Savons, tensioactifs, émulsions, mousses, cristaux liquides - Maxicours

Savons, tensioactifs, émulsions, mousses, cristaux liquides

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.
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.
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.
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...
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.
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.
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…
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).
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.

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