THEME 3 : MATERIAUX SAVONS ET TENSIO-ACTIFS

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1 rique, utilisée d ans l hab itation. THEME 3 : MATERIAUX SAVONS ET TENSIO-ACTIFS Matériel par poste : Solutions : - éprouvette graduée 100mL + pipette plastique - éthanol à 90 en flacon (1L) - montage chauffage à reflux - solution de chlorure de sodium saturée (4L). - grand verre à pied en verre - 10 pissettes eau distillée glacée - dispositif de filtration Buchner - huile alimentaire (1L) - 2 tubes à essai + support + 2 bouchons - solution d'hydroxyde de sodium à 10 mol.l -1 (1L) - BBT + gants + lunettes - 1 L d eau savonneuse + 1L d eau Hépar I SYNTHESE ET PROPRIETES D UN SAVON 1- Synthèse d un savon Pour fabriquer du savon, il faut faire réagir de l huile végétale avec de la soude (eau + Na + + HO - ) concentrée. Un des produits formés est le savon. Mettre des lunettes et des gants de protection. Dans un ballon de 250 ml, introduire à l'aide d'une éprouvette graduée 20 ml de solution de soude concentrée à 10 mol.l -1 (attention!! gants + lunettes), 20 ml d'huile alimentaire (μ=0,92 g.ml -1 ), 20 ml d'éthanol à 90 o et quelques grains de pierre ponce. Adapter un réfrigérant à eau et chauffer à reflux le mélange réactionnel durant 30 minutes (voir ci-contre). Après 30 minutes de chauffage couper le chauffage, retirer le chauffe-ballon et laisser refroidir quelques minutes à l'air. Verser le mélange dans un verre à pied contenant environ 100 ml de solution saturée de chlorure de sodium : le savon précipite et surnage. Cette opération est appelée relargage. Laisser décanter le savon 5min et filtrer sur Büchner (voir ci-contre) en versant d abord le plus possible de liquide. Laver avec de l eau distillée glacée et sécher au papier filtre. Verser quelques gouttes de phénolphtaléine sur le savon obtenu. Données : Huile d olive Soude Savon Solubilité dans l eau Insoluble Soluble Soluble en partie Solubilité dans l eau salée Insoluble Soluble Insoluble Solubilité dans l éthanol Soluble Soluble Soluble en partie a) Légender le schéma du montage à reflux. b) Quel est le rôle de la pierre ponce? c) Quel est l intérêt de chauffer à reflux? d) Quel est l intérêt d utiliser l éthanol dans cette synthèse. e) Justifier l emploi de l eau salée dans l opération de relargage. f) Expliquer la couleur prise par le savon en présence de phénolphtaléine. g) Est-il prudent d utiliser ce savon pour faire sa toilette? Justifier. 2- Propriétés d un savon La dureté d une eau est liée à la teneur en ions calcium et magnésium. Cette teneur joue un rôle sur l aptitude à mousser d un savon et donc sur son efficacité de nettoyage. Matériel disponible : eau distillée, de l eau d Hépar (riche en ions calcium et magnésium), une solution savonneuse, 2 tubes à essais et 2 bouchons. a) A l aide du matériel disponible, écrire un protocole expérimental pour montrer l influence de la dureté sur les propriétés nettoyantes d un savon. b) Après accord du professeur, réaliser ce protocole et marquer votre conclusion. II SAVONS, TENSIO-ACTIFS ET PROPRIETES NETTOYANTES Le savon de Marseille est souvent adapté au lavage du linge des nouveaux-nés en raison de ses propriétés hypoallergéniques mais, pour des usages courants, des détergents, comme le dodécylsulfate de sodium (SDS), sont aussi utilisés. En solution aqueuse, savons et détergents libèrent respectivement les ions suivants : O O OSO 3 Savon de Marseille Détergent SDS

2 Ces ions sont des tensioactifs, c est-à-dire formés de deux parties, l une hydrophile et l autre hydrophobe, selon la représentation usuelle suivante : Chaîne carbonée hydrophobe Les documents utiles à la résolution sont rassemblés en fin d exercice. Tête ionique hydrophile 1. Questions préalables 1.1. D après le document 2, le savon de Marseille forme un précipité avec les ions calcium et magnésium. Discuter de l efficacité de ce savon en tant que tensioactif dans une eau dure Expliquer l allure de la courbe du document 3 et le changement de pente observé. À quelle grandeur caractérisant le détergent SDS correspond la rupture de pente? 2. Analyse et synthèse de documents Comparer qualitativement et quantitativement le lavage du linge d un nouveau-né avec du savon de Marseille ou avec du SDS dans une eau de ville contenant 16,1 mg.l -1 d ions calcium et 4,90 mg.l -1 d ions magnésium. Indiquer lequel serait le plus adapté pour le lavage. Document 1 : Mode d action d un tensioactif en solution aqueuse Lorsque leur concentration est relativement faible, les tensioactifs sont mobiles en solution aqueuse. Au-delà d une concentration appelée «concentration micellaire critique» ou CMC, les tensioactifs se regroupent et forment des structures appelées micelles afin de minimiser le contact entre l eau et leurs chaînes carbonées hydrophobes. Ces micelles sont très volumineuses et se déplacent difficilement au sein de la solution. La «concentration micellaire critique» ou CMC est une grandeur qui caractérise chaque tensioactif et dépend de différents paramètres : température, nature du solvant... Lors d une lessive, une salissure hydrophobe se retrouve au centre d une micelle et peut ainsi être éliminée avec l eau de rinçage. Une solution de tensioactifs est donc d autant plus efficace qu elle contient davantage de micelles. D après la revue du Palais de la Découverte Document 2 : Données sur le savon de Marseille et le détergent SDS Tensioactif Savon de Marseille Détergent SDS Formule R-COO R-OSO 3 Biodégradabilité = 100% > 90 % CMC (moi.l 1 ) à 25 C 10 6? Réaction avec les ions Ca 2+ et 2+ Formation d un précipité Aucune Mg

3 Document 3 : Détermination expérimentale de la CMC du détergent SDS On mesure la conductivité d un volume V 0 = 20,0 ml d une solution de détergent SDS de concentration molaire C 0 = 2, mol.l 1. On fait progressivement diminuer, par dilution, la concentration C en détergent SDS de la solution en versant, à la burette graduée, de l eau distillée et on mesure, à chaque ajout, la conductivité de la solution. Le graphique ci-dessous représente l évolution de la conductivité σ en fonction de la concentration molaire C de la solution de détergent SDS. σ (µs.cm -1 ) C 1 C 0 C (mol.l -1 ) La concentration molaire C 1 sur le graphique est obtenue pour un volume d eau distillée versée : V 1 = 24,0 ml. D après les Olympiades de la Chimie 2012 Document 4 : Dureté de l eau La dureté d une eau est liée à la présence d ions calcium Ca 2+ et d ions magnésium Mg 2+ qu elle contient. Le titre hydrotimétrique (TH) d une eau a pour unité le «degré français» ( f). TH ( f) De 0 à 15 De 15 à 25 De 25 à 35 >35 eau douce moyennement dure dure très dure Un degré hydrotimétrique (1 f) correspond à la présence de mol d ions calcium ou magnésium dans un litre d eau. Document 5 : Masses molaires M(Ca) = 40,1 g.mol 1 et M(Mg) = 24,3 g.mol 1

4 CORRECTION : SAVONS ET TENSIO-ACTIFS I SYNTHESE ET PROPRIETES D UN SAVON 1- Synthèse d un savon a) Schéma : Soude 10mol/L : 20mL ; Huile : 20mL ; Ethanol : 20mL ; b) La pierre ponce permet de remuer la solution et donc d homogénéiser la température. c) Le chauffer à reflux permet d accélérer la réaction sans perdre de matière. d) La solution de soude et l'huile alimentaire ne sont pas miscibles. Afin de favoriser le contact entre ces réactifs, ils sont mis en solution dans l'éthanol : l'huile et la soude sont solubles dans l'éthanol. e) La différence de solubilité des espèces chimiques dans l eau salée permet l extraction (la séparation) de l espèce chimique la moins soluble dans l eau salée : le savon. f) En présence de phénolphtaléine, le savon rosit. Le ph du savon est dons supérieur à 10. Il reste encore de la soude. g) Il n est dons pas prudent de se laver ave le savon obtenu car il est «caustique» (très basique). 2- Propriétés d un savon a) On réalise les expériences ci-dessous puis on bouche et on agite les tubes à essais : b) Observations : Le tube à essai contenant l eau distillée mousse plus que celui contenant l eau d Hépar Conclusion : Plus une eau contient des ions magnésium et calcium, moins elle mousse. Donc plus une eau est dure et moins le savon est efficace.

5 II SAVONS, TENSIO-ACTIFS ET PROPRIETES NETTOYANTES 1. Questions préalables 1.1. Le document 4 nous apprend que la dureté d une eau est liée à la présence d ions calcium et magnésium. Une eau dure contient davantage d ions Ca 2+ et Mg 2+ qu une eau douce. Le document 1 nous indique d une solution de tensioactifs est d autant plus efficace qu elle contient davantage de micelles. Le savon de Marseille en présence d une eau dure précipite : les ions Ca 2+ et Mg 2+ s associent aux ions tensioactifs et forment un solide. Ces ions tensioactifs ne sont plus disponibles pour former des micelles. Dès lors la solution savonneuse voit sa concentration en micelles diminuer et le savon est alors moins efficace Allure de la courbe : La courbe représente la conductivité σ de la solution en fonction de la concentration molaire C en SDS. Cette courbe présente deux segments de droite avec une rupture de pente pour C = C 1. Expliquons cette allure : (lecture du graphe de droite à gauche) Pour C 1 < C < C 0 : Lors de l ajout d eau, la concentration en tensioactifs diminue et en conséquence la conductivité σ diminue également. Les tensioactifs sont encore associés en micelles. Pour C < C 1 : L ajout d eau se poursuit, la concentration en SDS devient inférieure à la concentration micellaire critique. Les micelles sont détruites, les tensioactifs sont mobiles et assurent mieux le passage du courant, mais leur concentration étant faible la conductivité σ diminue encore. Le changement de pente peut être attribué au changement de composition de la solution. La formation ou la disparition des micelles modifie la conductivité de la solution. La grandeur caractéristique du détergent SDS correspondant à la rupture de pente est donc la concentration micellaire critique CMC, elle est égale à C Analyse et synthèse de documents Comparaison quantitative : - À l aide du document 3, déterminons la concentration micellaire critique CMC (= C 1 ) du SDS. Il s agit d une dilution. Solution mère de détergent Solution fille V 0 = 20,0 ml V = V 0 + V 1 = 20,0 + 24,0 = 44,0 ml C 0 = 2, mol.l -1 C 1 =? Au cours de la dilution, la quantité de matière de SDS se conserve, donc C 0.V 0 = C 1.V C 1 = CV. V 0 0 = 2 2, ,0 44,0 = 9, mol.l -1 La concentration micellaire critique du SDS est largement supérieure à celle du savon de Marseille qui est égale à 10 6 mol.l 1. Cela signifie qu avec du savon de Marseille l apparition de micelles se fait avec une concentration en tensioactifs plus faible. Le savon de Marseille est plus efficace que le SDS à faible concentration en tensioactifs. Il faut donc en mettre moins que le détergent ce qui est avantageux économiquement. - Déterminons la dureté de l eau de lavage, pour cela calculons son degré hydrotimétrique : La concentration massique t et la concentration molaire C sont liées par la relation : C = t 2 = 16,1 mg.l -1 donc [Ca 2+ ] = Ca t 2 = 4,90 mg.l -1 donc [Mg 2+ ] = Mg 16, ,1 3 4, ,3 3 = 4, mol.l -1 = 2, mol.l -1 Ainsi [Ca 2+ ] + [Mg 2+ ] = 6, mol.l -1 Comme 1 f correspond à mol.l -1, on en déduit que l eau de lavage a un titre hydrotimétrique TH = 6, = 6 f. L eau de lavage est douce. Ainsi l efficacité du savon de Marseille ne sera pas affectée par les ions calcium et magnésium. Comparaison qualitative : La biodégradabilité du savon de Marseille est meilleure que celle du SDS. D autre part le savon de Marseille possède des propriétés hypoallergéniques recherchées. Conclusion : Le savon de Marseille s utilise en plus faible quantité que le SDS, il est biodégradable à 100%, et hypoallergénique. Le savon de Marseille est le plus adapté pour le lavage du linge du nouveau-né. t M