Il sapone | La chimica che ha cambiato la storia #1

La chimica è trasformazione e mutamento. Dai reagenti si arriva ai prodotti: dei legami si rompono, altri si formano, dell’energia viene sottratta all’ambiente, altra viene ceduta all’ambiente. Nascono così nuovi composti, nuove sostanze, nuovi materiali.

L’uomo, nel corso dei secoli, ha imparato ad addomesticare sempre meglio la materia, fino a poterla controllare a livello atomico. Se non mi credete, vi suggerisco di vedere il seguente video. I ricercatori di IBM, colosso informatico americano, hanno manipolato attraverso un microscopio potentissimo, chiamato microscopio a effetto tunnel (STM), dei singoli atomi per creare il filmato più piccolo al mondo! Incredibile vero?

Con questo articolo, nasce la rubrica La chimica che ha cambiato la storia, in cui vi racconterò di molecole, materiali o processi chimici che hanno rivoluzionato il nostro modo di vivere, nel bene e nel male.

Iniziamo da un prodotto per la cura del corpo, e non solo, che usiamo tutti i giorni: il sapone.

Uno sguardo storico

Il sapone, come potete ben immaginare, ha un ruolo importantissimo nello sviluppo della civiltà, eppure la sua scoperta è stata del tutto casuale. Entreremo in dettagli chimici in seguito, ma per cominciare è importante sapere che il sapone è il prodotto dell’azione di una sostanza alcalina, contenuta nelle ceneri spente di un fuoco, su grassi animali e/o vegetali. Molto banalmente, il grasso animale che colava durante la cottura della carne reagiva con alcune sostanze chimiche contenute nelle ceneri della brace, dando così origine a una sostanza con tutte le caratteristiche di un sapone (anche se decisamente non profumato).

La prima traccia di una sostanza che si può considerare sapone si trova nel trattato naturalistico “Naturalis historia” di Plinio il Vecchio, datato 77-78 d.C.. Esistevano già presso altre civiltà, come i Romani, i Greci, gli Assiri, preparazioni simili, che però erano più prossimi a unguenti o altre preparazioni farmaceutiche. Secondo Plinio, fu inventato dai Galli di Francia, con uno scopo diverso da quello detergente: veniva usato come tinta rossa.

Il primo uso come detergente

Il suo uso come detergente, sia per il corpo che per gli abiti, seppur ancora limitato, avvenne piuttosto tardi, nel secolo II. Risale a questo periodo la prima descrizione del processo di produzione del sapone da parte di Areteo di Cappadocia, medico greco antico. Areteo descrisse anche per la prima volta la celiachia e coniò il termine “diabete”.

Il primo vero produttore di sapone come detergente fu il popolo arabo ad Aleppo (Siria). Gli Arabi facevano uso di olio di oliva e olio di alloro e della soda caustica contenuta nelle ceneri vegetali per ottenere una polvere molto fine del tutto simile al moderno sapone. Da qui in poi l’uso del sapone, così come le sue varietà, sono aumentati; molte civilità e popoli ne sono venuti a conoscenza e hanno imparato a produrlo e a maneggiarlo. Il sapone di Marsiglia, costituito da olio di oliva e risalente al XV secolo, deriva direttamente da quello di Aleppo.

Fino ad ora si trattava di sapone solido, quello liquido fu inventato a metà del XIX secolo, è quindi piuttosto recente. Le tecniche manifatturiere moderne del sapone risalgono infatti a questo secolo. Le conoscenze acquisite, l’invenzione della macchina a vapore e la produzione di soda caustica (sostanza alcalina necessaria) in forma solida hanno permesso di produrre sapone su scala industriale. Il sapone attuale è in realtà molto diverso da quello di allora. Cerchiamo di capirne il perché.

Uno sguardo chimico

Come accennato poc’anzi, il sapone è il prodotto di una reazione chiamata saponificazione (o idrolisi basica), che avviene tra gli esteri di acidi grassi a lunga catena, come i trigliceridi, e idrossidi di metalli alcalini, come la soda caustica (idrossido di sodio o NaOH) o la potassa caustica (idrossido di potassio o KOH). Il prodotto è il sale alcalino del corrispondente acido grasso, ossia un sapone.

Da un punto di vista chimico, un sapone è un tensioattivo, ossia una sostanza che agisce sulla tensione superficiale del liquido in cui si trova. I tensioattivi sono molecole anfifiliche: ciò significa che posseggono una componente idrofila, quindi solubile in acqua, e una lipofila, quindi solubile nei grassi.

I saponi prodotti mediante saponificazione hanno catene di atomi di carbonio compresi tra le 12 e le 18 unità, tra questi troviamo l’acido stearico (C18H36O2) e l’acido oleico (C18H34O2) con 18 atomi di carbonio e l’acido palmitico (C16H32O2) con 16 atomi di carbonio. Questi sono legati, mediante legame ionico, ad uno ione di sodio (sapone solido) o di potassio (sapone liquido).

acido stearico - modello 3D
Figura 1. Rappresentazione 3D dell’acido stearico con indicata la testa idrofila e la coda idrocarburica lipofila (amante dei grassi e idrofoba)

Come funziona il sapone

Essendo dei sali (composti formati da ioni), i saponi in acqua si solubilizzano, formando delle strutture sferiche chiamate micelle. Le catene idrocarburiche, rivolte all’interno di queste strutture, sono in grado di catturare lo sporco, insolubile in acqua e costituito generalmente da unto, grasso e olio e di trascinarlo via con l’acqua circostante. Questa dispersione di grassi in acqua grazie all’azione di una sostanza tensioattiva come un sapone è chiamata emulsione.

I tensioattivi si organizzano autonomamente in queste strutture. Ciò si può spiegare solamente entrando in dettagli prettamente termodinamici (e in noiose ma esaustive equazioni). Vi basti sapere però che ogni sistema in natura tende verso una conformazione a energia più bassa possibile. La micella rappresenta una soluzione a energia minima. Dal minuto 1:00 del seguente video c’è una rappresentazione visuale molto intuitiva del funzionamento di una micella.

Sapone vs virus e batteri

Per contrastare la diffusione del nuovo coronavirus SARS-CoV-2, le autorità sanitare consigliano, oltre ad utilizzare disinfettanti a base alcolica, di lavarsi spesso le mani col sapone. Funziona? Ovviamente sì, capiamone il meccanismo.

Tutte le cellule esistenti in natura, che siano eucariote (come quelle umane, animali e vegetali) o procariote (come quelle batteriche) e i virus, si possono immaginare come dei “palloncini contenenti acqua”. Spiego meglio l’analogia. All’interno delle cellule e delle particelle virali sono contenuti tutti i componenti necessari alla sopravvivenza (organelli, materiale genetico, mitocondri, ecc.) dispersi in una sostanza fluida. Faccio una piccola precisazione: i virus sono dei parassiti, quindi per sopravvivere necessitano di un ospite, ossia una cellula vegetale, animale o batterica. Tutto ciò è racchiuso dentro alla membrana cellulare (o capside nel caso dei virus) che equivale al nostro palloncino. Le membrane differiscono da cellula a cellula, ma c’è una struttura comune, anche per il capside virale: il doppio strato fosfolipidico. Questo, come dice il termine stesso, è composto da lipidi, quindi grassi.

Di conseguenza il sapone, quando in acqua si aggrega a dare le micelle che, come abbiamo detto prima, sono in grado di solubilizzare componenti grasse, intrappola le cellule batteriche e le particelle virali e le porta via dalle nostre mani. Un disinfettante a base alcolica agisce invece diversamente: danneggia la membrana batterica e/o virale portando inevitabilmente alla morte cellulare. In realtà anche lo stesso sapone, con le sue catene idrocarburiche è in grado di intercalarsi all’interno dello strato fosfolipidico disgregandolo.

Gli ingredienti del sapone

Leggere l’etichetta di un prodotto cosmetico può non essere immediato. Tendenzialmente, gli ingredienti sono scritti in ordine di abbondanza. In molti prodotti il primo ingrediente è l’acqua, quindi spesso ci viene venduta principalmente acqua.

Ecco una lista con gli ingredienti più comuni e la loro funzione. Molto spesso i saponi sono costituiti da più tensioattivi per ottenere le performance ottimali.

Acqua: molti prodotti sono a base acquosa, di solito viene usata acqua deionizzata e filtrata.

Tensioattivi anionici: grassi e/o oli con azione detergente indicati come sali di potassio o sodio, ad esempio sodio lauril solfato, sodio metil cocoil taurato, ecc. Possono avere effetto irritante, per questo motivo sono spesso accoppiati ad altri tensioattivi (vedi i tensioattivi anfoterici).

Tensioattivi non-ionici: grassi e/o oli con azione schiumante e viscosizzante come metil palmitato, cocamide DEA, ecc.

Tensioattivi anfoterici: grassi e/o oli con azione detergente in grado di diminuire l’azione irritante dei tensioattivi anionici. Tra questi troviamo le betaine come cocamidopropil betaina.

Sodio cloruro: il semplice sale da cucina, il quale agisce da viscosizzante, da regolatore della forza ionica e conservante.

EDTA o acido etilendiamminotetraacetico: è un agente chelante in grado di sequestrare metalli pesanti quali il ferro, responsabile del rapido irrancidimento del sapone, calcio e magnesio, responsabili dell’acqua “dura”. In passato veniva ampiamente adoperato il trifosfato pentasodico, un altro agente chelante. Questo è fonte di fosforo, il quale, una volta scaricato nelle acque, contribuisce al fenomeno di eutrofizzazione.

Regolatori di acidità quali l’acido citrico.

Fragranze e coloranti.

Conservanti: oltre al sale da cucina, è comune trovare agenti quali parabeni (metil parabene, propil parabene, ecc) che hanno azione antibatterica. Questi ingredienti sono sempre presenti in minime quantità per garantire l’incolumità del consumatore.

Ad oggi, il sapone attualmente in commercio è diverso dal sapone tradizionale, che viene ormai prodotto da artigiani o amanti del fai-da-te. Molti tensioattivi naturali anionici, spesso troppo aggressivi per la nostra pelle, sono stati sostituiti da tensioattivi sintetici, più delicati sulla cute e meno costosi da produrre.

Commiato

Siamo giunti alla fine del primo episodio di questa rubrica sulla chimica che ha cambiato il corso della storia. Nei prossimi episodi parleremo di molti altri prodotti e scoperte, come la penicillina, la fermentazione (…bevande alcoliche), le droghe sintetiche, la plastica e molto altro. Se avete qualche curiosità su di un particolare argomento e volete saperne di più, fatemelo sapere nei commenti.

Fonti:
Gibbs, F. W., The history of the manufacture of soap, 1939
Hargreaves T. Chemical Formulation: An Overview of Surfactant-based Preparations Used in Everyday Life, 2003

Ludovico Andrea Alberta

Mi chiamo Ludovico e ho preso a cuore il progetto di The Science Lab. Ho iniziato a scrivere articoli per il presente blog a settembre 2020. Sono laureato magistrale in Scienze e Tecnologie Chimiche all'Università di Milano - Bicocca. Attualmente mi trovo a Dresda (Germania) per il mio dottorato. Mi occupo, insieme ai miei colleghi del progetto BIOREMIA ETN, di sviluppare nuovi potenziali materiali per impianti ortopedici. Io nello specifico studio e ricerco leghe innovative di titanio con azione antibatterica. (Se vuoi saperne di più, visita il sito www.bioremia.eu)