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Thème : Les matériaux Chap. 2 Structure et propriétés des matériaux Tensioactif

Thème : Les matériaux Chap. 2 Structure et propriétés des matériaux Tensioactifs, émulsions, mousses 1 TENSIOACTIFS – EMULSIONS - MOUSSES Mots-clefs : Tensioactifs, Emulsions, Mousses Contexte du sujet : Une mayonnaise, un shampoing, la mousse surmontant un capuccino ont un point commun : leur existence et leur stabilité résultent de la présence de tensioactifs. Qu’est-ce qu’un tensioactif ? Comment agit-il ? ANALYSE ET SYNTHESE DE DOCUMENTS SCIENTIFIQUES Expérience préparatoire (à faire à la maison)  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.  Ajouter une goutte de détergent (liquide vaisselle). Décrire ce que l’on observe. Document 1 : Tensioactifs – Emulsions - Micelle Si on met en présence un peu d’huile et de l’eau, les deux liquides ne se mélangent pas. Si on agite fortement l’ensemble, l’huile forme de fines gouttelettes mélangées à l’eau, qui, après un bref repos du mélange, vont se séparer de la phase aqueuse : on dit qu’il y a démixtion. Si on ajoute un peu de dodécylsulfate de sodium (a) à la préparation et que l’on agite à nouveau, les deux phases ne se séparent plus : l’huile, incluse dans des micelles de dodécylsulfate de sodium, reste sous forme de fines gouttelettes en suspension, ou en émulsion dans l’eau (b). Le dodécylsulfate de sodium est un exemple de tensioactif. Un tensioactif ou agent de surface est un composé qui modifie la tension superficielle entre deux surfaces. Une molécule de tensioactif est amphiphile, c’est-à-dire qu’elles présentent deux parties de polarité différente : elle est constituée d’une tête polaire, hydrophile, donc lipophobe, susceptible de se lier à l’eau, et d’une queue apolaire, lipophile, donc hydrophobe, susceptible de se lier aux chaînes carbonées des espèces organiques (c). On distingue entre autres (R est un radical alkyle présentant une longue chaîne carbonée) : – les tensioactifs anioniques tels que les alkylsulfates de sodium, R-SO3 – + Na+ ou les carboxylates de sodium R-CO2 – + Na+ présents dans les savons ; – les tensioactifs cationiques tels que les chlorures d’alkylammonium quaternaire: R-NH3 + + Cl– ; – les tensioactifs non ioniques tels que les éther-alcools : R-O-CH2-CH2-OH. D’après M. DEFRANCESCHI, La Chimie au quotidien, Ellipses, 2006. Thème : Les matériaux Chap. 2 Structure et propriétés des matériaux Tensioactifs, émulsions, mousses 2 Document 2 : Tensioactif Document 3 : Vinaigrette et mayonnaise 1. Les recettes Dans le Larousse de la Cuisine, édition de 1990, on trouve les recettes suivantes :  Vinaigrette : 1. Mettez deux pincées de sel dans un saladier. Ajoutez deux cuillères à soupe de vinaigre et remuez pour dissoudre. 2. Ajoutez 3 ou 4 tours de moulin à poivre, puis versez de 4 à 6 cuillères à soupe d’huile. Fouettez pour émulsionner.  Mayonnaise : 2 jaunes d’œufs, moutarde, vinaigre de vin blanc, 50 cL d’huile de tournesol, sel, poivre du moulin. 1. Une demi-heure avant de commencer la mayonnaise, sortez tous les ingrédients à température ambiante. Cassez les œufs et mettez les jaunes dans un grand bol. 2. Ajoutez aux jaunes d’œufs 1 cuillère à café de moutarde, 1 pincée de sel et 2 tours de moulin à poivre. Fouettez. 3. Ajoutez 1 cuillère à café de vinaigre et mélangez à nouveau rapidement. Vous pouvez remplacer le vinaigre par du jus de citron. 4. Ajoutez un filet d’huile et fouettez vivement jusqu’à ce que le mélange commence à prendre. 5. Incorporez petit à petit tout le reste de l’huile sans cesser de fouetter. La mayonnaise doit alors être bien ferme. Thème : Les matériaux Chap. 2 Structure et propriétés des matériaux Tensioactifs, émulsions, mousses 3 2. Une mayonnaise industrielle La composition d’une mayonnaise industrielle (mayonnaise à la moutarde de Dijon de Carrefour) est la suivante : Huile de colza (70,8%), eau, jaune d'œuf (5,3%) moutarde de Dijon (3%) (Eau, graines de moutarde, vinaigre d'alcool, sel, acidifiant : acide citrique, antioxygène : disulfite de potassium), vinaigre d'alcool, sirop de glucose-fructose de blé, sel, sucre, arômes, épaississant : gomme xanthane, colorants : lutéine et extrait de paprika. Document 4 : Mélanger de l’huile et de l’eau ? Vous prenez un bol où vous versez de l’huile, puis de l’eau : deux phases se séparent, l’eau, plus lourde, en-dessous, et l’huile, plus légère, au-dessus. Vous fouettez : quelques gouttes d’eau entrent dans l’huile, quelques gouttes d’eau vont dans l’huile, mais dès que l’agitation cesse, les gouttes d’huile remontent et les gouttes d’eau redescendent. Les deux phases se séparent à nouveau. Par quel miracle l’eau du jaune d’œuf (environ la moitié du jaune) et l’huile restent-elles mélangées dans la mayonnaise ? Le secret de la préparation est dans le jaune de l’œuf […]. Voyons d’abord pourquoi l’huile et l’eau ne se mélangent pas. Les molécules d’eau, composées d’un atome d’oxygène lié simultanément à deux atomes d’hydrogène, se lient par ce que l’on nomme des liaisons hydrogène, entre un atome d’oxygène d’une molécule d’eau, et un atome d’hydrogène d’une molécule voisine. Au contraire, les molécules d’huile, ou lipides, sont des snobs qui ne frayent pas avec l’eau. Ce sont par exemple des triglycérides, c’est-à-dire des molécules en forme de peignes à trois dents, composées principalement d’atomes de carbone et d’hydrogène (cf. fig. 3) Comment mélanger l’huile à l’eau ? En leur ajoutant des molécules « entremetteuses » qui ont une affinité à la fois pour l’huile et pour l’eau. C’est grâce à ces molécules « tensioactives » que l’on obtient la mayonnaise, où la concentration en huile atteint 65 %. Les mayonnaises sont des « émulsions » : les tensioactifs de la moutarde et du jaune d’œuf (telles les lécithines) servent à enrober des gouttelettes d’huile, en mettant à leur contact leur partie hydrophobe, et à disperser ces gouttelettes enrobées dans l’eau, en se liant aux molécules d’eau par leur partie hydrophile. Pourquoi les gouttelettes enrobées ne se fondent-elles pas en une seule phase ? Parce que les têtes hydrophiles des tensioactifs sont électriquement chargées : les gouttelettes, présentant toutes la même charge électrique, se repoussent. Cette caractéristique explique pourquoi les acides, tels le vinaigre ou le jus de citron, stabilisent la mayonnaise : en milieu acide, certaines molécules tensioactives ont une charge électrique supérieure, et se repoussent donc davantage. Hervé This, Les Secrets de la Casserole, éd. Belin, 1993 C C C O O O C C C O O O C C C C C C C C C C C C C C C H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H Fig. 3 : Molécule de triglycéride (réalisée avec Chemsketch) Fig. 4 : Molécule de triglycéride (vue 3D Chemsketch) Thème : Les matériaux Chap. 2 Structure et propriétés des matériaux Tensioactifs, émulsions, mousses 4 Fig. 5 Fig. 6 Fig. 7 (source http://www.texample.net/tikz/examples/lipid-esicle/) Document 5 : Liaison hydrogène 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. http://www-ipcms.u-strasbg.fr/spip.php?article303&lang=en Les émulsifiants, appelés parfois émulsionnants, stabilisent l'émulsion. Ce sont le plus souvent des tensioactifs ou agents de surface. *…+ Le jaune d'œuf sert d'émulsifiant dans la préparation de sauces en cuisine. Cette propriété est due à la lécithine qu'il contient. La lécithine se trouve également dans le soja et est très utilisée dans les préparations industrielles. La caséine est une protéine du lait qui est émulsifiante. http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89mulsion Document 6 : Les tension-actifs : des molécules pour réconcilier eau et lipides Thème : Les matériaux Chap. 2 Structure et propriétés des matériaux Tensioactifs, émulsions, mousses 5 Document 7 : Les mousses Thème : Les matériaux Chap. 2 Structure et propriétés des matériaux Tensioactifs, émulsions, mousses 6 Document 8 Commençons par prendre un peu d’eau dans un cul de poule. À l’aide d’un fouet, fouettons: nous voyons que le fouet introduit des bulles d’air (chaque fil pousse de l’air: plus il y a de fils au fouet et plus on pousse d’air) dans l’eau. On peut ainsi faire mousser mais la mousse ne tient pas: les bulles remontent rapidement en surface parce que l’eau est peu visqueuse et elles éclatent aussitôt. Reprenons l’expérience avec du liquide à vaisselle: cette fois, les bulles remontent encore en surface mais elles y forment une mousse formée de bulles qui n’éclatent pas immédiatement (elles finiront sans doute par éclater plus tard; tout dépend du détergent utilisé). Quand on fouette pour introduire des bulles, on fait mousser, ou encore, on «foisonne». C’est tout simple, n’est-ce pas? Les enfants dans leur bain font mousser le bain à l’aide du savon et ils savent bien que la mousse est faite de bulles. *…+ Évidemment, les mousses faites avec de l’eau pure et uploads/Finance/ 13-t3-tensioactifs-emulsions-mousses.pdf