Qual a diferença entre sabões e detergentes?

A indústria de produtos de higiene e limpeza movimenta cifras consideráveis, não só no Brasil como no mundo. A necessidade de assepsia e asseio pessoal já foi a principal força motriz desta indústria. Hoje, os efeitos cosméticos destes produtos competem pelo centro das atenções.

Neste artigo, veremos como os sabões e detergentes são sintetizados, como removem a sujeira, principalmente a gordura, e o conceito de detergentes biodegradáveis.

Sabões

A manufatura do sabão constitui uma das sínteses químicas mais antigas; menos antiga, entretanto, que a produção do álcool etílico utilizado nas bebidas - os anseios de limpeza do homem são, na verdade, muito mais recentes que seus desejos de estímulo alcoólico. Ao ferverem o sebo de cabra com a lexívia potássica feita com as cinzas de madeira, as tribos germânicas, contemporâneas de César, realizaram a mesma reação química que o processo moderno de fabricação de sabão: a hidrólise de glicerídios. A reação dá origem aos sais de ácidos carboxílicos e ao glicerol:

O sabão comum que utilizamos atualmente é simplesmente uma mistura de sais de sódio ou potássio de ácidos graxos de cadeia longa. É uma mistura porque a gordura a partir da qual é preparado é constituída de uma mistura de ácidos graxos, mas que é tão eficiente para lavagem quanto um sal puro.

As características do sabão podem variar de acordo com a composição e segundo o método de fabricação: se preparado a partir do azeite de oliva, recebe o nome de sabão de Marselha; pode-se adicionar álcool durante o processo de fabricação para torná-lo transparente; por agitação, pode-se incorporar ar, fornecendo-lhe a propriedade de flutuar; podem-se adicionar perfumes, corantes e germicidas; se for utilizado o hidróxido de potássio na síntese (ao invés do de sódio), tem-se o sabão mole. Entretanto, quimicamente o sabão permanece exatamente o mesmo, atuando do mesmo modo.

À primeira vista, pode-se ter a impressão de que estes sais são solúveis em água; de fato, podem-se preparar as chamadas "soluções da sabão". Elas não são, entretanto, verdadeiras soluções, onde as moléculas do soluto movem-se livremente entre as moléculas do solvente. Verifica-se, na realidade, que o sabão se dispersa em agregados esféricos denominados micelas, cada uma das quais pode conter centenas de moléculas de sabão.

Uma molécula de sabão tem uma extremidade polar, -COO^-Na⁺, e uma parte não polar, constituída por uma longa cadeia alquílica, normalmente com 12 a 18 carbonos. A extremidade polar é solúvel em água (hidrófila - que tem afinidade por água). A parte apolar é insolúvel em água, e denomina-se hidrófoba (ou lipófila - que tem aversão por água e afinidade por óleos e gorduras), mas é evidentemente solúvel em solventes apolares. Moléculas que têm extremidades polares e apolares e, além disso, são suficientemente grandes para que cada extremidade apresente um comportamento próprio relativo à solubilidade em diversos solventes denominam-se anfipáticas.

De acordo com a regra "polar dissolve polar; apolar dissolve apolar", cada extremidade apolar procura um ambiente apolar. Em meio aquoso, o único ambiente deste tipo existente são as partes apolares das outras moléculas do sabão, e assim elas se agregam umas às outras no interior da micela. As extremidades polares projetam-se da periferia dos agregados para o interior do solvente polar, a água. Os grupos carboxilatos carregados negativamente alinham-se à superfície das micelas, rodeados por uma atmosfera iônica constituída pelos cátions do sal. As micelas mantém-se dispersas devido à repulsão entre as cargas de mesmo sinal das respectivas superfícies.

Uma micela pode conter centenas de moléculas de sais de ácidos graxos

Ainda resta, entretanto, uma questão cabal a responder: como o sabão remove a gordura, sendo feito dela? O problema na lavagem pelo sabão está na gordura e óleo que constitui ou que existe na sujeira. Apenas a água não é capaz de de dissolver as gorduras, por serem hidrofóbicas; as gotas de óleo, por exemplo, em contato com a água, tendem a coalescer (aglutinar-se umas às outras), formando uma camada aquosa e outra oleosa. A presença do sabão, entretanto, altera este sistema. As partes apolares das moléculas do sabão dissolvem-se nas gotículas do óleo, ficando as extremidades de carboxilatos imersas na fase aquosa circundante. A repulsão entre as cargas do mesmo sinal impede as gotículas de óleo de coalescerem. Forma-se, então, uma emulsão estável de óleo em água que é facilmente removida da superfície que se pretende limpar (por agitação, ação mecânica, etc.). Deste modo, sabões atuam, no processo de limpeza, como surfactantes - compostos com ação ativa em superfícies ou interfaces de substâncias.

A chamada água dura contém sais de cálcio e magnésio que reagem com o sabão formando carboxilatos de cálcio e magnésio insolúveis. Você nota que a água de uma determinada região é dura quando forma-se uma crosta nas bordas do recipiente que continha o sabão ou quando, ao tomar banho ou lavar as mãos, sente que uma fina película permanece sobre sua pele. Águas subterrâneas são, via de regra, ricas em cálcio e magnésio e, portanto, duras.

Detergentes

À partir dos ácidos graxos das gorduras também é possível, à partir de vias sintéticas características, obterem-se álcoois primários. Entre os álcoois primários de cadeia linear que se obtém das gorduras - ou de outros modos - os de C₈ e C₁₀ são utilizados na produção de ésteres de alto ponto de ebulição, usados como plastificantes (como por exemplo, o ftalato de octila). Os álcoois de C₁₂ a C₁₈ são utilizados em quantidades enormes na manufatura de detergentes (produtos tensoativos para limpeza).

Embora os detergentes sintéticos difiram significativamente uns dos outros quanto a estrutura química, as moléculas de todos têm uma característica em comum, também apresentada pelas de sabão comum: são anfipáticas, com uma parte apolar muito grande, de natureza de hidrocarboneto, solúvel em óleo, e uma extremidade polar, solúvel em água. Um tipo deles resulta da conversão dos álcoois de C₁₂ a C₁₈ em sais de hidrogenosulfato de alquila. Por exemplo:

Neste sal, a parte apolar é a longa cadeia alquílica e a parte polar é a ponta -SOO₃^-Na⁺.

Diferentemente dos sabões, os detergentes podem ser não-iônicos. Pelo tratamento dos álcoois com óxido de etileno, obtém-se um deles:

A possibilidade de formação de pontes de hidrogênio entre as moléculas da água e os numerosos átomos de oxigênio do etoxilato tornam a parte terminal de poliéter solúvel em água. Os etoxilatos também podem ser convertidos em sulfatos, sendo utilizados na forma de sais de sódio.

Os sais de sódio dos ácidos alquilbenzeno-sulfônicos são os detergentes mais utilizados. Para obtenção destes detergentes, liga-se primeiramente o grupo alquil de cadeia longa a um anel benzênico pela utilização de um haleto de alquila, de um alceno ou de um álcool conjuntamente com um catalisador de Friedel-Crafts (AlCl₃); em seguida, efetua-se a sulfonação e, finalmente, a neutralização:

reação de alquilação por adição nucleofílica aromática em haleto de alquila

Mecanismo da reação de sulfonação

O primeiro passo, em que se forma o trióxido de enxofre (SO₃), eletrofílico, é simplesmente um equilíbrio ácido-base entre duas moléculas de ácido sulfúrico. Na sulfonação utiliza-se geralmente o ácido sulfúrico fumegante, ou seja, aquele onde é dissolvido excesso de SO₃; mesmo quando utiliza-se apenas ácido sulfúrico, crê-se que o SO₃ formado no passo (1) possa ser o eletrófilo.

No passo (2) o reagente eletrofílico, SO₃, liga-se ao anel benzênico com formação de um carbocátion intermediário. Embora o trióxido de enxofre não tenha cargas positivas, tem deficiência de elétrons (carga parcial positiva) sobre o átomo de enxofre, pois os três átomos de oxigênio, mais eletronegativos, retiram-lhe elétrons por indução.

Na terceira etapa o carbocátion cede um próton para o ânion HSO₄^- e forma o produto de substituição estabilizado por ressonância que é, desta vez, um ânion - o do ácido benzeno-sulfônico; este ácido, por ser forte, encontra-se altamente ionizado (na etapa 4, o equilíbrio está muito deslocado para a esquerda).

Com alguns substratos aromáticos e certos acidulantes, o eletrófilo pode ser HSO₃⁺ ou moléculas que possam facilmente transferir SO₃ ou HSO₃⁺ para o anel aromático.

A conclusão da síntese do detergente dá-se pela neutralização do ácido benzenosulfônico, formando o sal hidrosolúvel.

Neutralização do ácido benzenosulfônico.

Até há algum tempo atrás, utilizava-se vulgarmente o propileno para a síntese destes alquilbenzeno-sulfonatos. A cadeia lateral altamente ramificada impedia a degradação biológica do detergente. Na maioria dos países industrializados, estes detergentes vêm sendo substituídos por outros biodegradáveis desde 1965. São sulfatos de alquila, etoxilatos e respectivos sulfatos, e alquilbenzenosulfonatos em que o grupo fenila fixa-se ao acaso a qualquer das diversas posições secundárias da longa cadeia alifática linear (C₁₂-C₁₈). As cadeias laterais destes alquilbenzeno-sulfonatos lineares obtém-se de 1-alcenos de cadeia linear ou de alcanos de cadeia contínua clorados, separados do ceroseno por formação de clatratos (peneiras moleculares).

Estes detergentes atuam essencialmente da mesma maneira que o sabão. A sua utilização oferece, entretanto, certas vantagens. Por exemplo, os sulfatos e sulfonatos mantém-se eficazes em água dura devido ao fato de os correspondentes sais de cálcio e magnésio serem solúveis. Visto serem sais de ácidos fortes, produzem soluções neutras, ao contrário dos sabões que, por serem sais de ácidos fracos, originam soluções levemente alcalinas.

Como funciona o refrigerador

Todo mundo tem em casa aquele famoso aparelho onde a comida é armazenada para ser resfriada, e que às vezes sofre assaltos noturnos. Entretanto, como aquilo que chamamos "refrigerador" realmente resfria?

Um refrigerador funciona sobre dois conceitos científicos: o primeiro, razoavelmente simples, é o fenômeno físico da convecção térmica dos fluidos -no caso o ar que está dentro da geladeira. Repare que, no caso das geladeiras convencionais, o freezer fica sempre na parte superior. No compartimento logo abaixo, separado do congelador, existe uma outra placa que também fica na parte superior.

Esta disposição de componentes não é arbitrária. Ela foi definida no conceito de convecção térmica dos gases, que postula que o ar frio, mais pesado, tende a descer e o ar quente, mais leve, tende a subir. Assim, o ar quente que sobe é resfriado pela placa e o ar frio que desce ganha calor na parte inferior da câmara de refrigeração. O ar frio volta a descer e o ciclo se repete.

E como existe uma pequena porém sensível diferença de temperatura entre as partes superior e inferior das geladeiras, as gavetas para legumes e verduras são alocadas na parte inferior, cuja temperatura é sempre ligeiramente mais alta, e a parte superior é destinada a bebidas, bolos e outros produtos do gênero. Isso porque as bebidas precisam estar mais geladas, porém as folhas das verduras são sensíveis a temperaturas mais baixas.

Mas por que, afinal de contas, o ar frio desce e o ar quente sobe? De acordo com os princípios termodinâmicos, o aumento de temperatura sobre uma massa gasosa provoca sua expansão, ou seja, aumento de volume. Imagine que a massa de ar dentro da geladeira seja constante. No momento em que você ligou a geladeira, a temperatura desse ar era igual à do ambiente externo, e ocupava um certo volume. Porém quando foi resfriado, contraiu-se e passou a ocupar um volume menor.

Sabe-se que densidade do materiais é a razão de sua massa por seu volume. Quando aquela mesma massa de ar (constante) contraiu, sua densidade foi aumentada de um certo valor, e tornou-se, assim, mais "pesada". Então, dentro da geladeira, o ar mais frio e pesado empurra o ar mais quente e leve para cima enquanto desce, gerando um movimento repetitivo de circulação - a convecção térmica.

Mas como as placas do freezer e da geladeira se esfriam? É aí que entra o segundo conceito científico, este um pouco mais complicado e estritamente termodinâmico.

O calor é uma forma de energia que flui através dos corpos de acordo com certas leis termodinâmicas. Uma destas leis diz que o calor nunca fluirá de um corpo mais frio para o mais quente, quando estiverem em contato; ou seja, a natureza é extremamente social! Quem tem (calor) dá para quem não tem!

Ora, sabe-se que se os alimentos forem colocados na geladeira à temperatura ambiente, e mesmo o ar interno de convecção está inicialmente em equilíbrio com o meio externo. Então, de acordo com a "lei social" deve-se fazer com que o calor flua dos alimentos e do ar para um outro corpo mais frio. Pronto, agora sabemos o porque devem-se resfriar as placas...

Mas COMO as placas esfriam!?

As placas são esfriadas pela passagem, em tubulações "friamente" calculadas, de certos tipos de gases, comumente denominados de "gases freom". Existem vários tipos de freons, sendo que os derivados de clorofluorcabonados vêm sendo substituídos por outros, como CO₂ ou amônia, entre outros, devido a seus efeitos danosos à camada de ozônio, que protege a Terra dos raios UV vindos do sol.

Estes gases retiram calor das vizinhanças com as quais estão em contato de acordo com o efeito Joule-Thomson, que recebeu este nome em homenagem a seus descobridores, Sir Joule e William Thomson (mais tarde conhecido como Lorde Kelvin). O efeito Joule-Thomson explica como a temperatura varia quando um gás liquefeito se expande e volta ao estado gasoso, mantendo-se a entalpia do sistema constante.

De maneira mais elegante, o efeito Joule-Thomson é a diferencial da temperatura pela pressão de um gás liquefeito (dT/dP) em expansão adiabática (sem trocas de calor com o ambiente externo), mantendo-se a entalpia constante.

Para demonstrar este efeito Joule e Thomson realizaram o seguinte experimento: deixaram um gás expandir de um ambiente sob pressão constante para outro, passando por uma membrana porosa, e monitoraram a diferença de temperatura que ocorria com a expansão. Todo o aparato foi preparado de forma que o processo fosse adiabático. Eles observaram uma temperatura menor no lado de menor pressão, e a diferença de temperatura era proporcional à diferença de pressão entre as câmaras.

A diferença de pressão, entretanto, deve ser calculada para cada tipo de gás, pois sob determinados valores o efeito Joule-Thomson pode comportar-se de maneira inversa à desejada, ou seja, aquecer ao invés de resfriar.

Mas ainda resta uma última dúvida cabal quanto ao funcionamento desse instrumento relativamente simples: o gás absorveu calor ao expandir, retirando-o das vizinhanças. Para onde vai esse calor?

Ora, quando o gás expande, recolhe calor. Quando ele é novamente comprimido, deve perder o calor que absorveu. E é exatamente o que ocorre. Atrás dos refrigeradores existe um trocador de calor - uma grade por onde passam tubulações de gás comprimido - que devolve ao ambiente externo todo o calor que o gás retirou de dentro da geladeira. Se não existisse esse trocador de calor, em dado momento teríamos um forno, e não um refrigerador!

Então, a função do motor que fica atrás da geladeira é comprimir novamente o gás após a expansão, tornando-o liquefeito. Depois o gás liquefeito passa novamente pela válvula de descompressão e todo o processo se repete. Nota-se, então, que o circuito por onde este gás passa é dividido em duas zonas distintas: uma quente, sob relativa alta pressão, e uma fria, de baixa pressão.

O acionamento do motor para compressão e descompressão do gás é feito através de um aparelho chamado termostato - que é precisamente um regulador automático de temperatura. Mas como este dispositivo funciona já é outra história...