Fiche de cours
Savons, tensioactifs, émulsions, mousses, cristaux liquides
- Fiche de cours
- Quiz et exercices
- Vidéos et podcasts
Objectifs
• Étudier des espèces chimiques comme les
savons, les tensioactifs.
• Expliquer ce qu’est la tension superficielle d’un liquide, comment se forme une mousse, une émulsion.
• Définir ce qu'est un cristal liquide et voir ses propriétés.
• Aborder quelques applications aux notions abordées.
• Expliquer ce qu’est la tension superficielle d’un liquide, comment se forme une mousse, une émulsion.
• Définir ce qu'est un cristal liquide et voir ses propriétés.
• Aborder quelques applications aux notions abordées.
1. Les savons
• Fabrication d’un savon
Les savons sont fabriqués à partir de matières grasses, dont des triglycérides, c'est-à-dire des triesters (triple fonction ester) formés de trois longues chaines carbonées. Le savon est obtenu par une saponification du triglycéride par de la soude, selon la réaction suivante traduisant l’hydrolyse basique des fonctions ester :
• Description
Un savon est constitué d’espèces chimiques ayant un double comportement hydrophile et hydrophobe. On parle d’espèces amphiphiles. Les molécules de savons sont de la forme
ou 
sous leur forme solide,
où R désigne une chaine
carbonée linéaire comportant
habituellement entre 4 et 20 atomes de carbone, souvent un
nombre pair. Elle peut être saturée ou
comporter quelques doubles liaisons en configuration Z.
En solution aqueuse, le sodium/potassium devient un ion. Le savon est alors un carboxylate, c'est-à-dire la base conjuguée d’un acide carboxylique. Par exemple, à partir du palmitate de sodium, on obtient l’ion palmitate. La chaîne carbonée est apolaire, ce qui explique son caractère hydrophobe et lipophile (affinité avec les corps gras, par liaisons de Van der Waals). La partie
est par contre hydrophile, de part la
présence des atomes d’oxygène et de la
charge – : elle établit des liaisons
hydrogène avec les molécules
d’eau.
• Propriété détergente du savon
Dans une eau savonneuse, les carboxylates se disposent à la surface du liquide, de manière que les queues hydrophobes soient dirigées vers l’extérieur du liquide, et les têtes hydrophiles vers l’eau.
Si la concentration en carboxylates est suffisante (
environ), ces derniers
forment des micelles dans le liquide. Ce sont des
structures sphériques, où les queues
hydrophobes sont dirigées vers
l’intérieur de la structure pour interagir
entre elles par liaisons de Van der Waals, et les
têtes tournées vers la phase aqueuse. Les
queues hydrophobes étant lipophiles, elles peuvent
emporter un corps gras. Cela explique l’action
détergente du savon.
Les savons sont fabriqués à partir de matières grasses, dont des triglycérides, c'est-à-dire des triesters (triple fonction ester) formés de trois longues chaines carbonées. Le savon est obtenu par une saponification du triglycéride par de la soude, selon la réaction suivante traduisant l’hydrolyse basique des fonctions ester :
Un savon est constitué d’espèces chimiques ayant un double comportement hydrophile et hydrophobe. On parle d’espèces amphiphiles. Les molécules de savons sont de la forme
ou sous leur forme solide,
où R désigne une chaine
carbonée linéaire comportant
habituellement entre 4 et 20 atomes de carbone, souvent un
nombre pair. Elle peut être saturée ou
comporter quelques doubles liaisons en configuration Z.
En solution aqueuse, le sodium/potassium devient un ion. Le savon est alors un carboxylate, c'est-à-dire la base conjuguée d’un acide carboxylique. Par exemple, à partir du palmitate de sodium, on obtient l’ion palmitate. La chaîne carbonée est apolaire, ce qui explique son caractère hydrophobe et lipophile (affinité avec les corps gras, par liaisons de Van der Waals). La partie
est par contre hydrophile, de part la
présence des atomes d’oxygène et de la
charge – : elle établit des liaisons
hydrogène avec les molécules
d’eau.• Propriété détergente du savon
Dans une eau savonneuse, les carboxylates se disposent à la surface du liquide, de manière que les queues hydrophobes soient dirigées vers l’extérieur du liquide, et les têtes hydrophiles vers l’eau.
Si la concentration en carboxylates est suffisante (
environ), ces derniers
forment des micelles dans le liquide. Ce sont des
structures sphériques, où les queues
hydrophobes sont dirigées vers
l’intérieur de la structure pour interagir
entre elles par liaisons de Van der Waals, et les
têtes tournées vers la phase aqueuse. Les
queues hydrophobes étant lipophiles, elles peuvent
emporter un corps gras. Cela explique l’action
détergente du savon.
2. Les tensioactifs
a. Tension superficielle de l'eau
Les molécules d’eau sont attirées
entre elles par des liaisons hydrogène.
Pour une molécule d’eau au sein du liquide,
ces interactions se font dans toutes les directions :
la résultante des forces liées à
ces interactions est nulle. Pour une molécule
à la surface, les liaisons ne
s’établissent qu’avec les
molécules au niveau de la surface ou en dessous :
la résultante des forces est non nulle et
est dirigée vers le liquide. On la nomme force
de tension superficielle.
La tension superficielle explique qu’un liquide comme l’eau cherche à minimiser la superficie de sa surface. Ainsi, de petites quantités d’eau forment des gouttes au lieu de s’étaler à l’infini. La tension superficielle s’exprime en Joule par mètre carré, équivalente au Newton par mètre. A 20 °C, elle vaut 72,5 mN/m pour l’eau.
La tension superficielle explique qu’un liquide comme l’eau cherche à minimiser la superficie de sa surface. Ainsi, de petites quantités d’eau forment des gouttes au lieu de s’étaler à l’infini. La tension superficielle s’exprime en Joule par mètre carré, équivalente au Newton par mètre. A 20 °C, elle vaut 72,5 mN/m pour l’eau.
b. La mousse
Les carboxylates sont qualifiées de
tensioactifs car ils diminuent la tension
superficielle du liquide, ce qui permet à ce
dernier d’étendre sa surface. Cela
explique la formation de bulles avec de
l’eau savonneuse. La paroi de la bulle est
constituée d’une double couche de
carboxylates, emprisonnant un mince filet d’eau.
Les liaisons basses-énergies (hydrogène et
Van der Waals) assurent à la structure une
certaine cohésion, au moins pendant un temps. Un
ensemble de bulles forme une mousse.
c. Quelques tensioactifs
Un composé amphiphile est un tensioactif. Cela
peut concerner des espèces chimiques :
• anioniques : les carboxylates (savons), sulfates
, sulfonates 
, …
• cationiques : ions ammonium primaires
, …
• zwitterioniques (porte des charges positives et négatives, mais la molécule reste neutre) : les phospholipides (voir fiche sur les membranes) …
• non ioniques (mais polaires) : éther d’alcools gras...
• anioniques : les carboxylates (savons), sulfates
, sulfonates , …• cationiques : ions ammonium primaires
, …• zwitterioniques (porte des charges positives et négatives, mais la molécule reste neutre) : les phospholipides (voir fiche sur les membranes) …
• non ioniques (mais polaires) : éther d’alcools gras...
d. Les émulsions
Les mousses sont un « cas particulier »
d’émulsions formées entre
l’eau et l’air. D’autres
émulsions concernent deux liquides
habituellement non miscibles. Par l’action des
tensioactifs, un liquide est alors mélangé
à l’autre sous la forme de petites
gouttelettes (les micelles).
Exemple : la mayonnaise est une émulsion d’huile dans l’eau, permise par la lécithine (un phospholipide) présente dans le jaune d’œuf, qui joue le rôle de tensioactif.
Les émulsions interviennent dans l’industrie agro-alimentaire, mais aussi en cosmétique avec les crèmes hydratantes, en médecine, etc. Une émulsion est potentiellement limitée dans le temps, car les deux phases distinctes peuvent se reformer progressivement : il y a démixtion. La vitesse de rupture d’une émulsion dépend de l’efficacité des tensioactifs, de la température, de la différence de densité entre les deux liquides.
Exemple : la mayonnaise est une émulsion d’huile dans l’eau, permise par la lécithine (un phospholipide) présente dans le jaune d’œuf, qui joue le rôle de tensioactif.
Les émulsions interviennent dans l’industrie agro-alimentaire, mais aussi en cosmétique avec les crèmes hydratantes, en médecine, etc. Une émulsion est potentiellement limitée dans le temps, car les deux phases distinctes peuvent se reformer progressivement : il y a démixtion. La vitesse de rupture d’une émulsion dépend de l’efficacité des tensioactifs, de la température, de la différence de densité entre les deux liquides.
3. Les cristaux liquides
a. Description
Les cristaux liquides désignent des
matériaux dont les propriétés sont
intermédiaires entre celles d’un solide
et d’un liquide. En effet, comme dans un
solide cristallin, les constituants du
matériau sont disposés selon des directions
privilégiés et comme dans un liquide, les
constituants peuvent de déplacer les uns par
rapport aux autres. Les cristaux liquides sont souvent
composés de molécules organiques
polaires de formes allongées (ou en forme de
disque). Il existe trois phases (trois types
d’organisation des molécules) :
→ La phase smectique, dans laquelle les molécules sont organisées en couche. La dénomination smectique vient du scientifique Georges Friedel, s’inspirant du grec ancien smêgma (savon), car cette structure rappelle celle du savon en solution.
→ La phase nématique, où les molécules sont alignées globalement selon une même direction. Cette dénomination vient aussi de Georges Friedel, du grec ancien nêma (fil).
→ La phase cholestérique (ou nématique chirale), où les molécules sont selon des plans parallèles entre eux. Au sein d’un même plan les molécules présentent une même orientation. D’un plan consécutif à l’autre, l’orientation change selon un angle donné. La structure est ainsi comparée à une hélice, dont le pas est la distance entre deux plans de même orientation. « Cholestérique » vient du fait que les esters formés à partir du cholestérol sont des cristaux liquides présentant cette structure. Exemple : benzoate de cholestéryle.
→ La phase smectique, dans laquelle les molécules sont organisées en couche. La dénomination smectique vient du scientifique Georges Friedel, s’inspirant du grec ancien smêgma (savon), car cette structure rappelle celle du savon en solution.
→ La phase nématique, où les molécules sont alignées globalement selon une même direction. Cette dénomination vient aussi de Georges Friedel, du grec ancien nêma (fil).
→ La phase cholestérique (ou nématique chirale), où les molécules sont selon des plans parallèles entre eux. Au sein d’un même plan les molécules présentent une même orientation. D’un plan consécutif à l’autre, l’orientation change selon un angle donné. La structure est ainsi comparée à une hélice, dont le pas est la distance entre deux plans de même orientation. « Cholestérique » vient du fait que les esters formés à partir du cholestérol sont des cristaux liquides présentant cette structure. Exemple : benzoate de cholestéryle.
b. Synthèse de cristaux liquides
Le N-(4-méthoxybenzylidène)-4-butylaniline
(MBBA) est un cristal liquide synthétisé
par la réaction entre le 4-butylaniline (aniline
ramifiée) et le
4-méthoxybenzaldéhyde (un aldéhyde).
L’aniline est une amine primaire 
greffée sur un cycle
benzénique, et un aldéhyde
correspond à un O double liaison sur un carbone en
bout de chaine. La réaction entre une amine et
un aldéhyde forme une imine,
c'est-à-dire une double liaison
carbone/azote.
Historiquement, cette synthèse a été proposée en 1969 par Kelker et Scheurle. Ce fut le premier cristal liquide synthétisé qui soit en phase nématique à température ambiante. En effet, le MBBA est solide cristallin en dessous de 20 °C, est un liquide nématique opaque entre 20 °C et 38,1 °C, et liquide transparent isotrope au-delà…
greffée sur un cycle
benzénique, et un aldéhyde
correspond à un O double liaison sur un carbone en
bout de chaine. La réaction entre une amine et
un aldéhyde forme une imine,
c'est-à-dire une double liaison
carbone/azote.
Historiquement, cette synthèse a été proposée en 1969 par Kelker et Scheurle. Ce fut le premier cristal liquide synthétisé qui soit en phase nématique à température ambiante. En effet, le MBBA est solide cristallin en dessous de 20 °C, est un liquide nématique opaque entre 20 °C et 38,1 °C, et liquide transparent isotrope au-delà…
4. Applications des cristaux liquides
→ Les cristaux liquides nématiques sont
constitués de molécules polaires qui
peuvent être orientées de manière
réversible par un champ électrique. Dans
la pratique, les cristaux liquides sont
déposés dans une cellule, encadrée par
deux électrodes qui établissent le champ
quand elles sont sous tension. L’intérêt
est que les cristaux liquides interagissent
différemment avec la lumière qui les
traverse. Comme applications, on a par exemple :
• Une vitre à transparence variable comporte des gouttelettes de cristaux liquides, entre deux électrodes transparentes. Au repos, les cristaux liquides sont orientés selon des directions quelconques, ce qui diffuse la lumière, rendant la vitre translucide. Quand une tension est appliquée, les cristaux s’orientent perpendiculairement à la vitre, minimisant leur interaction avec la lumière : la vitre devient transparente.
• L’afficheur à cristaux liquides 7 segments fait intervenir la notion de polarisation de la lumière, hors programme. Au repos, l’arrangement des cristaux liquides ("nématiques twistés") permet à la lumière de passer à travers le dispositif de polarisation : un segment de l’afficheur est transparent. Quand une tension est appliquée, la lumière ne passe pas : le segment apparaît noir.
• L’écran à cristaux liquides ou LCD (Liquid Crystal Display) comporte des pixels divisés en trois sous-pixels rouge, vert et bleu. Chaque sous-pixel fonctionne comme un segment de l’afficheur, sauf qu’il peut moduler l’intensité de la lumière transmise. Celle-ci est fournie par un dispositif de rétroéclairage (lumière blanche). Les couleurs rouge, vert, bleu des sous-pixels sont obtenues par des filtres colorés.
→ Les cristaux liquides cholestériques possèdent des propriétés optiques particulières. En effet, les plans de même orientation sont assimilés à des « miroirs parallèles » satisfaisant la loi de Bragg (décrivant la diffraction de rayons X par un cristal). Elle explique que seules les longueurs d’onde
vérifiant la relation
sont diffusées par le matériau.
k est un nombre entier, p est le pas de l’hélice (en m),
l’angle entre la lumière incidente et un plan,
(en m) est exprimée dans le vide et n est
l’indice optique du cristal liquide. De part les
valeurs de p, des 
sont dans le visible, ce qui donne au
matériau une teinte colorée.
Les cristaux liquides cholestériques sont présents dans les billets de banque, dans la partie qui change de couleur selon l’angle d’observation. C’est un dispositif anti-copie du billet.
p diminue quand la température augmente, donc la couleur diffusée est modifiée. On parle de cristaux liquides thermochromiques. Cela permet de les utiliser comme thermomètre :
• comme ceux utilisés sur les parois des aquariums domestiques.
• pour des applications médicales, pour réaliser des thermographies en déposant le matériau sur la peau du patient.
• pour des testeurs de pile : le passage du courant électrique échauffe localement le matériau, ce qui provoque l’apparition d’une coloration (jaune).
• Une vitre à transparence variable comporte des gouttelettes de cristaux liquides, entre deux électrodes transparentes. Au repos, les cristaux liquides sont orientés selon des directions quelconques, ce qui diffuse la lumière, rendant la vitre translucide. Quand une tension est appliquée, les cristaux s’orientent perpendiculairement à la vitre, minimisant leur interaction avec la lumière : la vitre devient transparente.
• L’afficheur à cristaux liquides 7 segments fait intervenir la notion de polarisation de la lumière, hors programme. Au repos, l’arrangement des cristaux liquides ("nématiques twistés") permet à la lumière de passer à travers le dispositif de polarisation : un segment de l’afficheur est transparent. Quand une tension est appliquée, la lumière ne passe pas : le segment apparaît noir.
• L’écran à cristaux liquides ou LCD (Liquid Crystal Display) comporte des pixels divisés en trois sous-pixels rouge, vert et bleu. Chaque sous-pixel fonctionne comme un segment de l’afficheur, sauf qu’il peut moduler l’intensité de la lumière transmise. Celle-ci est fournie par un dispositif de rétroéclairage (lumière blanche). Les couleurs rouge, vert, bleu des sous-pixels sont obtenues par des filtres colorés.
→ Les cristaux liquides cholestériques possèdent des propriétés optiques particulières. En effet, les plans de même orientation sont assimilés à des « miroirs parallèles » satisfaisant la loi de Bragg (décrivant la diffraction de rayons X par un cristal). Elle explique que seules les longueurs d’onde
vérifiant la relation
sont diffusées par le matériau.
k est un nombre entier, p est le pas de l’hélice (en m),
l’angle entre la lumière incidente et un plan,
(en m) est exprimée dans le vide et n est
l’indice optique du cristal liquide. De part les
valeurs de p, des sont dans le visible, ce qui donne au
matériau une teinte colorée.Les cristaux liquides cholestériques sont présents dans les billets de banque, dans la partie qui change de couleur selon l’angle d’observation. C’est un dispositif anti-copie du billet.
p diminue quand la température augmente, donc la couleur diffusée est modifiée. On parle de cristaux liquides thermochromiques. Cela permet de les utiliser comme thermomètre :
• comme ceux utilisés sur les parois des aquariums domestiques.
• pour des applications médicales, pour réaliser des thermographies en déposant le matériau sur la peau du patient.
• pour des testeurs de pile : le passage du courant électrique échauffe localement le matériau, ce qui provoque l’apparition d’une coloration (jaune).
L'essentiel
Des matériaux existant en phase liquide
possèdent des propriétés
physico-chimiques directement liées à la
structure de leurs molécules/ions :
• Les savons ont des propriétés détergentes grâce à la structure amphiphile (partie hydrophile + partie hydrophobe) des carboxylates.
• Les amphiphiles sont aussi des tensioactifs (abaissent la tension superficielle d’un fluide comme l’eau) permettant la formation de mousses (eau + air) ou d’émulsions entre deux liquides non miscibles.
• Les cristaux liquides nématiques ont des propriétés optiques qui peuvent être modifiées par l’application d’un champ électrique (par orientation de ces molécules). Exemples : afficheur à cristaux liquides, écran LCD, vitres à transparence modifiable.
• Les cristaux liquides cholestériques peuvent présenter une coloration, qui dépend notamment de la température.
• Les savons ont des propriétés détergentes grâce à la structure amphiphile (partie hydrophile + partie hydrophobe) des carboxylates.
• Les amphiphiles sont aussi des tensioactifs (abaissent la tension superficielle d’un fluide comme l’eau) permettant la formation de mousses (eau + air) ou d’émulsions entre deux liquides non miscibles.
• Les cristaux liquides nématiques ont des propriétés optiques qui peuvent être modifiées par l’application d’un champ électrique (par orientation de ces molécules). Exemples : afficheur à cristaux liquides, écran LCD, vitres à transparence modifiable.
• Les cristaux liquides cholestériques peuvent présenter une coloration, qui dépend notamment de la température.
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