Bain de BULLES
A) Tension superficielle Observer Le trombone qui surnage La goutte d eau Le verre plus que plein Le gerris qui marche sur l eau Définir Lorsque qu un objet déforme la surface de l eau, la surface réagit et s oppose à cette déformation : cette opposition se traduit par la tension superficielle. La tension superficielle (gamma) est la force qu'il faut appliquer par unité de longueur le long d'une ligne perpendiculaire à la surface d'un liquide en équilibre pour provoquer l'extension de cette surface, ou le travail exercé par cette force par unité de surface. Matériau Tension superficielle (mn m -1 ) Eau 72,8 L = F / L Alcanes 17,5 à 22,5 Benzène 28,5 Toluène 28 Glycol 46 Glycérine 63 Mercure 480
L'unité de tension superficielle (N m -1 ) est équivalente à des joules par mètre carré (J m -2 ), qui correspondent à une unité d'énergie de surface. La tension superficielle dépend de la nature du liquide et de celle du gaz en contact avec lui. Elle dépend de la température et varie considérablement s'il y a des impuretés. Mesurer par la méthode d arrachement Une lame métallique parfaitement propre est plongée dans un liquide. Le liquide exerce sur elle une force d'attraction qui dépend de la nature du liquide et de la longueur de la lame. La mesure de cette force permet donc de déterminer la tension superficielle du liquide. Protocole : DES RESULTATS? Interpréter Liaisons hydrogène et forces de Van der Waals Au sein du liquide les forces subies par une molécule, de la part des autres molécules, s annulent. En revanche pour une molécule de surface elles ne s annulent pas A 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. La couche superficielle du liquide se comporte comme une fine membrane élastique. COMPARER LE COMPORTEMENT D UN LIQUIDE A CELLE D UN SOLIDE
B) Tensio-actifs Un tensioactif ou agent de surface est un composé qui modifie la tension superficielle. Les propriétés des tensioactifs sont dues à leur structure amphiphile. Les détergents (savons, lessives...) contiennent des composés tensioactifs Observer Poser sur l'eau une pièce de plastique comportant une fente. Déposer une goutte de détergent dans la fente. POURQUOI LA PIECE EST ELLE PROPULSEE PAR LA TENSION SUPERFICIELLE? EST-CE QUE LES COMPOSES TENSIOACTIFS AUGMENTENT OU DIMINUENT LA TENSION SUPERFICIELLE? Initialement la pièce est soumise aux forces de tension superficielles de l eau. Interpréter EXPLIQUER LES TERMES AMPHIPHILE, HYDROPHILE, HYDROPHOBE VOICI DEUX EXEMPLES DE COMPOSES IONIQUES (AMPHIPHILES) CONTENUES DANS LES DETERGENTS : REPERER LES PARTIES HYDROPHILES ET HYDROPHOBES DE IONS AMPHIPHILES Détergent anionique : SDS (dodécylsulfate de sodium) : Na +, CH 3 (CH 2 ) 11 SO 4 - Détergent cationique : CTAB (bromure d'hexadécyltriméthylammonium) : (CH 3 ) 3 N + (CH 2 ) 15 CH 3, Br - COMMENT S ORGANISENT LES IONS AMPHIPHILES A LA SURFACE DE L EAU? POUR VOUS AIDER :
C) Bulles de savon Observer Recette o 2 volumes de détergent o 1 volume de glycérine o 6 a 8 volumes d eau distillée Bulles Cathédrale d'exeter : un ange fait des bulles Interpréter COMMENT INTERPRETER LA FORMATION DES BULLES DE SAVON? POUR VOUS AIDER :
Bulles et membranes cellulaires Les membranes cellulaires sont des assemblages de phospholipides (bicouches), molécules tensioactives amphiphiles. POUR VOIR : QUELS SONT LES POINTS COMMUN ENTRE MEMBRANES CELLULAIRES ET BULLES DE SAVON? Un phospholipide : la palmitoyl-oleyl-sn-phosphatidylcholine
D) Surfaces minimales Observer Plonger dans l eau savonneuse pour obtenir un film de savon. Percer le film ; observer. Interpréter La tension superficielle correspond à l énergie potentielle de surface (donc énergie potentielle chimique c'est-à-dire d interaction électrique) (J m -2 ). COMMENT INTERPRETER L OBSERVATION PRECEDENTE? Un autre exemple http://www.palaisdecouverte.fr/index.php?id=1843 TESTER ET EXPLIQUER EN UTILISANT LE TABLEAU CI-DESSUS (U REPRESENTE LA LONGUEUR DU COTE)
Caténoïde, Hélicoïde et d autres encore Observer les structures : Caténoïde d Euler Hélicoïde http://www.palais-decouverte.fr/ index.php?id=1843 http://www.msri.org/ about/sgp/jim/geom/index.html CLIQUER POUR VOIR
Dans la nature CHERCHER LES POINTS COMMUNS Mousse de savon et mousse de bière Squelettes siliceux secrété par les radiolaires (organismes zoo-planctoniques) Réticulite ; mousse de basalte : volcan Kilauea (Hawaii) Rayons de miel Epiderme (oignon)
En architecture En architecture, l'utilisation de surfaces minimales permet à la fois de minimiser la quantité de matériaux utilisés et de mieux gérer les contraintes physiques en mimant un film de savon sur une armature. Les surfaces minimales ont l avantage de faire apparaître les contraintes mécaniques les moins fortes. Un exemple en est le stade olympique de Munich (concepteur Otto Frei 1972).