pH van zeep: wat normaal is en hoe je een stuk test op vrije loog

Zeep is het zout van een vetzuur en een sterk alkali, en in water maakt elk zulk zout het water alkalisch. Een goed gemaakt stuk zeep test dus nooit neutraal, en een hoge pH bewijst op zichzelf niets. Wat je eigenlijk wilt weten, is of het stuk vrije loog bevat: natriumhydroxide dat geen olie heeft gevonden om mee te reageren. Deze handleiding legt uit wat een normale meting is, waarom de pH een slechte maat is voor vrije loog, en wat elk van de gebruikelijke tests voor thuis je wel en niet kan vertellen.

Waarom elke echte zeep alkalisch is

Een zeepmolecuul is een vetzuur waarvan het zure waterstofatoom is vervangen door natrium, of door kalium bij zachte zeep. Vetzuren zijn zwakke zuren en natriumhydroxide is een sterke base, dus in water neemt een klein deel van de zeep een waterstofatoom terug van het water, wordt weer vetzuur en laat een hydroxide-ion achter. Dat hydroxide is de reden dat zeepwater alkalisch is, en het is er ook in een perfect gemaakt stuk zonder enige vrije loog.

Hoe alkalisch zeep is, hangt af van de vetzuren. Langere ketens pakken zich in water samen, en dicht opeengepakt houden ze dat waterstofatoom steviger vast, dus hun zepen nemen het makkelijker terug van het water en meten hoger; elke dubbele binding in de keten brengt de meting iets omlaag. De verschillen zijn niet klein.

Waarden die Kevin Dunn in 2015 presenteerde voor oplossingen van 1 % van zuivere zepen zonder vrije loog, op basis van de metingen van de pKa van vetzuren door Kanicky en Shah.

Een gerijpt stuk zeep meet iets lager dan die zuivere zepen, en de meeste zitten tussen 9 en 10. Toen Tarun en collega’s 64 badzepen als oplossingen van 1 % testten, zaten er 53 tussen 9,01 en 10. Dunns eigen koudproceszepen zakten naarmate ze ouder werden, zelfs afgesloten in een zak: olijfoliezeep van 11,4 naar 10,3, palmoliezeep van 10,3 naar 10,2, kokosoliezeep van 10,1 naar 9,9, terwijl ricinusoliezeep op 9,5 bleef. Verwacht dus dat een goed gemaakt stuk rond pH 9 tot 10 meet, en dat een stuk dat vooral van olijfolie of een ander vet met lange ketens is gemaakt aan de bovenkant daarvan zit of iets erboven. Zepen uit de winkel lopen meer uiteen: in een Braziliaans onderzoek van Mendes en collega’s maten de meeste kinderzepen boven 10, tot 11,55, en antibacteriële zepen 10,28 tot 11,34. Het oppervlak van de huid zelf zit rond pH 5,5.

Waarom zeep niet pH-neutraal kan zijn

Om zeep naar pH 7 te brengen, zou je het grootste deel ervan weer in vetzuur moeten veranderen, en dat lost niet meer op en schuimt niet meer zoals zeep. Dunn probeerde mildere routes op afgewerkte koudproceszepen, door stukken in koolstofdioxide en boven azijn te bewaren. De azijn deed het meest, en die bracht olijfoliezeep maar tot 9,9 en ricinusoliezeep tot 8,8. Zijn conclusie was dat koudproceszeep zeer goed bestand is tegen veranderingen in pH.

Stukken die als pH-gebalanceerd of pH 5,5 worden verkocht, zijn syndets, synthetische detergenten zoals sodium cocoyl isethionate; in het onderzoek van Mendes mat een syndetstuk 5,81 en de vloeibare syndets 5,30 tot 7,36. Volgens de Amerikaanse regels (21 CFR 701.20) zijn ze geen ‘soap’, een woord dat is voorbehouden aan producten waarvan de massa en de reinigende werking uit alkalizouten van vetzuren bestaan. Wil je een stuk met een lage pH, dan stelt de syndetcalculator er een voor je samen; koudproceszeep komt daar niet.

Een hoge pH is niet hetzelfde als vrije loog

Zeepnormen zeggen dit op hun eigen manier: ze begrenzen het vrije alkali, niet de pH. De Oost-Afrikaanse norm voor toiletzeep bijvoorbeeld staat hooguit 0,1 % vrij bijtend alkali toe, uitgedrukt als natriumhydroxide en gemeten volgens ISO 456, en 0,2 % totaal vrij alkali, uitgedrukt als natriumoxide en gemeten volgens ISO 684, en stelt helemaal geen eis aan de pH.

De reden is dat de pH zwak reageert op de hoeveelheden die ertoe doen. Classic Bells schat, op basis van het boek van Dunn, dat een loogoverschot van 1 promille de pH van een zeep met ongeveer 0,3 verhoogt, en een groot overschot van 5 promille met ongeveer 0,7. Zet dat naast de tabel hierboven: een perfecte olijfoliezeep meet 1,5 eenheden hoger dan een perfecte ricinusoliezeep. Een stuk met veel ricinusolie en wat vrije loog erin kan lager meten dan een foutloze castillezeep.

Ook de overvetting doet weinig met de meting. De vrije olie zit naast de zeep en neutraliseert niets; de vetzuren waarvan de zeep is gemaakt, bepalen de pH. En de witte soda-aanslag die zich op het oppervlak van een stuk kan vormen, is natriumcarbonaat, zelf alkalisch (ISO 684 telt het mee als totaal vrij alkali), en daarom hoort elke test op een vers snijvlak.

Er is één meting die op zichzelf wel iets betekent. Geen enkele zuivere zeep in de tabel van Dunn haalt 12, dus een oplossing van 1 % die 12 of meer meet, bevat vrij alkali. Watsons regel voor strips komt daarmee overeen: boven 12 gebruik je de zeep niet, pak je hem niet met blote handen aan, en rebatch je hem of gooi je hem weg.

De pH goed meten

Als je de pH al test, test hem dan op een manier die je kunt vergelijken:

1. Maak een oplossing van 1 %. Los 1 g zeep, geschaafd uit het binnenste van het stuk, op in 99 g gedestilleerd water dat is gekookt en weer afgekoeld. Koken drijft koolstofdioxide uit, dat de meting anders omlaag zou trekken; de standaardrichtlijn voor laboratoria, ASTM D1172, gebruikt om dezelfde reden vers gekookt water en een vaste temperatuur.
2. Laat de zeep helemaal oplossen. De groep van Tarun liet de oplossingen 24 uur staan voordat ze maten.
3. Gebruik een meter als dat kan. Kalibreer hem voor elke meetsessie met bufferoplossingen van pH 7 en pH 10 en meet op kamertemperatuur.
4. Vergelijk gelijk met gelijk. Een meting zegt het meest naast een stuk van hetzelfde recept waarvan je weet dat het goed is, op dezelfde manier getest.

Teststrips zijn een grover instrument. Ze hebben een bereik nodig van minstens 7 tot 11, en dat sluit volgens Watson strips voor zwembaden, aquaria en speeksel uit. Classic Bells meldt dat goedkope strips zeep vaak 2 tot 3 eenheden te laag aangeven en dat zelfs goede strips maar op een halve eenheid nauwkeurig zijn. Strips kunnen een stuk met veel te veel loog aanwijzen; een mild stuk onderscheiden van een stuk met iets te veel loog kunnen ze niet.

De fenolftaleïnetest

Fenolftaleïne is een zuur-base-indicator: kleurloos in zure en neutrale oplossingen, en roze wordend als de pH stijgt van 8,2 naar ongeveer 9,8. Zeepmakers bewaren het als oplossing van 1 % in alcohol en doen een druppel op een vers snijvlak van het stuk.

Omdat een oplossing van goed gemaakte zeep rond pH 9 tot 10 zit, boven het punt waarop de indicator begint om te slaan, wordt een druppel op een vochtig stuk vaak lichtroze, ook als er geen vrije loog is, vooral op jonge zeep die nog veel water bevat. Waar je je zorgen over moet maken, is een onmiddellijk, fel magenta, en vooral een dat alleen in vlekken of strepen verschijnt: zo ziet vrije loog eruit, of een loogzakje.

Fenolftaleïne op verse snijvlakken. Een lichtroze kleur die langzaam opkomt, verschijnt ook op goed gemaakte zeep; een onmiddellijk, fel magenta is het onderzoeken waard.

Een laboratorium krijgt een duidelijker antwoord door het oplosmiddel te veranderen. Opgelost in alcohol in plaats van water valt zeep nauwelijks terug uiteen in vetzuur en hydroxide, dus reageert de indicator alleen op vrij alkali. Zo werkt de standaardmethode: ISO 456 lost de zeep op in geneutraliseerde ethanol en titreert het vrije bijtende alkali met zuur. Dunn gebruikte hetzelfde principe in zijn onderzoeken, en de meeste van zijn gerijpte stukken bleken helemaal geen vrij alkali te bevatten, alleen een spoor vrij vetzuur.

Op een stuk zeep kan de druppeltest je niet vertellen hoeveel vrij alkali er is, kan hij hydroxide niet van carbonaat onderscheiden, en zegt hij niets over een loogzakje waar je mes niet doorheen ging. Sterke kleuren in de zeep kunnen de verkleuring verbergen. En onder sterk alkalische omstandigheden vervaagt het roze langzaam doordat de indicator overgaat in een kleurloze vorm, een reactie waarvan scheikundestudenten in de les de snelheid meten, dus lees de kleur meteen af.

De zaptest

De zaptest is de oude manier om met je zintuigen op vrije loog te controleren: maak een vingertop vochtig, wrijf ermee over het stuk en raak met de vingertop je tong aan. Vrije loog geeft meteen een scherpe prik, vaak vergeleken met een batterij, heel anders dan de gewone bittere smaak van zeep. Wij raden hem niet aan, en Watson ook niet; zij noemt zeep proeven ‘the soapmaker’s version of Russian roulette’.

In het beste geval laat hij een grove overmaat aan vrij alkali zien op de plek die je hebt geprobeerd. Een kleine overmaat, een hoeveelheid of iets over de rest van het stuk kan hij niet laten zien. Hij is subjectief, en hij geeft vals alarm: stoffen in kaneel-, kruidnagel-, wintergreen- en mosterdolie en in gember zetten TRPA1 aan, een van de receptoren achter een brandend gevoel, dus een stuk dat daarmee is geparfumeerd, kan prikken om redenen die niets met loog te maken hebben.

Wanneer je test

Test zodra de reactie voorbij is. In de onderzoeken van Dunn, waarbij de zeep de eerste vier uur warm werd gehouden, was het grootste deel van de verzeping binnen 24 uur voorbij, en Faiola, die naar zijn werk verwijst, schat wat er in de weken daarna gebeurt op 3 % van de reactie of minder. Een stuk dat je op de eerste dag test, is nog bezig, dus geef het twee of drie dagen voordat je het beoordeelt, zoals Classic Bells aanraadt.

Rijpen maakt zeep niet neutraal: in de bewaarproeven van Dunn bleven stukken die afgesloten of aan de lucht werden bewaard boven pH 9, en de weken van rijping draaien vooral om water dat het stuk verlaat, zoals de handleiding over rijpen uitlegt. Rijpen laat een kleine overmaat aan vrije loog wel afnemen. In Dunns palmoliezeep met weinig water daalde het vrije alkali onderin het stuk in 60 dagen van 4,9 naar 0,9 promille. Een jong stuk dat sterk alkalisch test, is dus de moeite waard om over een paar weken opnieuw te testen, zoals Classic Bells voorstelt. Loogzakjes en grove weegfouten zijn een ander verhaal.

Als een batch te veel loog bevat

De signalen zijn even vaak fysiek als chemisch: helder vocht in holtes of dat uit het stuk sijpelt, witte korrelige kristallen, een harde, krijtachtige of brokkelige laag onder een olieachtige laag, een onmiddellijk magenta met fenolftaleïne, of een oplossing van 1 % die 12 of meer meet. Controleer eerst de waarschijnlijke oorzaken in het recept zelf, want die bepalen de oplossing: natriumhydroxide afgewogen volgens een getal voor kaliumhydroxide (zie de handleiding over NaOH en KOH), de verkeerde zuiverheid, een verkeerd afgelezen weegschaal, of een olie die bij het afwegen is vergeten.

Een stevig stuk met holtes vol vocht komt niet in aanmerking voor redding. De loog in die holtes is geconcentreerd en ongelijk verdeeld, en Faiola’s advies is de batch weg te gooien: draag handschoenen, laat de zeep zo hard worden als hij wil, verpak hem goed in een zak en gooi hem bij het huisvuil, volgens de regels van je gemeente. (Zeepbeslag dat schift terwijl het nog zacht is, kun je soms als warmproces weer tot één geheel koken; de handleiding over problemen oplossen behandelt dat.)

Een batch die gelijkmatig te veel loog bevat, door een weegfout die je in een getal kunt uitdrukken, kun je rebatchen met extra olie waarmee de vrije loog kan reageren. De calculator maakt de som. Voer de oliën in die je werkelijk hebt gebruikt, in grammen, stel de overvetting in die je wilt, voeg dan een regel olie toe en verhoog die tot het natriumhydroxide van de calculator gelijk is aan wat je werkelijk hebt afgewogen. Stel dat 1000 g van het stuk zeep met 40 % olijf-, 30 % kokos- en 30 % palmolie is gemaakt met 160 g natriumhydroxide in plaats van 144,1 g: de zeep zit dan op een overvetting van −5,5 %. Voeg je bij het rebatchen 123,4 g olijfolie toe, dan komt het getal van de calculator bij 5 % op 160,0 g, dus dat is de olie die de redding nodig heeft; met 61,3 g kom je alleen op een overvetting van nul.

De olie moet reageren, dus de geraspte zeep en de olie worden samen met wat water verwarmd en doorgekookt zoals bij warmproces, daarna in de mal gedaan, een paar dagen met rust gelaten en opnieuw getest. De handleiding over rebatchen beschrijft de werkwijze. Kun je niet zeggen hoeveel loog erin is gegaan, dan valt er niets te berekenen: een laboratorium kan het vrije alkali meten volgens de ISO-methode, en anders kun je de batch het best weggooien.