化學實驗室實驗：透明肥皂的製作（Making Transparent Soap）〔I〕

化學實驗室實驗：透明肥皂的製作（Making Transparent Soap）〔I〕
國立彰化高級中學化學科林芬如老師/國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

學生講義之一（Student Handout I）

實驗介紹

動物脂肪和植物油主要成份是由長鏈脂肪酸（fatty acids）和甘油所反應而成的酯類。這些三酸甘油酯（triglyceride or triacylglycerol）經過水解反應會產生甘油和脂肪酸鹽。因為脂肪酸鈉鹽是離子化合物， 如果濃度很低時，它是溶在水中的（實際上可溶，因為他們可形成微胞的形式溶在水中），但是如果高濃度的脂肪酸鈉鹽，它會聚集在一起而凝集形成了肥皂。基本 上，酯類的水解反應被稱為皂化（saponification），其反應式如圖一所示，其中R為長鏈的飽和或不飽和的烴基。

圖一 酯類水解反應的反應式 (圖片來源：Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Saponification)

皂化值（Saponification value or saponification number）為在指定條件下一個明確數量的脂肪或油皂化所需加入鹼的數量。皂化值可以被表示為皂化1克脂肪或油所需要氫氧化鉀或氫氧化鈉的毫克數。皂化 值是存在油指中所有脂肪酸的平均分子量（或鏈長）的一個衡量。由於大部分脂肪/三酯存在三個脂肪酸，因此它可以比較脂肪酸鏈的平均長度。長鏈不飽和脂肪酸 中發現有低的皂化值，因為每單位質量的長鏈脂肪酸比短鏈脂肪酸有相對較少的脂肪酸官能團的數量。

透過皂化反應製造肥皂是古老的有機化學反應之一。天然的 肥皂是脂肪酸鈉鹽或鉀鹽，起初肥皂的製造是由豬油或其他動物的脂肪與鹼液（氫氧化鈉）或草鹼（氫氧化鉀）加熱煮沸製成。直到工業革命，才有小規模的肥皂製 造，但是產品粗糙。於1789年，在倫敦的安德魯皮爾斯（Andrew Pears）才開始製造高品質的透明肥皂。現今工廠製造或手工製造的各式各樣透明肥皂令人喜愛，如圖二所示。

圖二 透明肥皂

用來製造透明肥皂的基本油脂是棕櫚油（palm oil）、牛油（tallow）、豬油（lard）、椰子油（coconut oil）、蓖麻油（castor oil）、橄欖油（olive oil）及其他軟油（soft oils）也可使用，也有人成功地使用乳油木果脂（Shea butter，雪亞脂）。用蓖麻油製造肥皂有夢幻般的透明，因為它是非常可調節的，但它也可當作溶劑。當使用低濃度酒精（70-75%）當作配方時，最好 的辦法是使用較高比例（30-35%）的蓖麻油。使用太多會導致肥皂太軟。如果使用豬油而非牛脂或棕櫚油製造肥皂，那麼加一些硬脂酸取代豬油。因為豬油使 肥皂變軟，硬脂酸有助於使肥皂變硬。如果使用過多椰子油，會得到雲霧狀的肥皂，椰子油最好保持在20%左右。當製造透明肥皂時，不要使用鹼液折扣（lye discount），肥皂中有任何油不皂化會形成雲霧狀而影響透明度。

肥皂之所以變得不透明，是由於大的隨機排列晶體（large randomly arranged crystals，非完全的隨機之意）以及晶體之間有裂痕而造成不規則的光線散射。根據x-射線的光譜圖，均勻的圓形圖案證明在透明肥皂裡結晶性的完全隨 機（the complete randomness of the crystallites）。因此，一般透明肥皂與不透明或半透明肥皂的區別，主要在於透明肥皂的結晶有非常細的顆粒大小，結晶以完全隨機排列。肥皂是透 明的，這是因為與可見光的波長相比，肥皂結晶的顆粒較小，以致無法造成光線的中斷而變得透明。透明肥皂被證明是由超微細晶粒的集合並且晶粒之間是完全的隨 機安排。傳統的透明肥皂當作非晶質過冷的液體（amorphous undercooled liquids）之概念已經被x-射線測試過。

藥品和器材

● 蓖麻油（Castor oil）  15.0 g/組
● 椰子油（Coconut oil）  22.5 g/組
● 橄欖油（Olive oil）  7.5 g/組
● 棕櫚油（Palm oil）  30.0 g/組
● 藥用酒精（95% Ethyl Alcohol）  31.8 g/組
● 氫氧化鈉（Sodium hydroxide, Lye）  11.34 g/組
● 蒸餾水  若干/組
● 冰糖（蔗糖，Sucrose）  13.9 g/組
● 甘油（glycerin）  18.5 g/組
● 香精油  1.8 g/組
● 食用色素  少許/組
● 錐形瓶（250 mL）  1個/組
● 燒杯（100 mL）  2個/組
● 電磁加熱攪拌器（含磁石）  1台/組
● 漏斗（小型）  1支
● 玻棒  1支
● 溫度計  1支
● 肥皂模型  數個
● 麥可筆  1支
● 乳膠手套  1雙

連結：透明肥皂的製作（Making Transparent Soap）〔II〕