Bulles de savon. Rapport des élèves du collège public de Rieupeyroux

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1 Bulles de savon Rapport des élèves du collège public de Rieupeyroux Rédigé par : Jules BARRIAC et Lucie FRANCOIS avec Margot BAYER, Gabriel CADILHAC, Noëllie COSTES, Emma DELTORT, Laurie FRAYSSE, Nathan HULLO, Angel LAURENS, Paolo MARTY, Elie POURCEL, Titouan SAUREL Intervenants : Cécile SANTOS Doctorante, Présidente du Club de jeunes de la Société Chimique de France UMR CNRS 5068, LSPCMIB, Université Paul Sabatier, 118 route de Narbonne TOULOUSE Et Claudia ADDAMIANO, Marie HOAREAU, Alix POINSO, Morgane ENEL, Amandine CONTE-DABAN (doctorantes) Mars 2015

2 Lors de la première heure de l atelier scientifique «Bulles de savon», nous avons tout simplement pris du liquide à bulles trouvé dans le commerce et, à l aide d une paille, nous avons formé des bulles. Nous avons observé leurs comportements, leurs réactions et nous nous sommes posés plusieurs questions : -Comment faire un liquide à bulles? Notre première hypothèse est que le liquide à bulles doit être fabriqué à partir de savon. -Comment fabriquer un savon? 2 -Pourquoi la bulle est sphérique? -Qu est-ce qu une bulle? -Pourquoi une bulle éclate-t-elle? -Comment faire flotter une bulle? -Comment expliquer l irisation des bulles?

3 Comment fabriquer un savon? Nous avons essayé de faire deux savons à partir d un protocole trouvé sur internet (sur le site scienceamusante.net). Nous avons au départ préparé deux solutions d hydroxyde de sodium (soude) en mélangeant de l hydroxyde de sodium solide et de l eau. Nous avons fait un mélange de 100g d huile et environ 12 g de soude avec deux huiles différentes : d un côté avec de l huile d olive et de l autre avec de l huile de colza. Nous avons ajouté 5 ml d éthanol. Nous nous sommes servis d un ballon, d un chauffe-ballon et d un réfrigérant à boules. Nous avons mis les deux mélanges à chauffer mais, les quantités étaient trop importantes pour la taille du ballon : le mélange est monté dans le réfrigérant. Nous avons dû arrêter les expériences. La séance suivante, nous avons filtré le liquide qu il nous restait et avons tout de même obtenu du savon. 3 Schéma de l expérience Réfrigérant à boules Ballon Chauffeballon Mélange de soude et d huile Robinet d eau Bilan : Huile + Soude Savon + Glycérol (glycérine)

4 Nous avons ensuite dissous les savons obtenus dans de l eau et avons essayé de faire des bulles à l aide d une paille et du liquide à bulles fabriqué. Nous avons testé le liquide à bulles fabriqué à partir du premier savon (huile d olive) et nous ne sommes pas parvenus à faire des bulles. Nous avons ensuite testé le liquide à bulles fabriqué à partir du deuxième savon (huile de colza), et nous sommes parvenus à faire des bulles qui éclataient très rapidement. Nous avons lu sur internet que nous pouvions rajouter de la glycérine pour stabiliser les bulles. Après ajout de la glycérine, nous sommes parvenus, sur une surface plane, à faire une bulle de 22cm de diamètre mais nous avons eu du mal à en faire dans l air. 4 Demi-bulle obtenue Nous ne sommes pas sûrs que les savons fabriqués étaient de qualité. Le protocole trouvé sur internet ne précisait pas la taille du ballon à employer ce qui a provoqué notre erreur de manipulation. Nous n avions pas mis de support à croisillon sous le chauffe ballon ce qui était aussi une erreur. Après notre échec dans la production du savon nous avons retenté de faire du savon à partir d un protocole proposé par le professeur et des quantités plus petites : 15mL d huile, 20mL de soude et 20mL d éthanol. Nous avons utilisé le même matériel. Après 20 min de chauffage nous avons versé le mélange obtenu dans de l eau salée saturée pour précipiter le savon puis nous avons filtré. Il ne restait plus qu à fabriquer les liquides à bulles avec les savons fabriqués

5 Pour notre projet nous avons fait appel à deux doctorantes en chimie de l université Paul Sabatier membres de la Société Chimique de France (Bureau Jeune Section Midi-Pyrénées) : Cécile SANTOS et Claudia ADDAMIANO (voir annexe 1). 5 Claudia Addamiano et Cécile Santos au collège Les doctorantes sont venues nous rencontrer au collège le 13 octobre Nous leur avons présenté notre travail depuis le début de l année. Elles ont été assez étonnées par la taille des demi-bulles réalisées. Elles nous ont également expliqué que pour une saponification le volume du ballon utilisé doit être au moins deux fois supérieur au volume du liquide placé à l intérieur. Les doctorantes ont beaucoup insisté sur la sécurité au laboratoire. Elles nous ont proposé de fabriquer un savon liquide à partir de l huile de ricin et de potasse dans une salle de TP de l enseignement supérieur à l ENSIACET de Toulouse. Nous avons profité de leur présence au collège pour leur poser des questions sur l utilité du réfrigérant à boule (qui offre une plus grande surface de contact permettant donc à plus de vapeur de se liquéfier), le glycérol, leur travail de doctorantes. Elles nous ont distribué le protocole de synthèse d un savon liquide et elles nous ont expliqué la réaction de saponification. Elles nous ont également dit qu il serait probablement impossible d obtenir des bulles avec ce savon liquide aussi stables qu avec un liquide à bulles du commerce. Les liquides à bulles du commerce sont composés «d un mélange de tensioactifs cationiques, anioniques (comme celui préparé par saponification, RCOO - ) et amphotères (de formule R 1 R 2 R 3 N+_CH 2 COO - ), ce qui explique une mousse plus abondante et plus stable.» Les réactifs utilisés présentant beaucoup trop de danger nous ne fabriquerons pas le savon ainsi.

6 Le 16 octobre 2014 nous avons passé la journée à Toulouse sur le site de l ENSIACET (Ecole Nationale Supérieure des Ingénieurs en Arts Chimiques et Technologiques). 6 Avec les doctorantes de la Société Chimique de France devant l ENSIACET Nous avons suivi le protocole (voir annexe 2) pour pouvoir fabriquer un savon liquide. Nous avons formé 6 groupes de 2. Chaque groupe a été aidé par une doctorante. Lors des manipulations nous avons rencontré un problème : les balances de la salle étaient abimées et nous n avons pas pu faire des mesures précises. Lucie et Jules lors de la manipulation Il fallait chauffer à reflux pendant 3 h. Nous avons profité de ce temps pour visiter le LCA (Laboratoire de Chimie Agroindustrielle) et pour comprendre ce qu est le ph. Les doctorantes nous l ont expliqué grâce au jus de chou rouge. Cela nous a permis de comprendre que le savon préparé est basique et peut être dangereux lorsqu on l utilise. Il fallait donc le neutraliser. Montage utilisé pour la synthèse du savon liquide

7 Explications de Cécile Santos 7 Visite du LCA Margot, expérience avec le chou rouge Titouan et Angel, expérience avec le chou rouge A la fin du chauffage nous avons neutralisé les savons liquides fabriqués avec de l acide chlorhydrique. Nous avons ensuite mis de l eau et de la glycérine dans le savon liquide. Lorsqu on agite le mélange il mousse bien mais les bulles que nous avons essayées de former sont très petites et éclatent vite. Les savons liquides préparés

8 Nous avons été un peu déçus de ne pas pouvoir former de belles bulles mais cette sortie nous a été très utile pour comprendre que le protocole doit être bien respecté et ce qu il faut faire pour utiliser sans danger les savons fabriqués. Lors de notre retour au collège nous avons préparé des liquides à bulles à partir des savons fabriqués avant notre sortie à Toulouse. 8 Pour fabriquer ces liquides à bulles nous avons mélangé 200 ml d eau déminéralisée, 5 ml de glycérine et 20 ml d eau savonneuse neutralisée. Certains groupes ont eu des difficultés pour neutraliser car trop d acide chlorhydrique avait été versé. Le liquide à bulles donnant les meilleurs résultats est celui fabriqué à partir d huile de colza. Plusieurs grosses bulles ont été obtenues. Bulles obtenues à partir du liquide à bulles préparé avec de l huile de colza et de la soude

9 Pourquoi la bulle est sphérique? Notre professeur de chimie nous a montré deux expériences pour comprendre la tension de surface. Expérience 1 : La tension de surface de l'eau explique que le trombone ne coule pas. Si on ajoute du liquide vaisselle, le trombone coule immédiatement. Le liquide vaisselle diminue la tension de surface de l'eau. 9 Expérience 2 : Le poivre flottant sur l'eau s'éloigne très rapidement du liquide vaisselle déposé. Il existe une force qui tend à rendre minimale la surface de l'eau. Nous avons fabriqué ensuite des cubes et des tétraèdres à l aide de pailles et de fils chenille. Lorsque les structures sont plongées dans un bain d'eau savonneuse, les films de savon ne se forment pas sur les faces des polyèdres mais prennent une forme qui rend leur surface la plus petite possible.

10 Dans une bulle de savon, le film d eau savonneuse prend la surface minimale pour un volume donné : c est la sphère. Nous avons travaillé avec notre professeur de mathématiques pour le comprendre. Nous avons commencé à nous poser le problème suivant : si on prend une ficelle de longueur 60 cm avec laquelle on construit des polygones de périmètre 60 cm, quel polygone nous permettra d obtenir l aire la plus petite possible? On s est réparti en plusieurs groupes. Chaque groupe avait un type de polygone différent : quadrilatère, triangle, polygone de plus de 5 côtés (hexagone, pentagone, dodécagone, ). Nous avons collé les ficelles sur des feuilles quadrillées puis nous avons calculé l aire de chaque polygone. Nous avons ensuite émis deux conjectures : - l aire d un polygone régulier (tous ses côtés ont la même longueur et ses angles la même mesure) est plus importante que celle d un polygone dont les côtés ont des longueurs différentes et leurs angles des mesures différentes. - plus le nombre de côtés d un polygone régulier est important, plus son aire est importante. 10 Exemples :

11 Nous en avons conclu que pour un même périmètre l aire la plus grande est celle du cercle (car cela correspond à un polygone avec un nombre de côté très grand). On peut donc supposer que, à aire égale, le cercle doit être ce qui a le périmètre le plus petit et donc que, à volume égal, la sphère est ce qui possède la surface la plus petite. Pour l illustrer, nous avons eu l idée de prendre des cubes de sucre avec lesquels nous avons essayé de construire des solides se rapprochant le plus possible du cube, du parallélépipède rectangle, de la pyramide, du cylindre et de la sphère. Nous avions tous le même nombre de sucres (216) pour avoir le même volume. Une fois les solides en sucre finis, nous avons compté le nombre de faces visibles pour savoir quel est le solide qui possède la plus petite surface. Nous avons obtenu : - pour le «cylindre» : 360 unités d aire - pour la «sphère» : 308 unités d aire - pour le parallélépipède : 272 unités d aire - pour le cube : 240 unités d aire - pour le «prisme» : 322 unités d aire 11 Les résultats obtenus sont en contradiction avec ce que nous savons. Pour un même volume notre expérience ne montre pas que la sphère a la surface minimale. Avec notre méthode, la «sphère» qui a été construite ressemblait plus à deux pyramides collées qu à une vraie sphère. Nos cubes de sucre étaient trop gros pour réussir nos volumes correctement. Il aurait fallu des cubes plus petits et en plus grand nombre pour pouvoir s approcher des volumes que nous voulions. Construction de polyèdres en morceaux de sucre

12 La suite de l atelier : Pour pouvoir expliquer notre travail aux CM2 des écoles de Rieupeyroux et de Solville, nous nous sommes répartis des questions par groupe : Emma et Margot : Comment réaliser des bulles géantes? Laurie et Noëllie : Comment expliquer l'irisation des bulles? Jules et Lucie : Comment expliquer ce qu'est une bulle de savon? (construction d'une maquette) 12 Elie et Paolo : Comment faire flotter une bulle? Angel et Titouan : Comment faire le plus grand film de savon possible? Gabriel et Nathan se chargeront de faire construire des polyèdres aux enfants Nous irons présenter ces expériences dans les écoles le 26 mars et le 30 avril. Premiers essais de formation de bulles géantes

13 Résumé : L Atelier scientifique se réunit tous les lundis soir après les cours pour répondre à nos questions sur les bulles de savon. Nous avons fait de la chimie, de la physique et des mathématiques pour cela. Grâce aux doctorantes de la Société chimique de France nous avons pu manipuler dans un laboratoire d une école de chimie et appris à faire du savon liquide en respectant les consignes de sécurité. Nous avons compris pourquoi une bulle est sphérique. Nous travaillons maintenant sur des expériences (irisation des bulles, bulles géantes, maquette pour expliquer ce qu est une bulle, ) que nous présenterons aux enfants des écoles primaires de Rieupeyroux et Solville. 13 Vu le Principal du Collège public de Rieupeyroux Le mercredi 11 mars 2015

14 Annexe 1 Article de la Dépêche du midi du 22 octobre

15 Annexe 2 Bureau Jeune Section Midi-Pyrénées TP : synthèse d un savon liquide 15 Produits chimiques : - huile de ricin : Composition : ricinoleique 92-94% - linoléique 3-4% - oléique 3-4% Indice de saponification (g de soude par g d huile) =0.130 Acide ricinoleique - soude : NaOH M=39.997g/mol Corrosif - potasse : KOH M= g/mol Corrosif - acide chlorhydrique 1M: HCl aq. Corrosif - eau distillée: H 2 O Température ébullition = 100 C - glace Risques: Chimiques, thermiques ATTENTION AUX BRULURES! Précautions: Port des EPI obligatoire

16 Matériel: Ballon de 25mL Réfrigérant Plaque chauffante avec agitation Bain d huile Barreau magnétique Balance de pesée Spatule Erlenmeyer/Bécher de 100mL Coupelle de pesée Eprouvette graduée 10mL Cristallisoir Pipettes Papier ph Valet Réaction : 16 Avec R= Protocol : -Peser 3.33g d huile de ricin dans un ballon de 25mL -Dans un erlenmeyer ou bécher, peser 0.034g de soude et 0.561g de potasse. Ajouter 0.8 ml d eau distillée. ATTENTION, la dissolution est exothermique, elle dégage de la chaleur. Il faut prévoir un bain de glace dans le cristallisoir pour refroidir la solution -Verser la solution basique dans le ballon contenant l huile de ricin Puis ajouter 2 ml d eau distillée -Agiter et chauffer à reflux pendant environ 3h -Laisser refroidir le mélange, ajouter 5mL d eau distillée -Mesurer le ph, puis neutraliser le savon jusqu à ph=7 avec la solution d acide chlorhydrique -Si besoin ajouter 5mL d eau.