1.1 Les bulles. Structure

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2 1 - Bulles Et Mousses Les bulles Définition Une bulle est une petite sphère de gaz qui s'élève à la surface d'un liquide (bulles produites quand on chauffe un liquide ou celles du champagne), ou une sphère de gaz pelliculée (bulle de savon). Structure La paroi est constituée de 2 rangées de molécules amphiphiles. Une étroite couche d'eau est retenue entre les têtes hydrophiles tandis que les queues hydrophobes, préférant le contact de l'air plutôt que celui de l'eau, s'agencent de la manière suivante : queues de la rangée externe (tournées vers l'extérieur de la bulle, donc vers l'air ambiant) et queues de la rangée interne (tournées vers l'intérieur de la bulle, donc vers l'air emprisonné). Structure d'une bulle En réalité l'épaisseur de l'interface est beaucoup plus importante que la longueur d'une molécule. Il y a donc un grand nombre de celles_ci dans chacune des couches. Forme et énergie En raison de la tension superficielle, les films d'eau savonneuse sont dotés d'une certaine élasticité et il faut dépenser un peu d'énergie pour les étirer. Ce phénomène peut, dans une certaine mesure, être comparé au gonflage d'un ballon de baudruche, à ceci près que le film d'eau savonneuse est constitué de liquide et que l'énergie mise en jeu pour produire une bulle est beaucoup moins importante. Plus l'aire d'un film liquide est importante, plus son énergie potentielle est élevée. Or, tout système matériel atteint un équilibre stable lorsque son énergie potentielle est minimale. Une bulle de savon tend donc, naturellement, à prendre la forme qui lui permet d'enfermer un volume d'air donné dans une surface d'aire minimale. Pression La pression à l'intérieur d'une bulle est légèrement supérieure à celle de l'extérieur. Elle est donnée par la formule de Laplace : P int : pression à l'intérieur de la bulle. P ext : pression à l'extérieur de la bulle. : tension superficielle. R : rayon de la bulle de savon. 2

3 1.2 Les mousses Définition La mousse est un milieu complexe constitué d'un matériau solide ou liquide qui emprisonne du gaz. On parle respectivement de mousses solides (polystyrène, polyuréthane, pain) et de mousses liquides (chantilly, crème à raser, mousse de savon). Image 1 Chantilly Cohésion d'une mousse liquide La stabilité d'une mousse est liée à la présence d'agents tensioactifs, qui ont la propriété d'abaisser la tension superficielle. C'est le cas des produits vaisselle. Une mousse est constituée de bulles de gaz en contact avec un liquide. La formation de la mousse augmente nécessairement l'interface liquide/gaz, autrement dit la surface du liquide. Or cette dernière ne peut s'étendre indéfiniment à cause de la tension superficielle. Plus cette dernière est élevée, plus il est difficile d'étendre la surface du liquide. Si l'on ajoute un agent susceptible de diminuer la tension superficielle, la surface de l'eau peut s'étirer et ainsi «accueillir» des bulles : la mousse pourra se former. À titre d'exemple, l'ajout d'un composé tensioactif dans l'eau fait chuter la tension superficielle à 40 voire 30 mn/m. 1.3 La tension superficielle Origine Mousse polyuréthane À la surface d'un milieu dense (liquide ou solide) ou à l'interface entre deux milieux denses, la matière n'est pas, localement, rigoureusement dans le même état qu'à l'intérieur. À la surface ou interface les forces de cohésion intermoléculaires sont différentes de chaque côté de la surface et crée une tension. Cette tension s'exprime en N.m -1 3

4 Image 2 Interprétation de la tension superficielle (H. Broch) Au sein d'un fluide (liquide ou gaz), les molécules exercent entre elles des forces d'attraction ou de répulsion : force de Van der Waals (attraction), force électrostatique (attraction ou répulsion, liaison hydrogène). Si l'on considère un corps pur liquide, composé d'un seul type de molécules, les molécules s'attirent. Au sein du liquide, chaque molécule est tirée dans toutes les directions par les molécules voisines de liquide : la résultante des forces est nulle. Dans le vide, une molécule n'est, par contre, attirée par rien. Donc, à la frontière liquide/vide, les molécules sont attirées côté liquide mais pas côté vide ; la résultante des forces s'exerçant sur les molécules de la surface est donc dirigée vers l'intérieur du liquide. Ceci tend la surface. Co m plém ent : Intérêt Il est important dans l'industrie de connaître la tension superficielle d'un matériau. En effet, plus celle-ci est élevée plus le matériau sera apte à être imprimé ou collé par exemple. Au contraire plus le matériau a un niveau de tension de surface bas, plus il servira de filtre (hydrophobe). La notion de tension superficielle est omniprésente notamment dans les industries du plastique, de la céramique ou du métal. Pour le plastique : Il s'agit de savoir si on peut imprimer ou coller tel ou tel matériau, savoir si le matériau a été traité pour cela... Pour les métaux : Mesurer la tension superficielle sert à savoir si le matériau est propre et donc apte au processus de transformation. Ex em ple : Quelques valeurs de tension superficielle à 20 C Tension et énergie matériau eau éthanol mercure acétone tension (mn.m -1 ) Un liquide avec une surface libre possède une énergie superficielle proportionnelle à la surface. Cette énergie est potentielle et s'exprime en Joule (J). 4

5 1.4 Étude documentaire et Expérimentation Bulles et tension superficielle 1. Faites le schéma d'une bulle de savon et représenter les résultantes des forces qui s'exercent en un point de la surface de la bulle. 2. Pour une bulle de 20 cm de diamètre, évaluer la pression à l'intérieur de la bulle (on prendra la pression atmosphérique indiqué par un baromètre). 3. En déduire la force due à la tension superficielle qui s'exerce sur un cm 2 de la surface. 4. Comment expliquer que si 2 bulles sont reliées, la plus petite se vide dans la plus grande? Réaliser le liquide à bulle A l'aide du montage avec la bouteille, mettre en évidence l'influence de la tension superficielle. Faire quelques bulles et observer la surface. D'où proviennent les irisations? Mousse 1. Citer les conditions qui permettent de réaliser une mousse. On va réaliser une mousse à partir d'une réaction chimique d'oxydoréduction : Une des réactifs est l'eau oxygénée dont un des couples mis en jeu est : H 2O 2/HO - L'autre réactif est l'iodure de potassium : I 2/I - 1. Écrire les demi-équations électroniques. 2. En déduire l'équation bilan 3. Justifier que le milieu devient basique. En milieu basique les ions iodures se transforment en ions iodate de formules IO 3-. Le couple devient IO 3- / I - A ce stade le couple O 2 / H 2O 2 intervient 1. Écrire les demi-équations électroniques. 2. En déduire l'équation bilan. Réaliser l'expérience. Plongez une bûchette incandescence au cœur de la mousse. Observations et interprétations. Méthodes : Recette pour faire un liquide à bulle Il faut : Un volume de liquide vaisselle 2 à 3 volumes d'eau 5 à 10% de glycérine Un peu de sucre. Ne pas trop agiter pour éviter la formation de mousse. Formation de la mousse Mettre 10 ml d'eau oxygénée à 30 volumes dans un petit bécher (ATTENTION! gants et lunettes obligatoires) Dissoudre quelques cristaux d'iodure de potassium dans quelques ml d'eau. Mettre le bécher contenant l'eau oxygénée dans le cristallisoir et verser rapidement la solution d'iodure de potassium. 5