Scienza leggera: come funziona il sapone?

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La nostra mente è pigra e non ama i concetti indefiniti che sono difficili da catalogare con un’unica etichetta. Per questo, nella vita e anche nella scienza, tendiamo spesso a semplificare la nostra visione del mondo, dividendolo in bello e brutto, buono e cattivo, bianco e nero.

Le semplificazioni non sono affatto da buttare e, in questo articolo, ne faremo largo uso: bisogna solo avere chiaro che si tratta di strumenti che siano utili e non limitino le nostre capacità immaginative e intellettive. Abbiamo visto in un articolo precedente come le molecole (e le sostanze a cui corrispondono) possano essere classificate in due categorie generali: quelle che hanno un po’ più di carica positiva da una parte e un po’ più di negativa dall’altra (sostanze polari, tipo l’acqua) e quelle che invece hanno una distribuzione di carica uniforme (sostanze a polari, tipo gas e grassi). Le prime possono essere paragonate a calamite che si legano tra loro unendo i poli opposti e questo è quello che, ad esempio, fanno le molecole d’acqua in un bicchiere. Le sostanze apolari possiamo invece immaginarle come palle di gomma che si muovono liberamente senza interagire quasi per niente tra loro (come le molecole d’ossigeno nell’aria) oppure come spaghetti che si attorcigliano tra loro (come le molecole di olio o di grasso).

Una sostanza polare come l’acqua oppure ionica (sostanza molto polare), come il sale non interagisce (non si mescola, non si scioglie) con una apolare, come l’olio

Se mettiamo insieme calamite e palline oppure calamite e spaghetti, ciò che accade è che calamite e spaghetti (o calamite e palline) se ne stanno tra loro senza mischiarsi. Ossia le calamite non interagiscono con le palline (o gli spaghetti) che non hanno poli carichi e quindi non hanno alcun “interesse” a separarsi le une dalle altre per andarsi a legare con palline o spaghetti. E’ quello che accade unendo acqua e olio ad esempio: l’acqua sta sotto e l’olio sopra, ognuno per i fatti suoi senza interagire e mescolarsi.

Se invece mettiamo insieme due sostanze polari anche se diverse, ossia calamite di tipo diverso, ma pur sempre calamite, allora queste interagiscono tra loro, come per esempio acqua e alcool (che si mescolano) o sale e acqua (l’uno si scioglie nell’altra). In altre parole “le calamite-acqua” possono separarsi le une dalle altre ed unirsi alle “calamite-alcol” o alle “calamite-sale” perché sempre di calamite si tratta! Dire “interagire”, significa anche “mescolarsi” e “sciogliersi”. Dire “l’olio e l’acqua non si mescolano” equivale a dire che le molecole delle due sostanze non interagiscono, mentre “il sale si scioglie nell’acqua” vuol dire che, in questo caso, le molecole di sale (sostanza ionica che significa molto polare) interagiscono con quelle di acqua. Ricapitoliamo: abbiamo sostanze polari e sostanze apolari; quando una sostanza polare incontra una apolare, le due non si mescolano; quando invece incontra un’altra sostanza polare, le due possono interagire e mescolarsi.

Liti-di-coppia

Quando si litiga e non ci si parla, per riavvicinarsi può essere utile l’intervento di un terzo soggetto

Ora però, nella scienza così come nella vita, brutti e belli, cattivi e buoni, polari e apolari non stanno sempre separati. Alle volte è, necessario o addirittura auspicabile che s’incontrino e interagiscano. Ovviamente non è facile: quante volte capita che, per qualsiasi motivo, non riusciamo a stare accanto ad una persona, ma dobbiamo andarci a cena insieme e discuterci di lavoro o di qualsiasi altra cosa? Per questo, in queste situazioni, come ad esempio accade in un negoziato di pace tra due parti in conflitto o in una coppia che abbia litigato, è spesso utile che intervenga qualcuno o qualcosa che abbia un po’ le caratteristiche di una parte e un po’ dell’altra e sia in grado di parlare e interagire proficuamente con entrambi i soggetti.

Fuor di metafora quindi, se vogliamo perciò fare interagire una sostanza polare (tipo l’acqua) con una apolare (come l’olio), abbiamo bisogno di un terzo tipo di sostanza che abbia sia carattere polare (per poter interagire con l’acqua) e sia apolare (per poter interagire con l’olio). Questo contatto tra due universi opposti è qualcosa che tutti noi facciamo ogni giorno. Almeno nel mondo delle molecole…

macchiaImmaginiamo questa scena: stiamo andando ad un importante appuntamento, magari un colloquio di lavoro o una cena con una persona che vogliamo conquistare. Arrivati sul luogo dell’incontro, ci guardiamo allo specchio per controllare che tutto sia a posto e…c’è una macchia gigante sulla camicia, in piena vista, impossibile da nascondere!!! Panico!!!! Cosa facciamo? Andiamo in bagno e ci mettiamo sopra un po’ d’acqua, sfregando e sperando che la macchia scompaia. Se l’operazione funziona, significa che l’acqua è riuscita a sciogliere la macchia, portandosela via e noi siamo salvi, pronti ad impressionare chi deve darci il lavoro o chi vogliamo baciare e amare tutta la vita (o tutta la notte…)Ovviamente utilizziamo l’acqua per il semplice fatto che è il liquido più comune sulla Terra e di conseguenza vitale per la nostra sopravvivenza al punto che è a disposizione in tutte le nostre case semplicemente aprendo un rubinetto.

Ricordiamo ora cosa abbiamo detto sopra: sciogliere significa interagire e quindi una macchia che viene lavata solo con l’acqua è formata da una sostanza che interagisce con l’acqua. Supponiamo però di non riuscire a smacchiarci solo con l’acqua: la macchia è maledetta, non scompare e ci sentiamo disperati. Cosa significa questo, oltre al fatto che dovremo ingegnarci per nasconderla oppure presentarci all’appuntamento a torso nudo o in reggiseno? Significa che quella macchia maledetta è costituita da una sostanza che non interagisce con l’acqua, ossia una sostanza apolare, ossia, nella maggior parte dei casi, un grasso, un olio, tipicamente presenti nei cibi. Infatti l’olio e soprattutto i grassi rappresentano quasi sempre ciò che genericamente chiamiamo sporco…sulla nostra pelle, sui vestiti, sulla tovaglia, sui piatti da lavare, ecc.: le macchie che si fa fatica a “mandar via” sono quasi sempre macchie d’unto ossia grasso.

I grassi e gli oli sono miscele di molecole di questo tipo (chimicamente si tratta di un esteri): in rosso gli atomi di ossigeno, in azzurro di idrogeno e in nero di carbonio. Più specificatamente, si dicono grassi le miscele solide a temperatura ambiente e oli quelle liquide.

Vediamo allora cos’hanno di così malefico questi grassi da rovinarci l’appuntamento galante o di lavoro. I grassi sono miscele di molecole caratterizzate in gran parte da lunghe catene di atomi di carbonio legati ad atomi di idrogeno (vedi figura). Queste catene sono apolari, prive cioè di zone con particolare disomogeneità di carica elettrica. Queste molecole sono come gli spaghetti di cui si parlava sopra, ossia molecole che non interagiscono con quelle d’acqua: l’acqua sta con l’acqua, i grassi con i grassi. E la macchia sulla camicia rimane lì, nonostante gli sforzi nel bagno…Quindi i grassi sono “malefici” semplicemente perché sono diversi dal liquido che abbiamo a disposizione per smacchiarci.

Una tipica molecola di sapone con la coda idrofoba (o lipofila) formata da atomi di idrogeno (H) e carbonio (C), e una testa idrofila polare e carica elettronicamente.

Brevissima parentesi per introdurre un semplice glossario: polare = idrofilo (che ama l’acqua) = lipofobo (che “ha paura” dei grassi); apolare = idrofobo (che “ha paura” dell’acqua) = lipofilo (che “ama” i grassi).

Ci vuole allora una sostanza, le cui molecole siano un po’ polari come l’acqua e quindi idrofile e un po’ apolari come le macchie di sporco formate da grasso, ossia lipofile. Questa sostanza è il sapone. Le molecole di sapone sono infatti formate da una lunga catena apolare (lipofila), con caratteristiche analoghe alle molecole di grassi, che chiamiamo “coda” e una “testa” polare (idrofila) che è carica elettricamente. E’ come se queste molecole fossero uno spaghetto a cui è agganciato una calamita! Si tratta quindi di molecole ambivalenti. Ed è proprio questa ambivalenza che consente al sapone di interagire sia con l’acqua sia con il grasso e, in definitiva, di lavare mani, camicie e piatti.

Una micella: le molecole di sapone si aggregano in maniera tale da esporre all’ambiente esterno acquoso le teste idrolife, mentre le code idrofobe (o lipofile) si dispongono verso l’interno dove può venire intrappolata una particella di grasso, anch’essa idrofoba.

Quando passiamo sullo sporco l’acqua e il sapone, le code idrofobe di quest’ultimo si allontanano dall’acqua, mentre le teste idrofile si dispongono a contatto con essa. Il risultato è la formazione di una struttura circolare, chiamata micella. Le particelle di grasso (“grease” nella figura), ossia un gruppo di molte molecole di grasso, rimangono catturate all’interno delle micelle dalle code lipofile con le quali interagiscono.  

A quel punto con un po’ di azione meccanica, il famoso “olio di gomito”, riusciamo a staccare dai tessuti, dalla pelle o dai piatti le particelle di sporco “imprigionate” all’interno di un involucro che si scioglie in acqua. Insomma, il sapone fa da tramite tra lo sporco e l’acqua che non possono vedersi e si evitano in ogni modo. Siccome però l’acqua è la sostanza che utilizziamo per lavare, dobbiamo riuscire a far sì che, in qualche modo, il grasso ci abbia a che fare. Ossia, il grasso deve potersi sciogliere nell’acqua per essere portato via. Dal momento che, di suo, non ci si scioglierebbe per niente (come l’olio), ecco che entra in gioco il sapone che è amico sia del grasso, sia dell’acqua: prende dentro di sé il grasso e gli dice: “Non preoccuparti grasso, vieni qui e rilassati, l’acqua non te la faccio neanche vedere, ci penso io a parlarci”. L’acqua da parte sua scioglie le micelle (perché le loro “pareti” esterne sono idrofile) senza neanche rendersi conto che all’interno c’è una particella dell’odiato grasso. E il gioco è fatto!

Come ultima curiosità, sperando che non vi confonda, aggiungiamo che il sapone è ottenuto dai grassi stessi (non a caso, dato che – come visto – esiste una somiglianza tra le strutture delle molecole di grasso e sapone), facendoli reagire con un tipo di sostanza (chiamata “base” come ad esempio la soda caustica) che permette di creare la testa polare (idrofila), attraverso una reazione chiamata idrolisi. In passato infatti i saponi erano preparati dal sego, un grasso di ovini e bovini che assomiglia allo strutto, che era mescolato alla lisciva (una base, ottenuta da cenere e acqua).

E, comunque, anche se abbiamo compreso come funziona il sapone, il consiglio è di non mangiarsi un hamburger che cola grasso proprio prima del colloquio di lavoro o dell’appuntamento con il/la nostro/a amato/a…

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