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EXPÉRIENCES SUR LES

PHÉNOMÈNES DE SURFACE ET LES

COLLOÏDES

Giorgio Carboni, Février 2002 Traduit par Caroline Varin, Juin 2008

Présentation Introduction aux phénomènes de surface Tension de surface Mouillabilité Capillarité Savons et détergents Bulles de savon Osmose

Introduction aux systèmes colloïdaux Solutions Mélanges Colloïdes Sol

Figure 1 - Phénomènes d'interférence sur une membrane savonneuse. Gel Émulsions Mousses D’autres expériences avec les colloïdes Atomiseur pour aérosol

Sources Internet Conclusion Bibliographie

PRÉSENTATION

Dans cet article, nous regroupons une série d’expériences de laboratoire qui concernent

principalement les phénomènes de surface et les systèmes colloïdaux. Du fait de leur

nombre, ces expériences seront décrites brièvement. Comme vous le savez, nos articles

ne tendent pas à remplacer une explication exhaustive du sujet traité, mais visent à

aiguiser la curiosité sur ces expériences, et à intéresser les jeunes personnes sur les

phénomènes naturels. Nous essayons d’obtenir ce résultat à travers des expériences

pratiques qui ont un rôle important dans la découverte de la nature par les jeunes. La

manière dont ces activités sont présentées tend à mettre en avant leur aspect amusant

et, heureusement, à obtenir une attitude positive à l’égard du sujet traité. Nous sommes

persuadés que ces activités soulèveront des questions parmi les participants, et que par

eux-mêmes, du fait de leur curiosité, ils iront chercher des explications. Nous sommes

aussi convaincus que le désir de savoir et la curiosité soient beaucoup plus importantes que les explications apportées alors qu’un élève n’en éprouve pas la nécessité.

Comme les explications sont courtes, nous faisons souvent référence à des liens Internet

et parfois à une bibliographie. Malheureusement, nous ne seront pas capables de mettre

continuellement à jour ces liens, donc nous avons ajouté des mots clés pour que vous

alliez chercher facilement des informations plus récentes en utilisant des sites de

recherche. N’utilisez pas ces mots clés tous en même temps, mais en les combinant de la

manière qui vous semble la plus judicieuse. Pendant ces recherches, souvent trop de

documentation vous est proposée, dont une partie est sans intérêt pour vos recherches.

Donc si nécessaire, ajoutez un terme comme : école, élève, expérience, test, classe, fait maison, devoirs, projet scientifique, leçon, plan de leçon.

ATTENTION : certaines de ces expériences peuvent être dangereuses. Quand les

enfants font ces expériences, un adulte doit toujours être présent avec eux pour éviter

tous les dangers ou dommages. Dans tous les cas, nous n’assumons aucune

responsabilité. Pour la sécurité et la responsabilité, nous vous recommandons de lire la page des Avertissements.

Amusez vous bien!

INTRODUCTION AUX PHÉNOMÈNES DE SURFACE

Pourquoi certains insectes arrivent-ils à patiner élégamment sur l’eau plutôt que de

sombrer lamentablement? Pourquoi une goutte d’eau déposée sur un morceau de verre

forme parfois une belle goutte et d’autres fois une couche fine ? Pourquoi l’eau monte-t-

elle dans un tube mince (appelé capillaire)? Pour des raisons que nous verrons plus tard,

la surface d’un composé a des propriétés particulières. Les propriétés de ces surfaces

sont ce qui permet d’expliquer les phénomènes étranges que nous avons mentionnés

précédemment. Il faut aussi prendre en compte que la surface est une zone de contact

entre différentes substances. En résumé, les propriétés des surfaces sont si particulières

et nombreuses qu’il y a tout un domaine des sciences dédié à l’étude des phénomènes de surface : la physique des surfaces.

TENSION DE SURFACE

Une molécule de liquide

attire les molécules qui

l’entourent et en retour

elle est attirée par toutes

ces molécules (figure 2).

Pour les molécules qui

sont dans le liquide, la

résultante totale de ces

forces est globalement

nulle, et en interagissant

avec toutes les autres,

elles sont toutes en

équilibre.

Quand ces molécules sont

en surface, elles sont

attirées par les molécules

au dessous et celles à

coté, mais pas par celles

extérieures. La résultante

est une force dirigée vers

l’intérieur du liquide. De

cette manière, la

cohésion entre molécules,

engendre une force

tangente à la surface.

Donc la surface d’un

fluide se comporte

comme une membrane

élastique qui enveloppe et

comprime le liquide en

dessous. La tension de

surface exprime la force

avec laquelle les

molécules de surface

s’attirent les unes les

autres. Un moyen de voir

la tension de surface est

d’observer les efforts

d’une fourmi pour sortir

de l’eau. Au contraire,

d’autres insectes, comme

l'hydromètre, exploitent

la tension de surface pour

flotter sur l’eau sans

sombrer. Voici quelques

expériences simples

mettant en évidence la

tension de surface :

1 – l’aiguille flottante : délicatement placez

une aiguille à la surface d’un verre d’eau. Si

l’eau ne la mouille pas complètement, vous

verrez l’aiguille flotter. Pour éviter que vos doigts

perturbent la surface alors que vous posez

l’aiguille, vous pouvez fabriquer un petit berceau

à l’aiguille alors que vous la descendez à la

surface. Une autre façon de rendre l’expérience

plus facile à réaliser c’est de placer à la surface

de l’eau un morceau de papier qui va s’imbiber.

Sur ce papier vous aurez placé l’aiguille.

Doucement le papier s’imbibe, et il va finir par

couler, alors que l’aiguille va rester à la surface

de l’eau.

Figure 3 – Aiguille flottante. Au fond du pot,

vous pouvez voir le papier qui a coulé.

2 – Faire couler de la poudre de soufre. Saupoudrez un peu de poudre de soufre sur

un verre d’eau (vous pouvez acheter du soufre chez un quincaillier). Le soufre est assez

hydrophobe pour rester à la surface de l’eau. Ajoutez un peu de détergent et vous verrez

les particules de soufre couler. Cette expérience fonctionne aussi avec de la poudre de

talc que vous devez avoir à la maison.

http://www.ilpi.com/genchem/demo/tension/ présente un petit film sur cette expérience et une description des propriétés des surfactants.

3 – Lancement d’une aiguille. Avec un fil d’acier, faites un cercle. Placez une aiguille

sur ce cercle, et plongez le tout dans de l’eau savonneuse. Quand vous retirez le cercle,

deux membranes se sont formées : une sur la partie gauche de l’aiguille et une sur la

partie droite de l’aiguille. Maintenant, avec un doigt, crevez une de ces membranes.

L’aiguille sera envoyée du fait de la tension de surface vers la partie de la membrane

restante, qui se contracte rapidement, dans le but d’occuper la plus petite surface possible (ce qui lui coûte moins d’énergie).

4 – Solidité d’un film d’eau savonneuse.

Avec un fil d’acier, faites la forme d’un « U » et

fermez le avec un curseur métallique, comme

montré figure 4. Plongez la forme dans de l’eau

savonneuse. Quand vous la retirez, vous verrez

que le curseur va être attiré vers le fond du « U

» par la tension de surface de la membrane

savonneuse. En tenant le curseur avec vos doigts

vous pouvez ressentir la force exercée par la

membrane.

Figure 4 – Forme en « U » avec un curseur. La

tension de surface attire le curseur vers la

gauche.

Figure 6 - Forme en "U" pour mesurer la

tension de surface.

5 – Mesure de la tension de surface. Pour mesurer la tension de surface d’un liquide,

vous pouvez utiliser une balance analytique à bras égaux. Comme le montre les figures 5

et 6, suspendez un fil de fer en forme de U à un des deux plateaux de pesée (A). En

baissant sur le plateau A et en le soulevant de nouveau, créez une membrane dans la U.

Équilibrez les deux plateaux en plaçant des masses sur le plateau B. À cet instant crevez

le film. La balance va descendre du coté du plateau B, restaurez alors l’équilibre du coté

du plateau A. La valeur de ces dernières masses (F) correspond à la force avec laquelle la membrane tend à se rapprocher du liquide.

La tension de surface (T) est donnée par la force (F) divisée par la largeur (W) de la

membrane, divisée également par 2 car il faut prendre en compte le fait que la

membrane a deux faces. Donc, T = F/2W. La valeur de la tension de surface de l’eau

distillée est 7,42 g/m à 20°C et celle de l’alcool éthylique est de 2,27 g/m toujours à

20°C. Nous vous donnons ces valeurs pour que vous ayez un repère pour les comparer

avec celles que vous trouvez par l’expérience. Si vous ne possédez pas une balance

analytique, vous pouvez en fabriquer une. Cela ne sera pas très précis, mais cela vous

permettra de faire ces mesures. Étant donné les forces avec lesquelles nous travaillons,

la balance doit avoir une précision au centième de gramme.

http://www.pvri.com/sp/BalBuild.htm comment construire une balance précise à faible

prix (par Salvatore Pevitera)

http://userpages.prexar.com/dwilliamsmaine/scale/scale.html une balance artisanale

(par Dan Williams)

Figure 7 - Mesure de la tension de surface d'un liquide

en

usant une balance analytique et un anneau de métal.

6 – Une autre méthode pour mesurer la tension de surface. Pour mesurer la

tension de surface des liquides, vous pouvez utiliser un cercle en fil métallique d’un

diamètre compris entre 3 et 4 cm, au lieu de la forme en U que nous avions décrite. Le fil

devrait être en platine, cependant comme ce métal est très cher, et pas très facile à se

procurer, utilisez un fil d’acier inoxydable que vous pouvez acheter chez un quincaillier

comme du fil d'apport pour machines à souder. Si vous avez des difficultés à trouver un

fil d'acier inoxydable, utilisez un fil de fer. Le diamètre du fil doit être de 1 à 2 mm.

Même dans ce cas, vous devez utiliser une balance analytique.

Placez le cercle juste sous la surface du liquide dont vous voulez mesurer la tension de

surface. Équilibrez la balance dans ces conditions. Ajoutez des masses sur le bras opposé

jusqu’à ce que le cercle se détache du liquide. La tension de surface (T) du liquide sera

donnée par la force de détachement que vous avez mesurée divisée par deux fois la

circonférence (crf) du cercle : T = F/2crf. Ce facteur 2 prend en compte les deux faces de

la membrane de liquide : celle à l’intérieur et l’extérieur du cercle (figure 8). Par souci de

clarté, dans la figure le cercle a été dessiné avec un plus grand diamètre que le réel.

http://www.tensiometry.com/STMethods.htm D’autres méthodes pour mesurer la

tension de surface.

7 – Avec de l’eau distillée, vérifiez le bon fonctionnement de votre dispositif

expérimental.

8 – Déterminez la tension de surface de l’eau du robinet.

9 – Déterminez la tension de surface de l’eau du robinet à laquelle vous aurez ajouté un

peu de détergent. Vous remarquerez que de petites quantités de surfactants sont suffisantes pour beaucoup diminuer la tension de surface de l’eau.

10 – Relation entre le poids de la goutte et la tension de surface. Avec un compte

gouttes, faites couler doucement quelques gouttes d’eau du test 8 pour déterminer la

masse d’un certain nombre de gouttes (par exemple 30). Faites de même avec l’eau de

l’expérience 9. Vérifiez qu’il y a une relation entre la masse des gouttes et la tension de

surface de la solution.

Réponse : la masse de la goutte est proportionnelle à la tension de surface du liquide : M

= T/K, où K est une constante que vous pouvez déterminer en utilisant de l’eau distillée à

20°C dont vous connaissez la tension de surface. Cette constante est mesurable

seulement pour ce compte gouttes. Déterminer la masse d’un nombre donné de gouttes

est une méthode pour mesurer la tension de surface d’un liquide. Dans ces tests, pour

obtenir une meilleure précision, il faut faire plusieurs fois l’expérience, trouver le résultat

à chaque expérience, et faire la moyenne de tous les résultats obtenus. Vérifiez si la relation suivante est valable : T1/M1 = T2/M2.

11 – Bateaux propulsés aux surfactants.

Dans une planche en bois ou une feuille de

carton, découpez trois “petits bateaux” comme

ceux représentés sur la figure 9. Ils doivent avoir

une ouverture, et une encoche pour placer un

peu de savon à l’intérieur.

Placez un bout de savon dans l’encoche et

mettez le bateau dans une bassine avec de l’eau.

Vous verrez que le bateau se déplacera

rapidement en avant. Avec une ouverture sur le

coté, ou décentrée, le bateau tournera. Le

mouvement du bateau peut s’expliquer par la

dissolution rapide des molécules de surfactant à

la surface de l’eau et ce petit bateau se

déplacera par réaction. Une autre explication

repose sur l’effet Maragoni, selon lequel, dans le

cas d’un gradient de tension de surface entre une

zone du liquide et une autre, il y aura apparition

d’un courant depuis la zone de faible tension de

surface, vers celle de tension de surface élevée.

Dans ce cas, le bateau se déplacera par le

mouvement donné par la surface de l’eau. Cette

expérience amusante peut se faire avec d’autres

substances que le savon, pourvu qu’ils aillent des

propriétés tensioactives. Vous pouvez par

exemple placer une petite quantité de détergent

dans la coque. Si vous utilisez un peu de

camphre, votre bateau se déplacera plus

rapidement et plus loin.

Si la surface du récipient que vous utilisez est restreinte, comme celle d’une assiette ou

d’une petite bassine, la surface de l’eau sera rapidement recouverte par une couche de

molécules de surfactant et le bateau s’arrêtera, il faudra alors changer l’eau pour qu’il

redémarre. Si au contraire vous faites ces expériences dans un grand récipient, vous

n’aurez pas ce problème. Essayez différentes formes de bateau, et de trou, essayez de

l’eau chaude et de l’eau froide, différents types de savons etc.…. l’eau imprégnera

rapidement le bois ou le carton de votre bateau et le déstabilisera. Certains cartons

couleront même. Pour sauver votre embarcation, rendez vos petits bateaux étanches

avec des peintures acryliques ou mattes. Quand la peinture sera sèche vous serez capable de reprendre la course.

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/surten.html Tension de surface *** http://teachers.net/lessons/posts/224.html tension de surface sur une pièce http://www.online-tensiometer.com/oberfl/ quelques expériences sur les tensions de surface http://www.biologylessons.sdsu.edu/ta/classes/lab1/TG.html Propriétés de l’eau http://www.ed.gov/pubs/parents/Science/soap.html avez-vous jamais essayé de mettre du savon

pour faire déplacer un bateau ? Mot clé Internet : tension de surface, phénomènes de surface, bateau à tension de surface, bateau au savon.

MOUILLABILITÉ

Pourquoi certaines étoffes absorbent l’eau alors que d’autres semblent la refuser?

Pourquoi l’eau se rassemble en de grosses gouttes sur une surface sale, alors qu’elle

s’étale en un large film sur une surface propre? Selon la nature du liquide et du solide,

une goutte de liquide placée sur la surface d’un solide adhèrera plus ou moins bien à ce

dernier. Pour comprendre ce phénomène, il est nécessaire de prendre en compte le fait

que les molécules d’un liquide sont soumises à une force de cohésion qui les maintient

unies les unes aux autres, mais il existe également une force d'adhésion qui est la

force avec laquelle les molécules de liquide adhèrent à la surface du matériau avec laquelle elles sont en contact.

Quand les forces d’adhésion sont plus grandes que les forces de cohésion, le liquide tend

à mouiller la surface. Quand au contraire les forces d’adhésion sont moins fortes que

celles de cohésion, le liquide tend à être refusé par la surface. Dans le langage des

physiciens c’est ce qu’on appelle la mouillabilité entre un liquide et un solide. Par exemple, l’eau mouille un verre propre et pas de la cire.

1 – Mesure de l’angle de contact. Placez une goutte de liquide sur la surface lisse d’un

solide. Selon la mouillabilité du liquide pour ce solide, la goutte aura un certain angle de

contact avec le solide. En regardant la figure 10, si l’angle de contact est plus petit que

90°, le solide est dit mouillable, si l’angle de contact est plus grand que 90° le solide est

dit non mouillable. Un angle de contact de 0° indique une complète mouillabilité. Pour

mesurer l’angle de contact il faut utiliser une règle et un rapporteur. Prendre une photo de la zone de contact de la goutte rendra le travail plus facile.

2 – Gouttes proéminentes, gouttes plates. Faites tomber une goutte sur un verre

sale. Par exemple un verre avec de nombreuses empreintes de doigts. Mesurez l’angle de

contact. Maintenant nettoyez le verre avec de l’eau et du détergent, puis rincez le avec

soin et séchez le. Refaites le même test et comparez le résultat obtenu dans les deux cas.

3 – Surface embuée. Respirez sur un verre plat qui vient d’être nettoyé, mais pas

vraiment bien. Vous verrez le plat se couvrir de buée, cela est du à la formation d’une

myriade de petite gouttes d’eau à la surface de ce verre.

4 – Film d’eau. Avec de l’eau et du détergent, nettoyez bien une plaque de verre, rincez

la une première fois avec de l’eau du robinet et ensuite avec de l’eau distillée, puis

laissez la sécher dans un endroit à l’abri de la poussière. Maintenant respirez dessus. Si

la plaque est très propre, vous ne verrez pas apparaître de buée, parce que l’eau se

déposera à la surface en un film aqueux fin et continu.

Cela a lieu parce que l’eau a une mouillabilité totale en présence d’une vitre propre. Si la

technique de nettoyage n’a pas été assez performante nettoyez là à présent avec un

chiffon en coton et un peu d’acétone. Faites attention parce que l’acétone est inflammable et toxique, donc faites cette manipulation à l’extérieur ou fenêtres ouvertes.

En étudiant les plantes, un scientifique allemand a découvert une méthode pour garder

les surfaces propres ou pour les nettoyer avec moins d’eau. Il suffit de couvrir ces

surfaces avec une fine couche de cire. Cette substance a une mouillabilité très faible pour

l’eau. Elle tend à rester propre et elle est communément utilisée pour améliorer la

propreté et l’aspect des gratte-ciels et des véhicules.

http://www.fys.uio.no/~eaker/thesis/node9.html Mouillabilité

http://www.ksvinc.com/contact_angle.htm angles de contact

Mots clé Internet : Mouillabilité, tension d'interface, IFT, angle de contact

CAPILLARITÉ

Restons dans le

domaine de la

mouillabilité. Vous

avez déjà sûrement

remarqué que l’eau

tend à monter le

long des parois qui

la contiennent. Cela

a lieu parce que les

molécules du liquide

ont une forte

tendance à adhérer

au verre.

Les liquides qui font

des surfaces

concaves (tournées

vers le liquide, par

exemple le duo eau

/ verre) avec un

matériau le

mouillent, et ceux

qui ne le mouillent

pas font une surface

convexe (par

exemple le duo

mercure / verre, la

surface du mercure

s’incurve vers

l’extérieur du

liquide).

À l’intérieur des

tubes de diamètre

plus petit que 2 mm,

que l’on appelle des

capillaires, un

liquide mouillant

forme un ménisque

concave à la surface

supérieure et tend à

monter le long du

tube (figure 11).

Au contrario, un

liquide non mouillant

forme un ménisque

convexe et son

niveau tend à

descendre. Le

niveau de liquide

attiré par capillarité

monte jusqu’à ce

que les forces qui

l’attirent par

capillarité soient

Figure 11 - Montée de l'eau colorée dans un capillaire. Remarquez la concavité du ménisque.

compensées par le

poids du liquide lui-même.

La montée ou la

descente du niveau

de liquide dans un

tube se

nomme capillarité.

Bien entendu la

capillarité dépend

des forces de

cohésion et

d’adhésion dont

nous avons parlées

précédemment.

1 – Montée de l’eau le long d’un capillaire. Immergez un capillaire dans un verre

contenant de l’eau du robinet et mesurez la hauteur de la colonne d’eau dans ce

capillaire.

2 – Effet des surfactants. Ajoutez une petite quantité de détergent à l’eau et

recommencez l’expérience. Comparez la différence de hauteur avec la colonne d’eau

précédente. Vous remarquerez que même une petite quantité de surfactant a de grosses conséquences sur le niveau atteint par l’eau dans le capillaire.

3 – Impact du diamètre du capillaire. Avec un tube en verre et un bec Bunsen,

réalisez une série de capillaires de diamètre différents. Vérifiez la relation entre la

hauteur d’eau et le diamètre interne du capillaire. (Réponse : la hauteur de la colonne

d’eau est donnée par la formule : h = k/r où h est la hauteur d’eau, k une constante qui

dépend de la tension de surface du liquide étudiée, et r est le diamètre interne du

capillaire). Donc avec le même liquide, et un même matériau pour le capillaire, la

hauteur de la colonne d’eau est inversement proportionnelle au diamètre interne du

capillaire. Vous pouvez déterminez la valeur de k pour l’eau en utilisant de l’eau distillée à 20°C.

4 – Essayez d'autre liquides. Faites d’autres tests avec d’autres liquides que l’eau,

comme de l’alcool, de l’huile, etc.…. et mesurez la hauteur de liquide dans la colonne. La

hauteur dépend d’un nombre de facteurs comme la tension de surface du liquide, l’angle

de contact entre le liquide et le capillaire, le rayon du capillaire, la densité du liquide, et

la valeur de l’intensité de pesanteur. En effet, la colonne de liquide atteint la hauteur

maximale lorsqu’il y a équilibre entre les forces ascensionnelles et son propre poids. Les

substances huileuses tendent à salir le capillaire, donc en passant d’un liquide à l’autre,

nettoyez bien le capillaire ou changez le. Le monde végétal exploite les phénomènes de

capillarité et l’osmose pour emmener l’eau dans les parties supérieures de la plante. De

cette manière, certains arbres arrivent à faire monter le précieux liquide à plus de 120 mètres au dessus du sol.

5 – Un système d’émergence pour hydrater des plantes. C’est l’été et vous partez

en vacances. Vous êtes stressés à propos de vos plantes en pot, qui risque de manquer

d’eau. En effet, même si vous demandez à votre voisin de les arroser, vous savez par

expérience, que passés les premiers jours, il oubliera, c’est comme ça… ! Alors essayez

ce système d’hydratation d’emergence. Il repose sur le fait qu’une ficelle est capable

d’amener l’eau le long de ses fibres par capillarité.

- Placez un réservoir sur quelques briques et remplissez le avec de l’eau.

- Placez les pots à proximité.

- Coupez quelques bouts de ficelle assez longs pour aller jusqu’au fond du réservoir et

pour être insérés dans les pots.

- Plongez toutes les ficelles dans l’eau pour les imbiber suffisamment.

- Attachez toutes les ficelles ensemble à un bout et plongez le au fond du réservoir avec

une pierre ou une masse.

- Maintenant, placez chacune des extrémités dans un pot différent. Chaque pot doit être

alimenté par une ficelle.

Testez votre installation avant d’aller en vacances. Vous devez vérifier qu’elle fonctionne

bien, pour trouver le bon type de ficelle et pour ajuster la taille du récipient à remplir

pour toute la durée de votre absence. Essayez des ficelles faites de fibres de différentes

dimensions, de différentes matières, même en plastique. Si la ficelle tend à s’encrasser

avec des dépôts minéraux, ajoutez un peu de vinaigre dans l’eau. Essayez aussi

d’introduire chaque ficelle dans un tube en plastique. Si le débit d’eau est trop rapide,

utilisez une ficelle plus fine. Essayez d’ajouter quelques gouttes de détergent pour voir l’impact sur le débit.

http://ishtar.df.unibo.it/mflu/html/approf8.html L'ascensione capillare

http://www.svce.ac.in/~msubbu/FM-WebBook/Unit-I/Capillarity.htm Capillarité Mot clé sur Internet: Capillaire, capillarité.

SAVONS ET DÉTERGENTS

Comment les savons et les détergents fonctionnent en enlevant les taches? Les savons et

les détergents sont formés de molécules particulières, qui ont une tête hydrophile, qui

adore être dans l’eau, et une queue hydrophobe, qui évite l’eau et adore les substances

grasses (figure 12 A). A cause de cette queue hydrophobe, une partie des molécules de

détergent se regroupe à la surface de l’eau en formant une couche mono moléculaire –

une couche dont l’épaisseur est celle de la taille de la molécule - (figure 12 B), cela

diminue la tension de surface de l’eau et rend la pénétration dans la saleté plus facile.

Dans l’eau, les molécules de détergent se regroupent entre elles sous forme de micelles

et de membranes, petits agrégats de molécules unies par leur queue hydrophobe (figure

12 B). Quand elles rencontrent de la saleté, ces molécules entourent la tache et y

insèrent leurs queues. Les têtes hydrophiles attirent la saleté vers l’eau et avec l’agitation

du liquide elles contribuent à extraire la tache de son implantation initiale (figure 12 D).

La couronne de têtes hydrophiles entraîne les particules de saleté dans l’eau (figure 12

D), dans laquelle elles finissent en suspension et elles sont évacuées. De ce fait, l’eau

sale contient aussi des particules grasses, qui ont été émulsifiées. Pour la même raison,

les détergents aident à la formation d’émulsions. Les substances qui baissent la tensions

de surface d'un liquide sont appelées surfactants (agents d’activation de surface). La

diminution de la tension de surface de l’eau permet la formation de membranes

savonneuses (figure 12 C), mousses et bulles de savons. Remarquez l’arrangement

spécial des molécules de surfactant dans cette membrane.

Les phospholipides sont des molécules qui agissent comme de surfactants, ils ont aussi

une tête hydrophile et cette fois deux queues hydrophiles. Ces molécules sont les

principaux composants de la membrane cellulaire. En effet, en général, les membranes

des cellules sont faites de deux couches de phospholipides, avec la queue tournée vers

l’intérieur de manière à fuir l’eau. Comme nous le savons, la membrane extérieure d’une

cellule maintient tous les organites et le cytoplasme à son l’intérieur. Les liposomes sont

des cellules vides qui sont fabriquées par certaines industries. Il s'agit de minuscules

vésicules ou récipients, formés par la membrane seule. Ils sont largement utilisés dans le

domaine pharmaceutique et dans celui des cosmétiques parce qu’il est possible d’insérer

des produits chimiques à l’intérieur. Vous pouvez utiliser les liposomes pour contenir des

produits chimiques hydrophobes comme des graisses ou des substances huileuses de

façon à ce qu’ils soient libérés dans un milieu aqueux par utilisation des propriétés

hydrophiles des membranes des liposomes.

http://cellbio.utmb.edu/cellbio/membrane_intro.htm Fonction et structure des

membranes

http://ntri.tamuk.edu/cell/membranes.html Architecture des membranes. Mots clé Internet : membranes phospholipides, membranes cellulaires.

1 – Comparaison de l’habileté de différents détergents: essayez l’efficacité de détergents

divers pour verres ou vaisselle. Saupoudrez quelques lames en verre de microscope avec

le même type de graisses. Si vous n’avez pas de lames de microscope, utilisez du verre

ou de la vaisselle en céramique. Nettoyez toutes les lames avec différents détergents,

rincez les biens et séchez les. Vous pouvez vérifier le degré de nettoyage en mesurant

l’angle de contact d’une goutte d’eau placée à leur surface. Une autre méthode est de

mesurer la lumière réfléchie par chaque lame dans la même condition d’illumination : la

lame la plus propre est celle qui réfléchit le moins la lumière.

http://suncitysoap.com/chemistry4.html comprendre les savons et les détergents.

http://www.kcpc.usyd.edu.au/discovery/9.5.5-short/9.5.5_introsurfactants.html

Introduction aux surfactants. ***

http://www.ilpi.com/genchem/demo/tension/ Structure et propriétés des surfactants et

expériences avec le sulfure en poudre.

http://www.ngo.grida.no/reduce/german/klaus/developm/oekonet/p2/p02a.htm

produits chimiques dans la Houshold

http://www.selah.wednet.edu/SOAR/SciProj2000/LaceyT.html Quel nettoyant pour vitre

enlève le mieux différentes substances ? Une affaire de scientifiques.

http://www.cem.msu.edu/~reusch/OrgPage/VirtualText/lipids.htm Lipides: acides gras,

savons et détergents, les huiles et les graisses, les cires, les phospholipides, Terpènes,

Stéroïdes, les Vitamines des lipides solubles. ***

http://www.surfactants.net/ Librairie virtuelle des surfactants. La plus compréhensible et

mieux organisée des sources pour les informations sur les surfactants sur Internet. Mots clés Internet: tensioactifs, détergents, surfactants.

BULLES DE SAVON

Depuis longtemps, faire des bulles de savon a toujours été un amusement pour les

enfants. Tout le monde a joué avec des bulles de savon en étant enfant. Une paille et un

verre avec de l’eau savonneuse, voilà tout ce dont vous avez besoin pour amuser un

enfant pendant des heures. Un enfant souffle des bulles, et d’autres courent après pour

les faire éclater. Ce qui surprend les enfants, c’est la parfaite forme sphérique de ces

bulles, leur couleur, leur transparence, leur légèreté qui n’est concurrencée que par celle des papillons et des fées.

Par le biais de leur fine membrane d’eau savonneuse, il est possible de faire des

expériences intéressantes et des jeux amusants, comme souffler des bulles de différentes

tailles, des bulles concentriques. On peut aussi réaliser des bulles hélicoïdales et des

solides géométriques grâce à des armature en métal; il est possible d’observer et

d’étudier les figures d’interférence colorées sur la membrane d’eau savonneuse. On peut

obtenir des membranes si fines qu’elles perdent toute couleur et deviennent invisibles.

On peut aussi obtenir des membranes mesurant quelques mètres carrés de surface et

des bulles de quelques mètres cubes de volume dans lesquelles vous pouvez même

emprisonner un ami. Et vous apprendrez alors à souffler des bulles cubiques …. En

utilisant une paille carré, bien sur! Non, je rigole!

COMMENT LES BULLES DE SAVON SE FORMENT-ELLES?

Nous posons des questions comme celles là : « comment les savons forment des bulles?

Pourquoi l’eau savonneuse produit des bulles alors que l’eau pure ne le permet pas ? ».

Quand l’eau coule d’un robinet dans une petite bassine, vous pouvez voir des bulles,

mais elles disparaissent rapidement. Cela est du au fait que la tension de surface de l’eau

normale est élevée et tend à séparer les molécules d’eau et à faire éclater les

membranes. Par contre, la tension de surface de l’eau savonneuse est plus faible:

environ un tiers de celle de l’eau pure, alors les molécules des bulles subissent moins de

contraintes et peuvent durer plus longtemps. Les savons et les détergents diminuent la

tension de surface de l’eau et, comme nous l’avons déjà dit, ils sont appelés surfactants.

Comme nous l’avons expliqué dans le paragraphe sur les savons et les détergents, les

molécules de surfactants ont une tête hydrophile et ne queue hydrophobe. Quand ces

molécules sont dissoutes dans l’eau, elles essayent de se regrouper à la surface avec la

queue vers l’extérieur, formant des couches continues (figure 12 B). Les films d’eau

savonneuse sont faits de trois couches: les deux extérieures sont faites de molécules de

surfactant et la couche intérieures est formée d’eau savonneuse (figure 12 C).

Ces couches de molécules de surfactant sont très élastiques et se déforment aisément

sans se rompre. Ils ralentissent également l’évaporation du film d’eau et donc augmente la durée de vie des bulles.

RECETTES

L’eau est un ingrédient essentiel de nos recettes. En général, pour produire des bulles de

savon, les gens utilisent un mélange d’eau du robinet et de savon. Malheureusement, les

sels minéraux qui rendent l’eau dure, fixent une partie du savon, avec des conséquences

négatives sur la formation des bulles. En effet, le savon réagit avec les sels de calcium et

de magnésium, qui se trouvent dans l’eau du robinet, formant un précipité insoluble,

diminuant ainsi l’effet du surfactant dans la solution. A l’inverse, les détergents

réagissent avec les sels minéraux de l’eau, produisant des composés solubles, donc les

détergents sont moins sensibles à la dureté de l’eau. Si votre eau du robinet est « douce

» - autrement dit elle contient peu de sels de calcium et de magnésium, elle peut être

utilisée pour faire des bulles. Dans tous les cas, vos résultats seront bien meilleurs avec

de l’eau distillée.

Après l’eau, l’ingrédient le plus important est le surfactant. Il existe un grand nombre de

surfactants qui peuvent être utilisés en tant que détergents ou pour faire des bulles de

savon. De ce fait, testez plusieurs types de surfactants pour voir celui qui vous convient

le mieux. Le détergent liquide pour lave vaisselle Dawn et Joy donne de bons résultats, mais essayez d’autres produits si vous le désirez.

La présence d’eau dans le film savonneux est importante pour le faire durer le plus

longtemps possible. Alors que le temps passe, une partie de l’eau migre par gravité et

atteint le bas du film ou de la bulle et une autre partie s’évapore. De ce fait, la

membrane s’affine, rétrécit, et au final crève.

Pour augmenter la durée de vie des bulles, les gens ajoutent des substances qui rendent

l’eau plus visqueuse, diminuant ainsi la vitesse à laquelle elle descendra vers le bas de la

bulle. D’autres substances sont ajoutées pour ralentir l’évaporation de la bulle. Les

substances qui ont ces propriétés sont : le sucre, le miel, la glycérine, la gélatine, la

gomme arabique, savon liquide visqueux. Vous aurez de meilleurs résultats si vous

laissez poser l’eau savonneuse quelques jours, mais si vous n’avez pas de patience, vous

pouvez tout de même l’utiliser immédiatement. Une solution froide permet de faire des

bulles qui durent plus longtemps. Pour avoir différentes recettes de bulles de savon, cliquez sur le lien que nous avons indiqué à la fin de ce paragraphe.

1 – comment trouver le surfactant de base: pour

trouver le principal ingrédient de votre recette, le

surfactant, préparez du détergent pour lave

vaisselle, du shampooing, du savon pour le bain,

etc. … avec de l’eau, réalisez une solution dans

les proportions d’un pour 10 de chaque

surfactant (1 volume de surfactant pour 10

volumes d’eau). Dans un endroit à l’abri du vent,

soufflez une bulle de 7 cm de diamètre. Gardez

la sur la paille (figure 13) et mesurez sa durée

de vie. Répétez l’expérience 5 fois, pour chaque

détergent, pour obtenir une meilleure valeur –

valeur moyenne. Évidemment, le meilleur

détergent est celui qui produit les bulles qui ont la plus grande longévité.

Figure 13 – Comment conserver les

bulles pendant le test de durée.

2 – Ajustement des ingrédients secondaires. Une deuxième série de tests aura pour

but de déterminer dans quelles proportions on prendra les composants de votre recette

qui permettent de limiter l’évaporation et la fluidité de l’eau. Suivez la même méthode

que celle expliquée dans le point 1.

3 – Soufflez quelques bulles. Quand la solution est prête, vous pourrez passer aux

expériences successives. Soufflez des bulles de savon et regardez-le voler, emportée par le vent.

4 – Comment faire des bulles plus grosses. Avec un fil de fer assez epais, fabriquez

un anneau d’environ 30 cm de diamètre. Plongez le dans une solution pour faire des

bulles, que vous avez placée dans un large récipient. En déplaçant l’anneau rapidement dans les airs, vous pourrez obtenir des bulles relativement grosses.

5 – Encore sur la tension de surface. Nouez une

ficelle en coton avec une boucle sur l’anneau en métal

de l’expérience précédente. Après avoir trempé

l’anneau dans la solution savonneuse, la boucle sera à

mi fermée. Si vous crevez la membrane dans la boucle,

vous verrez qu’elle prend une forme circulaire (figure

14). Cela se produit grâce à la tension de surface de la partie restante du film savonneux.

6 – Un support pour les bulles. Pour observer des

bulles confortablement, il est important qu’elles soient

stables. Avec un peu de fil de fer, préparez des

anneaux sur lesquels placer les bulles. Laissez une tige

à chaque anneau pour pouvoir le fixer sur un objet, ou

pour fabriquer un piédestal. Pour éviter de crever les

bulles que vous venez d’y placer, mouillez les anneaux

avec de la solution savonneuse. Le bois ou le velours

peuvent fixer des bulles pendant des temps assez

longs, sans les crever, mais sont plus difficile à

façonner en forme d’anneaux.

7 - Étudiez les surfaces de contact entre les bulles. Sur une vitre propre ou une

plaque de plastique rigide humidifiée avec de la solution, placez deux bulles en contact

l’une de l’autre. Observez la surface de contact. Vous verrez que la plus petite des deux à

tendance à rentrer dans la plus grosse. Cela se produit parce que la pression interne de

la petite bulle est plus grande que celle de la grande bulle. Cela veut aussi dire que deux

bulles de même diamètre ont une surface de contact plane. Après avoir mis quelques

bulles en contact les unes avec les autres, faites de la mousse et observez là. Observez

que parfois, la forme des bulles dans la mousse est la même que celle des cellules dans

les tissus biologiques, alors que dans d’autres cas, les formes des cellules sont

différentes parce qu’elles doivent augmenter leur surface de contact ou pour d’autres

raisons. Notez aussi que les cristaux des métaux ont souvent la même forme que les

bulles dans la mousse. Après tout, pendant la solidification des métaux, il y a des

sphères déformables très proches les unes des autres et qui ne doivent pas laisser

d’espaces vides.

Figure 15 – membranes dans une forme cubique. Ces membranes ne

Figure 16 - Membranes dans une forme cubique. Le cube central a

Figure 17 - Membranes dans une forme pyramidale

Figure 18 - Membranes entre deux anneaux avec

Figure 19 – membrane en forme de tube, entre deux anneaux. Elle a été

se disposent pas sur les faces du cube, mais sont en contact les unes avec les autres.

été ajouté ave une paille.

(tétraèdre). Placez une bulle au centre.

un film commun.

obtenue en rompant le film commun.

8 – Figures solides fabriquées à l'aide de structures en fil de fer. Avec quelques

formes fabriquées à l’aide de fil de fer, vous pouvez créer des films plats, hélicoïdaux, ou

ayant de nombreuses autres formes. Vous pouvez aussi créer des solides relativement

complexe (figures 15, 16, 17, 18, 19, 20). Pour ce faire, vous devez tremper la forme

adaptées dans de l’eau savonneuse. Quand vous l’aurez ressortie vous pourrez observer

les membranes. En général, les gens s’attendent à ce que les films se forment sur les

parois des solides, mais ce n’est pas le cas parce qu’ils tendent à rester en contact les

uns avec les autres, et à former des figures avec le moins parcours possible. Souvenez

vous que les films savonneux tendent à prendre la forme qui leur coûte le moins

d’énergie…. Donc si vous fabriquez une membrane en forme de tube, ne soyez pas surpris que son diamètre diminue en son centre.

9 – Films hélicoïdaux. Pour obtenir un film hélicoïdal (figure 20), fabriquez une hélice

en fil de fer (comme un ressort normal), placez un morceau de fil droit le long de l’axe de

l’hélice et fixez-le sur les deux extrémités de l’hélice.

10 – Des bulles polyédriques régulières. Quelles armatures en fer sont nécessaires à

obtenir les bulles centrales avec la forme d’un octaèdre, un dodécaèdre, un icosaèdre? Il est possible de les fabriquer.

http://www.enchantedlearning.com/math/geometry/solids/ Mots clés Internet : polyèdre régulier, regular polyhedra.

Vous pouvez parier avec vos amis que vous arriverez à faire des bulles de savon

cubiques. Évidemment, ils ne vous croiront pas. Alors vous pouvez leur expliquer que

c’est possible pour vous en utilisant une paille carrée. Il est très probable qu’ils

accepteront de parier. Il serait facile pour vous de gagner le pari en faisant des bulles

cubiques dans une forme cubique, comme le montre la figure 16. Avant de souffler la

bulle, pliez le bout d’une paille pour obtenir une section carrée. Cela fait partie du pari

mais vous savez qu’avec une paille ronde normale la bulle deviendra cubique du fait de la forme, et non de la paille.

Figure 20 – Film hélicoïdal. Figure 21 - Formes en fil métallique pour étudier les

membranes savonneuses.

La figure 21 montre quelques formes en fil métallique qui peuvent être faites pour

étudier le film savonneux et pour mesurer la tension de surface du liquide. Pour les

construire, nous avons utilisé du fer galvanisé, découpés en segments que nous avons

fixés avec de l’étain. Vous pouvez aussi essayer de recouvrir ces formes avec du

plastique en les trempant dans des produits spéciaux vendus dans les papeteries et les

quincailleries.

Pourquoi les bulles de savon sont colorées?

La membrane des bulles de savon est composée de trois couches. Les deux externes sont

formées par une couche de molécules de surfactant avec la tête polaire tournée vers

l’intérieur, la couche interne est formée par une couche d’eau savonneuse (figure 12 C).

La lumière qui traverse un film d’eau savonneuse, est en partie réfléchie par la surface

supérieure et par la surface inférieure de la membrane. Les faisceaux lumineux réfléchis

émergent hors de phase, ils se somment algébriquement (interférence), engendrant des

variations de couleur. La teinte émergente dépend de l'épaisseur du film. Ces couleurs

sont très jolies et créent de belles formes engendrées par les zones de différentes

couleurs quand les turbulences se présentent au sein du film. En effet, si vous soufflez

doucement sur le film, vous pouvez créer des dessins magnifiques (figures 1, 22, 23,

24). Passé un temps, du fait de l’évaporation ou de la chute de l’eau vers le bas,

l’épaisseur de la membrane devient vraiment très fine, les deux réflexions vont s’éteindre

complètement et la bulle va devenir noire en face d’un fond noir : elle ne montrera plus

les couleur et deviendra invisible. Dans cette condition, le film sera très instable et prêt à éclater.

http://pagesperso-orange.fr/philippe.boeuf/robert/physique/bullesavon.htm Pourquoi les

bulles de savon sont-elles multicolores? http://www.mporzio.astro.it/expo/mostra6x.htm Les couleurs des bulles de savon.

Figure 22 – Les franges d’interférence qui se forment alors que la couche d’eau se déplace vers le bas par gravité. Pendant que le film devient fin en haut, il devient noir du fait de sa plus petite épaisseur.

Figure 23 – En soufflant doucement sur le film, vous pouvez créer de superbes zones de turbulence qui peuvent être observées et étudiées. Remarquez au sommet, la zone sombre qui s’étend.

Figure 24 – En soufflant de nouveau, les figures deviennent plus complexes et plus détaillées.

11 – Couleurs et formes des figures d’interférence sur un film de savon. Les

membranes savonneuses se prêtent bien pour observer les couleurs et les turbulences

qui sont créées par un léger courant d'air. Donc, par le biais d’un anneau en fil de fer,

créez un film savonneux et examinez sa couleur. Soufflez doucement sur ce film pour

observer les turbulences à la surface (figure 23 et 24). Pour mieux voir les couleurs de la

membrane, il peut être utile de l’observer devant un fond noir, et de l’éclairer avec une

lampe blanche. Si vous conservez le dispositif verticalement vous verrez les couleurs

changer alors que le film se rétrécit. En général, juste avant d’éclater, une partie du film

deviendra noire. Ici, vous trouverez d’autres figures d’interférence: figure 31, figure 32.

12 – Traverser une membrane sans la crever. Si vous touchez un film avec un doigt

sec, la membrane va exploser. Si vous mouillez votre doigt avec la solution savonneuse, le film n’explosera pas et vous pourrez le rentrer à l’intérieur.

13 – Jouer sur l’eau. Faites une bulle dans une petite bassine d’eau. Regardez les

conditions qui permettent à la bulle de rebondir ou de rester à la surface sans y adhérer.

Placez une petite goutte l’acide stéarique à la surface de l’eau ou un autre huile qui

s’arrange sur l'eau en une couche mono moléculaire, et refaite la même expérience. Un

cheveu recouvert par son gras peut permettre de déposer une fine couche huileuse à la surface de l’eau, en l’y plongeant doucement.

http://www.minnetonka.k12.mn.us/science/lessonsk1/soap.html Compagnie des

créateurs de bulle (solution savonneuse de qualité).***

http://www.scri.fsu.edu/~dennisl/CMS/activity/bubbles.html Bulles***

http://members.tripod.com/sharing_science/bubbles.html Exploration des bulles***

http://www.exploratorium.edu/ronh/bubbles/bubbles.html Formules pour les bulles,

bibliographie, ressources internet. ***

http://www.sme.org/memb/neweek/actsoap.htm Bulles de savon (recettes)

http://www.freeweb.pdq.net/headstrong/bubble.htm La page des bulles

http://www.bubbles.org/ bullosphère ***

http://www.bubbles.org/html/questions/color.htm pourquoi les bulles de savon ont une

couleur?

http://bubblemania.com/faq/ La bulle mania

http://wwwedu.ge.ch/po/eet/infoped/disciplines/Chimie/www/PROTOCOLES/PROTOCOLE

S2/14.pdf Couche monomoléculaire.

http://wwwchem.csustan.edu/chem2000/Exp5/PURPOSE.HTM Expériences sur les

tensions de surface ***

http://chemmovies.unl.edu/chemistry/beckerdemos/BD028c.html Mouvement des films

d’eau savonneuses (vidéo)

http://more.abcnews.go.com/sections/science/DailyNews/soapfilm981019.html Étude

des vortex et des films d’eau savonneuse http://eduscapes.com/42explore/bubbl.htm

Ressources Internet

http://www.nap.edu/readingroom/books/rtmss/1.101.html Films d’eau savonneuse et

bulles de savon (bibliographie)

http://www.physics.ohio-state.edu/~brent/papers/General.pdf Qu’est ce qui rend les films d’eau savonneuse stable ?

Mots clé Internet : bulles de savon, soufflez des bulles, films d’eau savonneuse, eau

savonneuse, solution pour les bulles, formule des bulles de savon /composition /recette,

soap bubbles formula composition recipe.

OSMOSE

Si vous placez deux solutions de

concentration différente côté à côté, en les

gardant séparées seulement par une

membrane, vous verrez le niveau de la plus

concentrée augmenter (figure 25). Cela a

lieu parce que les deux solutions essayent

d’atteindre la même concentration par

diffusion.

La membrane doit être semi perméable, ce

qui signifie qu’elle doit permettre le passage

du solvant mais pas du soluté. Les

molécules du solvant doivent être plus

petites que celle de la substance dissoute.

En pratique, cette condition est très

fréquente dans la mesure où les molécules

d’eau sont très petites. Il est nécessaire de

se souvenir qu’il est possible de fabriquer

des solutions avec d’autres liquides

également.

L’osmose est la tendance qu’a le système à

atteindre la même concentration dans les

deux solutions. C’est un phénomène de

grande importance en biologie et qui est

aussi la base du fonctionnement des reins,

de l’absorption de l’eau par les plantes et

qui est utilisée dans l’industrie pour

concentrer ou purifier des solutions. En

effet, en appliquant une pression du coté de

la solution la plus concentrée, il est possible

d’inverser le processus et permettre au

solvant de passer dans la solution la moins

concentrée. C’est le principe de l’osmose

inverse. Il est aussi utilisé pour purifier l’eau, pour concentrer les solutions etc.

Figure 25 - Dispositif pour la démonstration

de l'osmose.

Pour faire des expériences avec osmose, vous devez obtenir une membrane semi

perméable. Dans ce but, vous pouvez utiliser de la cellophane, qui est un fin film

transparent, constitué essentiellement de cellulose et qui est souvent utilisée pour

emballer les fleurs et les cadeaux. Parfois, les fleuristes utilisent aussi un plastique qui

ressemble assez à de la cellophane, mais qui lui, est complètement imperméable à l’eau

et qui n’est pas adapté à notre expérience. Comment distinguer les deux ? En plaçant un

peu d’eau sur de la cellophane, vous le verrez se déformer, se dilater, et l’autre coté du

film deviendra humide. Cela ne se produit pas avec l’autre feuille de plastique

transparent. Vous pouvez obtenir de la cellophane dans les papeteries. Malheureusement

ce matériau est souvent recouvert d’une fine couche de nitrocellulose qui empêche le

passage de l’eau. Cette couche peut être enlevée en trempant la cellophane dans un

solvant qui la fera disparaître ou peut être dans de l’acétone. Faites cette étape avec

précaution parce que les solvants sont souvent inflammables et toxiques.

http://fr.wikipedia.org/wiki/Cellophane http://inventors.about.com/science/inventors/library/inventors/blcellophane.htm

Une autre membrane semi perméables peut aussi se trouver dans certains sacs

plastiques. Ce plastique est fait à partir d’amidon et est utilisé pour faire des sacs

biodégradables. Dans certaines villes européennes, ces sacs sont utilisés pour collecter

les déchets organiques. Quand vous les touchez, ces plastiques semblent souples et

assez élastiques. Vous pouvez aussi essayer avec les membranes des œufs de poules, ou

avec d’autres membranes que vous trouverez ou que vous serez en mesure de fabriquer.

L’eau s’écoule doucement à travers de la membrane. Si vous vous limitez à fermer

l’extrémité d’un tube, il faudra des jours pour voir le niveau de liquide de la solution la

plus concentrée augmenter. Pour accélérer le flux, il est nécessaire d’augmenter la

surface d’échange. Il sera donc important d’avoir des tubes avec l'extrémité élargie, qui

sont relativement difficiles à trouver. A la place vous pouvez utiliser un petit entonnoir, qui est plus facile à obtenir.

1 – Diffusion par osmose. Pour la première expérience, utilisez de l’eau distillée, du

sucre, une membrane semi perméable, un bécher et un support pour pipettes. Achetez

un tube en verre ou en plastique transparent avec une extrémité élargie, ou comme

alternative, un entonnoir transparent. Le diamètre interne de ce tube doit être au moins

d’un centimètre. Avec une bande adhésive, ou une pince, attachez la membrane sur

l'extrémité élargie du tube et ensuite ajoutez la solution concentrée en sucre dans le

tube. Placez le tube dans le bécher, et placez de l’eau dans ce bécher jusqu’à obtenir le

même niveau que la solution dans le tube. Après quelques heures, vous pourrez voir le

niveau du liquide dans le tube augmenter (figure 25). Après un peu de temps, le niveau

atteindra un maximum. Si, à la place de l’eau du robinet, vous utilisez de l’eau distillée,

le phénomène sera encore plus évident. Pour rendre la solution concentrée plus visible, vous pouvez ajouter une goutte d’encre, ou un peu d’eau colorée.

Pourquoi le volume de la solution la plus concentrée augmente ? Comme nous l’avons dit,

deux solutions en contact par une membrane semi perméable ont tendance à obtenir la

même concentration. La solution la plus concentrée absorbe le solvant provenant de la

plus diluée. Dans ces expériences, le niveau dans le tube augmente, mais pas à l’infini. Il

augmente jusqu’à ce que la pression de la colonne de liquide atteigne l’équilibre avec la

pression osmotique. La pression d’équilibre entre une solution et son solvant est

la pression osmotique de cette solution.

2 – Pression osmotique et densité de la solution. Déterminez la pression osmotique

de certaines solutions. Vérifiez si c’est proportionnel à la quantité de molécule par volume de solution.

3 – Quand les particules dissoutes sont de très petite taille. Si, contrairement au

sucre, vous utilisez du sel, la pression osmotique que vous trouverez sera très faible.

Cela a lieu parce que dans l’eau, le sel se dissocie en ions Na+ et Cl-, qui sont plus petits

que les molécules d’eau et qui passent facilement à travers la membrane semi perméable.

4 – Pression osmotique et micro organismes. Placez sous le microscope une lame de

verre avec une petite goutte d’eau riche en protistes, ajoutez alors quelques gouttes

d’eau distillée. Au début, les protistes vont gonfler, et vous verrez leurs vacuoles

augmenter leur activité, pour expulser l’excès d’eau de leur cytoplasme, et enfin vous

verrez leurs cellules exploser, expulsant ainsi leurs organelles. Les cils de la bouche

continueront à bouger pendant un long moment, même s’ils ne sont plus reliés au corps.

Vous pouvez vous procurer un peu de matériel pour ces expériences sur l’osmose dans

un magasin qui fournit les laboratoires de chimie ou de biologie.

http://www.boreal.com/osmosis.htm Osmose

http://www.science-projects.com/Osmosis.htm Une expérience sur l’osmose

http://www.hinduonnet.com/thehindu/2001/09/15/stories/13151108.htm Osmose, une

expérience différente

http://www.purepro.net/kemflo/What-is-RO.htm Qu’est ce que …. L’osmose inverse Mots Clé Internet : Osmose, membrane semi perméable

INTRODUCTION AUX SYSTÈMES COLLOÏDAUX

Quittons à présent les phénomènes de surface pour entrer dans le monde mystérieux des

colloïdes. Un premier exemple de colloïde est la gélatine, une substance étrange: mi

liquide, ni solide. Elle est très élastique et si on la déforme elle revient à sa forme initiale.

Goofy, l’ami de Mickey et Donald, apprit quelque chose à son sujet quand, dans un

dessin animé de Disney : Mickey and the Beanstalk, il marcha sur un pudding géant.

L’émulsion de l’huile dans l’eau est une autre substance qui a des propriétés

inhabituelles. De même on retrouve un coté inhabituel dans des substances comme les

mousses, les aérosols, les fumées et les brouillards, sans parler des émulsions solides et

des mousses solides. Qu’ont toutes ces étranges substances en commun? C’est ce que

nous allons voir plus loin. Ces substances s’appellent des colloïdes et elles sont par

certains cotés, liées aux solutions et aux mélanges, même si leur comportement ne

correspond à aucune de ces catégories. Pour comprendre ce que sont les colloïdes il est nécessaire de savoir ce que sont les solutions et les mélanges.

SOLUTIONS

Une solution est un mélange homogène de deux ou plusieurs substances. Quand on les

met dans l’eau de nombreuses substances se dissolvent, elles sont dites solubles, et

d’autres ne se dissolvent pas et sont dites insolubles. Le sucre et le sel se dissolvent

aisément dans l’eau. Si au contraire vous placez du sable dans l’eau, vous pouvez

mélanger autant que vous le voulez, mais vous n’arriverez pas à dissoudre le sable dans

l’eau. Dans une solution, les molécules présentes en plus grande quantité sont définies

comme le solvant et celles en petite quantité sont qualifiées de soluté. Qu’est ce que cela

veut dire qu’une substance est soluble dans une autre ? Cela veut dire que les molécules

du soluté se séparent et se dispersent parmi celles du solvant. A l’inverse, les substances

insolubles restent compactes, et ne se dispersent pas dans le solvant. Comme solvant

nous avons utilisé l’exemple de l’eau, parce que beaucoup de solides sont solubles dans

l’eau, mais quasiment n’importe quel liquide peut jouer le rôle de solvant. Et pourquoi

devrions nous nous limiter aux liquides? Nous pouvons généraliser le terme de solvant,

et concéder à n’importe quelle substance solide, liquide ou gazeuse la possibilité d’être

un solvant. De cette manière même les solutés peuvent se trouver dans cette catégorie.

Par exemple, des solutions solides sont les alliages métalliques comme l’acier (Fe + C), le

laiton (Cu + Zn) ou le bronze (Cu + Sn). Finalement tous les gaz sont entièrement

solubles les uns dans les autres. Il est aussi courant de trouver des solutions de gaz dans

les liquides. Par exemple, du dioxyde de carbone est ajouté dans beaucoup de boisson

pour les rendre gazeuses. Dans l’eau des lacs, des rivières et des mers, des gaz comme

l'oxygène, le dioxyde de carbone, et d’autres se dissolvent de manière naturelle. La

présence de ces gaz dans l’eau rend la vie aquatique possible.

La solubilité des substances est mesurée comme la quantité maximum, en grammes, qui

peut être dissoute dans 100g de solvant. Quand le soluté ne se dissout plus, mais se dépose au fond, la solution est dite saturée.

CATÉGORIES DES SOLUTIONS

SOLUTÉ SOLVANT EXEMPLE

Gaz Gaz Air (azote, oxygène, etc.)

Liquide Gaz Air humide (vapeur d’eau

dans l’air)

Solide Gaz Poussière atmosphérique

Gaz Liquide Gaz dans l’eau (eau

pétillante)

Liquide Liquide Vin (eau + alcool)

Solide Liquide Eau marine (sel dans l’eau)

Gaz Solide Gaz dans les silicates (pierre

ponce)

Liquide Solide Alliages dentaires (mercure

dans le cadmium)

Solide Solide Alliages métalliques (acier,

bronze)

1 – Solution saturée. Déterminez la concentration en sel dans une solution saturée. De

manière à ne pas gâcher trop de sel, utilisez seulement un peu d’eau.

2 – Croissance de cristaux. Déterminer la densité du sucre dans une solution saturée

n’est pas facile, parce que le sucre continue de se dissoudre en permanence. Cependant,

on peut faire cette expérience là : fabriquez une solution très concentrée en sucre et une

solution saturée en sel dans de l’eau. Placez un fil de coton dans chacune de ces

solutions et attendez quelques jours jusqu’à ce qu’un cristal grossisse. Décrivez la forme

de ces cristaux, il est possible de trouver des paquets de sel spécialement choisis pour ce

but. Vous pouvez aussi chercher ces mots clés sur Internet : "croissance cristaux", "growing crystals"

3 – Où va le sucre? Placez un bécher sur un agitateur magnétique, insérez le barreau

aimanté et remplissez le bécher avec de l’eau jusqu'au bord. Doucement, ajoutez des

grains de sucre ils sont alors dissous par la rotation du barreau aimanté. Notez la

quantité de sucre que vous avez placé dans l’eau avant qu’elle ne déborde. Faites de

même avec du sel et après avec du sable. Comparez les résultats et expliquez les

différents comportements.

4 – Comment séparer de sel et du sable? Résolvez ce problème: un jour, un enfant

qui habitait en bordure du désert a été envoyé pour acheter du sel. Alors qu’il revenait et

qu’il jouait avec ses amis, le sac se rompit et le sel se répandit sur le sable. Pour ces

gens, le sel est une denrée précieuse et onéreuse, alors cet enfant avait peur de se faire

gronder par ses parents. Comment aurait-il pu récupérer le précieux sel, en le séparant du sable ?

MÉLANGES

Comme nous l’avons vu, en mélangeant du sucre dans l’eau, vous obtenez une solution.

Si on mélange du sable et de l’eau on obtient plutôt un mélange. De même en

mélangeant des morceaux de charbon et de la limaille de fer nous obtenons un mélange.

Avec un paire de fines pinces, il est possible de séparer les grains de sable de l’eau, ou

les morceaux de charbon de la limaille, mais il n’est pas possible d’extraire des molécules

de sucre de l’eau, parce qu’elles sont beaucoup trop petites. Alors qu’est ce qui distingue

un mélange d’une solution? dans un mélange, les particules sont assez grosses pour être

séparées par des moyens mécaniques comme des pinces ou des tamis, dans une solution

ce n’est pas possible séparer le soluté du solvant parce que leurs particules sont si

petites qu’elles ne peuvent pas être vues même pas au microscope électronique. Pour

séparer les composants de la solution, il est nécessaire d’utiliser des méthodes physiques

comme la distillation. Donc, les mélanges sont formés par des particules relativement

grosses, alors que les solutions sont formées par de très petites particules.

1 – Un mélange. Faites un mélange, par exemple en utilisant du sable et de la sciure de

bois. Comment pouvez vous séparer rapidement ces deux composants ?

2 – Vitesse de sédimentation et taille de la particule. Comme l’indique l’expérience

sur l'analyse de la composition du sol dans l’article sur les expériences sur l’éducation

environnementale et la biologie, placez un peu d’eau et une petite quantité de terre dans

un verre ou une cruche en plastique transparent. Fermer le pot et mélangez le jusqu’à ce

que la terre se dissolve. Laissez reposer le récipient et observez les différentes couches

de matière. Sur le fond, il y aura des pierres et des graviers, ensuite le sable avec des

gros grains et enfin le sable fin. Le limon aura besoin d’une demi heure pour se déposer,

l'argile demandera 24 heures. Les particules très fines resteront en suspension, certaines

d’entre elles se déposeront lentement, alors que les plus petites ne se déposeront jamais.

D’autres substances seront passées en solution. Il semble que les Étrusques collectaient

les particules les plus fines qui se déposent seulement après quelques jours pour obtenir

la couleur noire de leurs poteries.

3 – Séparez des particules selon leur taille de grain. Si vous voulez séparer le sable

gros du sable fin, vous pouvez utiliser un tamis. Si vous voulez nettoyer le sable du limon

et de l’argile, vous pouvez utiliser un courant d’eau. Avec un tube en plastique, créez un

courant d’eau dans le récipient avec le sable. L’eau emportera les petites particules, alors

que les plus grosses resteront dans le récipient. Cette méthode exploite les différentes

vitesses de sédimentation pour séparer les particules dont la taille des grains est

différente. En général, le sable destiné à être placé dans les aquariums est nettoyé pour

éviter que l’eau soit trouble. En utilisant un tamis fin et en alternant des sédimentations

et des nettoyages, produisez 100g de sable gros, 100g de sable fin, 100g de limon, 100g

d’argile. Jetez l’eau en excès et laissez les matériaux s'essuyer jusqu'à obtenir du sable humide, du limon et de l’argile pâteux. Comparez les propriétés de ces matériaux.

4 – Observation au microscope des particules fines. Avec un microscope, essayez

de mesurer la taille des particules de limon, d’argile et de celles qui restent en suspension dans l’eau pendant les expériences de sédimentation.

COLLOÏDES

Nous avons vu que dans les solutions, les molécules du soluté sont séparées les unes des

autres et se dispersent parmi celles du solvant. Dans les mélanges au contraire, les

molécules ne se séparent pas et les particules restent compactes. D’un point de vue de la

taille, les solutions sont formées par de très petites particules (simples molécules), et les

mélanges par des particules relativement grandes. Dans une taille intermédiaire, entre

les solutions et les mélanges il y a les colloïdes. Ils sont des dispersions de petites

particules, qui n’ont cependant pas la taille d’une molécule. Ce qui distingue les mélanges

des colloïdes et des solutions, est avant tout la taille des particules qui les composent.

Par convention, une solution colloïdale est la dispersion de particules dont la taille est

comprise entre 0,2 et 0,002µm (un micromètre, ou micron = 10-6 m). si les particules

sont plus grandes que 0,2 µm, nous avons un mélange, et si elles sont plus petites que

0,002 µm nous sommes en présence d’une solution. En général, les composants des

solutions colloïdales, sont des petits agrégats de molécules, alors que les composants des

solutions sont des molécules toutes simples. Cependant, si ces molécules sont

suffisamment larges, comme c’est le cas pour de nombreuses macromolécules, leur mise

en solution donnera une solution colloïdale. Donc les critères de distinction entre les

colloïdes et les solutions ne peut pas être seulement la présence de molécules simples,

mais comme nous l’avons précisé, la dimension des particules qui les composent.

MÉLANGES COLLOÏDES SOLUTIONS

particules larges

> 0,2 µm

particules

moyennes

0,2 - 0,002 µm

particules petites

< 0,002 µm

Selon la phase de dispersion, on peut distinguer les colloïdes en suspensions gazeuses,

liquides et solides. Les suspensions gazeuses, ou aérosols sont des fumées ou des

brouillards. Les fumées sont des suspensions de particules solides dans un gaz. Les

brouillards sont des suspensions de particules liquides dans un gaz. Sols, gels, émulsion,

mousses sont des suspensions liquides. Les roches pétrolifères, et la pierre ponce, sont des suspensions solides.

TYPE DE COLLOÏDES

PHASE

DISPERSÉE

PHASE

DISPERSANTE NOM EXEMPLE

Solide Gaz Fumée - Aerosol Fumée

Liquide Gaz Brouillard - Aerosol

Brouillard

Solide Liquide Sol, Gel Peinture, Gélatine

Liquide Liquide Émulsion Lait

Gaz Liquide Mousse Mousse de la bière

Solide Solide Suspension solide

Améthyste

Liquide Solide Émulsion solide roche bitumineuse

Gaz Solide Mousse solide Pierre ponce

Le terme de colloïde évoque surtout des substances qui ont une consistance qui

ressemble à celle de la colle, et dans lesquelles la phase dispersante est plutôt liquide.

Cependant, n’oubliez pas que même les substances comme les fumées et les aérosols,

dans lesquelles la phase dispersante a une forme gazeuse, et que nous pouvons

également appeler suspension gazeuse, sont des colloïdes. Finalement, même des

substances solides, dans lesquelles la phase dispersante est solide et que nous pouvons également appeler suspensions solides, sont également des colloïdes.

Les colloïdes ont des propriétés inhabituelles, par exemple la gélatine. Les systèmes

colloïdaux ont un quotient surface / volume très important entre la surface de leurs

particules et le volume qu’elles occupent. En d’autres termes, comme dans les colloïdes

le nombre de particules dispersées est très large, leur surface totale est très importante,

et par conséquent, l’interaction entre deux phases est très importante. Par exemple, un

cube de 1cm de coté a une surface de 6 cm² ; si on répartit la quantité de matière que

contenait le cube de 1 cm de coté en petits cubes de 0,002 µm de coté, la surface totale

occupée par les mêmes particules passe à 3000 m². En raison de la grande surface de

contact entre deux phases, souvent les colloïdes sont étudiés avec les phénomènes de

surface et la discipline qui les regroupe se nomme science des surfaces et des

colloïdes (surface and colloid science).

SOL

Un Sol est une dispersion de très fines particules solides dans un liquide. Il a la

consistance d’un liquide et ressemble à une vraie solution. Un Sol aqueux apparaît

limpide, vraiment très proche de l’eau. Cependant, si vous faites traverser un faisceau

lumineux intense dans ce composé, une partie de la lumière sera diffusée par les

particules en suspension dans la solution. Ces particules sont très petites, mais sont

suffisamment grandes pour dévier et diffuser la lumière. Ce phénomène se nomme effet

Tyndall. Vous pouvez les voir avec des Sols, mais pas avec de vraies solutions.

1 – Effet Tyndall. Dans un flacon transparent, placez un peu de terre argileuse – environ

¼ du volume total de la solution, et complétez avec de l’eau. Remuez le contenu jusqu’à

ce que toute la terre soit « dissoute ». Laissez le pot reposer pendant une journée, pour

permettre aux particules argileuses de sédimenter. Le liquide qui est au dessus des

sédiments doit être redevenu limpide. Éclairez avec une source intense de lumière le

récipient, vous pourrez observer l’Effet Tyndall. Faites de même avec un verre d’eau pure et comparez le résultat.

GEL

Un gel est une dispersion de fines particules solides dans un liquide et il a une

consistance gélatineuse. En augmentant la concentration des particules, un Sol peut

passer au stade de gel. Au contraire, en diluant un gel vous obtenez un Sol. Donc ce qui

fait la différence entre un Sol et un gel, c’est sa fluidité ou sa consistance gélatineuse. La

température également peut déterminer le passage de Sol au Gel et inversement. Par

exemple, la gélatine d’un bouillon est gélatineuse à température ambiante, mais devient

liquide quand on la chauffe. La gélatine animale, est un gel réversible parce qu’elle

dépend de la température, elle peut passer de Sol à Gel et inversement. L’albumine des

œufs lui n’est pas réversible, parce que lorsqu’on la chauffe elle coagule et ne revient

plus à l’état de Sol. Les gels de silice absorbent l’humidité et conservent leurs propriétés

en des amples variation dans la concentration d’eau. En raison de son affinité pour l’eau,

il est utilisé comme déshumidificateur. Quand on le livre à lui même un sol peut

spontanément se gélifier, et revenir à son état de gel simplement en le remuant (exemple : suspension aqueuse de kaolin).

Figure 26 - Feuille de gélatine sèche. Figure 27 - Verre de gélatine hydratée.

1 – Fabriquez de la gélatine. Achetez de la gélatine sèche. Dissolvez là dans de l’eau

chaude, et avec une dilution progressive, déterminez le minimum de concentration de

gélatine sèche nécessaire pour obtenir une gélatine normale à température ambiante. Ne

gardez pas la gélatine trop longtemps, parce qu’elle devient rapidement une zone de

développement de bactéries. Conservez la dans le frigo, et après un jour ou deux jetez là.

2 – Réversibilité de la gélatine. Par le biais de la température, faites passer la gélatine de l’état de gel à l’état de sol et inversement.

3 – Expériences avec de la résine de pin. Les résines sont des gels et possèdent de

propriétés très utiles. Souvent, les plantes à fruits produisent des sphéroïdes gélatineux

dont le diamètre peut atteindre quelques centimètres. Les conifères sont d’importants

producteurs de résines et souvent on peut collecter des gouttes de résine qui coulent de

leur tronc. Vous pouvez aussi faire des incisions sur le tronc pour obtenir de la résine. Le

baume du Canada est une résine très importante en optique et en microscopie. Il est

extrait des Abies balsamea, un conifère du nord de l’Amérique et elle est utilisée pour

coller les lentilles et pour faire des lames de microscope permanentes. Pour ces

propriétés adhésives, la résine fait partie de la composition des peintures. Collectez de la

résine sur les arbres, et observez au microscope les particules qui s’y trouvent en

suspension. Dissolvez la résine d’un arbre à fruits dans de l’eau chaude et essayez

d’obtenir une colle. Dissolvez la résine d’un conifère dans de la térébenthine et notez ses propriétés adhésives.

4 – Expériences avec des polysaccharides. Les polysaccharides sont des gommes

résineuses solubles dans l’eau. Elles sont utilisées dans la fabrication de cosmétiques, du

papier et dans de nombreuses applications. Quelques polysaccharides sont huileux et

sont ajoutés dans les crèmes, les yaourts et dans d’autres aliments. Vous pouvez obtenir

des polysaccharides et réaliser des expériences avec leurs propriétés. En particulier,

ajoutez y un peu d’eau et observez la consistance, la viscosité et le pouvoir adhésif des

substances que vous obtenez.

Vous ne devez absolument pas manger de polysaccharides, n’inhalez pas leur

poudre et ne les utilisez pas dans les recettes alimentaires.

Si vous les consommez sèches, ces substances vont gonfler, et risquent de créer une

obstruction de la trachée digestive. Si vous l’avez respiré, ils vont gonfler et vous risquez

une obstruction des voies respiratoires, qui provoquerait des problèmes dangereux. Ne

les utilisez pas dans les recettes alimentaires, mais seulement pour les expériences.

Gardez à l’esprit que certains polysaccharides ne sont pas commestibles. Quand ils sont

hydratés, ces composés deviennent des milieux de culture de bactéries, donc utilisez les

sur des temps très courts et ensuite jetez les. Un adulte doit toujours être présent pendant ces tests.

http://saps1.plantsci.cam.ac.uk/worksheets/ssheet22.htm Amusez vous avec les

gommes (expériences avec des polysaccharides).

http://food.orst.edu/gums/foegeding.html Hydro colloïdes, références de gommes

végétales.

http://class.fst.ohio-state.edu/FST605/lectures/lect20.html Gommes et stabilisants

(formules et autres informations).

Mots clés Internet : polysaccharides, hydro colloïdes, expériences, recettes, hydrocolloids, experiments, recipes.

5 – Fabrication de gélatine photographique. Les gélatines photographiques sont

formées par une suspension de sels d’argent halogénés qui sont sensibles à la lumière.

Quand elles sont encore chaudes, ces gélatines sont étalées sur un film plastique

transparent pour obtenir un film photographique ou sur une carte pour obtenir un papier

pour les impressions photographiques. Comme on peut le voir dans l’histoire de la

photographie, il y a de nombreuses méthodes pour produire des surfaces photosensibles

et beaucoup d’entre elles n’utilisent pas de sels d’argent.

Sur Internet vous pouvez trouver des protocoles pour réaliser des films photosensibles et

des papiers par de nombreuses techniques. Ces préparations demandent l’utilisation de

substances et des procédures qui peuvent être dangereuses. Lisez les informations qui

expliquent les précautions à prendre. Les enfants devraient être guidés par un adulte qui

maîtrise la chimie.

http://www.cheresources.com/photochem.shtml Chimie de la photographie

http://www.astro.wisc.edu/~mukluk/misc.html Formules micellaires dans le

photographie et informations

http://www.tri-esssciences.com/photography_books.htm Livres et recettes en

photographie.

William Crawford; The Keepers of Light: histoire et guide de travail sur les procédés

photographiques depuis leurs débuts (un livre).

Mots clés Internet : recette des gélatines photographiques / formules, processus de

sensibilité photographique, chimie de la photographie, photographic gelatine recipe / formula, photography sensitizing processes, photography chemistry.

ÉMULSIONS

Une émulsion est la dispersion d’un liquide insoluble dans un autre liquide. Par exemple,

l’huile est insoluble dans l’eau. Si vous placez de l’huile dans un récipient avec de l’eau,

l'huile va flotter et rester séparée de l’eau. Si au contraire, vous agitez vigoureusement le

récipient, vous obtiendrez une dispersion de fines gouttes d’huile dans l’eau, cependant

ces gouttes vont rapidement fusionner et en un temps relativement court vous

obtiendrez de nouveau la situation de départ. Pour rendre l’émulsion plus stable, avant

de secouer le récipient, ajoutez un peu de détergent. Les molécules de surfactant

s’arrangeront à la surface des gouttes d’huile avec leur tête à l’extérieur. Comme ces

têtes ont une charge électrique, et comme cette charge est toujours du même signe, les

gouttes d’huile vont se repousser les unes les autres et leur fusion sera fortement

ralentie. Donc les surfactants peuvent aider à avoir une émulsion plus stable. Il y a des

surfactants spéciaux pour les émulsions, dotés d’une grande capacité à stabiliser les

gouttes d’huiles. Il y a aussi des agents émulsifiants pour une utilisation alimentaire,

comme la lécithine et des émulsifiants à but industriel qui ne sont pas comestibles.

Le lait est une autre émulsion réalisée par des petites gouttes grasses en suspension

dans une phase aqueuse. Le beurre est formé par des petites gouttes d’eau en

suspension dans de la graisse. Le fromage et la mayonnaise aussi sont considérés

comme des émulsions. Beaucoup de crèmes utilisées en pharmacie et en cosmétologie

sont des émulsions. Ont été produit aussi des carburants émulsifiés avec de l’eau. Des

huiles émulsifiées sont utilisées dans les machines pour faciliter la découpe du métal avec

les outils adaptés. En effet, la découpe du métal peut engendrer des chaleurs intenses,

qui doivent être évacuées si vous ne voulez pas brûler les outils.

1 – Stabilité des émulsions.

Remplissez deux bouteilles en plastique à

mi hauteur, avec de l’eau, puis ajoutez 5

mg (environ une cuillérée pleine) d’huile

végétale dans chacune des deux

bouteilles.

Dans l’une des deux seulement, ajoutez

0,5 mg (environ 20 gouttes) d’un liquide

pour nettoyer la vaisselle. Fermez les

deux bouteilles et agitez les pendant

quelques minutes pour émulsifier l’huile,

puis placez les deux sur la table et

observez les.

Les gouttes d’huiles vont essayer de se

regrouper et de se placer à la surface des

liquides. En comparant les deux

émulsions, vous verrez que celle qui

contient le détergent sera beaucoup plus

stable (figure 28 à droite). En effet,

même après un jour, la couleur blanche

de l’émulsion indique qu’il y a un grand

nombre de petites gouttes d’huile dans le

liquide, alors que dans l’autre bouteille,

le liquide est devenu transparent; ce qui

est le signe que la plupart des gouttes

d’huiles se sont regroupées à la surface et ont fusionné ensemble.

2 – Vinaigre et huile végétale. En

utilisant un fouet de cuisine, émulsifiez

une cuillère à café de vinaigre avec 125

mL d’huile de tournesol ou d’huile d’olive. L’émulsion qui en résulte est instable.

3 - Mayonnaise. Aux ingrédients de la

deuxième expérience, ajoutez un jaune

d’oeuf, et émulsifiez de nouveau.

L’émulsion se révèlera beaucoup plus

stable. Ajoutez un peu de sel et si vous

voulez un peu de poivre, et vous

obtiendrez une bonne mayonnaise. Si

vous préférez, vous pouvez remplacer le

vinaigre par du jus de citron.

Figure 28 – les deux émulsions de l’expérience 1 après 24 heures de repos. Dans la bouteille de droite, un peu de détergent a permis de rendre l’émulsion plus stable.

Pourquoi l’émulsion est stable avec un jaune d’oeuf? Cela est du à la lécithine contenue

dans le jaune d’oeuf. La lécithine est un surfactant et dans les émulsions elle se

comporte comme les détergents. La lécithine est aussi un phospholipide et sa structure

moléculaire est semblable à celle des phospholipides qui composent la membrane des

cellules. Une autre lécithine bien connue et qu'on peut trouver dans le commerce c'est la lécithine de Soja.

http://www.lecithin.com/info/p2.html Qu’est ce que la lécithine?

Mots clés pour Internet: émulsions, recette mayonnaise, lécithine, lécithine de soja, beurre maison, beurre industriel, crèmes, membrane cellules, cell membrane.

MOUSSES

La mousse résulte de la dispersion d’un gaz dans un liquide (mousses liquides) ou dans

un solide (mousses solides). Parmi les mousses liquides nous avons celles formées par

les savons et les détergents, et des aliments variés comme le vin, la bière, et beaucoup

d’autres. Parmi les mousses solides on trouve la pierre ponce, grès, les éponges, les

plastiques expansés comme le polystyrène expansé, ou le polyurethane expansé. En

dispersant de l’Hélium dans un liquide qui produit des bulles dont l’épaisseur est très

mince et qui se solidifie ensuite, les chercheurs ont réussi à fabriquer une mousse solide

plus légère que l’air.

1 – Mousses et forme des bulles en contact. Avec une goutte de détergent dans une

petite bassine d’eau, faites une mousse. Observez la forme des bulles qui sont en contact

les unes des autres. Avec un microscope, observez une fine section de moelle de sureau

et comparez la à une mousse.

2 – Fabriquez une mousse solide. Battez des blancs d’oeuf avec du sucre, et cuisez-le

jusqu’à obtenir leur solidification: vous aurez obtenu une meringue, une mousse solide et

comestible.

http://www.halfbakery.com/idea/Develop_20a_20lighter-than-air_20solid Réalisez un

solide plus léger que l’air (discussion).

http://stardust.jpl.nasa.gov/tech/aerogel.html erogel, une mousse avec des propriétés surprenantes.

D'AUTRES EXPÉRIENCES AVEC LES COLLOÏDES

1 – Qui peut citer plus de colloïdes? Listez les colloïdes que vous avez dans votre

maison ou que vous connaissez par l’expérience: (le lait, la mayonnaise, la résine, la

peinture, l’encre, le polystyrène expansé, le cytoplasme des cellules, le sérum sanguin,

…)

2 – Un fluide semi-solide. Placez dans une tasse 4 cuillères de amidon de maïs.

Ajoutez un peu d’eau jusqu’à obtenir une substance crémeuse. En mélangeant, vous

remarquerez que cette substance a une propriété surprenante : si vous le mélangez

doucement, elle se comporte comme un liquide, mais si vous essayez de la mélanger

rapidement, elle semble solide. En la soulevant rapidement sur un coté, vous serez

capable de sortir cette crème de la tasse, mais vous aurez des difficultés à la garder dans

votre main parce que même si elle se déplace doucement, elle s’échappera par tous les cotés, comme un liquide.

Les liquides qui changent de viscosité en fonction de la vitesse de mixage, sont appelés

les fluides dilatants. Le sable humide se comporte comme un fluide dilatant. Vendu aux

États Unis comme un jouet pour les enfants sous le nom de Gak or Goo, vous pouvez le

fabriquer vous même en dissolvant une demi tasse de colle blanche, et en ajoutant 3

cuillères à soupe de Borax, en mélangeant bien. Vous obtiendrez une substance qui

semble apparemment solide, mais qui perd sa forme au bout de quelques minutes , devenant comme un liquide… que vous serez capable de lisser comme si c’était un tapis.

ATOMISEUR POUR AÉROSOL

Comment fonctionnent les atomiseurs? Il y a plusieurs modèles d’atomiseurs ou de

sprays comme ceux utilisés par les peintures en sprays, ou ceux possédant une petite

pompe sur laquelle on appuie avec le doigt, et ceux qui fonctionnent par le biais d’une petite seringue de plastiques, ou pour des usages industriels, par un compresseur.

1 – Anatomie d’un

atomiseur. Démontez un atomiseur à

main. Souvent, ces objets se cassent,

donc si vous en avez un de cassé,

démontez le pour essayer de

comprendre pourquoi il ne fonctionne plus et essayez de le réparer.

http://www.howstuffworks.com/question673.htm Bouteille à spray.

2 – Construisez un atomiseur. Pour

construire un petit atomiseur, prenez

deux petites pailles et fixez les comme

le montre la figure 30. A l’extrémité de

la paille horizontale, insérez un

bouchon avec un trou d’un millimètre

de diamètre. Sous la paille verticale,

montez une petite bouteille avec de

l’eau. Maintenant, soufflez avec force

dans la paille horizontale. Le jet d’air

qui sort du trou causera une basse

pression au dessus du tube vertical qui

enverra un peu d’eau vers le haut de la

paille, qui à son tour l’enverra loin en

l’atomisant. Pour produire un jet d’air,

vous pouvez aussi utiliser une seringue

en caoutchouc. En général, ce type

d’atomiseur est utilisé pour les

parfums, mais vous pouvez aussi

l’utiliser pour humidifier les feuilles des

plantes.

SOURCES INTERNET

http://fr.wikipedia.org/wiki/Bulle_de_savon Bulles de savon

http://www.encyclopedia.com/printablenew/02932.html Une petite introduction sur les

colloïdes

http://dwb.unl.edu/Teacher/NSF/C01/C01Content.html beaucoup d’expériences avec

l’eau, les solutions etc.

http://www.eduplace.com/science/profdev/handbook/solutions.html Recettes: solutions

et matériaux

http://www2.ncsu.edu/ncsu/pams/science_house/learn/CountertopChem/index.html

Expériences sur les tensions de surface et les colloïdes.

http://www.synthashield.net/vault/colloids.html Que sont les colloïdes et les

suspensions colloïdales ? définition et histoire des colloïdes.

http://www.acs.ucalgary.ca/~schramm/ La page de science de Laurie sur les colloïdes et

les interfaces.

http://www.webcrawler.com/education/science_and_nature/chemistry/disciplines/ Liens

intéressants sur la chimie et les polymères

http://www.ch.kcl.ac.uk/kclchem/staff/arr/gloss.htm Guide hypertexte sur le

vocabulaire des colloïdes et la science des polymère.

http://www.solgel.com/educational/glossary.htm Termes et vocabulaire utilises

fréquemment dans le domaine des sol-gels.

http://www.luxurylane.com/thelibrary/index.htm Fabriquer vos propres lotions, crèmes

savons, produits de soin personnels et

cosmétiques. http://alex.edfac.usyd.edu.au/methods/science/studentwork/Lifestyle_Che

mistry.html Lifestyle Chemistry.

Mots clés pour Internet: colloïdes, système colloïdal, solutions, mélanges, sol, gel,

gélatine, émulsion, mousse. Vous trouverez une liste d’informations intéressantes.

CONCLUSION

Les phénomènes de surface et les colloïdes concernent beaucoup d’objets, de produits et

d’événements de la vie de tous les jours, qui ne sont pas directement explicables avec la

physique que nous étudions à l’école. L’introduction de quelques principes, et le fait de

suggérer quelques expériences dans ce domaine qui jusqu’à présent semblait un peu

mystérieux, nous paraissait utile et important. Vous avez aussi pu remarquer combien

ces sujets sont fascinants et combien il est amusant d'en faire des activités de laboratoire.

BIBLIOGRAPHIE

http://surfactants.net/bookstore/ Livres sur les surfactants et les colloïdes

R. Aveyard, D. A. Haidon: "An Introduction to the Principles of Surface Chemistry",

Cambridge Chemistry Texts C. C. Miller, P. Neogi: "Interfacial Phenomena", Marcel Dekker inc., N.Y. (1985).

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