Tp spe tensioactifs, émulsions et mousses








titreTp spe tensioactifs, émulsions et mousses
date de publication25.04.2017
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TP SPE Tensioactifs, émulsions et mousses


I) La « peau » de l’eau

1. Expérience préparatoire


  • Remplir un verre d’eau. Déposer délicatement un trombone à la surface de l’eau. Observer.


Le trombone flotte. La surface libre de l'eau se déforme sous le trombone comme une membrane élastique.


  • Remplir un verre d’eau à ras bord avec de l’eau. Ajouter doucement des pièces de 10 centimes. Combien peut-on en ajouter sans que l’eau ne déborde ? Décrire l’aspect de la surface de l’eau.


La quantité de pièces que l’on peut ajouter est surprenante et peut aller jusqu’à une vingtaine. L’eau est alors « gonflée » et dépasse largement de la surface du verre.


  • Ajouter une goutte de détergent (liquide vaisselle). Décrire ce que l’on observe.


L’eau déborde dès la première goutte de détergent ajoutée. Cette expérience peut être faite en classe avec des rondelles (pour bricolage) = expérience pas chère


insecte sur eau

goutte sur feuille

Fig. 1 : Un insecte utilise les propriétés de l’eau

Fig 2 : Sur une feuille, une goutte d’eau prend une forme particulière

2. Exploitation


DOC 1 : Tension superficielle d’un liquide.

Dans un liquide, on peut imaginer que les molécules qui sont à l’intérieur

du liquide sont soumises à des forces différentes de celles subies par les

molécules qui sont situées à la surface du liquide.
• En effet, dans la phase liquide les molécules se touchent et subissent

l’influence des voisines : la résultante des forces est nulle.

• Sur la surface du liquide, ces tensions sont limitées à la demi-sphère située sous la surface. Il s’ensuit que la résultante de ces forces ne peut pas être nulle.

• A l’interface entre deux milieux, s’il n’y a pas d’interactions, les molécules se repoussent.

Le schéma ci-dessus représente les forces qui agissent sur les molécules plongées dans un liquide, et sur celles qui sont au voisinage de sa surface libre. Cette résultante est nécessairement dirigée vers le bas, puisque, le liquide ne s’échappe pas du récipient. Ce phénomène se traduit par l’apparition d’une tension de surface caractéristique de chacun des liquides. On peut dire qu’il se forme un film de molécules en surface qui n’a pas plus tout à fait la même structure que celle que l’on retrouve au sein du liquide.

  • Certains composés permettent de diminuer la tension superficielle : ce sont des tensio-actifs.


En observant les photographies, proposer une explication à la première partie de l’expérience.

Selon vous, quel est le rôle du détergent dans cette expérience ?

Ce qui assure la cohésion de la surface de l’eau, c’est la tension superficielle. Il s’agit d’une force. C’est elle qui permet à l’insecte de « marcher » sur l’eau, c’est elle également qui contribue à donner une forme quasi-sphérique à la goutte d’eau sur la feuille. Le détergent modifie les propriétés de la surface de l’eau et modifie donc la valeur de la tension superficielle. Celle-ci est plus faible et l’eau déborde du verre.
3. Expériences complémentaire : LA LAME DE SAVON

  • Expérience 1 :

Tremper un anneau métallique dans une soucoupe remplie d’eau savonneuse. Observer.

Une lame mince d’eau savonneuse se forme. Ses deux surfaces semblent être tendues comme une membrane élastique.

  • Expérience 2 :

Tremper un anneau métallique, muni de deux fils de coton, dans une soucoupe remplie d’eau savonneuse. Observer.

Percer entre les fils AB et AC. Observer.

Recommencer en perçant cette fois-ci entre le fil AB et le cadre puis entre le fil AC et le cadre. Observer.
Une lame mince d’eau savonneuse se forme. Les deux fils de coton semblent mobiles au sein de cette lame.

Les fils se tendent formant des arcs de cercle.

Les fils se tendent et se confondent sur une certaine longueur.

Les lames d’eau savonneuse évoluent toujours de manière à réduire leur surface.

Conclusion : Quel est l’effet de la tension superficielle sur la surface de l’eau savonneuse ?

La tension superficielle tend toujours à diminuer la surface libre d’un liquide et ce « en tirant sur les limites extérieures » de cette surface.
II) Les mousses

Pour qu’une mousse se forme il faut incorporer un gaz dans un liquide approprié.

La formation des bulles étire l’interface liquide-gaz, qui est soumise à une tension de surface (tension supperficielle) l’empêchant de s’étirer indéfiniment. Avec un liquide pur, le film casse immédiatement, rendant la formation de mousse impossible.

Une mousse ne peut se former que si la phase liquide contient une certaine quantité de tensioactif.c:\users\guillaume\pictures\mes numérisations\2013-04 (avr.)\numérisation0004.jpg

Les tensioactifs saturent l’interface air-eau en formant une monocouche de quelques nanomètres d’épaisseur. Ce film peut emprisonner de l’air ce qui explique le pouvoir moussant des savons. La tension superficielle diminue et il est alors possible d’étirer d’avantage la surface de l’eau de façon stable, ce qui permet la formation de bulles et ainsi de mousse.


  1. A votre avis qu’est-ce que la moussabilité ?

La moussabilite est la quantité de mousse formée dans des conditions données.

  1. Proposer un protocole permettant de comparer la moussabilité de deux solutions.

Prendre deux solutions et les faire mousser (par agitation par exemple) puis comparer la quantité de mousse formée.

  1. Qu’est-ce que la stabilité d’une mousse ?

Plus une mousse perdurera dans le temps (plus ses bulles mettront de temps avant d’éclater), plus elle sera stable.

  1. Peut-on obtenir une mousse à partir d’un liquide pur ? Justifier. Non, car il faut diminuer la tension superficielle.


Expérience : Fabrication d’une mousse :

Précautions :

  • Porter des gants et des lunettes.

  • Ne pas toucher la mousse car elle est chaude et corrosive.

  • Eliminer la mousse à l’essuie-tout ou à la serpillère.


Protocole :

  • Dans un petit bécher 50 mL, dissoudre l'équivalent de deux spatules d'iodure de sodium (KI) dans quelques millilitres d'eau tiède. On fabrique une solution d’iodure de potassium (K+ + I-).

  • Dans l’éprouvette géante, verser grâce à l'entonnoir 4 mL de liquide à vaisselle mélangé avec quelques gouttes de colorant alimentaire, puis 20 mL d'eau oxygénée concentrée. Homogénéiser.

  • Placer l'éprouvette bien au centre du cristallisoir. Poser l'ensemble sur une surface protégée par des sacs poubelles.

  • Verser rapidement la solution d'iodure de potassium dans l'éprouvette et se reculer.

  • Observer la formation de plus en plus rapide de mousse qui jaillit de l'éprouvette. La mousse fume, elle est très chaude.

  • Plonger une allumette incandescente dans la mousse. Observer.


Précisions :

L’eau oxygénée se décompose (se dismutte) en dioxygène et en eau. Cette réaction est catalysée par les ions iodures I-.

Exploitation :


  1. Ecrire l’équation de la réaction de dismutation de l’eau oxygénée.

H2O2 = H2O + 0,5 O2

  1. Quelle est l’espèce chimique mise en évidence par l’allumette incandescente ? O2

  2. Comment expliquer que la mousse est chaude ?

La mousse est chaude car la réaction est globalement exothermique : elle dégage de la chaleur, d'où la formation d'un léger brouillard autour de la mousse, provenant de la recondensation de la vapeur d'eau.


  1. Pourquoi la réaction met-elle du temps à démarrer, s’accélère ensuite, puis ralentit-t-elle enfin ?


C'est une réaction autocatalysée par la chaleur qu'elle produit : la chaleur accélère les réactions. Pour cette raison on observe que la réaction met du temps à démarrer, s'accélère de plus en plus, puis ralentit.


  1. Quel rôle joue le produit vaisselle ?

Le liquide vaisselle, qui n'entre pas en jeu dans la réaction chimique, est simplement là pour emprisonner les bulles de dioxygène (O2) et forme une fine mousse. Il joue un rôle de tensioactif.

III) Les émulsions :

De notre nourriture à nos cosmétiques, nous utilisons quotidiennement toutes sortes d'émulsions. Le rôle des tensioactifs est indispensable.

Doc 2 : cosmétiques et émulsions.
On estime qu’environ 90 % des cosmétiques se présentent sous cette forme : crèmes, laits, gommages, masques, fonds de teint, dentifrices… sont tous des émulsions. Et bien que leurs indications soient très différentes, leurs bases ont toutes la même structure : c’est d’abord un mélange d’eau, de corps gras... et de quelques autres ingrédients.

La formulation conditionne la qualité des cosmétiques. L’aspect crémeux, onctueux, non gras des différents produits cosmétiques est dû aux émulsions ou encore à l’argile.

Les tensioactifs surfactifs sont les composés indispensables à l'hygiène et à la cosmétologie. Ils dispersent les corps gras dans l'eau en réduisant la tension superficielle et favorisent une répartition uniforme du produit lors de son utilisation. On les retrouve dans les produits de soins : shampooings, produits pour la peau, le bain, le rasage, etc.

Schématisation d’un composé tensioactif :

Tête hydrophile : peut former des liaisons hydrogène

Queue hydrophobe mais lipophile : constitué d’une longue chaîne carbonée



Hydrophile : qui aime l’eau - Hydrophobe : qui n’aime pas l’eau - Lipophile : qui aime les graisses


Un exemple de tensioactif : le dodecyl sulfate de sodium ( ou laurylsulfate de sodium): utilisé dans les dentifrices, shampoing…..
fichier:sds-2d-skeletal.png

Une émulsion est une suspension d’un liquide dans un autre, avec lequel il n’est pas miscible. C’est un état métastable dans lequel la séparation de phase entre les deux liquides non miscibles n’est pas complète, mais l’un des liquides est dispersé dans l’autre sous la forme de gouttelettes.

Doc3 : Mode d’action des tensioactifs.

eau

Que se passe-t-il à l’échelle microscopique lorsqu’un composé tensioactif arrive au contact de l’eau ?


Les molécules du composé tensioactif ont tendance à s’aligner à la surface de séparation de l’eau et de l’air : elles forment un film monomoléculaire avec les têtes hydrophiles orientées vers l’eau et les queues hydrophobes orientées vers l’air.






  • Lorsqu’on fouette le mélange huile et eau, les molécules tensioactives enrobent des gouttelettes d’huile et se « fixent » à elles par contact de leur partie hydrophobe. Il se forme des micelles.

Ces micelles, portant toutes la même charge électrique, se repoussent par interaction électrostatique et se dispersent dans l’eau.



  • Que se passe-t-il lors de la réalisation de la mayonnaise ?




Parmi les autres constituants du blanc d’oeuf, on trouve des protéines, la principale étant appelée ovalbumine (plus de 50 % de toutes les protéines).
La lécithine, présente dans le jaune d’œuf, elle possède un pôle hydrophile ( la choline et le groupe phosphate), une queue hydrophobe (acides palmitique et oléique). Elle est intéressante par ses propriétés de coagulant et de tensioactif .

fichier:popc details.svg
« La mayonnaise est techniquement une émulsion ».


https://encrypted-tbn2.google.com/images?q=tbn:and9gcqjzp9churfqjfqo6klzyvn-nrhbao6p3fcmzjv0siocykjf3ag

sauce mayonnaise

Figure




«  La moutarde, est composée de cellules, dont l'enveloppe est composée de molécules de la même famille chimique que les lécithines du jaune d'œuf .



Questions

  1. Schématiser quelques molécules d’eau reliées par des liaisons hydrogène.



  1. Expliquer pourquoi l’huile et l’eau ne sont pas miscibles.

Une liaison hydrogène ne peut se former entre deux molécules que si elles possèdent un groupement hydroxyle : .C’est bien le cas de la molécule d’eau. Les molécules d’huile, elles, sont de grosses molécules, formées principalement d’atomes de carbone et d’hydrogène.

Elles comportent une chaîne carbonée très longue, mais ne contiennent pas de groupement hydroxyle : elles ne peuvent donc pas former de liaison hydrogène avec l’eau : ainsi l’huile et l’eau ne sont pas miscibles.


  1. L’huile et l’eau du jaune d’œuf sont-ils les seuls constituants de base de la mayonnaise? Quel faut-il pour former une émulsion ? Quel est l’ingrédient qui apporte ce composé ?

Il faut aussi un jaune d’œuf, qui contient un tensio actif : ovalbumine

  1. Indiquer quels est la phase aqueuse et la phase lipidique, le tensioactif dans la mayonnaise maison.

Soulutions




mayonnaise maison

Phase aqueuse

Eau du jaune d’œuf

Eau de la moutarde

Vinaigre

Phase lipidique

Huile de tournesol

Tensioactif

Lécithine du jaune d’œuf

Tensioactifs de la moutarde




  1. Quel est le rôle du « fouettage » dans la recette de la mayonnaise ?

Fouetter permet de scinder les gouttelettes (micelles) en gouttelettes de plus en plus petites, ce qui améliore encore la stabilité de l’émulsion.


  1. À l’aide des documents, proposer un protocole permettant de tester différentes conditions d’obtention d’émulsions stables et instables. On dispose de jaunes d’œufs, d’huile, de moutarde.





1

2

5

6

7

Ingrédients

Jaune

d'œuf +

Huile


Jaune d'œuf +

Huile + moutarde

Jaune d'œuf + Huile

Jaune d'œuf +

Huile


Jaune d'œuf +

Huile

Température

Ambiante


Ambiante

Ambiante

Ambiante

Froide 4-5°C

Vitesse de mixage

Rapide

Rapide

Lente

Rapide

Rapide

Introduction

Huile

progressive

progressive

progressive

En une seule fois

progressive

Aspect de la

Mayonnaise

Jaune, épaisse


Encore plus épaisse

Echec de la mayonnaise

ou molle

Echec de la mayonnaise


Echec de la mayonnaise

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