Жиры и мыла: гидролиз и омыление

Растительное масло на сковороде, сливочное масло и подкожный жир имеют разный внешний вид, но с точки зрения органической химии относятся к одной группе веществ. Это жиры, или триглицериды. Они запасают энергию в живых организмах, участвуют в построении клеточных оболочек и служат сырьём для получения мыла. Чтобы понять реакции жиров, нужно увидеть в их молекулах эфирные связи: именно по ним вода или щёлочь разделяет крупную молекулу на более простые вещества.

Что называют жирами

Глицерин имеет формулу C₃H₅(OH)₃ и содержит три гидроксильные группы. Каждая из них способна вступить в реакцию этерификации с карбоновой кислотой. Если все три группы прореагируют с молекулами высших кислот, образуется триэфир, то есть триглицерид. В общей формуле R₁COOCH₂-CH(OOC-R₂)-CH₂OOC-R₃ радикалы R₁, R₂ и R₃ обозначают длинные углеводородные цепи кислот.

Высшими карбоновыми кислотами называют кислоты с длинной углеродной цепью. В составе природных жиров особенно часто встречаются пальмитиновая кислота C₁₅H₃₁COOH, стеариновая кислота C₁₇H₃₅COOH и олеиновая кислота C₁₇H₃₃COOH. Жир может состоять из остатков одной кислоты или нескольких разных. Например, тристеарин образован глицерином и тремя остатками стеариновой кислоты.

Образование тристеарина можно записать уравнением: C₃H₅(OH)₃ + 3C₁₇H₃₅COOH ⇄ C₃H₅(OOC-C₁₇H₃₅)₃ + 3H₂O. Это частный случай этерификации. В реальных организмах синтез жиров происходит с участием ферментов, а не простым смешением исходных веществ в колбе.

Насыщенные и ненасыщенные кислоты

Свойства жира во многом зависят от строения кислотных остатков. В насыщенных кислотах между атомами углерода есть только одинарные связи. Их прямые цепи хорошо укладываются рядом, поэтому силы притяжения между молекулами сравнительно велики. Жиры с большой долей остатков пальмитиновой и стеариновой кислот чаще твёрдые при комнатной температуре. К ним относятся многие животные жиры.

В ненасыщенных кислотах присутствует двойная связь C=C. В молекуле олеиновой кислоты она расположена в середине цепи и создаёт изгиб. Такие цепи хуже упаковываются, поэтому жиры с ненасыщенными остатками часто являются жидкостями. Подсолнечное, оливковое и льняное масла содержат много ненасыщенных кислот. Это общее правило, а не способ установить происхождение жира по одному агрегатному состоянию.

Двойные связи позволяют ненасыщенным жирам вступать в реакции присоединения. При гидрировании водород присоединяется по месту двойной связи: R-CH=CH-R′ + H₂ → R-CH₂-CH₂-R′. Процесс проводят в присутствии катализатора. В результате цепи становятся более насыщенными, а жир может приобрести более высокую температуру плавления.

Гидролиз жиров

Гидролизом называют разложение вещества водой. В триглицериде вода разрывает три эфирные связи, поэтому из одной молекулы жира образуются одна молекула глицерина и три молекулы карбоновых кислот. Для тристеарина схема выглядит так: C₃H₅(OOC-C₁₇H₃₅)₃ + 3H₂O ⇄ C₃H₅(OH)₃ + 3C₁₇H₃₅COOH.

Реакция с водой идёт медленно. Её ускоряют нагреванием и кислотным катализатором, например раствором серной кислоты. Кислота не входит в состав продуктов и не меняет итоговое уравнение. Кислотный гидролиз обратим: одновременно с распадом жира может происходить обратное образование сложного эфира. Поэтому в записи ставят знак равновесия ⇄.

В живых организмах расщепление пищевых жиров также является гидролизом, но происходит при участии ферментов липаз. Они действуют избирательно и позволяют реакции идти в мягких условиях. В школьной химии ферментативный и лабораторный процессы объединяет одно: оба разрушают эфирные связи и приводят к появлению глицерина и жирных кислот.

Омыление и состав мыла

Если вместо воды использовать раствор щёлочи, гидролиз идёт до конца. Карбоновые кислоты, которые могли бы образоваться, сразу реагируют со щёлочью и превращаются в соли. Щелочной гидролиз тристеарина гидроксидом натрия записывают так: C₃H₅(OOC-C₁₇H₃₅)₃ + 3NaOH → C₃H₅(OH)₃ + 3C₁₇H₃₅COONa.

Соль C₁₇H₃₅COONa называется стеаратом натрия. Наряду с пальмитатом натрия он входит в состав твёрдого мыла. При использовании гидроксида калия получаются калиевые соли, например C₁₇H₃₅COOK. Они обычно лучше растворяются в воде и используются для жидких или мягких мыл. Слово «мыло» в химическом смысле относится именно к солям высших карбоновых кислот, а не ко всем средствам для мытья.

Омыление практически необратимо, поскольку кислота не остаётся свободной: её частица превращается в карбоксилат-ион. Чтобы из стеарата натрия снова получить стеариновую кислоту, к соли добавляют сильную кислоту: C₁₇H₃₅COONa + HCl → C₁₇H₃₅COOH + NaCl. Это уравнение помогает отличить соль кислоты от самой кислоты.

Почему мыло отмывает жир

Молекула мыла состоит из двух неодинаковых частей. Длинный углеводородный радикал C₁₇H₃₅- неполярен и хорошо взаимодействует с жиром. Ионная группа -COO⁻Na⁺ полярна и обращена к воде. Поэтому мыло способно соединить воду и каплю жира, которые сами по себе не смешиваются.

В воде молекулы мыла окружают частицы жира: неполярные «хвосты» направлены внутрь капли, а заряженные «головки» остаются снаружи в воде. Получается мицелла. При перемешивании жир дробится на мелкие капли и удерживается во взвеси, после чего его можно смыть водой. Мыло не уничтожает загрязнение химически, а переводит его в дисперсное состояние.

В жёсткой воде эффект слабее. Ионы кальция и магния образуют с анионами высших кислот нерастворимые соли, например: 2C₁₇H₃₅COONa + CaCl₂ → (C₁₇H₃₅COO)₂Ca↓ + 2NaCl. Белёсый осадок расходует мыло и не образует хорошей мицеллы. Синтетические моющие средства часто сохраняют действие в жёсткой воде, но по химическому строению не являются обычными мылами.

• Жиры являются триэфирами глицерина и высших карбоновых кислот.
• При кислотном гидролизе образуются глицерин и свободные кислоты.
• Омыление представляет собой гидролиз жира раствором щёлочи.
• Натриевые соли высших кислот образуют твёрдые мыла, калиевые чаще входят в состав жидких.
• Моющее действие мыла связано с образованием мицелл вокруг частиц жира.