Savons et détergents

Les acides carboxyliques et les sels ayant des chaînes alkyle de plus de huit carbones présentent un comportement inhabituel dans l’eau en raison de la présence de régions hydrophiles (CO2) et hydrophobes (alkyle) dans la même molécule. Ces molécules sont dites amphiphiles (Gk. amphi = les deux) ou amphipathiques. Les acides gras composés de dix atomes de carbone ou plus sont presque insolubles dans l’eau et, en raison de leur faible densité, flottent à la surface lorsqu’ils sont mélangés à l’eau. Contrairement à la paraffine ou à d’autres alcanes, qui ont tendance à former des flaques à la surface de l’eau, ces acides gras s’étalent uniformément sur une surface d’eau étendue, formant finalement une couche monomoléculaire dans laquelle les groupes carboxyle polaires sont liés par l’hydrogène à l’interface de l’eau, et les chaînes d’hydrocarbures sont alignées ensemble loin de l’eau. Ce comportement est illustré dans le diagramme de droite. Les substances qui s’accumulent à la surface de l’eau et modifient les propriétés de la surface sont appelées surfactants.

Les sels de métaux alcalins des acides gras sont plus solubles dans l’eau que les acides eux-mêmes, et le caractère amphiphile de ces substances en fait également de puissants surfactants. Les exemples les plus courants de ces composés sont les savons et les détergents, dont quatre sont présentés ci-dessous. Notez que chacune de ces molécules possède une chaîne hydrocarbonée non polaire, la « queue », et un « groupe de tête » polaire (souvent ionique). L’utilisation de ces composés comme agents de nettoyage est facilitée par leur caractère tensioactif, qui abaisse la tension superficielle de l’eau, lui permettant de pénétrer et de mouiller une variété de matériaux.

De très petites quantités de ces tensioactifs se dissolvent dans l’eau pour donner une dispersion aléatoire de molécules de soluté. Cependant, lorsque la concentration est augmentée, un changement intéressant se produit. Les molécules de tensioactifs s’assemblent de manière réversible en agrégats polymoléculaires appelés micelles. En rassemblant les chaînes hydrophobes au centre de la micelle, la perturbation de la structure de liaison hydrogène de l’eau liquide est minimisée, et les groupes polaires de tête s’étendent dans l’eau environnante où ils participent à la liaison hydrogène. Ces micelles sont souvent de forme sphérique, mais peuvent également prendre des formes cylindriques et ramifiées, comme illustré à droite. Ici, le groupe de tête polaire est désigné par un cercle bleu, et la queue non polaire est une ligne noire en zigzag.

Le plus ancien agent nettoyant amphiphile connu de l’homme est le savon. Le savon est fabriqué par l’hydrolyse catalysée par une base (saponification) de la graisse animale. Avant que l’hydroxyde de sodium ne soit disponible dans le commerce, on utilisait une solution bouillante de carbonate de potassium lessivé des cendres de bois. Les savons de potassium mous étaient ensuite transformés en savons de sodium plus durs par lavage avec une solution saline. L’importance du savon pour la civilisation humaine est documentée par l’histoire, mais certains problèmes liés à son utilisation ont été reconnus. L’un d’eux est dû à la faible acidité (pKa environ 4,9) des acides gras. Les solutions de savons de métaux alcalins sont légèrement alcalines (pH 8 à 9) en raison de l’hydrolyse. Si le pH d’une solution de savon est abaissé par des contaminants acides, les acides gras insolubles précipitent et forment une écume. Un deuxième problème est causé par la présence de sels de calcium et de magnésium dans l’approvisionnement en eau (eau dure). Ces cations divalents provoquent l’agrégation des micelles, qui se déposent alors sous forme d’une écume sale.

Ces problèmes ont été atténués par le développement d’amphiphiles synthétiques appelés détergents (ou syndets). En utilisant un acide beaucoup plus fort pour le groupe polaire de tête, les solutions aqueuses de l’amphiphile sont moins sensibles aux changements de pH. De même, les fonctions sulfonate utilisées pour la quasi-totalité des détergents anioniques confèrent une plus grande solubilité aux micelles incorporant les cations alcalino-terreux que l’on trouve dans les eaux dures. Des variations sur le thème des amphiphiles ont conduit au développement d’autres classes, telles que les détergents cationiques et non ioniques présentés ci-dessus. Les détergents cationiques présentent souvent des propriétés germicides, et leur capacité à modifier le pH des surfaces les a rendus utiles comme adoucisseurs de tissus et conditionneurs de cheveux. Ces « outils » chimiques polyvalents ont transformé de façon spectaculaire les marchés des produits de nettoyage ménagers et de soins personnels au cours des cinquante dernières années.

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