Terminale spécialité_Thème 1_LES MATERIAUX Structure et propriétés des matériaux_AE 1

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REALISER UN BON COLLAGE

I. SYNTHESE D’UNE COLLE A PARTIR DU LAIT.

Document 1 : A propos du lait

Le lait est un mélange complexe et instable d’eau (87 %) et de nutriments constitués par des lipides, des protéines, des glucides et du sel. Les protéines les plus courantes dans le lait sont les caséines. Ce sont des macromolécules composées d’une longue chaine carbonée et azotée qui est lipophile et d’un bout de chaine hydrophile (ou lipophobe). On dit que cette molécule est amphiphile ou que c’est un tensioactif.

Comme l’indique le document 2, la charge de la caséine varie selon le pH du milieu.

Dans le lait bien conservé, le pH est égal à 6,5 : les matières grasses s’entourent de molécules de caséine, dont la partie lipophile baigne dans la matière grasse et la partie hydrophile baigne dans l’eau. Il se forme ainsi des micelles, constituées de gouttelettes de matière grasse entourées de molécules de caséine. Le lait forme ainsi une émulsion.

La couche externe des micelles étant négative, ces dernières se repoussent entre elles, ce qui empêche la précipitation des matières grasses. En faisant varier le pH du lait, on peut donc diminuer la répulsion électrostatique entre micelles, et on peut ainsi provoquer leur précipitation sous forme d’un coagulum de matière grasse et de caséine : le caillé.

Débarrassé des matières grasses qu’il contient, le caillé est l’ingrédient principal d’une colle : la colle à la caséine.

Document 2 :

Diagramme de prédominance de la caséine

Document 5 : Protocole d’extraction de la caséine

Mesurer le pH du lait avant la manipulation : pH0 = ……… .

Chauffer 100 mL de lait à environ 40 °C dans un bécher 250 mL.

Quand la température est atteinte, couper le chauffage, puis introduire très doucement à la pipette graduée, et en agitant avec

une baguette en verre, 20 mL d’acide éthanoïque à « 10 % en volume ».

Le lait se met à cailler et le pH doit être inférieur à 4,5. Si ce n’est pas le cas, rajouter encore quelques gouttes de vinaigre.

Mesurer le nouveau pH une fois le lait caillé : pH1 = ……… .

Filtrer le lait caillé sur Büchner garni d’une gaze seulement que l’on humidifiera bien une fois dans l’entonnoir Büchner.

Laver avec environ 10 mL d’eau distillée bien froide et quelques gouttes d’acétone. Filtrer à nouveau si nécessaire.

Sécher le lait caillé en le plaçant à l’étuve une vingtaine de minutes (à 100 °C).

Peser la masse de la pâte à la caséine ainsi obtenue : mcaséine = ……… .

Document 3 : Données physico-chimiques de diverses substances

Nom Données physico-chimiques

Acide éthanoïque Soluble dans l’eau, l’éthanol, l’acétone

Acétone Très soluble dans l’eau, bon solvant de matière grasse

Caséine de lait Insoluble en solution aqueuse acide ou dans l’acétone, soluble

en solution aqueuse basique.

Document 4 : Composition du lait (pour 100 g)

Eau Lactose Protéine Lipide Calcium Phosphore Autre

89,2 4,7 3,2 1,6 0,1 0,1 1,1

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Document 6 : Protocole de la préparation de la colle à la caséine

Dans un pot en verre, prélever 5 g de pâte à la caséine. Y ajouter 1,5 g d’hydroxyde de calcium Ca(OH)2 (s) et 0,7 g de carbonate

de sodium Na2CO3 (s).

Agiter quelques mL d’eau distillée, si nécessaire, jusqu’à obtention d’une pâte homogène.

Répartir cette mixture, à l’aide de la spatule, au niveau de la partie centrale d’un morceau de carton, de papier ou de plastique.

Placer par-dessus l’autre morceau de carton puis appuyer en effectuant des pressions du centre vers les bords. Si la mixture déborde, laver tout de suite la paillasse à l’aide d’une éponge que vous rincerez abondement. Puis essayer de coller deux morceaux de papier (puis de carton, et enfin de plastique), pour tester votre colle. Laisser sécher au moins 10 minutes. Noter les observations et les conclusions quant à l’utilisation possible de cette colle.

Travail à effectuer : Réaliser l’extraction de la caséine puis préparer la colle. Répondre en parallèle aux questions suivantes.

1. Expliquer les termes « hydrophile » et « lipophile » utilisés dans le document 1.

2. Quel rôle joue la caséine dans la stabilité du lait ?

3. Quelle est la charge portée par les molécules de caséine dans le lait ? Même question une fois l’addition

d’acide éthanoïque réalisée.

4. Pourquoi le lait caille-t-il ?

5. Justifier l’utilisation d’acide éthanoïque.

6. Quel est l’intérêt de chauffer le lait ?

7. Quelle est la composition du caillé après l’ajout d’acide ?

8. Justifier l’ajout d’acétone.

9. Les protéines de lait sont constituées à 80 % de caséine. Le lait a une densité égale à 1,034.

Déterminer la masse de caséine contenue dans les 100 mL de lait du départ. La comparer avec la masse

extraite et conclure (que contient la pâte extraite ?).

10. Expliquer pourquoi un mélange de fromage et de chaux (constituée d’hydroxyde de calcium) était utilisé

au moyen-âge comme colle à bois ainsi que comme ciment.

Pour le plaisir … : Voici le protocole pour faire une colle « maison » :

1. Demande à un adulte de chauffer

un grand verre de lait. Attention, le

lait ne doit pas être trop chaud.

Ajoute 3 cuillères à soupe de

vinaigre et remue. Le lait forme des

grumeaux : il « caille ».

2. Pose une feuille d'essuie-tout sur

un autre verre en formant un creux.

Tiens-le d'une main et verse le lait

caillé dans le creux. Presse

doucement le papier pour que ça

coule plus vite, mais ne le déchire

pas !

3. Avec la grande cuillère, racle la

pâte blanche qui s'est déposée sur le

papier. Mets-la dans une tasse.

Ajoute la moitié d'une cuillère à café

de bicarbonate. Remue avec le

manche de la cuillère. La pâte

devient lisse et brillante. Tu peux

coller du papier avec !

D’après www.espace-sciences.org/juniors/experiences

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B. Etape de la polymérisation du

cyanoacrylate de méthyle

A. Cyanoacrylate de méthyle

II. ETUDE DOCUMENTAIRE.

Document 7 : Qu’est-ce qu’une colle ?

Une colle, ou un adhésif, est une substance liquide ou gélatineuse servant à lier des matériaux entre eux. Cette substance, généralement un polymère, peut être d’origine naturelle (latex, os, …) ou synthétique (vinylique, époxy, cyanoacrylate).

Document 8 : Collage de matériaux cellulosique

La cellulose, polymère naturel, est le constituant essentiel du bois, du papier, du carton et de très nombreux textiles. Ces matériaux sont souvent assemblés par collage à l’aide de colles phénoliques ou de colles isocyanates.

Document 9 : Motifs de la cellulose (a), d’un adhésif phénolique (b) et d’un adhésif isocyanate (c)

Document 10 : Pourquoi ça colle… ou pas ?

http://videotheque.cnrs.fr/doc=2268 (15 min)

Document 11 : La colle au cyanoacrylate

La colle cyanoacrylate est constituée d’une espèce chimique appelée cyanoacrylate de méthyle qui peut réagir sur

elle-même pour former un polymère. Il est très utilisé pour coller des tissus corporels, en chirurgie orthopédique, pour détecter les empreintes digitales, …

Document 12 : Comment prévoir l’adhésion d’une colle ?

Les colles liquides, ou susceptibles de le devenir par chauffage, forment une goutte au contact de la surface plane et lisse d’un solide à coller. Plus la goutte s’étale naturellement sur le solide, meilleur est le mouillage et plus l’adhésion sera efficace.

La goutte prend la forme qui minimise l’énergie du système {solide-liquide-vapeur}. Comme le montre la figure ci-dessus, l’angle de contact θ rend compte de l’équilibre obtenu : les vecteurs ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗, ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ , et ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ sont les forces par unité de longueur de la ligne de contact à l’interface :

- solide-liquide pour ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗ ;

- solide-vapeur pour ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ;

- liquide-vapeur pour ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ .

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Travail à effectuer

A l’aide des documents précédents, répondre aux questions suivantes :

1. Comment appelle-t-on les forces qui assurent l’adhésion entre les matériaux ?

2. Comment expliquer que l’adhésion entre deux matériaux n’est pas la même selon le matériau ?

3. Quelle propriété doit posséder la colle pour favoriser la longévité du joint adhésif ?

4. Que doit faire le fluide visqueux pour qu’un assemblage tienne ?

5. Comment appelle-t-on le type de molécules qui a révolutionné le collage ? En donner une définition.

6. Comment modifier les propriétés physiques de la matière ?

7. Quelles sont les trois stratégies de collage ?

8. Comment améliorer le collage ?

9. Comment faire pour étudier la résistante d’une colle ?

10. Quels sont les objectifs de la recherche scientifique sur les colles ?

11. Justifier le fait que le choix de l’adhésif (phénolique ou isocyanate) pour coller du carton est judicieux.

12. En supposant que deux substances parfaitement en contact établissent des liaisons chimiques entre

leurs atomes de surface, proposer un modèle qui réponde à la question « Comment la colle agit-t-elle ? ».

Répondre à la question en utilisant la figure ci-dessous, représentant deux surfaces rugueuses qu’il faut

assembler (représentation exagérément grossie).

13. Pour obtenir un bon collage, θ doit-il plutôt valoir 15° ou plutôt 85° ?

14. Qu’est-ce qu’un mouillage parfait ? Que vaut alors θ ?

15. La relation de Young-Dupré traduit l’équilibre de la goutte en posant que la somme des abscisses des

trois vecteurs vaut zéro. Montrer qu’on a alors : γSV = γSL + γLV × cos(θ)

16. L’adhésion d’une résine époxy (γLV = 44,0 mJ.m–2

) est-elle plus satisfaisante sur une surface en :

- en polyéthylène (γSV = 31,0 mJ.m–2

; γSL = 41,0 mJ.m–2

) ;

- en aluminium (γSV = 500 mJ.m-2

; γSL = 456 mJ.m–2

) ?

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CORRECTION : REALISER UN BON COLLAGE

I. SYNTHESE D’UNE COLLE A PARTIR DU LAIT.

1. Le terme « hydrophile » signifie que la molécule a une affinité pour l’eau. (Elle est donc capable de réaliser des

liaisons avec l’eau car elle est polaire ou est capable de réaliser des liaisons hydrogène)

Le terme « lipophile » signifie que la molécule a une affinité chimique avec les corps gras.

2. La caséine possède un caractère hydrophile et lipophile (on parle de molécule amphiphile). Elle se lie donc à l’eau

et aux corps gras. Ces deux derniers restent donc mélangés grâce à la caséine alors qu’ils ne sont pas miscibles. On

dit que l’émulsion (= mélange de deux liquides non miscibles) est stabilisée par la caséine.

3. Au départ, le pH du lait, qui est relativement neutre, est très supérieur à 4,6. Donc, d’après le document 2, on en

déduit que la charge portée par la caséine est négative.

Après addition d’acide, le pH tombe autour de 3,9. La caséine n’est plus chargée car son pH est compris entre 2,5 et

4,6 (cf document 2).

4. Comme les micelles ne sont plus négatives en surface, il n’y a plus de répulsion entre elles. Elles vont alors coaguler

ensemble et précipiter : on dit que le lait caille.

5. L’ajout d’acide éthanoïque sert à amener le pH en-dessous de 4,6. Ainsi, la caséine est neutre et les micelles n’ont

plus de charge en surface, le caillage est alors favorisé.

6. Chauffer permet très souvent d’accélérer les réactions, ici, celle du caillage.

7. Le caillé contient les acides gras du lait et les molécules de caséine.

8. D’après le document 3, l’acétone est un très bon solvant des corps gras tel que les acides gras mais pas pour la

caséine. Ainsi, lors de la filtration sur Büchner, les acides gras seront dissous dans l’acétone et emportés dans le

filtrat alors que la caséine restera à l’état solide sur le papier filtre.

9. * On considère au début du travail un volume de lait Vlait = 100 mL soit une masse mlait :

ρ = m / V => mlait = ρlait × Vlait

=> mlait = ρlait × Vlait = 1,034 × 100 = 103 g (3 CS)

* D’après le document 4 : 100 g de lait ↔ 3,2 g de protéine

103 g de lait ↔ mprotéine mprotéine =

= 3,3 g (2 CS)

* Or, d’après l’énoncé, la caséine constitue 80 % des protéines donc :

mcaséine = 0,80 ×mprotéine = 0,80 × 3,3 = 2,6 g

10. Le fromage n’est autre que du lait caillé autrement dit : de la caséine.

La chaux correspond à l’hydroxyde de calcium nécessaire à la préparation de la colle (document 6).

En faisant ce mélange {fromage-chaux} au Moyen-âge, on réalisait une colle similaire à celle faite en TP !

Eau

Queue hydrophobe

lipophile de la

caséine

Tête hydrophile

ionique de la

caséine

Corps gras

micelle

* La tête hydrophile ionique se lie à l’eau.

* La queue hydrophobe (longue chaîne carbonée) se lie au corps gras.

=> L’association {caséine-corps gras} constitue la micelle.

Il y a énormément de micelle dans le lait qui se repoussent les unes les

autres par répulsion électrostatique car toutes les têtes sont chargées

négativement.

Mais, si le pH diminue, alors les têtes deviennent neutres et ne se

repoussent plus. Elles s’agglomèrent et précipitent. Et ce, d’autant

plus que si la tête devient neutre, son affinité pour l’eau diminue aussi

favorisant la précipitation.

avec ρlait la masse volumique du lait : ρlait = dlait × ρeau ρlait = 1,034 × 1,000 = 1,034

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II. ETUDE DOCUMENTAIRE.

1. D’après la vidéo, l’adhésion entre matériaux est assurée par des forces de Van der Waals.

2. L’adhésion sera meilleure plus la surface des matériaux est lisse.

3. La longévité du joint adhésif est augmentée avec une colle visqueuse voire très visqueuse.

4. Pour qu’un assemblage tienne, le joint doit se solidifier.

5. Le collage a été révolutionné avec l’utilisation des polymères, ensemble de petites molécules identiques (appelées

monomères) liées les unes aux autres par des liaisons chimiques fortes.

6. Les propriétés de la matière peuvent être modifiées par pontage par interaction ou liaison chimique (= réticulation).

7. Les trois stratégies de collage sont :

- par simple pression,

- par mécanisme chimique : la réaction de polymérisation se fait directement entre les surfaces à coller,

- par mécanisme physique : le polymère existe déjà mais une intervention extérieure est nécessaire

telle que le chauffage pour évaporer de l’eau par exemple.

8. Pour améliorer le collage, il faut nettoyer la surface.

9. Pour étudier la résistance d’une colle, on exerce une contrainte jusqu’à la rupture et on mesure alors la force exercée.

10. La recherche tend à diminuer le poids de la colle, à pouvoir coller des matériaux très différents, à améliorer

l’esthétique et enfin à tendre vers une chimie plus respectueuse de l’environnement, une « chimie verte ».

11. D’après le document 8, on apprend que les cartons sont constitués de cellulose.

Le document 9 nous précise la structure de la cellulose, composée de groupes hydroxyle –OH et des groupes–C–O–.

Or, les colles phénoliques possèdent des groupes –OH et peuvent donc réaliser des liaisons hydrogène avec les

groupes –C–O– de la cellulose.

De même, les colles isocyanates possèdent groupes carboxyle C=O et peuvent réaliser des liaisons hydrogène avec

les groupes –OH de la cellulose.

Des interactions attractives existent donc entre les colles et la cellulose des cartons, l’adhésion est autorisée.

12. L’adhésion passe par un maximum de contact entre les deux surfaces à coller.

Sur le schéma entre les deux surfaces rugueuses, on note une fissure avec l’absence de contact entre les deux

matières. La colle va alors combler cette fissure et réaliser des liaisons avec les deux surfaces. L’adhésion est

rétablie.

13. Pour obtenir un bon collage, d’après le document 12, on précise que plus la goutte s’étale naturellement sur le

solide, meilleur est le mouillage et plus l’adhésion sera efficace. Il faut donc que l’angle θ soit le plus petit possible

donc ici de 15 °.

14. Un mouillage est donc parfait quand l’étalement est maximal, soit quand θ = 0.

15. «L’équilibre est obtenue si la somme des abscisses des trois vecteurs vaut zéro ».

D’après le document 12, l’équilibre est obtenue si : ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗

En projetant la relation sur l’axe horizontal orienté vers la droite :

Soit : γSV = γSL + γLV × cos(θ)

16. La colle sera plus efficace si l’angle de contact θ avec la matériau est minimal, on va donc calculer cet angle à l’aide

de la formule précédente pour les deux matériaux :

Pour le polyéthylène (PE) : cos(θ) =

=> θ = 103 °

Pour l’aluminium (PE) : cos(θ) =

=> θ = 0

L’étalement est maximal pour la surface en aluminium ; l’adhésion sera maximale.