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Tôt ou tard ce site ne serà plus accessible. Son contenu èst disponible à la nouvelle adresse www.funsci.it où son activité aura une suite. EXPÉRIENCES SUR LES PHÉNOMÈNES DE SURFACE ET LES COLLOÏDES Giorgio Carboni, Février 2002 Traduit par Caroline Varin, Juin 2008 Présentation Introduction aux phénomènes de surface Tension de surface Mouillabilité Capillarité Savons et détergents Bulles de savon Osmose Introductio n aux systèmes colloïdaux Solutions Mélanges Colloïdes Sol Figure 1 - Phénomènes d'interférence sur une membrane savonneuse. Gel Émulsions Mousses D’autres expériences avec les colloïdes Atomiseur pour aérosol Sources Internet Conclusion Bibliographi e PRÉSENTATION Dans cet article, nous regroupons une série d’expériences de laboratoire qui concernent principalement les phénomènes de surface et les systèmes colloïdaux. Du fait de leur nombre, ces expériences seront décrites brièvement. Comme vous le savez, nos articles ne tendent pas à remplacer une explication exhaustive du sujet traité, mais visent à aiguiser la curiosité sur ces expériences, et à intéresser les jeunes personnes sur les phénomènes naturels. Nous essayons d’obtenir ce résultat à travers des expériences pratiques qui ont un rôle important dans la découverte de la nature par les jeunes. La manière dont ces activités sont présentées tend à mettre en avant leur aspect amusant et, heureusement, à obtenir une attitude positive à l’égard du sujet traité. Nous sommes persuadés que ces activités soulèveront des questions parmi les participants, et que par eux-mêmes, du fait de leur curiosité, ils iront chercher des explications. Nous sommes aussi convaincus que le désir de savoir et la curiosité soient beaucoup plus importantes que les explications apportées alors qu’un élève n’en éprouve pas la nécessité. Comme les explications sont courtes, nous faisons souvent référence à des liens Internet et parfois à une bibliographie. Malheureusement, nous ne seront pas capables de mettre continuellement à jour ces liens, donc nous avons ajouté des mots clés pour que vous alliez chercher facilement des informations plus récentes en utilisant des sites de recherche. N’utilisez pas ces mots clés tous en même temps, mais en les combinant de la manière qui vous semble la plus judicieuse. Pendant ces recherches, souvent trop de documentation vous est proposée, dont une partie est sans intérêt pour vos recherches. Donc si nécessaire, ajoutez un terme comme : école, élève, expérience, test, classe, fait maison, devoirs, projet scientifique, leçon, plan de leçon. ATTENTION : certaines de ces expériences peuvent être dangereuses. Quand les enfants font ces expériences, un adulte doit toujours être présent avec eux pour éviter tous les dangers ou dommages. Dans tous les cas, nous n’assumons aucune responsabilité. Pour la sécurité et la responsabilité, nous vous recommandons de lire la page des Avertissements. Amusez vous bien! INTRODUCTION AUX PHÉNOMÈNES DE SURFACE Pourquoi certains insectes arrivent-ils à patiner élégamment sur l’eau plutôt que de sombrer lamentablement? Pourquoi une goutte d’eau déposée sur un morceau de verre forme parfois une belle goutte et d’autres fois une couche fine ? Pourquoi l’eau monte-t- elle dans un tube mince (appelé capillaire)? Pour des raisons que nous verrons plus tard, la surface d’un composé a des propriétés particulières. Les propriétés de ces surfaces sont ce qui permet d’expliquer les phénomènes étranges que nous avons mentionnés précédemment. Il faut aussi prendre en compte que la surface est une zone de contact entre différentes substances. En résumé, les propriétés des surfaces sont si particulières et nombreuses qu’il y a tout un domaine des sciences dédié à l’étude des phénomènes de surface : la physique des surfaces. TENSION DE SURFACE Une molécule de liquide attire les molécules qui l’entourent et en retour elle est attirée par toutes ces molécules (figure 2). Pour les molécules qui sont dans le liquide, la résultante totale de ces forces est globalement nulle, et en interagissant avec toutes les autres, elles sont toutes en équilibre. Quand ces molécules sont en surface, elles sont attirées par les molécules au dessous et celles à coté, mais pas par celles extérieures. La résultante est une force dirigée vers l’intérieur du liquide. De cette manière, la cohésion entre molécules, engendre une force tangente à la surface. Donc la surface d’un fluide se comporte comme une membrane élastique qui enveloppe et comprime le liquide en dessous. La tension de surface exprime la force avec laquelle les molécules de surface s’attirent les unes les autres. Un moyen de voir la tension de surface est d’observer les efforts d’une fourmi pour sortir de l’eau. Au contraire, d’autres insectes, comme l'hydromètre, exploitent la tension de surface pour flotter sur l’eau sans sombrer. Voici quelques expériences simples mettant en évidence la tension de surface : 1 – l’aiguille flottante : délicatement placez une aiguille à la surface d’un verre d’eau. Si l’eau ne la mouille pas complètement, vous verrez l’aiguille flotter. Pour éviter que vos doigts perturbent la surface alors que vous posez l’aiguille, vous pouvez fabriquer un petit berceau à l’aiguille alors que vous la descendez à la surface. Une autre façon de rendre l’expérience plus facile à réaliser c’est de placer à la surface de l’eau un morceau de papier qui va s’imbiber. Sur ce papier vous aurez placé l’aiguille. Doucement le papier s’imbibe, et il va finir par couler, alors que l’aiguille va rester à la surface de l’eau. Figure 3 – Aiguille flottante. Au fond du pot, vous pouvez voir le papier qui a coulé. 2 – Faire couler de la poudre de soufre. Saupoudrez un peu de poudre de soufre sur un verre d’eau (vous pouvez acheter du soufre chez un quincaillier). Le soufre est assez hydrophobe pour rester à la surface de l’eau. Ajoutez un peu de détergent et vous verrez les particules de soufre couler. Cette expérience fonctionne aussi avec de la poudre de talc que vous devez avoir à la maison. http://www.ilpi.com/genchem/demo/tension/ présente un petit film sur cette expérience et une description des propriétés des surfactants. 3 – Lancement d’une aiguille. Avec un fil d’acier, faites un cercle. Placez une aiguille sur ce cercle, et plongez le tout dans de l’eau savonneuse. Quand vous retirez le cercle, deux membranes se sont formées : une sur la partie gauche de l’aiguille et une sur la partie droite de l’aiguille. Maintenant, avec un doigt, crevez une de ces membranes. L’aiguille sera envoyée du fait de la tension de surface vers la partie de la membrane restante, qui se contracte rapidement, dans le but d’occuper la plus petite surface possible (ce qui lui coûte moins d’énergie). 4 – Solidité d’un film d’eau savonneuse. Avec un fil d’acier, faites la forme d’un « U » et fermez le avec un curseur métallique, comme montré figure 4. Plongez la forme dans de l’eau savonneuse. Quand vous la retirez, vous verrez que le curseur va être attiré vers le fond du « U » par la tension de surface de la membrane savonneuse. En tenant le curseur avec vos doigts vous pouvez ressentir la force exercée par la membrane. Figure 4 – Forme en « U » avec un curseur. La tension de surface attire le curseur vers la gauche. Figure 6 - Forme en "U" pour mesurer la tension de surface. 5 – Mesure de la tension de surface. Pour mesurer la tension de surface d’un liquide, vous pouvez utiliser une balance analytique à bras égaux. Comme le montre les figures 5 et 6, suspendez un fil de fer en forme de U à un des deux plateaux de pesée (A). En baissant sur le plateau A et en le soulevant de nouveau, créez une membrane dans la U. Équilibrez les deux plateaux en plaçant des masses sur le plateau B. À cet instant crevez le film. La balance va descendre du coté du plateau B, restaurez alors l’équilibre du coté du plateau A. La valeur de ces dernières masses (F) correspond à la force avec laquelle la membrane tend à se rapprocher du liquide. La tension de surface (T) est donnée par la force (F) divisée par la largeur (W) de la membrane, divisée également par 2 car il faut prendre en compte le fait que la membrane a deux faces. Donc, T = F/2W. La valeur de la tension de surface de l’eau distillée est 7,42 g/m à 20°C et celle de l’alcool éthylique est de 2,27 g/m toujours à 20°C. Nous vous donnons ces valeurs pour que vous ayez un repère pour les comparer avec celles que vous trouvez par l’expérience. Si vous ne possédez pas une balance analytique, vous pouvez en fabriquer une. Cela ne sera pas très précis, mais cela vous permettra de faire ces mesures. Étant donné les forces avec lesquelles nous travaillons, la balance doit avoir une précision au centième de gramme. http://www.pvri.com/sp/BalBuild.htm comment construire une balance précise à faible prix (par Salvatore Pevitera) http://userpages.prexar.com/dwilliamsmaine/scale/scale.html une balance artisanale (par Dan Williams) Figure 7 - Mesure de la tension de surface d'un liquide en usant une balance analytique et un anneau de métal. 6 – Une autre méthode pour mesurer la tension de surface. Pour mesurer la tension de surface des liquides, vous pouvez utiliser un cercle en uploads/Science et Technologie/ phenomenes-de-surface-et-les-colloides-pdf.pdf