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MOUSSES ET EMULSIONS

Les mousses et les émulsions sont des objets utilisés pour faire des crèmes en cométique, des desserts pour les

repas festifs ou des matériaux isolants. Leur comportement étonnant utilisé depuis l’Antiquité est compris depuis peu

par les physiciens et exploité avec de nombreuses applications.

Une mousse est un système constitué de petites poches de gaz, emprisonnées

dans un liquide ou un solide, d’un diamètre compris entre 50 µm et plusieurs

millimètres. Ces poches de gaz peuvent être fermées comme avec les matériaux

isolants, ou ouvertes comme dans les éponges.

Une émulsion (du latin emulsus participe passé du verbe signifiant traire, tirer

du lait) est un mélange de deux liquides non miscibles, dont l’un est dispersé

dans l’autre sous forme de petites gouttes de diamètres compris entre 100 nm et

100 µm. Une émulsion entre liquides incolores apparaît blanche-laiteuse. Le

terme émulsion vient

I. Les mousses sous l’œil des scientifiques.

Les mousses sont omniprésentes dans notre quotidien sous des formes aussi diverses que la

mousse du shampoing, les blancs en neige ou encore la garniture des fauteuils. À chaque fois, des bulles d’air

dispersées dans une matrice d’eau, de polymères, voire de verre ou de métal… Comprendre la physico-chimie

de ces mousses pour mieux en maîtriser la fabrication et développer des nouvelles applications est

indispensable !

Document 1 : Protocole de fabrication d’une mousse

Dans une éprouvette de 100 mL, verser environ 4 mL de liquide à vaisselle. Ajouter quelques gouttes (3-4) de colorant alimentaire, puis 20 mL d'eau oxygénée concentrée (à 55 volumes). Homogénéiser en faisant tourner le tout dans l’éprouvette. Placer l'éprouvette bien au centre du cristallisoir. Poser l'ensemble sur une surface dégagée Verser rapidement quelques millilitres de solution d'iodure de potassium (K+

,I- à 1,0 mol.L

-1) dans l'éprouvette.

Noter alors vos observations. Plonger une allumette incandescente dans la mousse. Observer.

Données : * L’eau oxygénée H2O2 est l’oxydant du couple rédox : H2O2 / HO-

L’ion iodure I– est le réducteur du couple rédox : I2 / I

-

* En milieu basique, l’eau oxygénée se décompose plus rapidement en formant du dioxygène et

en eau (on dit qu’elle se dismute).

Document 2 : Tensioactif et tension superficielle

Si l’on dépose délicatement un trombone à la surface de l’eau, celui-ci reste en équilibre sur la surface. Si l’on ajoute délicatement une goutte de liquide vaisselle à la surface, on remarque que le trombone se

met à couler. => On en déduit que le liquide vaisselle permet de diminuer la tension à la surface de l’eau, la tension superficielle.

Cela est dû à la présence de tensioactifs dans le liquide vaisselle. Les tensioactifs sont des molécules amphiphiles. Ils peuvent donc interagir avec deux phases non miscibles : ici, les chaînes carbonées hydrophobes interagissent avec l’air (ou de l’huile) tandis que les têtes hydrophiles interagissent avec l’eau. Cela a pour effet de diminuer la tension superficielle de l’interface air/eau.

Mousse de betterave & son émulsion de persil

Précautions : Porter des gants et des lunettes. Ne pas

toucher la mousse car elle est chaude et corrosive.

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Document 3 : Structure d’une bulle de savon

Une bulle de savon est une sphère formée d’un mince film d’eau savonneuse et remplie d’air.

Il est possible d’obtenir une bulle avec de l’eau savonneuse, mais impossible avec de l’eau pure. En effet, pour former une bulle, il est nécessaire d’étirer l’interface air/eau. La présence d’une tension superficielle empêche l’interface de s’étirer indéfiniment. Avec de l’eau pure, le film casse immédiatement, rendant impossible la formation de la bulle. La formation de mousse et sa durée de vie reposent entièrement sur la présence de certains composés […] : les tensioactifs…

« 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 […]. Cela est dû à l’existence de forces électrostatiques qui s’exercent

entre les molécules du liquide et qui lui confèrent une tension superficielle ou tension de surface. La tension

superficielle de l’eau pure est de l’ordre de 72 mN.m-1

. Si on ajoute un agent susceptible de diminuer la tension

superficielle, la surface de l’eau peut s’étirer et ainsi « accueillir » des bulles […] : c’est le rôle des tensioactifs. »

Extrait de C. Treiner, « Les secrets des mousses », Revue du Palais de la découverte, n° 332.

Exploitation :

1. En milieu neutre, écrire l’équation de la réaction entre l’eau oxygénée et les ions iodure.

2. Quelle est l’espèce chimique mise en évidence par l’allumette incandescente ?

3. Ecrire l’équation de dismutation de l’eau oxygénée.

4. Comment expliquer que la mousse est chaude ?

5. Pourquoi la réaction met-elle du temps à démarrer, s’accélère ensuite, puis ralentit-t-elle enfin ?

6. Les ions iodures jouent-ils le rôle de catalyseur ?

7. A l’aide des documents 2 et 3, déterminer le rôle joué par le produit vaisselle ?

8. Faire alors un schéma d’une bulle de savon.

II. Propriété optique des émulsions.

Document 2 : Protocole de fabrication d’une mousse

Dans un tube à essais, préparer une émulsion en mélangeant 4 mL d’eau et 1 mL d’une solution de phénolphtaléine à 1 % dans l’éthanol. Agiter et observer. Mesurer l’absorbance de cette émulsion à 450 nm, 550 nm et 650 nm avec, comme référence, un mélange eau/éthanol 4/1.

1. Quelle différence y a-t-il entre la réponse que donnerait un spectrophotomètre pour une solution

colorée et celle donnée pour cette émulsion.

2. Si les gouttelettes de la phase dispersée de l’émulsion sont des sphères de 1 µm de diamètre, espacées

de 9 µm de la gouttelette voisine, estimer le nombre de gouttelettes que la lumière doit traverser pour

passer au travers d’un tube à essais de 1 cm de diamètre contenant l’émulsion.

3. En considérant que chaque gouttelette de l’émulsion disperse 5 % de la lumière qu’elle reçoit, estimer

le pourcentage de la lumière incidente qui ressort du tube à essais. En déduire une interprétation à la

mesure spectrophotométrique effectuée avec l’émulsion.

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CORRECTION : Mousses et émulsions

I. Les mousses sous l’œil des scientifiques.

Observations : On observe un dégagement gazeux, qui entraîne la formation d’une mousse.

De plus, on note une élévation de température dans le milieu.

En approchant une allumette de la mousse formée, elle s’enflamme vivement.

Exploitation :

1. En milieu neutre, les ions iodure peuvent être oxydés par l’eau oxygénée.

Les couples mis en jeu dans la réaction sont I2 (aq) /I-(aq) et H2O2 (aq) / HO

-(aq).

Demi-équations : H2O2 (aq) + 2 e- 2 HO

-(aq)

2 I-(aq) I2 (aq) + 2 e

-

Equation de la réaction : H2O2 (aq) + 2 I-(aq) I2 (aq) + 2 HO

-(aq)

2. On observe une vive incandescence en approchant une allumette enflammée de la mousse, ce qui

traduit la présence de dioxygène O2 (g).

3. Equation de dismutation de l’eau oxygénée : 2 H2O2 (aq) 2 H2O(l) + O2 (g)

4. La mousse est chaude ce qui veut dire que la réaction libère de la chaleur, elle est exothermique (en

effet, il y a formation de produits plus stables que les réactifs donc moins énergétiques. Le surplus

d’énergie est alors libéré vers l’extérieur).

5. D’après les données, la réaction de dismutation de l’eau oxygénée est plus rapide en milieu basique.

Or, au début le milieu est neutre donc la réaction de dismutation est peu favorisée.

Puis, d’après la question 1, il se forme des ions hydroxyde HO- à partir de l’eau oxygénée et les

ions iodures en parallèle de la réaction de dismutation. La concentration en ions HO- augmente donc

dans le milieu qui devient de plus en plus basique. Ainsi, la réaction de dismutation accélère et le

dioxygène est libérée en plus grande quantité : la réaction accélère.

Mais les concentrations en réactifs diminuent au cours du temps. Au bout d’un moment, la

vitesse de la réaction va diminuer (la concentration des réactifs est donc un facteur cinétique : un

facteur qui agit sur la vitesse).

6. Les ions iodures permettent d’accélérer la réaction en produisant des ions hydroxyde : le milieu

devient basique. Mais ils sont consommés par cette réaction donc leur quantité va diminuer. On ne

peut donc pas les qualifier de catalyseur car un catalyseur permet d’augmenter la vitesse d’une réaction

sans être ni consommé, ni produit (cas des enzymes par exemple).

7. Le produit vaisselle va permettre l’existence de bulles de savon. Cela sous-entend qu’il contient donc

une molécule capable de faire diminuer la tension de surface de l’eau pour qu’elle puisse s’étirer.

Le liquide vaisselle apporte donc des tensioactifs à la solution.

8.

Les têtes hydrophiles des tensioactifs se lient à l’eau. Les queues

hydrophobes restent dans l’air.

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II. Propriété optique des émulsions.

1. Pour l’émulsion, l’absorbance est très importante quelle que soit la longueur d’onde de la lumière qui

la traverse. Pour une solution colorée, l’absorbance serait aussi importante pour la longueur d’onde

correspondant à la couleur complémentaire de la solution mais serait faible pour le reste du domaine

visible.

2. En considérant la taille des gouttelettes et la distance les séparant, on en trouve une tous les 10 µm.

1 gouttelette ↔ 10 µm = 10.10-6

m = 10.10-4

cm

N gouttelettes ? ↔ 1 cm => N = 1 1 / 10.10-4

= 103

La lumière doit donc traverser un millier de gouttelettes à travers le tube.

3. Si chaque gouttelette de l’émulsion disperse 5 % de la lumière qu’elle reçoit, alors la lumière qui

ressort du tube à essais vaut 95 % de la lumière incidente et cela se produit 103 !

Isortant = I0*(

)^1000

= 0,006.I0

Seul 0,6 % de la lumière incidente ressort du tube ce qui explique que les mesures

spectrophotométriques effectuée avec l’émulsion donnent des absorbances de 100 %. En réalité la lumière

n’est pas absorbée mais diffusée par les gouttelettes.

Le trombone qui ne coule pas met en

évidence la tension d’une surface.

Cette tension superficielle est due à la

dissymétrie des interactions entre les molécules

de part et d’autre de l’interface air/eau. Les

molécules d’eau exercent entre elles des

interactions attractives d’origine

électrostatique. A la surface, cette attraction

n’a plus lieu, cela induit une compression vers

l’intérieur d’où la tension de surface.

Ainsi les objets légers ou autres

insectes peuvent rester à la surface.