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EXPÉRIENCES SUR LES
PHÉNOMÈNES DE SURFACE ET LES COLLOÏDES

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

 


Figures d'interférence sur lame de savon

Figure 1 - Phénomènes d'interférence sur une membrane savonneuse.

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
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 superficielle

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 :

 

Aiguille flottante 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).

Forme en 'U' avec curseur

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.

 

Mésure de la tension superficielle

Forme en U

 

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)

 

Mésure de la tension superficielle avec un anneau

Mésure de la tension superficielle avec un anneau

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.

Bateau propulsé par la tension superficielle

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.

 

Mouillabilité et angle de contact

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



Montée d'un liquide dans un capillaire

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 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.

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

 

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.

 

Surfactants

 

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.

Essai de durée des bulles

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.

Un trou dans un film de savon

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.
 

Films dans une forme cubique

Bulle cubique

Films dans une forme tétragonale

Films entre deux formes circulaires

Film tubulaire

Figure 15 – membranes dans une forme cubique. Ces membranes ne se disposent pas sur les faces du cube, mais sont en contact les unes avec les autres. Figure 16 - Membranes dans une forme cubique. Le cube central a été ajouté ave une paille. Figure 17 - Membranes dans une forme pyramidale (tétraèdre). Placez une bulle au centre. Figure 18 - Membranes entre deux anneaux avec un film commun. Figure 19 – membrane en forme de tube, entre deux anneaux. Elle a été 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.

Film hélicoïdal

Formes pour l'étude des films savonneux

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.

Interférence de la lumière

Turbulences

Turbulences

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/PROTOCOLES2/14.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.

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).

 

Feuille de gélatine

 

Verre de gélatine

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.

Emulsions

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

Mousse liquide


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.

Atomiseur (schéma)

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_Chemistry.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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