser poluente ou não. Ser biodegradável não indica que um produto não causa danos ao ecossistema, mas sim, que o mesmo é decomposto por microorganismos (geralmente bactérias aeróbicas), aos quais serve de alimento, com facilidade e num curto espaço de tempo. Trabalhando a Química dos Sabões e Detergentes 42 Dependendo do meio, a degradabilidade das moléculas de sabão ocorrem em curto espaço de tempo (± 24 horas). A não existência de ramificações nas estruturas das cadeias carbonadas facilitam amplamente a degradação realizada pelos microorganismos. O sabão pode tornar-se um poluidor, basta observar que após a utilização o eliminamos na água, junto com a sujeira. Essa mistura vai para o esgoto e, como é muito comum, este, acaba desaguando diretamente nos rios, lagos ou oceanos, sem prévio tratamento. É nesse meio que a mistura sabão-sujidades pode tornar-se poluidora. Este fato gera a eutrofização das águas, isto é, torna-as férteis ao aumento de culturas bacterianas. Vários microorganismos, patológicos ou não, alimentam-se da mistura de sabão e matéria orgânica. Se ocorrer abundância destes compostos, eles se proliferarão com maior facilidade. Como grande parte desses organismos necessitam de oxigênio para sobreviver, acabam reduzindo a quantidade do mesmo que está dissolvida em água, e que, conseqüentemente, leva os microorganismos aeróbicos à morte. A partir deste momento, a degradação é realizada, com maior intensidade, por bactérias anaeróbicas13 que, ao invés de produzirem CO2 (dióxido de carbono) e H2O (água) como produtos finais, formarão CH4 (metano), H2S (ácido sulfídrico) e NH3 (amônia), que são mais tóxicos e prejudiciais ao meio ambiente. Outra forma pela qual o sabão contribui para o aumento da poluição ocorre quando há formação exagerada de espumas nas superfície dos rios e lagos. A camada de espuma encobre a superfície, impedindo a penetração dos raios solares e a interação da atmosfera com a água. Esta obstrução é mais evidente em rios cuja vazão é pequena e as águas, agitadas. Nesses casos, leva plantas aquáticas e peixes à morte. Este fato, além de prejudicial à natureza, torna mais difícil e dispendioso o tratamento da água para consumo humano. Por sorte o sabão é suficientemente biodegradável para que este fato não ocorra somente por sua utilização. Atualmente os maiores causadores deste tipo de poluição são os detergentes não-biodegradáveis. Neste caso, o sabão é um mero auxiliar. A legislação brasileira atual proíbe tanto a produção como a comercialização de detergentes não-biodegradáveis, evitando, assim, este tipo de poluição (ver unidade 2.0 - A Biodegradabilidade dos Detergentes). 13 Organismo vegetal constituído por uma única célula e que não utiliza oxigênio livre (O2) para respiração. A Biodegrabilidade dos Detergentes 45 02) Que reação poderá ocorrer quando o sabão entrar em contato com uma água que possui cátions cálcio? Se a água contiver cátions magnésio, essa reação ocorrerá? E se tivermos a presença de magnésio metálico? Justifique. 03) O sabão fará espuma em água dura? Justifique. 04) Observando a Tabela periódica dos elementos, tente explicar por que o cálcio e o magnésio possuem semellhanças em alguns tipos de reações. 05) O que você poderia esperar da relação de uma solução aquosa com estrôncio ou bário a que se adiciona sabão? O sabão precipitaria como um sal de estrôncio ou de bário? Justifique. 1.9 OS DETERGENTES Os detergentes são, assim como os sabões, substâncias que reduzem a tensão superficial de um líquido, sendo assim, estes compostos são, também, considerados tensoativos. Os detergentes são produtos sintéticos produzidos a partir de derivados do petróleo. Estes compostos começaram a ser produzidos comercialmente a partir da Segunda Guerra Mundial devido à escassez de óleos e gorduras necessárias para a fabricação de sabões. Nos Estados Unidos, já no ano de 1953, o consumo de detergentes superava o de sabões. 2.0 A BIODEGRADABILIDADE DOS DETERGENTES Os primeiros detergentes produzidos apresentavam problemas com relação à degradação pelo meio ambiente, tornando-se altamente poluidores, pois permaneciam nas águas de rios, lagos, etc. por um período muito grande. Neste caso, devido à permanente agitação das águas, causavam a formação de muita espuma, cobrindo a superfície de rios, estações de tratamento e redes de esgoto. Trabalhando a Química dos Sabões e Detergentes 46 Nesse período, a base para a fabricação dos detergentes era o propeno14 (Figura 2.0.1), um gás incolor obtido, principalmente, do “cracking” da nafta (produto da destilação do petróleo). A utilização deste composto na fabricação de detergentes originava tensoativos com cadeias ramificadas15 e, portanto, de difícil degradação pelas bactérias. Assim sendo, os problemas causados por estes detergentes estavam relacionados às estruturas de suas moléculas. Observe, na Figura 2.0.1, a estrutura de um tipo de detergente largamente utilizado nos Estados Unidos no período anterior a 1965. Figura 2.0.1 - Estrutura do alquil benzeno sulfonato de sódio e do propeno Compostos com o alquil benzeno sulfonato de sódio, apresentado na Figura 2.0.1, foram proibidos em todos os países industrializados a partir de 1965. Observe a existência de metilas (-CH3 ) que partem da cadeia principal e formam as ramificações. É justamente a existência destas que dificulta a degradação da molécula. Devido a esse fato, esse tipo de detergente foi, com o passar do tempo, sendo substituído por outros que possuíam maior degradabilidade. No Brasil, produtos como o representado na Figura 2.0.1 continuaram à venda por tempo maior que nos países industrializados. A legislação brasileira envolvendo controle de poluição causada por detergentes nos cursos de água só foi promulgada no dia 15 de Janeiro de 1976, onze anos após a proibição da utilização destes produtos na Europa e nos Estados Unidos. A legislação contida na portaria número 13 da 14 Atualmente o propeno, ou propileno, é muito utilizado na fabricação de polipropileno, um plástico transparente com características semelhantes às do polietileno 15 Cadeias que possuem radicais carbônicos adjacentes (ramos). Como exemplos de radicais temos: -CH3 (metila) -CH2 CH3 (etila) -CH2 CH2 CH3 (propila) A Biodegrabilidade dos Detergentes 47 Secretaria Especial do Meio Ambiente proibia a existência de espumas sintéticas em águas de todas as classes. Conforme essa portaria: “...as espumas não-naturais devem estar ausentes em águas de todas as classes, independentemente de sua utilização: abastecimento doméstico, irrigação de hortaliças ou plantas frutíferas, recreação, preservação de peixes, navegação ou abastecimento industrial.” No dia 5 de Janeiro de 1977 o Ministério da Saúde decretou um prazo de quatro anos para que as empresas de produtos de limpeza fabricassem apenas produtos biodegradáveis, ou seja, até o início do ano de 1981. A seguir está o artigo 68 deste decreto. “ . . . den t ro de qua t ro anos , f i ca p ro ib ida a f ab r i cação , comercialização ou importação de saneantes de qualquer natureza, contendo tensoativo aniônico, não biodegradável.” Esse decreto foi amplamente criticado pelas indústrias produtoras de detergentes, em geral multinacionais que, em seus países de origem, produziam detergentes biodegradáveis. Os principais fabricantes de produtos de limpeza do Brasil, como a Orniex, Gessy-Lever, Henkel e Colgate-Palmolive, chegaram a pedir ao governo mais quatro anos para se adequarem ao novo sistema produtivo. No final do ano de 1980, dos detergentes produzidos e consumidos no Brasil, 80% ainda eram não biodegradáveis. A Figura 2.0.2 mostra um tipo de detergente biodegradável. Figura 2 .0 .2 - Est rutura do a lqui l benzeno sulfonato de sódio linear C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H H H SO 3 - Na + C CH 3 Trabalhando a Química dos Sabões e Detergentes 50 11) Observe as representações abaixo e diga quais compostos possuem ramificações e quais não possuem (circule a ramificação). Classifique os carbonos em função do número de ligações carbono-carbono. 1 - H 2 - CH3 3 - H2C = C - CH3 | | | H - C - H H3C - CH2 CH3 | H Metano Propano 2 - metil-propeno 4 - H3C - CH2 - CH2 5 - CH3 | | CH2- CH3 H3C - C - CH3 | CH3 Pentano 2 - dimetil-propano 12) Qual é a importância de saber se uma cadeia é ramificada ou normal? 13) Observe as fórmulas apresentadas a seguir e responda às questões: OH OH | | H3C - CH - CH3 H3C - CH2 H3C - O - CH3 Propanol-2 Etanol Éter dimetílico a - Considerando que por definição são consideradas ramificações apenas radicais carbônicos ligados à cadeia principal, poderemos considerar a hidroxila como ramificação? Justifique. b - Sabendo que uma cadeia principal homogênea é aquela que possui apenas átomos de carbono em sua constituição, qual (is) dos compostos acima possui cadeia homogênea? O que seria uma cadeia heterogênea? As Similaridades entre Sabões e Detergentes 51 2.1 AS SIMILARIDADES ENTRE SABÕES E DETERGENTES Nesta unidade serão feitas três tipos de avaliação com relação às semelhanças existentes entre sabões e detergentes. Primeiramente, trabalharemos as semelhanças da utilização e da degradação dos dois compostos. Em segundo lugar, verificaremos suas semelhanças químicas e estruturais e, por último, as similaridades na forma de atuação nas sujidades. Semelhanças de ordem funcional Tanto sabões quanto detergentes pertencem a um mesmo grupo de substâncias químicas - os tensoativos. Assim sendo, os dois produtos são redutores de tensão superficial e possuem a característica comum de, quando em solução e submetidos à agitação, produzirem espuma. Por esse motivo, ambos são utilizados para limpeza. Semelhanças de ordem estrutural da molécula Quanto às características de estrutura molecular, as similaridades se repetem. Tanto sabões quanto detergentes possuem, pelo menos, um ponto de polaridade na molécula (observe as estruturas mostradas nas Figuras 2.0.1 e 1.4.1), o que os coloca em outra classificação química comum - ambos são sais. É comum também o fato de possuírem característica polar e apolar na mesma molécula. Ambas as estruturas possuem, como parte apolar da molécula, grandes cadeias carbonadas (mais de 8 carbonos). A facilidade de degradação também tem motivo comum: cadeia carbônica linear. Forma de atuação Já que ditos compostos possuem várias características comuns, é de se esperar que os dois atuem de forma igual, ou semelhante, com relação à forma de limpar, o que, de fato, ocorre. As moléculas de detergente, por apresentarem várias características comuns com as do sabão, atuam de forma similar àquela apresentada nos desenhos da unidade 1.6. É devido a essa característica comum que estes dois compostos receberam, dentro da classificação dos tensoativos, o nome de tensoativos aniônicos. Trabalhando a Química dos Sabões e Detergentes 52 ATIVIDADES 01) A nível microscópico, quais são as principais semelhanças entre sabões e detergentes? (Observe as estruturas apresentadas nas Figuras 1.4.1 e 2..0.2). E as diferenças? 02) Quais são as semelhanças entre os sabões e detergentes quanto à forma de eliminar a sujeira? 03) Justifique o fato dos sabões e detergentes serem considerados tensoativos aniônicos. 04) Sendo a gordura uma substância apolar e a água uma substância polar, justifique a existência de grupamentos polares e apolares na molécula dos tensoativos. 05) Por que sabões e detergentes são considerados sais? 06) Após a agitação de uma solução de água e detergente qual, o efeito verificado? Qual seu significado? Se colocássemos sabão, o efeito seria o mesmo? Justifique. 07) Qual a finalidade da produção de detergentes? 2.2 DIFERENÇAS ENTRE SABÕES E DETERGENTES As diferenças encontradas entre os sabões e detergentes situam-se, principalmente, em sua forma de atuar em águas duras e águas ácidas. Os detergentes, nessas águas, não perdem sua ação tensoativa, enquanto que os sabões, nesses casos, reduzem grandemente e até podem perder seu poder de limpeza. Os sais formados pelas reações dos detergentes com os íons cálcio e magnésio, encontrados em águas duras, não são completamente insolúveis em água, o que permite ao tensoativo sua permanência na solução e sua possibilidade de ação. Em presença de águas ácidas, os detergentes são menos afetados pois possuem também caráter ácido e, novamente, o produto formado não é completamente insolúvel em água, permanecendo, devido ao equilíbrio das reações químicas, em solução e mantendo sua ação de limpeza. As Figuras 2.2.1 à 2.2.4 apresentam as reações que podem ocorrer com sabões e detergentes, em presença de águas ácidas ou duras. J A Produção de Detergentes 55 - Papel indicador universal; - Sabão; - Detergente; - Óxido de cálcio (cal). Procedimento: Coloque água até a metade nos quatro tubos e marque-os com números de 1 a 4. Nos dois últimos (3 e 4) adicione uma pitada de óxido de cálcio. Nos tubos 1 e 3 adicione um pedaço pequeno de sabão e procure dissolvê- lo sob agitação. Nos tubos 2 e 4 adicione 4 gotas de detergente e agite. Com um papel indicador verifique o pH de cada solução. ATIVIDADES 01) O que foi observado após a agitação dos tubos 1 e 3? A adição da cal alterou a atuação do sabão? 02) O que foi observado após a agitação dos tubos 2 e 4? A adição de cal alterou a atuação do detergente? 03) A água com cal pode ser considerada água dura? 04) Compare a espuma formada nos tubos 3 e 4 e justifique a diferença. Faça o mesmo com relação aos tubos 1 e 2. 2.3 A PRODUÇÃO DE DETERGENTES Entre outros métodos os detergentes podem ser produzidos por reações de sulfonação de alcanos16 de cadeia longa. As Figuras 2.3.1 e 2.3.2 apresentam estas reações. 16 São hidrocarbonetos que possuem somente carbonos saturados (apenas com ligações simples) em sua molécula. São encontrados em grande quantidade no petróleo e no xisto betuminoso. Ex: gás propano, um dos componentes do gás de cozinha, cuja fórmula está representada a seguir: H3C-CH2-CH3 J Trabalhando a Química dos Sabões e Detergentes 56 Figura 2.3.1 - Reação de sulfonação de alcanos de cadeia longa. Primeira fase para obtenção de um detergente aniônico. Figura 2.3.2 - Reação de neutralização. Obtenção de detergente. Outra forma de obtenção detergentes é através de reações a partir de alcenos e álcoois17 de cadeia longa. As Figuras 2.3.3 e 2.3.6 apresentam estas reações. Síntese de Friedel - Crafts 3C12H25OH + PCl3 ⇒ 3C12H25Cl + P(OH)3 Álcool Cloreto de Haleto Hidróxido de Fósforo III Fósforo III Figura2.3.3 - Obtenção de haleto a partir de álcool de cadeia longa. 17 São substâncias orgânicas que possuem um ou mais grupos oxidrila (ou hidroxila - OH) em sua molécula. Ex: etanol - princípio ativo de bebidas alcoólicas: H3C-CH2-OH H H H H H H H H H H H HH H H H H H H H | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | H-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-H ⇒ H-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-SO3H + H2O | | | | | | | | | | H2SO4 | | | | | | | | | | H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H Decano Ácido decano sulfônico H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | H-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-SO3H ⇒ H-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-SO3Na+H2O | | | | | | | | | | NaOH | | | | | | | | | | H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H Ácido decano sulfônico Decil- sulfonato de sódio (detergente) A Produção de Detergentes 57 Figura 2.3.4 - Obtenção do dodecil benzeno através de uma reação de substituição no anel aromático Figura 2.3.5 - Formação do ácido benzeno sulfônico Figura 2.3.6 - Reação de formação de um detergente. ATIVIDADES 01) A partir de que compostos poderemos obter detergentes? 02) Radicais ativadores ligados ao anel aromático orientam entrada de outros radicais nas posições orto e para e desativadores orientam a entrada na posição meta (pesquise em algum livro de química orgânica). a - A cadeia carbônica (-C11H23) é orientador meta ou orto/para (observe Figura 2.3.5)? Este composto é um ativador ou um desativador? b - Poderá se formar outro composto na reação 2.3.5. Qual será este composto? + C 1 2 H 2 3 C l C 1 2 H 2 3 + H C l Benzeno Haleto Dodecil Benzeno Ácido Clorídrico C 1 2 H 2 3 H 2 S O 4 S O 3 + C 1 2 H 2 3 S O 3 H Dodecil Benzeno Ácido Dodecilbenzeno Sulfônico C 1 2 H 2 3 S O 3 H N a O H + N a C 1 2 H 2 3 S O 3 Ácido Dodecilbenzeno pDodecilbenzeno Sulfônico Sulfonato de Sódio (Detergente) J Trabalhando a Química dos Sabões e Detergentes 60 2 . 4 A D I T I V O S C O M U N S E N C O N T R A D O S E M S A B Õ E S E DETERGENTES A maioria dos produtos de limpeza possui aditivos que melhoram sua eficácia ou reduzem seu custo. Agentes quelantes19, como os fosfatos, aparecem praticamente em todas as fórmulas de produtos de limpeza. Estes compostos retiram íons de metais que estão presentes na água e que podem reduzir a ação do sabão ou detergente como os íons cálcio e magnésio, componentes que tornam a água dura (ver unidade 2.3) e prejudicam a ação dos tensoativos aniônicos (sabões e detergentes). Existem outras substâncias que auxiliam na eliminação da dureza das águas. Poderíamos classificar estes eliminadores em dois grupos: quelantes e precipitantes20. 1 - Agentes quelantes: trifosfatos e boratos. 2 - Precipitantes: carbonatos, silicatos e metassilicatos. O carbonato de sódio (Na2CO3) e o bicarbonato de sódio (NaHCO3) podem ser utilizados para corrigir o pH dos detergentes neutralizando sua acidez natural. Fosfatos como o trifosfato de sódio (Na5P3O10) também auxiliam na redução da acidez da água. Produtos muito utilizados como aditivos para eliminar odores desagradáveis e como anti-sépticos são o bórax (tetraborato de sódio hidratado - Na2B4O7.H2O) e o óxido de zinco (ZnO). Outros boratos como o perborato de sódio são utilizados como alvejantes. A ação alvejante é causada pela formação do oxigênio ativo, que o perborato libera em soluções alcalinas ou em presença de ativadores. A representação desta reação está na Figura 2.4.2. 19 A expressão quelato vem do grego e quer dizer caranguejo. Compostos quelantes recebem este nome porque agem como estes animais. Estas substâncias possuem centros doadores ou receptores de elétrons que atuam como as pinças de um caranguejo, capturando e retirando da solução íons indesejáveis. Os complexos formados são estáveis e geralmente solúveis em água. Abaixo está a forma de um quelato largamente utilizado na indústria alimentícia. HOOC-CH2 CH2-COOH EDTA \ / N-CH2- CH2-N ( ácido etilenodiaminotetracético) / \ HOOC-CH2 CH2-COOH Figura 2.4.1 - Um agente quelante 20 Compostos que reagem com os íons indesejáveis da solução formando sais insolúveis. Aditivos Comuns Encontrados em Sabões e Detergentes 61 Em determinados produtos, principalmente sabões em pó para máquinas de lavar roupa, são encontrados clarificantes ópticos que são corantes que absorvem luz ultravioleta (de 3-5% da luz solar), emitindo luz fluorescente azul. Através da luz azul, a cor amarela é eliminada pelas cores complementares que se formarão, já que a cor resulta , para o olho humano, do somatório das luzes fluorescentes refletidas. Desta forma não enxergamos mais o amarelado, mas a cor que resulta da absorção do corante do tecido. Outro artifício utilizado para retirar manchas é a utilização de enzimas. As enzimas são proteínas que catalisam reações específicas, auxiliando assim a eliminação de substâncias indesejáveis que causam as manchas (gorduras, corantes orgânicos, etc.) Em geral utilizam-se enzimas chamadas porteases de serina. Na Tabela 2.4.1 está a formulação genérica de um sabão em pó para máquinas de lavar roupas. Figura 2.4.1 - Formação do oxigênio ativo ([O]) a partir do perborato de sódio Tabela 2.4.1 - Composição média de um sabão em pó para máquinas de lavar roupas. Componentes Quantidade Sabão 2 - 4 % Tensoativo Aniônico∗ 5 - 8 % Tensoativo Não-Iônico 2 - 4 % Trifosfato 20 - 40 % Silicato 2 - 8 % Perborato 18 - 28 % ∗ Neste caso, refere-se a detergentes como o alquil benzeno sulfonato de sódio. OH O-O OH \ / \ / H2O Na+ B B Na+ ⇒ 2H2O2 + 2Na+ + 2H2BO3- / \ / \ Água OH O-O OH Oxigenada Perborato de Sódio H2O2 + OH- ⇔ H2O + HO2- ⇒ OH- + [O] Oxidante Trabalhando a Química dos Sabões e Detergentes 62 Corante 0 - 0,3 % Enzimas 0 - 1 % Perfume 0,1 - 0,2 % Estabilizante 0,2 % Água 5 % FONTE: SCHVARTSMAN, S. - Produtos Químicos de uso Domiciliar, São Paulo, Almed, 1988. Os fosfatos são os aditivos presentes em maior percentual na composição dos detergentes (observe o exemplo mostrado na Tabela 2.4.1). Estes compostos, apesar de aumentarem a eficácia, baratearem o custo do produto final e serem atóxicos, são, dentre os aditivos utilizados na fabricação dos sabões e detergentes, os que causam maiores problemas ao meio ambiente. Os fosfatos atuam nos mananciais como um verdadeiro adubo que plantas aquáticas e algas utilizam para seu desenvolvimento. A excessiva reprodução destas plantas causa uma eutrofização das águas. ATIVIDADES 01) Por que se coloca aditivos nos sabões e detergentes? 02) Qual a diferença entre quelante e precipitante? Qual a função destes aditivos? 03) A adição de carbono ou bicarbonato a uma solução modifica seu pH. Justifique. Justifique a afirmação acima. 04) Qual é a função do alvejante? 05) No Brasil, os alvejantes mais utilizados são as soluções de hipoclorito de sódio. Abaixo estão as reações que o hipoclorito faz quando em solução aquosa: a - Por que soluções de hipoclorito e água são chamadas de águas sanitárias? J 2NaClO ⇒ Cl2 + Na2O + ½ O2 Cl2 + H2O ⇒ HClO + HCl HClO ⇒ H+ + ClO- (composto oxidante) Tensoativos: uma Nova Classificação 65 Os tensoativos catiônicos não são compatíveis com os aniônicos quando se deseja um produto de limpeza. Ao formarem parte da composição de um mesmo detergente, irão interagir e anularão a parte hidrófila perdendo a função de limpeza. A reação entre os dois compostos irá originar tensoativos anfóteros. 2.5.3 - Tensoativos Não-Iônicos Os tensoativos não iônicos não apresentam radicais com cargas elétricas, interagindo com as moléculas de água por meio de pontes de hidrogênio. São obtidos a partir de alguns álcoois de cadeia longa ou fenóis alquilados em reações com epóxidos (Figura 2.5.3). São, junto com os tensoativos aniônicos, os mais adequados para a remoção de sujeira por lavagem, pois, na água, tanto a superfície das fibras do tecido como as partículas de sujeira são, em geral, carregadas negativamente. Os tensoativos não-iônicos , por não reagirem com as sujidades, ficam mais “livres “para interargir com os grupos de hidrofóbicos formadores da sujeira. Isto é uma vantagem em relação aos tensoativos catiônicos, os quais são facilmente removidos do meio aquoso por reagirem com grupamentos hidrófilos das sujidades que apresentam cargas negativas. Assim, interagem pouco com os grupos hidrofóbicos das moléculas formadoras das sujeiras. Podem ainda ocorrer interações do tensoativo catiônico com as cargas negativas das fibras dos tecidos, ficando ele aderido e dando a impressão de que o tecido continua sujo. Figura 2.5.3 - Reação de obtenção de um tensoativo não iônico. . Estes tensoativos são mais utilizados em produtos cosméticos devido ao seu elevado custo de produção. 2.5.4 - Tensoativo Anfótero São tensoativos que possuem, na mesma molécula, grupos hidrófilos positivo e negativo. Sua estrutura possui, geralmente, um ânion carboxilato ligado a uma amina ou cátion quaternário de amônio. Estes tensoativos possuem crescente aplicação em xampus e cremes cosméticos. A Figura 2.5.4 mostra a estrutura de um tensoativo anfótero. H3C-(CH2)10-CH2-OH + 8H2C - CH2 ⇒ H3C-(CH2)10CH2(OCH2CH2)8OH \ / Lauril Álcool O Etoxilato (Poléter) Epóxido Molécula Solúvel em Água Trabalhando a Química dos Sabões e Detergentes 66 Figura 2.5.4 - Tensoativo anfótero . ATIVIDADES 01) A qual tipo de tensoativos pertencem o sabão e o detergente comum? Justifique. 02) O que é tensoativo aniônico? Por que ele é chamado assim? 03) O que é um grupamento hidrofílico? 04) A molécula de água é polar, na qual existem regiões positivas próximas aos hidrogênios e regiões negativas próximas ao oxigênio. Observe a fórmula abaixo: Sendo assim, as moléculas de água formam pólos, nos quais os hidrogênios são os pólos positivos e o oxigênio é o pólo negativo. a) Sendo a água polar, com quem deverá interagir a parte hidrófila do tensoativo aniônico? E do tensoativo catiônico? b ) J ustifique a polaridade da água utilizando conhecimentos de eletronegatividade e eletropositividade. 05) Qual é a principal característica dos tensoativos catiônicos? Por que eles são chamados assim? 06) Quais são as utilizações para os tensoativos catiônicos? 07) Justifique o fato do tensoativo aniônico e catiônico serem incompatíveis. 08) Quais as diferenças entre tensoativos não-iônicos e aniônicos? E catiônicos? H 3 C (CH 2 ) 14 COO N (CH 2 CH 2 OH) 3 H + Palmitato de Trietanolamina (um Tensoativo Anfótero) Ânion Carboxilato Quaternário de Amônio J O H H + -δ δ δ + A Toxidade dos Tensoativos 67 09) Quais as principais utilizações dos tensoativos não-iônicos? 10) Como os tensoativos não-iônicos interagem com a água? 11) Por que os tensoativos não-iônicos são muito adequados para a remoção de sujidades? 12) Qual a principal característica do tensoativo anfótero? 13) Qual a relação entre o tensoativo anfótero e os tensoativos catiônicos e aniônicos? 14) Por que o tensoativo anfótero não é adequado para a eliminação das sujidades? 15) Quais as utilizações para os tensoativos anfóteros? 2.6 A TOXIDADE DOS TENSOATIVOS Embora não pareça, os sabões e detergentes possuem um grau de toxicidade que, apesar de baixo, pode tornar-se grave, dependendo do grau de intoxicação e do tipo de produto que a causa. Os sabões, se forem excessivamente alcalinos, irritam a pele. Se o uso for contínuo, pode, inclusive, causar dermatites18. O contato prolongado do sabão com a mucosa ocular pode determinar lesões relativamente graves, e a sua ingestão pode causar distúrbios como vômitos, cólicas abdominais e diarréia. Os tensoativos aniônicos como o lauril benzeno sulfonato linear são mais tóxicos que os sabões, a DL50 19 deste composto, em experiências utilizando ratos, por ingestão via oral, é de 800-300 mg de detergente por quilograma de cobaia. Os detergentes aniônicos, assim como os sabões, podem causar dermatites e irritam a mucosa ocular com maior facilidade. Os sintomas de ingestão são determinados por surgimento de náuseas seguidas por vômitos, cólicas abdominais e diarréia. A ingestão, para seres humanos, entre 0,1 e 1 grama por quilograma de massa não causa efeitos tóxicos. Dentre os surfactantes catiônicos existem alguns com grau de toxicidade r e l a t i v a m e n t e g r a n d e p a r a e s t e s t i p o s d e p r o d u t o . O C l o r e t o d e Dimetildiestearilamônio possui DL50, em testes realizados com ratos por via oral, 18 Inflamação da pele, sinônimo de dermite. 19 Dose letal 50 = DL50 = dose de uma substância capaz de levar à morte 50% da população. Trabalhando a Química dos Sabões e Detergentes 70 Tabela 2.7.1 - Composição de farelo de soja Fonte : COSMETICS & TOILETRIES - Jan. / Fev. de 1993. Se reagirmos o óleo de soja (contém ácido graxo) com os aminoácidos obtidos da hidrólise teremos tensoativos não-iônicos. Com isso aproveita-se o farelo e o óleo de soja. Observe a Figura 2.7.3. Na Tabela 2.7.2 está a comparação do poder de detergência de uma solução do produto obtido frente ao lauril sulfato de sódio (LSS) em teste padrão de lavagem de lã bruta. Figura 2.7.3 - Obtenção do tensoativo não-iônico Aminoácido Percentual ( % ) Ac. Glutâmico 18,4 Arginina 7,5 Isoleucina 5,3 Treonina 3,9 Histidina 2,3 Metionina 1,4 Leucina 8,1 Lisina 6,7 Valina 5,4 Fenilalanina 5,2 Triptofano 1,6 Resíduo 34,2 O O // condensação // R-C + H2N-CH-R1 R-C + H2O \ | catalisada \ OH COOH NH-CH-R1 ÁC. GRAXO AMINOÁCIDO | R : e R1 : radicais orgânicos COOH TENSOATIVO NÃO-IÔNICO Tensoativos Resolvendo Problemas Ecológicos 71 Tabela 2.7.2 - Comparação entre LSS e tensoativos de soja PERDA DE SUJIDADES LSS TENSOATIVO DE SOJA 1,38 gramas 1,47 gramas ALTURA DA ESPUMA (mm) LSS TENSOATIVO DE SOJA Inicial 165 170 Após 1 Hora 5 150 CUSTOS LSS TENSOATIVO DE SOJA U$ 3,00 por Kg U$ 1,00 por Kg Fonte :: COSMETICS & TOILETRIES - JAN. / FEV. - 1993. O tensoativo de soja demonstrou ser biodegradável em 24 horas. Este fato vem reforçar a idéia de que poderemos interagir com o meio ambiente sem destruí-lo e é para isso que devem servir as pesquisas e baseados nessa ideologia que devem trabalhar os pesquisadores. ATIVIDADES 01) Qual é o principal fator que leva a indústria a realizar pesquisas sobre tensoativos? 02) Quais são as duas soluções que podem ser obtidas do grão de soja? Onde são utilizadas do grão de soja? Onde são utilizadas estas soluções? Como são obtidas? 03) Por que a pesquisa feita pelos técnicos da QUIMASA deu origem a um produto muito mais barato? Se fosse em outro país, o preço seria o mesmo? 04) O que são aminoácidos e qual sua importância para o organismo? 05) Como se obtém o tensoativo não-iônico de soja? 06) Quais as vantagens do tensoativo de soja? Quais as desvantagens? 07) Qual é a importância deste tipo de pesquisa? J Trabalhando a Química dos Sabões e Detergentes 72 2.8. BIBLIOGRAFIA ABC Gerchichte der Chemie. VEB Deustcher Verlag für Grundstoffindustrie.. Leipzig/DDR, 1989. AMBROGI, A et alii. Unidades Modulares de Química. São Paulo, Hamburg, 1987. BONTEMPO, M. Relatório Orion. Porto Alegre, L&PM, 1985. CHEMISTRY IN EVERYDAY LIFE, Oxford, 1989. CORREIO DO POVO - Multinacionais alegam que prazo é pequeno. 20 de .julho de 1980 CORREIO DO POVO - Fim das espumas, mas não do perigo. 20 de julho de 1980. COSTABILE, J.A. Tensoativos Resolvendo Problemas Ecológicos (Química Nacional QUIMASA) - Cosmetic & Toiletries - Jan./Fev. 1993. ENCYCLOPEDIA BRITANNICA - Encyclopédia Britannica, Londres, 1952. ENCYCLOPEDIA OF CHEMICAL TECNOLOGY - Wi ley - New York: Interscience Publication, 1983. vol. 21 FELICIO, E.C. & PINHEIRO, P.C. - Sobre a atividade com o sabão de cinzas na escola de primeiro grau. Divulgado na Quadragésima Reunião Anual da SBPC, 1989. FELTRE, R. Química. São Paulo, Moderna, 1992. vol. 3 GRAN ENCICLOPEDIA DE QUÍMICA INDUSTRIAL. Barcelona, Imprenta de la Casa Provincial de Caridad, 1956.