Temperatur beim Seifensieden: Laugenlösung, Seifenleim und Gelphase

Die Temperatur spielt in jeder Phase der Seife im Kaltverfahren eine Rolle, von der Kanne mit Laugenlösung bis zu den Stunden, die der Block in der Form verbringt. Diese Anleitung beziffert jede Phase, mit Primärdaten, wo es sie gibt, und mit durchgerechneten Schätzungen, wo nicht, und sagt jeweils, was was ist.

Wie heiß eine Laugenlösung wird

Beim Lösen von Natriumhydroxid in Wasser wird Wärme frei. Der Standardwert gilt für einen großen Überschuss an Wasser: 10.637 Kalorien oder 44,5 kJ für jedes bei 25 °C gelöste Mol, der Wert, den die kritische Übersicht des US National Bureau of Standards zu diesen Messungen als „best“ ausweist (Parker, 1965). Das sind etwa 1,1 kJ für jedes Gramm Lauge.

Die Laugenlösung für Seife ist bei Weitem nicht so verdünnt, und in einer starken Lösung gibt jedes Mol weniger Wärme ab, weil pro Mol weniger Wasser da ist, in das sich seine Ionen einfügen können. Dieselbe Übersicht tabelliert die Korrektur für jede Konzentration, als relative scheinbare molale Enthalpie. Hier die ganze Rechnung für eine Lösung mit 33 %.

1. Die Zusammensetzung. 100 g Lösung sind 33 g NaOH und 67 g Wasser. Bei 39,997 g/mol sind das 0,825 mol NaOH in 0,067 kg Wasser, eine Molalität von 12,3 mol/kg.
2. Die Wärme pro Mol bei dieser Konzentration. Parkers Tabelle nennt +1513 cal/mol bei 12,33 mol/kg, direkt neben unserem Wert. Die Lösungswärme beträgt −10.637 + 1513 = −9124 cal/mol, was bei 4,184 J pro Kalorie −38,2 kJ/mol ergibt.
3. Die frei werdende Wärme. 0,825 mol × 38,2 kJ/mol = 31,5 kJ.
4. Die Wärme, die die Lösung aufnehmen kann. Das Handbuch von OxyChem gibt die spezifische Wärmekapazität von Natronlauge mit 32 bis 34 % zwischen 80 und 200 °F mit 0,84 bis 0,86 Btu pro Pfund und °F an, etwa 3,6 J pro Gramm und Grad. 100 g Lösung brauchen etwa 358 J, um sich um 1 °C zu erwärmen.
5. Der Temperaturanstieg. 31.500 J ÷ 358 J/°C = 88 °C. Aus Wasser von 20 °C (68 °F) würde die Lösung etwa 108 °C (227 °F) erreichen.

Das ist eine Schätzung, und zwar eine obere, weil sie annimmt, dass jedes Joule in der Lösung bleibt. In einer echten Kanne braucht die Lauge ein, zwei Minuten, um sich zu lösen, und die ganze Zeit über entweicht Wärme in die Kanne, in die Luft und in den Dampf, der von der Oberfläche aufsteigt. Trotzdem kann eine frische Lösung über 90 °C (194 °F) heiß werden: Failor hält fest, dass eine auf etwa 200 °F (93 °C) hochschnellte, Cavitch und Faiola nennen denselben Wert, und Watson warnt, dass sie bis zum Sieden kommen kann. Faiola ergänzt, dass zuckerhaltige Flüssigkeiten noch heißer werden. Die Schätzung sagt trotzdem zwei nützliche Dinge: Die Lösung geht weit über die Temperatur hinaus, bei der man sich verbrüht, und sie kommt bis auf etwa 10 °C an den Siedepunkt heran, der für eine Lösung mit 33 % laut dem Diagramm von OxyChem bei etwa 119 °C (246 °F) liegt.

Die Methode hält einer unabhängigen Prüfung stand. Das Handbuch von OxyChem rechnet auf seinem Enthalpiediagramm ein Verdünnungsbeispiel durch: Natronlauge mit 50 % bei 120 °F, mit Wasser von 80 °F auf 20 % verdünnt, endet bei etwa 143 °F. Dieselben Daten von Parker und dieselben spezifischen Wärmekapazitäten ergeben, mit einer kurzen Extrapolation über die letzte Zeile von Parkers Tabelle hinaus, 143 °F.

Schätzungen aus Parkers Lösungswärmen und den spezifischen Wärmekapazitäten von OxyChem, auf dieselbe Weise durchgerechnet wie oben. Echte Messwerte liegen niedriger.

Zwei Dinge fallen auf. Eine stärkere Lösung gibt pro Gramm Lauge weniger Wärme ab und wird trotzdem heißer, weil weniger Wasser da ist, das die Wärme aufnimmt. Eine reduzierte Wassermenge macht die Laugenlösung also nicht nur stärker, sondern auch heißer.

100 g Natriumhydroxid25 %300 g · 3,00 : 1langsam; eher Asche und Schrumpfen28 %257 g · 2,57 : 130 %233 g · 2,33 : 133 %203 g · 2,03 : 1Voreinstellung, die goldene Mitte35 %186 g · 1,86 : 140 %150 g · 1,50 : 1weniger Wasser: dickt schneller an45 %122 g · 1,22 : 150 %100 g · 1,00 : 1Masterbatch; Kristalle < 12 °CDie alte Voreinstellung, Wasser mit 38 % der Öle, ergibt bei üblichen 14 % Lauge auf die Öle etwa eine Lösung mit 27 %.

In einem ganzen Rezept sind die Zahlen größer, als sie sich anfühlen. Die 128,7 g Natriumhydroxid für 1000 g Olivenöl bei 5 % Überfettung, gelöst in ihren 261,2 g Wasser bei 33 %, geben etwa 123 kJ ab: genug, um einen Liter Wasser um fast 30 °C zu erwärmen.

Dieselbe Rechnung erklärt die Regel zur Reihenfolge. Gießen Sie Wasser auf feste Lauge, werden die ersten paar Gramm Wasser zu einer sehr starken, sehr heißen Lösung, die direkt an den Perlen liegt, und so kommt es zu Spritzern und Überkochen. Dows Handbuch zum eigenen Ätznatron sagt es schlicht: die Lauge ins Wasser geben, nie das Wasser zur Lauge. Die Anleitung zur Laugensicherheit behandelt den Rest.

Die Verseifungswärme

Die zweite Quelle ist die Reaktion selbst. Wir konnten keinen gemessenen Wert für die Wärme finden, die beim Verseifen eines Seifenöls frei wird, deshalb hier eine Schätzung anhand kleiner Moleküle, deren Wärmen gut bekannt sind.

Energetisch läuft das Verseifen eines Esters auf dasselbe hinaus wie zwei Schritte: ihn mit Wasser spalten und dann die frei werdende Säure neutralisieren. Für Ethylacetat, den kleinen Ester aus dem Lehrbuch, ergeben die Bildungsenthalpien des NIST, dass der erste Schritt etwas Wärme aufnimmt, etwa 4 bis 7 kJ pro Mol. Der zweite gibt etwa 56 kJ pro Mol ab: Parkers Wert für die Vereinigung von Wasserstoff- und Hydroxidionen beträgt 13.345 cal oder 55,8 kJ, und eine Carbonsäure fügt dem wenig hinzu. Netto ergibt das grob 50 kJ pro Mol Esterbindungen.

Olivenöl hat 3,39 mmol Esterbindungen pro Gramm (seine Verseifungszahl, 190 mg KOH/g, geteilt durch 56,1). Das 1000-g-Rezept oben verseift 95 % davon mit seinen 3,22 mol Lauge, was nach dieser Schätzung etwa 160 kJ freisetzt: etwas mehr als die 123 kJ, die die Lauge beim Lösen abgab. Sehen Sie das als Größenordnung. Langkettige Seife kristallisiert und bildet Flüssigkristalle auf eine Weise, wie es ein kleiner Ester nicht tut, und jede dieser Veränderungen hat ihre eigene Wärme.

Der Unterschied, auf den es ankommt, ist die Zeit. Die Wärme der Lauge kommt innerhalb einer Minute, und Sie können sie im Spülbecken abkühlen. Die Wärme der Reaktion kommt über Stunden, in einer Form, und sie beschleunigt die Reaktion, die sie erzeugt: Warmer Seifenleim verseift schneller, was ihn weiter erwärmt. Thomssens Handbuch von 1922 sah das Ergebnis in einer Fabrikform: „The heat produced by the further spontaneous saponification will cause the soap to rise in the middle of the frame.“ Das Kaltverfahren in der Fabrik lief mit dieser Wärme. Das Handbuch von Simmons und Appleton aus dem Jahr 1908 beschreibt, wie sich Kokosöl auch kühl mit starker Lauge verbindet, „evolving sufficient heat to complete the saponification“; in einer Mischung startet das Kokosöl die Reaktion, und seine Wärme nimmt Talg, Palm- oder Olivenöl mit.

Gel: wohin die Wärme geht

Seife und Wasser wechseln zusammen mit der Temperatur die Phase. Kühle frische Seife ist das, was die Chemie Curd nennt: Seifenkristalle in Wasser, undurchsichtig. Warm genug, wird sie zu dem, was alte Seifensieder „neat soap“ nannten, einem Flüssigkristall, durchscheinend und glänzend, den Seifensieder heute Gel nennen. Die Anleitung zur Chemie der Verseifung beschreibt die Struktur.

Dunns Phasendiagramm für Seife und Wasser beziffert das. Aus dem Diagramm abgelesen, also ungefähr: Über den Bereich, den es abdeckt, etwa 11 bis 27 % Wasser, beginnt Seife bei etwa 60 °C (140 °F) zu gelieren, und die Temperatur, die nötig ist, um sie ganz durchzugelieren, steigt, je weniger Wasser sie enthält. Mit etwa 27 % Wasser reichen 60 °C fast. Mit 20 % braucht es etwa 75 °C (167 °F). Mit 11 % braucht es mehr als 100 °C.

Wasser in der Charge für 1000 g Olivenöl bei 5 % Überfettung, aus dem Rechner; Geltemperaturen aus Dunns Diagramm (2012) abgelesen.

Seifensieder sind durch Erfahrung auf dieselbe Schwelle gekommen. In Pure Soapmaking schreibt Faiola, dass Seife „typically gels when it reaches a temperature above 140°F (60°C) in the mold“, und dass die meisten Rezepte, die bei 49 °C (120 °F) oder mehr gemischt werden, von selbst gelieren.

Wie heiß wird ein Block? Faiola setzt Gel meist 40 bis 60 °F, also 22 bis 33 °C, über der Temperatur an, mit der der Seifenleim gegossen wurde. Ein bei 38 bis 43 °C (100 bis 110 °F) gegossener Block erreicht seinen Höchstwert also irgendwo um 60 bis 76 °C: mitten über der Schwelle. Deshalb geliert dasselbe Rezept an einem Tag und am nächsten nicht, und deshalb geliert eine Charge mit wenig Wasser eher nur in der Mitte, wo es am heißesten ist.

Größe, Form und Isolierung

Ein Block erzeugt Wärme im Verhältnis zu seinem Volumen und verliert sie im Verhältnis zu seiner Oberfläche. Ein Block von 25 × 8 × 7 cm, 1,4 Liter, hat 862 cm² Oberfläche: 0,62 cm² für jeden Kubikzentimeter. Eine einzelne Mulde von 7 × 5 × 2,5 cm hat 1,49 cm² pro Kubikzentimeter, also um den Faktor 2,4 mehr Oberfläche, über die jedes Gramm Wärme verlieren kann. Verdoppeln Sie jedes Maß des Blocks, halbiert sich das Verhältnis. Das ist die Rechnung hinter drei Ratschlägen aus dem Handwerk:

• Einzelformen gelieren selten von selbst. Wer Gel möchte, muss Wärme zuführen; Faiola erzwingt es mit einem Heizkissen auf niedriger Stufe für etwa 30 Minuten, wenn sie kräftigere Farben möchte.
• Große Formen können außer Kontrolle geraten. Watson warnt, dass eine sehr große Charge in einer einzigen Form überhitzen kann, sogar bis zum Sieden, und rät zu mittelgroßen Formen mit Abstand dazwischen.
• Isolierung und Kälte wirken auf dieselbe Bilanz. Handtücher oder ein Karton bremsen den Wärmeverlust und bringen einen Block in die Gelphase; eine offene Form im Kühl- oder Gefrierschrank hält ihn heraus. Die Anleitung zur Gelphase erklärt, wann Sie was wollen.

Bei welcher Temperatur sieden

Die Untergrenze setzen die Fette. Kühlt der Seifenleim ab, bis seine härteren Fette fest zu werden beginnen, dickt er an, ohne zu verseifen, was Watson falsches Andicken nennt. Wie kühl eine Mischung werden darf, hängt von der Mischung ab, da sich Fette ineinander lösen, aber die Schmelzpunkte der harten Fette geben den Maßstab. Nach den Spannen auf unseren Ölseiten schmilzt Kokosöl bei 23–26 °C, Kakaobutter bei 31–35 °C, Sheabutter bei 33–40,5 °C und Bienenwachs bei 62–65 °C, weshalb Faiola rät, mit Bienenwachs bei 63 °C (145 °F) oder mehr zu sieden, damit es nicht fest wird.

Oberhalb der Untergrenze ist die Wahl eher eine Arbeitsgewohnheit als Chemie, und die Quellen gehen weit auseinander.

Seife entsteht überall in diesem Bereich. Was sich ändert, ist die Geschwindigkeit.

Wärmerer Seifenleim verseift schneller: Er dickt früher an, heizt sich früher selbst auf und geliert eher. Kühlerer Seifenleim lässt mehr Zeit für Swirls und Schichten und hält Milch und Zucker heller. Corley Barto siedet ihre Rezepte mit Rizinusöl kühler, weil Rizinusöl sich, wie sie sagt, stärker erwärmt; uns ist keine Messung bekannt, die dahintersteht.

Watson macht die Reaktionswärme zur Messlatte. Sie mixt, bis sich der Seifenleim gegenüber seiner Ausgangstemperatur um etwa 1 °C (2 °F) erwärmt hat, das Zeichen, dass die Verseifung im Gang ist, und nie über einen Anstieg von 3 °C (5 °F) hinaus, nach dem er zum Gießen zu dick sein kann.

Zucker, Honig, Milch und Alkohol

Zucker und Alkohole lassen eine Charge schneller andicken und heißer werden. Dunn erklärt das so: Sie überbrücken die Lücke zwischen Seifen- und Wassermolekülen, sodass das Öl früher emulgiert und schneller verseift, was den Temperaturanstieg und die Gelphase vorverlegt. Unsere Zusatzstoffdatenbank kennzeichnet Zucker, Honig und Sorbit als wärmetreibend, und wenn einer davon in einem Rezept ist, sagt Ihnen die Arbeitsanleitung, die der Rechner ausgibt, dass Sie die Form nicht isolieren sollen. Unsere Seife mit Buttermilch und Honig geht weiter und verbringt ihren ersten Tag im Kühlschrank.

Honig und Milch bringen außerdem eine Gefahr mit. Die Chemikaliendatenbank der NOAA warnt, dass reduzierende Zucker „heated (above 84°C.), evolve toxic levels of carbon monoxide in the presence of alkalis“. Glucose und Fructose im Honig sind reduzierende Zucker, ebenso die Lactose der Milch. Das ist ein Grund, warum Honig beim Andicken hineinkommt und nie in heiße Lauge. Faiola beginnt ihre Honigseifen mit beiden Flüssigkeiten unter 38 °C (100 °F), gibt den Honig beim Andicken zu und stellt die gegossene Seife sofort in den Kühl- oder Gefrierschrank.

Milch hat ein zweites Problem: die Farbe. Dunn gab Lactose in Lauge, und sie wurde innerhalb von Minuten braun, was er für die Ursache der Farbe von Seife mit Ziegenmilch hält. Die Milch kalt zu halten, während die Lauge hineinkommt, ist die ganze Technik: Unsere Seife mit Ziegenmilch, Hafer und Honig streut die Lauge auf gefrorene Milch, die in Eiswasser steht. Veröffentlichte Obergrenzen für die Mischung aus Milch und Lauge reichen von 49 °C (120 °F) bei Letcavage und Harden bis 60 °C (140 °F) bei Corley Barto, und unsere Anleitung zu Milchseife zielt auf unter 30 °C (86 °F). Auch Cavitch blieb dort: Sie kühlte ihre Lauge auf 27 °C (80 °F), bevor sie sie in Milch träufelte, die auf dieselbe Temperatur erwärmt war, und Faiola hält ihre Lauge mit Kokosmilch unter 38 °C (100 °F). Je niedriger der Höchstwert, desto heller das Stück.

Bier und Wein bringen beides mit, Zucker und Alkohol. Cable lässt sie schal werden und köchelt sie dann vor der Verwendung 30 Minuten lang, um das Risiko einer Überhitzung zu verringern, und isoliert die Seife nie; die Anleitung zu Flüssigkeiten behandelt die Vorbereitung.

Wenn ein Block überhitzt

Ein überhitzender Block steigt in der Mitte an, wie Thomssen beobachtete, reißt dann entlang der Oberseite und drückt im schlimmsten Fall Seife über die Ränder der Form. Faiola zählt Schwitzen und Hitzetunnel, große Löcher in der Mitte des Blocks, zu dem, was die zusätzliche Wärme von Zucker anrichten kann. Wärme zeigt sich auch im Inneren des Stücks als Glycerinflüsse und Risse. Die Abhilfe ist, die Wärme wegzunehmen: Abdeckung herunter und den Block an einen kalten Ort stellen. Cable stellt einen überhitzenden Block in den Kühlschrank und warnt, dass er trotzdem überlaufen kann.

Der schlimmste Fall ist der, vor dem Watson warnt: ein Block, der den Siedepunkt seines eigenen Wassers erreicht. Frischer Seifenleim besteht zu etwa 15 bis 25 % aus Wasser, und bei einem zuckerhaltigen Rezept, warm gesiedet und in eine große, isolierte Form gegossen, drängt jeder Faktor aus dieser Anleitung in diese Richtung.

Heißverfahren und Gießseife

Beim Heißverfahren wird die Wärme absichtlich zugeführt. Fisher kocht bei 66–77 °C (150–170 °F), in einem Schongarer auf niedriger Stufe oder im Backofen, was die ganze Charge durch die Gelphase führt, während die Reaktion zu Ende läuft. Der Duft kommt hinein, wenn die Seife etwas abgekühlt ist, unter etwa 82 °C (180 °F) in der Methode für das Heißverfahren, der die Schritte unseres Rechners folgen, und in unserer Heißverfahrensseife mit Ziegenmilch und Sheabutter, damit er nicht verdunstet.

Gießseife ist fertige Seife und hat deshalb keine eigene Reaktionswärme. Ihre Grenze ist, wie viel Wärme sie verträgt. Fisher nennt 54–60 °C (130–140 °F) als den am besten verarbeitbaren Bereich und warnt, dass eine Grundmasse über 71 °C (160 °F) zu kochen und anzubrennen beginnt. Überhitzen treibt Wasser aus, und Failor merkt an, dass die Seife danach brüchig wird oder unangenehm riecht. Schmelzen Sie sie in kurzen Intervallen oder im Wasserbad und rühren Sie zwischendurch um. Der Gießseife-Rechner berechnet die Charge.