I. La « peau » de l`eau
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TS spé Thème matériaux/Structure et propriétés des matériaux Tensioactifs, émulsions et mousses I. La « peau » de l’eau 1. Expérience préparatoire Remplir un verre d’eau. Déposer délicatement un trombone bien sec à la surface de l’eau. Observer. Remplir un pot de yaourt à ras bord avec de l’eau, de telle sorte que la surface libre de l’eau atteigne les bords du récipient. Continuer d’ajouter, avec précaution, de l’eau à l’aide d’un compte-gouttes tout en plaçant l’œil à hauteur de la surface libre de l’eau, en veillant à ce que l’eau ne déborde pas. Décrire l’aspect de la surface de l’eau. Ajouter une goutte de détergent (liquide vaisselle). Décrire ce que l’on observe. 2. Exploitation Fig. 1 : Le gerris utilise les propriétés de l’eau Fig 2 : Sur une feuille, une goutte d’eau prend une forme particulière Doc 1 : Tension superficielle d’un liquide. Dans un liquide, on peut imaginer que les molécules qui sont à l’intérieur du liquide sont soumises à des forces différentes de celles subies par les molécules qui sont situées à la surface du liquide. • En effet, dans la phase liquide les molécules se touchent et subissent l’influence des voisines : la résultante des forces est nulle. • Sur la surface du liquide, ces tensions sont limitées à la demi-sphère située sous la surface. Il s’ensuit que la résultante de ces forces ne peut pas être nulle. • A l’interface entre deux milieux, s’il n’y a pas d’interactions, les molécules se repoussent. Le schéma ci-dessus représente les forces qui agissent sur les molécules plongées dans un liquide, et sur celles qui sont au voisinage de sa surface libre. Cette résultante est nécessairement dirigée vers le bas, puisque, le liquide ne s’échappe pas du récipient. Ce phénomène se traduit par l’apparition d’une tension de surface caractéristique de chacun des liquides. On peut dire qu’il se forme un film de molécules en surface qui n’a pas plus tout à fait la même structure que celle que l’on retrouve au sein du liquide. En observant les photographies, proposer une explication à la première partie de l’expérience. Selon vous, quel est le rôle du détergent dans cette expérience ? 3. Expériences complémentaires : la lame de savon Expérience 1 : Tremper un anneau métallique dans une soucoupe remplie d’eau savonneuse. Observer. Expérience 2 : Tremper un anneau métallique, muni de deux fils de coton AB et AC, dans une soucoupe remplie d’eau savonneuse. Observer. Percer entre les fils AB et AC. Observer. Recommencer en perçant cette fois-ci entre le fil AB et le cadre puis entre le fil AC et le cadre. Observer. Conclusion : Quel est l’effet de la tension superficielle sur la surface de l’eau savonneuse ? II. Les mousses Doc.2. Pour qu’une mousse se forme il faut incorporer un gaz dans un liquide approprié. La formation des bulles étire l’interface liquide-gaz, qui est soumise à une tension de surface (tension superficielle) l’empêchant de s’étirer indéfiniment. Avec un liquide pur, le film casse immédiatement, rendant la formation de mousse impossible. L’introduction de tensioactifs sature l’interface air-eau en formant une monocouche de quelques nanomètres d’épaisseur. Ce film peut emprisonner de l’air ce qui explique le pouvoir moussant des savons. La tension superficielle diminue et il est alors possible d’étirer davantage la surface de l’eau de façon stable, ce qui permet la formation de bulles et ainsi de mousse. Questions. 1. Peut-on obtenir une mousse à partir d’un liquide pur ? Justifier. 2. Pour quelle(s) raison(s) une mousse ou une bulle ne sont-elles pas stables ? Expérience : Fabrication d’une mousse : Précautions : Porter des gants et des lunettes. Ne pas toucher la mousse car elle est chaude et corrosive. Éliminer la mousse à l’essuie-tout ou à la serpillière. Protocole : On fabrique une solution d’iodure de potassium (K+ + I-) de concentration 0,25 mol.L-1. Dans l’éprouvette géante, verser à l'aide d’un entonnoir 4 mL de liquide vaisselle mélangé avec quelques gouttes de colorant alimentaire, puis 20 mL d'eau oxygénée concentrée. Homogénéiser. Placer l'éprouvette bien au centre du cristallisoir. Poser l'ensemble sur une surface protégée par des sacs poubelles. Verser rapidement 4 à 5 mL de la solution d'iodure de potassium dans l'éprouvette et se reculer. Observer la formation de plus en plus rapide de mousse qui jaillit de l'éprouvette. La mousse fume, elle est très chaude. Plonger une allumette incandescente dans la mousse. Observer. Précisions : L’eau oxygénée se décompose (se dismute) en dioxygène et en eau. Cette réaction est catalysée par les ions iodures I–. Exploitation : Écrire l’équation de la réaction de dismutation de l’eau oxygénée. Quelle est l’espèce chimique mise en évidence par l’allumette incandescente ? Comment expliquer que la mousse est chaude ? Pourquoi la réaction met-elle du temps à démarrer, accélère-t-elle ensuite, puis ralentit-t-elle enfin ? 5. Quel rôle joue le produit vaisselle ? 1. 2. 3. 4. III. Les émulsions De notre nourriture à nos cosmétiques, nous utilisons quotidiennement toutes sortes d'émulsions. Le rôle des tensioactifs est indispensable. Doc. 3 : cosmétiques et émulsions. On estime qu’environ 90 % des cosmétiques se présentent sous cette forme : crèmes, laits, gommages, masques, fonds de teint, dentifrices… sont tous des émulsions. Et bien que leurs indications soient très différentes, leurs bases ont toutes la même structure : c’est d’abord un mélange d’eau, de corps gras... et de quelques autres ingrédients. La formulation conditionne la qualité des cosmétiques. L’aspect crémeux, onctueux, non gras des différents produits cosmétiques est dû aux émulsions ou encore à l’argile. Les tensioactifs surfactifs sont les composés indispensables à l'hygiène et à la cosmétologie. Ils dispersent les corps gras dans l'eau en réduisant la tension superficielle et favorisent une répartition uniforme du produit lors de son utilisation. On les retrouve dans les produits de soins : shampooings, produits pour la peau, le bain, le rasage, etc. Schématisation d’un composé tensioactif : Tête hydrophile : peut former des liaisons hydrogène Queue hydrophobe mais lipophile : constitué d’une longue chaîne carbonée Hydrophile : qui aime l’eau - Hydrophobe : qui n’aime pas l’eau - Lipophile : qui aime les graisses Un exemple de tensioactif : le dodecyl sulfate de sodium (ou laurylsulfate de sodium): utilisé dans les dentifrices, shampoing….. Une émulsion est une suspension d’un liquide dans un autre, avec lequel il n’est pas miscible. C’est un état métastable dans lequel la séparation de phase entre les deux liquides non miscibles n’est pas complète, mais l’un des liquides est dispersé dans l’autre sous la forme de gouttelettes. Doc.4 : Mode d’action des tensioactifs. Que se passe-t-il à l’échelle microscopique lorsqu’un composé tensioactif arrive au contact de l’eau ? Les molécules du composé tensioactif ont tendance à s’aligner à la surface de séparation de l’eau et de l’air : elles forment un film monomoléculaire avec les têtes hydrophiles orientées vers l’eau et les queues hydrophobes orientées vers l’air. Lorsqu’on fouette le mélange huile et eau, les molécules tensioactives enrobent des gouttelettes d’huile et se « fixent » à elles par contact de leur partie hydrophobe. Il se forme des micelles. Ces micelles, portant toutes la même charge électrique, se repoussent par interaction électrostatique et se dispersent dans l’eau. Que se passe-t-il lors de la réalisation de la mayonnaise ? Doc. 5 « La mayonnaise est techniquement une émulsion ». Parmi les autres constituants du blanc d’oeuf, on trouve des protéines, la principale étant appelée ovalbumine (plus de 50 % de toutes les protéines). Elle est intéressante par ses propriétés de coagulant et de tensioactif . sauce mayonnaise 1 La phosphatidylcholine est plus connue sous le nom lécithine, présente dans le jaune d’œuf, elle possède un pôle hydrophile (la choline et le groupe phosphate), une queue hydrophobe (acides palmitique et oléique) « La moutarde, est composée de cellules, Figure 1 dont l'enveloppe est composée de molécules de la même famille chimique que les lécithines du jaune d’œuf. Questions 1. Schématiser quelques molécules d’eau reliées par des liaisons hydrogène. 2. Expliquer pourquoi l’huile et l’eau ne sont pas miscibles. 3. L’huile et l’eau du jaune d’œuf sont-ils les seuls constituants de base de la mayonnaise? Lequel faut-il pour former une émulsion ? Quel est l’ingrédient qui apporte ce composé ? 4. Indiquer quels sont la phase aqueuse et la phase lipidique, le tensioactif dans la mayonnaise maison. 5. Quel est le rôle du « fouettage » dans la recette de la mayonnaise ? 6. À l’aide des documents, proposer un protocole permettant de tester différentes conditions d’obtention d’émulsions stables et instables. On dispose de jaunes d’œufs, d’huile, de moutarde.
