Phản ứng xà phòng hóa: Định nghĩa. cơ chế và giải bài tập

Phản ứng màu xà phòng hóa là một quá trình hóa học phổ biến được sử dụng để phát hiện sự có mặt của chất béo và dầu trong mẫu, đặc biệt là trong mẫu thực phẩm và mỹ phẩm. Trong nội dung bài viết sau yeuhoahoc.edu.vn sẽ bật mí cho các bạn tất cả và chi chiết nhất về phản ứng xà phòng hoá qua đó hướng dẫn cách giải bài tập. 

Định nghĩa

Phản ứng màu xà phòng hóa là một phản ứng hóa học giữa chất béo và kiềm (xà phòng) trong môi trường kiềm để tạo ra các sản phẩm phản ứng có màu. Trong phản ứng này, các liên kết este trong chất béo phân cắt bởi kiềm, tạo ra các muối của axit béo và glycerol.

Tầm quan trọng của phản ứng xà phòng hóa

Phản ứng xà phòng hóa đóng vai trò vô cùng quan trọng trong đời sống con người với nhiều ứng dụng thiết thực trong các lĩnh vực:

Sản xuất xà phòng và chất tẩy rửa: Đây là ứng dụng trực tiếp và cổ điển nhất của phản ứng xà phòng hóa. Xà phòng và chất tẩy rửa là sản phẩm không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày, giúp duy trì vệ sinh cá nhân và sạch sẽ cho các bề mặt, đồ dùng trong gia đình.

Bảo vệ môi trường: Phản ứng xà phòng hóa giúp chuyển đổi chất béo, dầu mỡ từ chất thải công nghiệp và sinh hoạt thành sản phẩm có ích, giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Quá trình này cũng giúp xử lý nước thải hiệu quả, loại bỏ chất béo và dầu mỡ, giảm nguy cơ tắc nghẽn hệ thống thoát nước và ô nhiễm nguồn nước.

Ngành công nghiệp hóa mỹ phẩm: Glycerol, một sản phẩm phụ của phản ứng xà phòng hóa, được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp mỹ phẩm với vai trò là chất giữ ẩm, làm mềm da. Glycerol giúp tăng cường độ ẩm cho da, làm cho sản phẩm mỹ phẩm an toàn và hiệu quả hơn.

Sản xuất biodiesel: Phản ứng xà phòng hóa cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc sản xuất biodiesel, một nguồn năng lượng tái tạo, hỗ trợ giảm sự dựa vào nhiên liệu hóa thạch và giảm lượng khí thải carbon.

Phát triển sản phẩm dược phẩm: Glycerol từ phản ứng xà phòng hóa được sử dụng trong nhiều loại thuốc và sản phẩm dược phẩm khác nhau như chất làm mềm, chất giữ ẩm, giúp cải thiện đặc tính và hiệu quả của sản phẩm.

Ngành công nghiệp hóa chất: Các muối axit béo thu được từ phản ứng xà phòng hóa được sử dụng làm nguyên liệu trong sản xuất nhiều hóa chất khác, bao gồm chất làm mềm, chất ổn định, và chất phụ gia cho ngành công nghiệp hóa chất và ngành công nghiệp nhựa.

Tái chế và sử dụng chất thải: Phản ứng xà phòng hóa giúp tái chế chất thải chứa chất béo và dầu mỡ, chuyển đổi chúng thành sản phẩm hữu ích, giảm lượng chất thải đưa vào bãi rác và góp phần bảo vệ môi trường.

Cơ chế phản ứng xà phòng hóa

Phản ứng xà phòng hóa là quá trình thủy phân este trong dung dịch kiềm để tạo thành muối của axit béo và ancol. Phản ứng này xảy ra theo cơ chế hai giai đoạn:

Giai đoạn 1

Este (RCOOR’) kết hợp với ion ${\mathrm{OH}}^{–}$ tạo thành phức trung gian (${\mathrm{RCOO}}^{–}\dots –{\mathrm{H}}^{+}\dots –{\mathrm{OH}}^{–}).$

Giai đoạn 2

Phức trung gian phân rã thành muối (RCOONa) và ancol (R’OH).

Có thể biểu diễn cơ chế phản ứng bằng phương trình hóa học sau:

RCOOR’ + NaOH → RCOONa + R’OH

Với:

• R, R’: Gốc hydrocarbon
• NaOH: Natri hydroxit
• RCOONa: Muối natri của axit béo
• R’OH: Ancol

Có một số yếu tố có thể ảnh hưởng đến tốc độ của phản ứng.

Nồng độ dung dịch kiềm: Nồng độ dung dịch kiềm càng cao, tốc độ phản ứng càng nhanh.

Nhiệt độ: Nếu nhiệt độ tăng lên, thì tốc độ phản ứng sẽ gia tăng.

Cấu tạo este: Este có cấu tạo đơn giản, tốc độ phản ứng càng nhanh.

Ứng dụng phản ứng xà phòng hoá 

Sản xuất

Xà phòng, dầu gội đầu, kem đánh răng: Đây là những sản phẩm vệ sinh cá nhân phổ biến được sản xuất dựa trên phản ứng xà phòng hóa giữa chất béo và NaOH/KOH.

Chất tẩy rửa: Phản ứng xà phòng hóa cũng được ứng dụng để tạo ra các chất tẩy rửa đa năng cho sàn nhà, chén bát, quần áo,…

Chế biến thực phẩm

Dầu ăn, bơ: Xà phòng hóa chất béo trong quá trình tinh chế giúp loại bỏ tạp chất, tạo ra sản phẩm dầu ăn và bơ an toàn, chất lượng cao.

Margarine: Phản ứng xà phòng hóa được sử dụng để biến đổi cấu trúc của các loại dầu thực vật, tạo ra margarine thay thế cho bơ động vật.

Dược phẩm

Sản xuất thuốc: Một số loại thuốc như thuốc mỡ, thuốc bôi, thuốc nhũ tương được bào chế dựa trên phản ứng xà phòng hóa.

Dược liệu: Xà phòng hóa được ứng dụng để chiết xuất các hoạt chất từ thảo dược, tạo ra các dạng bào chế như viên nang, cao lỏng,…

Năng lượng sinh học

Biodiesel: Phản ứng xà phòng hóa được sử dụng để biến đổi dầu thực vật và mỡ động vật thành biodiesel, nhiên liệu sinh học thân thiện với môi trường.

Ngoài ra, phản ứng xà phòng hóa còn có nhiều ứng dụng khác trong các lĩnh vực như:

Sản xuất mỹ phẩm: Xà phòng hóa được sử dụng để tạo ra các loại kem dưỡng da, sữa tắm, lotion,…

Công nghiệp dệt may: Phản ứng xà phòng hóa giúp xử lý sợi vải, tạo độ mềm mại và bền màu.

Hóa học hữu cơ: Phản ứng xà phòng hóa là một trong những

Hướng dẫn thực hiện phản ứng xà phòng hóa

Chuẩn bị

Dầu/mỡ: Dầu dừa, dầu olive, mỡ lợn,…

NaOH: Viên hoặc dung dịch NaOH 40%

Nước cất

Cồn 90 độ

NaCl (muối ăn)

Giấy quỳ tím

Dụng cụ: Phễu, bình tam giác, ống nghiệm, giá đỡ, kẹp,…

Cách tiến hành

1. Pha chế dung dịch NaOH:

Cân 4g NaOH và hòa tan vào 10ml nước cất, khuấy đều cho tan hoàn toàn.

Làm nguội dung dịch NaOH trước khi sử dụng.

2. Thực hiện quá trình xà phòng hóa:

Cho 5ml dầu/mỡ vào bình tam giác.

Thêm 10ml dung dịch NaOH vào bình tam giác và khuấy đều.

Đun nóng hỗn hợp trên giá đỡ bằng đèn cồn trong khoảng 30 phút, khuấy liên tục.

Sau khi đun nóng, thêm 10ml dung dịch NaCl bão hòa vào hỗn hợp và khuấy đều.

Để nguội hỗn hợp, sau đó chiết lấy phần dung dịch xà phòng (phần trên) vào ống nghiệm.

3. Kiểm tra độ pH của dung dịch xà phòng:

Nhúng giấy quỳ tím vào dung dịch xà phòng.

Quan sát màu của giấy quỳ tím:

Nếu giấy quỳ tím chuyển sang màu xanh, dung dịch xà phòng có tính kiềm.

Nếu giấy quỳ tím không đổi màu, phản ứng xà phòng hóa chưa hoàn toàn.

Lưu ý:

Nên sử dụng NaOH với nồng độ phù hợp (khoảng 40%) để tránh làm biến tính protein.

Cần đun nóng hỗn hợp để đẩy nhanh quá trình phản ứng.

Phản ứng xà phòng hóa là phản ứng không đảo ngược.

Cẩn thận khi đun nóng hỗn hợp để tránh bị bỏng.

Các dạng bài tập của phản ứng xà phòng hóa

Dạng 1: Tính toán lượng chất trong phản ứng xà phòng hóa

Ví dụ: Cho 10g dầu dừa (chứa 80% triolein) tác dụng với dung dịch NaOH 40%.

Câu hỏi:

Tính khối lượng NaOH cần dùng để phản ứng hoàn toàn với 10g dầu dừa.

Thực hiện tính toán để xác định khối lượng xà phòng tạo ra trong quá trình phản ứng.

Lời giải:

Khối lượng triolein trong 10g dầu dừa: 10g x 80% = 8g.

${\mathrm{n}}_{\left(\mathrm{triolein}\right)} = \frac{8\mathrm{g}}{888 \mathrm{g}/\mathrm{mol}} = 0,009 \mathrm{mol}.$

Theo phương trình:

${\mathrm{C}}_{57}{\mathrm{H}}_{104}{\mathrm{O}}_6 + 3\mathrm{NaOH} \to 3{\mathrm{C}}_{17}{\mathrm{H}}_{35}\mathrm{COONa} + {\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_5{\left(\mathrm{OH}\right)}_3$

${\mathrm{n}}_{\left(\mathrm{NaOH}\right)} = 3{\mathrm{n}}_{\left(\mathrm{triolein}\right)} = 3 \mathrm{x} 0,009 \mathrm{mol} = 0,027 \mathrm{mol}.$

Khối lượng NaOH cần dùng: 0,027 mol x 40 g/mol = 1,08g.

${\mathrm{n}}_{\mathrm{xà} \mathrm{phòng}}= {\mathrm{n}}_{\left(\mathrm{triolein}\right)} = 0,009 \mathrm{mol}.$

Khối lượng xà phòng thu được: 0,009 mol x 306 g/mol = 2,754g.

Dạng 2: Xác định thành phần của este

Ví dụ: Xà phòng hóa 4,4g este X bằng dung dịch NaOH vừa đủ, thu được 6,72g muối của axit béo và 1,8g ancol Y.

Câu hỏi:

Xác định công thức phân tử của este X.

Xác định tên gọi của este X.

Lời giải:

1. Các bước xác định công thức phân tử của este X:

Bước 1: Gọi CTPT của este X là ${\mathrm{C}}_{\mathrm{n}}{\mathrm{H}}_{2\mathrm{n}}{\mathrm{O}}_2.$

Bước 2: Tính số mol của este X và muối:

${\mathrm{n}}_{\mathrm{muối}} =\frac{ 6,72\mathrm{g} }{22 + 14\mathrm{n} \mathrm{g}/\mathrm{mol}}$

Theo phương trình phản ứng:

${\mathrm{C}}_{\mathrm{n}}{\mathrm{H}}_{2\mathrm{n}}{\mathrm{O}}_2 + 2\mathrm{NaOH} \to {\mathrm{C}}_{\mathrm{n}}{\mathrm{H}}_{2\mathrm{n}}–2{\mathrm{O}}_2{\mathrm{Na}}_2 + 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

${\mathrm{n}}_{\left(\mathrm{X}\right)} = {\mathrm{n}}_{\mathrm{muối}}= \frac{6,72\mathrm{g}}{(22 + 14\mathrm{n}) \mathrm{g}/\mathrm{mol}}$

Bước 3: Tính số mol của ancol Y:

${\mathrm{n}}_{\mathrm{ancol}} = \frac{1,8\mathrm{g} }{(14\mathrm{n} + 16) \mathrm{g}/\mathrm{mol}}$

Bước 4: Lập phương trình liên hệ giữa số mol của este X và ancol Y:

${\mathrm{n}}_{\mathrm{ancol}} = {\mathrm{n}}_{\mathrm{X}} = \frac{1,8\mathrm{g}}{(14\mathrm{n} + 16) \mathrm{g}/\mathrm{mol}}= \frac{6,72\mathrm{g}}{(22 + 14\mathrm{n}) \mathrm{g}/\mathrm{mol}}$

Bước 5: Giải phương trình để tìm n:

$\frac{1,8\mathrm{g}}{(14\mathrm{n} + 16) \mathrm{g}/\mathrm{mol}}= \frac{6,72\mathrm{g}}{(22 + 14\mathrm{n}) \mathrm{g}/\mathrm{mol}}$

Giải phương trình ta được n = 8.

Bước 6: Thay n = 8 vào CTPT của este X, ta được CTPT của X là ${\mathrm{C}}_8{\mathrm{H}}_{16}{\mathrm{O}}_2.$

2. Xác định tên gọi của este X:

Este X có CTPT ${\mathrm{C}}_8{\mathrm{H}}_{16}{\mathrm{O}}_2$, có thể là

Etyl axetat (${\mathrm{CH}}_3{\mathrm{COOC}}_2{\mathrm{H}}_5$)

Propyl fomat (${\mathrm{HCOOCH}}_2{\mathrm{CH}}_2{\mathrm{CH}}_3$)

Butyl axetat (${\mathrm{CH}}_3{\mathrm{COOC}}_4{\mathrm{H}}_9$)

Để xác định tên gọi của este X, cần thực hiện thêm các thí nghiệm khác như

Xác định độ tan trong nước

• Etyl axetat và butyl axetat tan trong nước.
• Propyl fomat không tan trong nước.

Tác dụng với $\mathrm{Cu}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2$

• Etyl axetat và butyl axetat không tác dụng với $\mathrm{Cu}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2$.
• Propyl fomat tác dụng với $\mathrm{Cu}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2$ tạo dung dịch màu xanh lam.

Phản ứng đốt cháy

• Etyl axetat và butyl axetat cháy cho ngọn lửa màu vàng.
• Propyl fomat cháy cho ngọn lửa màu xanh.

Dạng 3: Giải thích cơ chế phản ứng xà phòng hóa

Câu hỏi: Giải thích cơ chế hình thành phức màu tím trong phản ứng xà phòng hóa với biuret.

Lời giải:

Phản ứng xà phòng hóa với biuret xảy ra theo hai giai đoạn:

Giai đoạn 1:

Este kết hợp với ion ${\mathrm{OH}}^{–}$ tạo thành phức trung gian.

Giai đoạn 2:

Phức trung gian liên kết với một phân tử biuret, tạo thành phức màu tím bền vững.

Cấu trúc phức màu tím:

Phức màu tím có cấu trúc octahedral với ion ${\mathrm{Cu}}^{2+}$ ở trung tâm.

Bốn vị trí xích đạo được liên kết bởi hai gốc -CONH- từ protein và hai nguyên tử nitơ từ biuret.

Hai vị trí trục được liên kết bởi hai phân tử nước.

Màu sắc của phức màu:

Màu tím của phức màu biuret là do sự chuyển dịch điện tích trong phân tử. Chuyển dịch điện tích này dẫn đến sự hấp thụ ánh sáng ở vùng ánh sáng nhìn thấy, tạo ra màu tím.