Mesure de la taille d'une molécule d'huile
But : parvenir à connaître la taille d'une molécule d'huile.
He bien oui : il est possible d'avoir une mesure concrète de la taille d'une molécule d'huile, de manière assez aisée, même si elle requiert un peu de patience et de doigté.
L'expérience :
Se munir d'un récipient de grande surface (par exemple, une soucoupe propre de pot de fleur ou un évier remplis d'eau). Remplissez ce récipient de quelques centimètres d'eau. Soupoudrez du talc fin à la surface de l'eau, en une très fine couche à peu près partout (n'en mettez pas trop !). Prenez à présent un fil rigide, genre fil de fer. C'est là que les choses sérieuses commencent : trempez ce fil dans l'huile et faites tomber une goutte d'huile (seulement une goutte) au centre de votre surface de talc. Attention, il faut éviter à la fois de faire toucher le fil avec la surface de l'eau et de faire tomber la goutte de trop haut. Lorsque la goutte est dans l'eau, on observe que le talc est repoussé vers les bords par l'étallement de cette goutte. Il ne reste plus qu'à mesurer le diamètre de la zone sans talc, et de passer à la partie calculs !
Conseils :
La chute de la goutte pose parfois quelques problèmes. Voilà comment les résoudre :
- Un fil plus long permet à la goutte d'être plus grosse en arrivant à la base du fil. Elle tombera alors plus facilement.
- En réchauffant légèrement l'huile, elle sera plus liquide est la goutte roulera plus facilement le long du fil.
- Toutes les huiles ne se valent pas forcément : c'est à vous de tester et de me faire part de vos tentative dont j'informerai les futurs visiteurs.
- Des personnes ont tenté de remplacer le talc par de la farine. Visiblement, cela ne fonctionne pas.
Les calculs :
Pas d'inquiétude illégitimes, se sont des calculs extrémements basiques (je suis sûr qu'ils sont faisables à partir du CM voire avant).
1) Calcul du volume de la goutte.
Calculons le volume de la goutte que vous avez fait tomber. Nous allons dire qu'elle était à peu près ronde et qu'elle faisait disons 1 millimètre de diamètre (ce ne sera pas très précis, mais c'est un ordre de grandeur que l'on souhaite). Volume d'une sphère : V1=4*Pi*r*r*r/3 où r est le rayon de la goutte et Pi=3,141592… Notre goutte a donc un volume de 4.19mm3 environ.
2) Calcul de la taille de la molécule.
On considèrera que la tache obtenue sur l'eau est circulaire. En réalité, mais on ne le voit pas, c'est un cylindre de hauteur la taille d'une molécule. Volume d'un cylindre : V2=Pi*R*R*h où R est le rayon de la tache, h la hauteur d'une molécule. Comme l'huile n'a pas disparu depuis que la goutte est tombée, on a V1=V2.
Donc h=(4*r*r*r)/(3*R*R) avec les mêmes notations que précédemment. Et voilà, on a la taille de notre molécule d'huile !
Analyse physique : Une molécule d'huile est en fait en 2 parties : elle est constituée d'une " tête " hydrophile (qui aime l'eau) et d'une " queue " hydrophobe (qui n'aime pas l'eau). A la surface de l'eau, votre goutte d'huile va donc s'étaler pour que toutes les têtes se retrouvent en contact avec l'eau et que toutes les queues se retrouvent pointées vers le haut. La tache a donc l'épaisseur d'une molécule. Cette double nature de la molécule d'huile est très important : elle est pas exemple la cause des bulles observées dans la première expérience. Notons que les produits vaisselle ont à cœur de rendre les queues de ces molécules hydrophiles pour pouvoir les éliminer avec l'eau.
Molécule d'huile : queue
tête.En gris : atomes de carbone. En blanc : atomes d'hydrogène. En rouge : atomes d'oxygène.
Historique : Cette expérience a, à l'origine, été réaliée par Benjamin Franklin qui a versé de l'huile sur un lac et mesuré ainsi la taille d'une molécule (je ne me souviens plus de l'année …). Aujourd'hui, cette expérience est courrement réalisée en Travaux Pratiques au lycée, en seconde.
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