על סבון ואל-סבון

סבון הוא המצאה עתיקה ביותר: ממצאים ארכיאולוגיים מאזור בבל, שמתוארכים לשנת 2,800 לפני הספירה, מעידים על קיומה של תעשיית ייצור סבון. אנשי בבל העתיקה גילו בדרך כלשהי כי בישול שמן או שומן של בעלי חיים עם אפר של מדורה יוצר חומר מופלא: לא רק שהוא מצליח לנקות ביעילות לכלוך מהידיים, שומן מכלי אוכל וכתמים מבדים, הוא גם יוצר קצף מרענן. הסבון מוזכר גם בתנ”ך: “כִּי אִם תְּכַבְּסִי בַּנֶּתֶר וְתַרְבִּי לָךְ בּוֹרִית נִכְתָּם עֲוֺנֵךְ” (ירמיהו ב’, כ”ב). 

שומנים רבים מהחי הם מה שנקרא בשפת הכימיה טריגליצרידים: תרכובות של שלוש חומצות שומן מחוברות למולקולה בשם גליצרול. באפר של מדורה נותרים כל החומרים הלא אורגניים שנמצאים ביצורים חיים, בעיקר אשלגן פחמתי (KCO₃), סודה קאוסטית (NaOH) ונתרן פחמתי (NaCO₃). כשמבשלים שמן או שומן של חיות שמכילים טריגליצרידים במים שיש בהם בסיס חזק, כמו החומרים האלה, מתרחשות תגובות כימיות שבסופן מתקבל גליצרול ומלח של חומצת שומן – והמלח הזה הוא הסבון.

אף ששיטת הייצור של סבון ידועה אלפי שנים, אופן פעולתו הוסבר רק בעשורים האחרונים. בספר לימוד כימיה משנת 1959, שהעורך המדעי שלו היה אפרים קצ’לסקי, לימים קציר, חוקר במכון ויצמן למדע ונשיאה הרביעי של מדינת ישראל, מופיעים שני הסברים אפשריים לאופן פעולתם של סבונים. ההסבר הראשון היה מקובל בעבר, אך הוא שגוי, ובספר עצמו נאמר כי הוא פחות מתקבל על הדעת. 

“ההסבר החדש” שמופיע בספר לגבי אופן פעולתם של סבונים הוא ההסבר הנכון. ננסה להסביר בפשטות: כדי שחומר יתמוסס בחומר אחר, שני החומרים צריכים להיות דומים מבחינה כימית, במיוחד מבחינת הקוטביות החשמלית שלהם. מולקולות קוטביות הן כאלה שהמטען החשמלי של החלקיקים שמרכיבים אותן אינו מפוזר בצורה אחידה. במילים פשוטות אם בחלק אחד יש “יותר פלוס” ובחלק אחר יש “יותר מינוס” – אז החומר הוא קוטבי. שמן הוא חומר מאוד לא קוטבי ואילו מולקולות מים הן קוטביות מאוד, לכן שמן ומים לא מתערבבים בדרך כלל. בהקשר של הקיטוב החשמלי הסבון הוא חומר מיוחד: חלק אחד של המולקולה, שמכונה “ראש”, נושא מטען חשמלי, ולכן הוא נקשר בקלות למים ונחשב הידרופילי – ביוונית “אוהב מים”. החלק השני של המולקולה מכונה “זנב” והוא אינו קוטבי, נקשר בקלות לשמן, ולכן נחשב הידרופובי – “פוחד ממים”, או ליפופילי – “אוהב שמן”.

בזכות האופי המנוגד של שני חלקיה, מולקולת הסבון גם מסיסה במים וגם ממיסה שומנים. השומנים נצמדים לזנב ההידרופובי של הסבון בשל כוחות משיכה חשמליים ביניהם, ואילו הראש ההידרופילי מאפשר למולקולת הסבון להיצמד למולקולות מים ולהישטף עם המים הזורמים בברז, במדיח הכלים או במקלחת, ולקחת איתה את השומן שנצמד אליה.

עליית הסבונים הסינתטיים

לאחר שהכימאים הבינו את אופן פעולתם של סבונים, הם יכלו לתכנן חומרים חדשים שיפעלו באותה צורה ואף יהיו בעלי תכונות משופרות לעומת הסבונים המסורתיים, וכך היה. כל מה שצריך כדי לייצר חומר שיפעל כסבון הוא מולקולה שיש לה שני חלקים: חלק אחד בעל מבנה דומה למבנה של שומן, שימיס שומן, וחלק שני מקוטב חשמלית שייקשר היטב למים. אל-סבון הוא חומר כזה, שמקורו, לרוב, איננו בשומנים מהחי או הצומח, אלא בחומרים מלאכותיים. הם החלו להופיע בשווקים באמצע שנות ה-30 של המאה הקודמת, אולם זכו לתפוצה נמוכה בלבד. העלייה בתפוצתם התרחשה בעת מלחמת העולם השנייה, אז נוצר בשוק העולמי מחסור בשומן בעלי חיים ובשמן צמחי שבהם השתמשו להכנת הסבונים המסורתיים, ולכן יצרנים רבים פנו לייצר סבון מחומרים אחרים, זולים וקלים יותר להשגה, כמו נפט גולמי, שעשיר בחומרים שהמבנה שלהם דומה לשומן. 

לסבונים טבעיים יש נקודת תורפה משמעותית: פעולתם נפגעת מאוד בנוכחות מה שמכונה “מים קשים” – מים עשירים במינרלים, כמו סידן, מגנזיום, ברזל ומתכות אחרות ששוקעים כאבנית כאשר מרתיחים את המים. בישראל, לדוגמה, בגלל עושר סלעי הגיר בנחלים ובהרים, מים רבים שמקורם בנחלים, במעיינות או באקוויפרים הם מים קשים. הסידן שבמים הקשים נצמד לראש הקוטבי של מולקולת הסבון ויוצר איתו משקע מוצק שאינו מסיס. כך הוא ממש מנטרל את פעולת הסבון – כי אם הסבון עצמו לא מומס במים, הוא לא יוכל להמס שומנים. לכן, בסבונים סינתטיים ייצרו הכימאים סבונים עם “ראש” שלא מגיב כימית עם הסידן שבמים הקשים. הפתרון הנפוץ ביותר היה החלפת הראש המקוטב, שבסבונים רגילים מורכב מאטומי פחמן וחמצן (מסומנים C ו-O בהתאמה באיור למעלה), ב”ראש” שבו קבוצת סולפונט – חומצה שמכילה גופרית ושלושה אטומי חמצן, וסימונה ⁻SO3. 

ניסוי פשוט מוכיח שאל-סבונים אכן פועלים טוב יותר מסבונים מסורתיים בנוכחות מים קשים. כיוון שכבר קשה להשיג בימינו סבון טבעי באמת, תודתי נתונה ללאה רזנוב ממכללת אחווה, שהכינה עם הסטודנטים במכללה סבון טבעי משמן. בעזרת הסבון שלהם ערכתי ניסוי השוואתי קצר: שמתי מעט סבון ומעט אל-סבון בשתי כוסות, הוספתי מי ברז, שבישראל כאמור הם עשירים בסידן ולכן נחשבים קשים, וערבלתי מספר שניות. כפי שרואים בסרטון, כוס האל-סבון יצרה קצף רב ויציב יותר מהסבון הטבעי, שפעולתו נפגמה ממי הברז.

על מה יצא הקצף? סרטון קצר שמדגים את ההבדל בין היווצרות קצף במים עם סבון אמיתי ועם אל-סבון: 

יותר מדי קצף

האל-סבונים הראשונים שיוצרו בקנה מידה גדול היו שייכים למשפחת חומרים בשם “אלקיל-בנזנים סולפונטים מסועפים” (Branched alkylbenzene sulfonates), שידועים יותר בראשי התיבות BAS. הם ניקו והקציפו נהדר, אפילו נהדר מדי: בעת התחקיר לכתבה התברר לי פשר המצולם בשלוש תמונות מהאלבום של משפחתי מ-1977 בערך, בו מצולמים אחי ואחותי הגדולים. במבט ראשון אפשר להתרשם שמדובר בטיול לחרמון או למקום מושלג אחר, אבל התמונה השמאלית למטה חושפת שלא מדובר בשלג אלא בקצף (!) שצף על פני המים בירקון, בפארק הצמוד לגני יהושע בתל-אביב. 

התופעה לא הייתה ייחודית רק לישראל: הנה תמונה מהעיר פרימונט בקליפורניה שבארצות הברית, משנת 1972:

מאיפה הגיעו כמויות הקצף הללו? ומדוע היום לא רואים מראות כאלה?

רוב החומרים בעולם הם יציבים, ואינם מתפרקים מעצמם. כדי שחומרים יתפרקו צריך שמשהו יפרק אותם. ומה יכול לפרק חומרים בטבע, שלא נחשפים לחשמל, לטמפרטורות גבוהות או לחומרים כימיים פעילים? בעיקר החמצן שבאוויר, הקרינה העל-סגולה של השמש ויצורים חיים. מכיוון שסבון רגיל מבוסס על חומצות שומן, שנמצאות באופן טבעי בכל היצורים החיים, שפע של יצורים מסוגלים לפרק אותו במהירות. לכן כאשר סבון נשטף למערכת הביוב, חיידקים ויצורים אחרים מתחילים לצרוך ולפרק אותו כמעט מיד. חומר כזה נקרא בשפה המדעית חומר ביו-דגרדבילי, כלומר חומר מתכלה ביולוגית.  

ה-BAS, לעומת זאת, הם חומרים זרים ליצורים החיים, כך שלאף יצור אין אמצעים ביוכימיים שיכולים לעכל או לפרק אותם. חומרים כאלה תלויים רק בקרינת השמש ובחמצן שבאוויר לפירוקם, ואם החומר לא חשוף אליהם יכולות לעבור עשרות, מאות ואפילו אלפי שנים עד שהחומר יתפרק. כך היה עם האל-סבונים. המים מכל שטיפות הידיים, האמבטיות והדחות הכלים עברו כפי שהם למערכת הביוב, ונוצר קצף עיקש שמילא את המקומות שאליהם הגיעו.

מסוף שנות ה-60 של המאה הקודמת, הוביל לחץ מארגוני סביבה באירופה ובארצות הברית לצמצום השימוש ב-BAS ולמעבר לחומרים אחרים, מתכלים יותר. עיקר הבעיה ב-BAS הוא החלק של ה-Branched, “מסועפים”: מדובר בשרשראות של אטומי פחמן המסתעפות לצדדים – בניגוד לחומצות שומן בטבע, שהן שרשראות ישרות, ואליהן מכוונות כל המערכות הביוכימיות שהתפתחו במהלך מאות מיליוני שנות האבולוציה על כדור הארץ. ואכן, ייצור אל-סבונים לא מסועפים, עם זנב ישר, הפך אותם למתכלים ביולוגית יותר – לא כמו סבונים, אבל במידה שמאפשרת ליצורים חיים לפרק אותם. לכן, לשמחתנו, מראות של הרי קצף בנחלים ובאגמים, כפי שתועדו בשנות ה-60 וה-70, כבר לא נפוצים בימינו.

 אל-סבונים “עדינים”?

ככימאי, אני נוהג לקרוא את רשימת הרכיבים של מוצרים כדי להבין ממה עשוי המוצר שאני משתמש בו. הפעם אני רוצה לשתף אתכם במנהג שלי: צילמתי כמה תוויות של תמרוקים וסבונים שיש לי בבית, בחדר האמבטיה ובמטבח. רשימת הרכיבים מסודרת לפי סדר כמותי יורד. שימו לב לשמות של שני מרכיבים החוזרים בכל הצילומים (מסומנים בפס אדום).

שני הרכיבים שמופיעים בכל המוצרים הם סודיום לאוריל סולפט (Sodium Lauryl Sulfate, או SLS) וסודיום לאורית’ סולפט (Sodium Laureth Sulfate, ובקיצור SLES), שהם אל-סבונים. בדומה לסבון, SLS בנוי משרשרת אטומים רציפה ללא הסתעפויות שמכילה 12 אטומי פחמן, ומראש קוטבי סולפטי שמורכב מאטום גופרית ומארבעה אטומי חמצן, אחד יותר מבראש של BAS

ההבדל בין SLES ל-SLS הוא זנב ארוך יותר, שמכיל גם אטום חמצן, ומגרה פחות את העור בהשוואה ל-SLS. בניגוד ל-BAS שהיה סינתטי לגמרי, מקור הזנב השמנוני של SLS הוא לאוריל אלכוהול – תוצר לוואי של שמן קוקוס.

כפי שאפשר לראות בתמונה של רשימות המרכיבים, SLS ו-SLES הם הרכיבים העיקריים בלא מעט חומרי ניקוי, תמרוקים וחומרים רבים בעלי יכולת ניקוי או הקצפה. למעשה כאשר כתוב על תכשיר שהוא מכיל אל-סבון, סביר להניח שמדובר ב-SLS או ב-SLES. מפרסמים נוהגים להניח הנחה מובלעת, שלפיה ההגדרה כ”אל-סבון” משמעה שהחומר עדין או טוב לעור יותר מסבון רגיל – אבל ברור שאין אמת בכך: חומר שנמצא בסבון כלים לא “ישנה את עורו” ויתפקד אחרת או יהיה עדין יותר לעור כשנוסיף אותו לשמפו לתינוקות. אז איך בכל זאת שמפו או תרחיץ פנים הם עדינים יותר מסבון כלים, על אף שיש בהם את אותו חומר פעיל? הסיבה היא הבדלים בריכוז החומר וכן שאר הרכיבים של התכשירים, שיכולים להכיל חומרים המוסיפים לחות לעור ומותאמים לדרגת החומציות (pH) שלו. אבל עצם הגדרת החומר כאל-סבון אינה הסיבה לעדינות התכשיר.

קצת סדר במושגים

לסיום, נעשה קצת סדר בכמה מונחים הקשורים לנושא, וזה לזה:

סבון: חומר ניקוי שמורכב ממלח של חומצות שומן טבעיות, ומיוצר מתגובה של שומן וחומר בסיסי חזק. הוא מורכב מ”ראש” מקוטב חשמלית בעל מטען חשמלי שלילי, שנקשר היטב למים, ומ”זנב” ישר וארוך ללא מטען חשמלי, שנקשר לשומנים.

אל-סבון: חומר שדומה לסבון במבנה הכימי שלו, עם “ראש” ו”זנב” שונים משל סבון טבעי. בזכות הראש השונה, יעילותו נפגעת ממים קשים פחות בהשוואה לסבון טבעי, ובגלל המבנה הסינתטי שלו הוא לא מפורק כלל (במקרה הרע), או מפורק לאט יותר (במקרה הטוב), בידי יצורים חיים. בישראל אל-סבונים מוצקים מכונים לעיתים סבון.

דֵּטֶרְגֵּנְט – במקור משמעות המילה היא ‘חומר ניקוי’ (מהמילה הלטינית דטרגרה שמשמעותה לנגב או להבריק), אולם בימינו השימוש במילה נועד לתאר חומר סינתטי – כלומר אל-סבון. דטרגנט יכול להכיל גם חומרים אחרים, כמו חומרים לריכוך מים – כלומר להפחתת השפעתם של המינרלים הגורמים למים קשים, וכן אנזימים שעוזרים לפרק שומנים או חלבונים, צבע, חומרים מחמצנים שעוזרים להלבנה, חומרי ריח ועוד. נוזל לשטיפת כלים ונוזל כביסה הם דוגמאות לדטרגנטים.

חומר פעיל שטח / סורפקטנט (אניוני, קטיוני, נוניוני) – חומר הפועל להורדת מתח הפנים הקיים בנוזלים, שהוא מין קרום שקוף בלתי נראה בשטח המגע בין נוזל לבין כל חומר אחר, גם במצב צבירה אחר. הוא מורכב מחלק שמושך מים וחלק שדוחה אותם. סבון ואל-סבון הם חומרים פעילי שטח, והוספה שלהם למים אכן מחלישה את מתח הפנים של המים ומאפשרת יצירת בועות סבון גדולות ועמידות, שלא כמו במים נקיים. אניוני, קטיוני ונוניוני הם שמות תואר שמתארים את סוג ה”ראש” שנקשר למים: אניוני – בעל מטען חשמלי שלילי; קטיוני – בעל מטען חשמלי חיובי ונוניוני – ללא מטען חשמלי.

אמולסיפייר / חומר מְתַחְלֵב  – חומר שיוצר אמולסיות או תחליבים – תערובות של נוזלים שבדרך כלל לא מתערבבים יחד, דוגמת שמן ומים. כל סבון, אל-סבון וחומר פעיל שטח הם בהכרח גם חומרים מתחלבים. השימוש במונח הזה נפוץ בתעשיית המזון: אותו חומר שיוגדר ברשימת המרכיבים של דטרגנט כ”חומר פעיל שטח”, יוגדר “חומר מתחלב” בהקשר של מוצרי מזון. חומרים מתחלבים יסומנו במספרי E בין 400 ל-499, ותפקידם למנוע מהשומן שבמוצר מזון להיפרד מהחלקים המימיים שבו. יש מתחלבים טבעיים, כמו לציטין, ויש סינתטיים. מבחינת הגייה, בדרך כלל מבטאים את המילה לא נכון – ויש לבטא חומר מְתַחְלֵב / חומרים מְתַחְלֵבִים – כלומר חומר שיוצר תחליבים.