Objectif du Tp : Comprendre les modes d’actions des savons en étudiant la structure commune de leurs entités chimiques, expliquant leurs propriétés particulières et montrer les limites d’utilisation de ceux-ci.
I. Structures et propriétés des entités chimiques des savons.
1- Peut-on dire que le savon subit une dissolution dans l’eau ?
Dans une solution, le mélange doit être homogène pour dire qu'il y a une dissolution. Dans le cas du savon, il forme des micelles avec l'eau; IL n'y donc pas de dissolution du savon.
2- Sur la formule semi-développée de l’ion carboxylate, modifier-la pour qu’elle devienne une représentation de Lewis.
Il manque les doublets non-liants de l'atome d'oxygène.
3- Entourer et légender, sur cette représentation, les parties nommées « tête » et « queue » de l’ion Carboxylate.
Voir formule.
4- Quelles sont les parties « hydrophile » et « lipophile » de cet ion ? Comment expliquez-vous la propriété de chacune d’entre elle ?
D'après le schéma du doc 2 :
- la tête est hydrophile : elle possède une charge négative ; comme l'eau est un solvant polaire, il a une grande affinité avec la partie ionique.
- la queue est hydrophobe : elle est composée de carbone et d'hydrogène ; ces liaisons ne sont pas polarisées ; la queue est donc apolaire et n'a aucune affinité avec l'eau.
5- Justifier, alors, la position des ions Carboxylate à la surface de l’eau (Doc 3).
La partie hydrophile (Tête) de l'ion se pace donc dans l'eau et la partie hydrophobe (queue) hors de l'eau.
De la Structure aux propriétés physiques
de la matière Tp 20
« Propriétés des savons »
Constitution et Transformation de
la matière Séquence 9
Doc 3 :
Les molécules d’eau ont tendance à s’attirer les une aux autres ; formant notamment à la surface de l’eau une sorte de « peau » ayant une telle cohésion que certains insectes peuvent s’y poser dessus ; on appelle cette cohésion de surface « la Tension superficielle ». L’ion carboxylate du savon va être capable de modifier cette tension superficielle de l’eau ; c’est un tensioactif.
Il arrive, lorsque la concentration en savon d’une eau savonneuse est importante, que les ions carboxylate parviennent à se regrouper selon une configuration particulière appelée « micelle » : ce sont des agglomérats sphériques d’une dimension de l’ordre de 107 m.
Doc 1 :
Les savons sont des carboxylate de sodium (ou de potassium) : - sous forme solide, leur formule est de type : R - COONa(s) - en solution aqueuse, leur formule est de type : R - COO- + Na+ Exemple de formule semi-développée de l’ion caractéristique du savon de Marseille :
Doc 2 :
Les propriétés détergentes d’un savon résultent de la structure particulière de l’ion carboxylate R – COO qui présente à la fois une partie hydrophile (qui aime l’eau) et à la fois une partie hydrophobe mais lipophile (qui aime l’huile ou la graisse) : on dit que l’ion carboxylate est amphiphile.
Représentation simplifiée de cet ion Carboxylate.
Tête Queue
6- En agitant une telle surface, de l’air peut se retrouver emprisonner ; Expliquer Comment ? Pourquoi ? Que peut-on alors observer ?
On observe la formation de bulle de savon (mousse). L'eau et les molécules de savon forment un film qui est emprisonne de l'air.
Expérience :
* Après avoir rempli d’eau distillée un petit bécher, déposer très délicatement un petit trombone à sa surface.
* Préparez 2 petits béchers ; l’un contenant de l’eau, l’autre contenant de l’eau savonneuse ; et déposer en même temps un morceau de tissu épais sur chacune des surfaces de ces 2 liquides.
7- Noter vos observations de ces 2 expériences et indiquer les propriétés qu’elles mettent en évidence.
Observations : Le trombone flotte. La surface libre de l'eau se déforme sous le trombone comme une membrane élastique.
Interprétation : Il faut rechercher une interprétation microscopique. La cohésion de l’eau est due à des attractions intermoléculaires (les molécules d’eau s’attirent l’une l’autre).
Origine physique et définition
L’angle de contact et le mouillage sont liés à une caractéristique fondamentale de toute interface : la tension interfaciale.
Considérons une goutte d’eau. L’eau est un liquide, c’est-à-dire un état condensé : les molécules s’attirent. Au sein du liquide, les molécules bénéficient d’interactions attractives avec toutes leurs voisines et sont dans un état « heureux ». Au contraire, à la surface du liquide, elles perdent la moitié des interactions cohésives et sont « malheureuses » (voir figure). Elles « poussent » vers l’intérieur du liquide ... un peu comme des personnes qui chercheraient à entrer dans le métro à l’heure de pointe ! En raison de cette « tension », la surface d’un liquide ressemble à la membrane d’un ballon de baudruche, elle a tendance à se contracter de manière à minimiser sa superficie.
Figure – L’origine physique de la tension superficielle : les molécules en surface perdent la moitié des interactions attractives et « poussent » vers l’intérieur du liquide.
De nombreux phénomènes résultent de l’existence de tensions de surface : des objets légers, bien que plus denses que l’eau, ne coulent pas car ils ne peuvent pas pénétrer la « membrane » que constitue sa surface (figures a et b) ; les liquides en apesanteur ont une forme sphérique de manière à minimiser leur superficie (figures c et d) ; les cheveux mouillés « collent » sous l’action de la tension superficielle (figure e).
Figure – Quelques conséquences de la tension interfaciale
Tissu Tâche de graisse
EAU AIR
Tissu Tâche de graisse
EAU AIR
Tissu EAU AIR
graisse
Fig. a Fig. b Fig. c
L’apparition de micelles se produit au-delà d’une certaine concentration en tensioactif appelée Concentration micellaire critique (CMC) : Celle du tensioactif Dodécylsulfate (C12H25OSO3-) est de 1,9 g/L.
La masse molaire de ses micelles dans l’eau est de 17 kg/mol.
8- Justifier que le Dodécylsulfate est bien un tensioactif.
Le Dodécylsulfate a pour formule : C
12H
25OSO
3-
; il possède donc une queue composée de carbone et d'hydrogène et d'une tête chargée négativement (SO
3-
). C'est donc un tensioactif.
9- En mettant 0,30 g de Dodécylsulfate dans 200 mL d’eau ; la solution obtenue peut-elle comporter des micelles ?
On calcule la concentration en masse : C
mas= m / V = 0,3 / 0,2 = 1,5 g/L ; on est donc en dessous e 1,9 g/L ; il ne peut pas y avoir de micelles.
10- Combien d’ions Dodécylsulfate forment une micelle ?
La masse molaire des micelles est de 17 kg/mol ; ils sont composés d'ions C
12H
25OSO
3 -. M(C
12H
25OSO
3-
) = 12 × 12 + 25 × 1 + 16 + 32,1 + 3 × 16 = 265,1 g/mol Il y a donc dans une micelle : 17 000 / 265,1 = 64 ions Dodécylsulfate.
II. Le lavage au Savon.
Le fait que l’eau additionnée de savon modifie la tension superficielle de l’eau, le tissu est alors beaucoup plus facilement imprégné de cette eau ; c’est le pouvoir mouillant de l’eau savonneuse.
Imaginons une salissure de graisse à la surface d’un tissu, plongé dans une eau savonneuse.
Le pouvoir détergent du savon : les étapes du lavage sont dessinées ci-dessous :
Par la suite, les micelles contenant la graisse sont emportées en émulsion et se dispersent au cours du brassage d’autant mieux qu’elles se repoussent mutuellement.
1- Commenter en une phrase chaque étape.
Les ions constituants le savon se fixent sur la tache de graisse en présentant sa partie lipophile. Elles forment alors des micelles qui emprisonnent la graisse et sont évacuées par les eaux de rinçage.
2- Comment expliquez-vous que les micelles se repoussent les uns des autres ?
Les micelles sont constituées d'ions chargés négativement, elles sont donc elles aussi chargées négativement ; elles se
repoussent donc.
Expérience : Dans 2 tubes à essais vous verserez 6 mL l’eau puis 6mL l’huile.
Dans l’un des 2 vous ajouterez quelques gouttes de produit vaisselle.
Agiter, pendant une dizaine de secondes, les 2 tubes en même temps, puis laisser décanter sur le porte-tubes.
3- Noter vos observations et indiquer les étapes du lavage qu’elles mettent en évidence.
Les salissures d’origine organique (graisse, huile, etc …) sont donc composées essentiellement d’espèces chimique contenant les élément Carbone et Hydrogène, alors que la terre ou la rouille, étant d’origine minérale, contiennent en majeur partie de l’eau et des ions.
4- Représenter comment vont se placer les ions carboxylate pour détacher la tâche d’huile de ce tee-shirt.
La partie hydrophobe (lipophile) se fixe sur la tache.
5- Pour la tâche de terre, il faudra une double couche d’ions carboxylate pour permettre la dispersion dans l’eau, des micelles entourant les morceaux de terre ; représenter leur position.
La partie hydrophile se fixe sur la terre.
III. Les limites d’utilisation d’un savon.
Le savon dans une eau dure.
Expérience :
* Préparer 3 tubes avec respectivement 12 mL de l’:
a) eau de Courmayeur, b) eau d’Evian, c)eau déminéralisée.
* Introduire dans chaque tube un peu de savon « râpé »,
* Bouchez avec le doigt et agitez chaque tube vivement pendant 15 secondes
* Savonnez-vous les mains, puis versez 10 cm
3de chlorure de Calcium sur vos mains tout en continuant de frotter.
1- "Plus il y a de mousse, plus l'eau est douce." D'après les hauteurs de mousse que vous obtenez, indiquez quelles eaux peuvent être qualifiées de "douce".
2- La présence de la mousse est une preuve de l'efficacité d'un savon ou d'une lessive : Quel sera le problème d'une eau dure sur la lessive que nous utilisons ?
3- En observant les étiquettes des eaux minérales ci-contre, indiquez quels ions peuvent être responsables de la dureté d’une eau.
Limitations de l’action des savons
L’action des savons et des détergents est limitée par les ions calcium et magnésium des eaux «. dures », car ceux-ci forment avec le savon des carboxylates de calcium et de magnésium :
2 R−COO
−(aq)+ Ca
2+(aq)→(R−COO)
2Ca
(s)2 R−COO
−(aq)+ Mg
2+(aq)→(R−COO)
2Mg
(s)Le savon dans une eau acide.
Expérience :
* Préparer 2 tubes avec respectivement 10 mL de :
a) eau déminéralisée b) solution aqueuse d’acide chlorhydrique
* Introduire dans chaque tube un peu de savon « râpé ».
* Bouchez avec un bouchon et agitez chaque tube vivement pendant 15 secondes.
4- Ecrire l’équation de la réaction acido-basique se produisant entre les ions carboxylate du savon et les ions oxonium H
3O
+de l’acide chlorhydrique.
Couples acide/base mis en jeu : R – COOH /R - COO
et H
3O
+/H
2O
5- Expliquer pourquoi, dans une solution acide, l’efficacité du savon est affaiblie.
Il se produit une réaction acido-basique qui détruit les ions R-COO
-; l'efficacité du savon est altérée.
Etiquette d’une eau de Contrex
Etiquette d’une eau d‘Evian
Une réaction acido-basique est un échange de(s) proton(s) H+,entre un Acide et une Base, sur le même principe qu’une réaction d’oxydoréduction est un échange d’électron(s) entre un Réducteur et un Oxydant.
Tâche d’huile
Tâche de terre
