Liquides colloïdaux. Notes de Cours - ESPCI

Cours de Colloïdes
Jérôme Bibette

Table des matières
Introduction 1
1 Systèmes à l’équilibre 3
1.1 Solution de petites molécules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.1 Solutionrégulière................................. 5
1.1.2 Précipitation ................................... 6
1.2 Solution de molécules amphiphiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.1 Nature des molécules amphiphiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.2 Micellisation ................................... 8
1.2.3 Limite de solubilité et point de Kraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.4 Quelques conséquences sur la détergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.5 Structuredesmicelles .............................. 12
1.2.6 Microémulsions.................................. 13
1.3 Tension de surface et mouillage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3.1 Aspectthéorique................................. 16
1.3.2 Pression de Film, ou pression de Surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.3.3 Origine de cette tension de surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
TD - Partie 1 23
2 Systèmes Métastables 27
2.1 Originedelamétastabilité................................ 27
2.2 Thermodynamique des états métastables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.1 Diagrammes de phases du corps pur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.2 Interactions de déplétion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2.3 Transition de phases liquide-solide ou floculation . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2.4 Application des diagrammes de phases à la formulation . . . . . . . . . . . 37
2.3 Structure et cinétique des systèmes instables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3.1 Fréquencedecollision .............................. 38
2.3.2 Structure des gels colloïdaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3.3 Interactions entre surfaces chargées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.4 Métastabilité des émulsions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.4.1 Mûrissement d’ostwald / composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.4.2 Coalescence.................................... 43
2.4.3 Durée de vie d’une émulsion concentrée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.5 Compressibilité et élasticité des émulsions concentrées et des mousses . . . . . . . . 45
2.5.1 Cas des systèmes "Emulsion / Mousses" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.5.2 ModuleÉlastique................................. 49
TD - Partie 2 51
i

TABLE DES MATIÈRES
ii

Introduction
Etats thermodynamiques On distingue différents états stable pour la matière : Solide, Li-
quide, Gazeux, Cristaux Liquides
Etats hors-équilibre A partir de deux phases non miscibles, on peut former un système ho-
mogène par fragmentation ou nucléation.
Descriptions théoriques limites
– Gaz : la théorie cinétique des gaz permet d’obtenir une expression de P,ηou CPen fonction
des deux paramètres (T, V )
– Solide : Il s’agit d’un état ordonné dans lequel l’agitation devient une perturbation, les
interactions dominent. On peut obtenir E,CPet χen fonction de T.
– Liquide : Structure et dynamique sont couplées dans un liquide. En effet, en phase condensée
(liquide ou solide), les interactions sont identiques. La dynamique est quant à elle différente
(ω= 1011 Hz dans l’eau).
On utilise alors l’approximation "champ moyen". On considère qu’en moyenne, chaque mo-
lécule est dans le même environnement.
Propriétés de la matière condensée Ainsi, liquides et solides partagent certaines propriétés :
densité, compressibilité (χ= 10−10P a−1).
χ=−1
V
∂ V
∂ P ⇐⇒ ∆V V=χ∆P
On a donc 10% de contraction pour 10 000 atm.
Interactions dans les liquides Seules certaines interactions sont possibles à l’état liquide :
peu directionnelles et non stœchiométriques.
– Ionique ∼200 kT
– Van der Waals ∼kT / CH2
– Liaison H ∼8 - 10 kT, légèrement directionnelle, mais compatible.
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