Forme d’une goutte d’eau

Une goutte d’eau déposée sur un pull-over ne pénètre pas dans les fibres de laine, mais se met en boule et peut rouler dessus. Même constatation si on remplace la laine par de la cire de bougie. En présence d’un détergent, son comportement est bien différent. Venez voir les différentes formes d’une goutte d’eau !

Fiche d’accompagnement de l’expérience:
 

Matériel
  • un objet dur présentant une surface plane et lisse, par exemple un couvercle de pot à confiture ou un plateau ;

  • une bougie ;

  • 2 pailles ;

  • du détergent ;

  • accessoires : un couteau, des allumettes et de l’eau claire froide.

Montage et réalisation

Pour faire cette expérience, il faut une surface de cire plane et lisse. Pour la réaliser, il faut verser de la cire fondue (celle d’une bougie par exemple) sur une surface dure et bien lisse quelconque : couvercle de pot à confiture, plateau (dimensions minimales de la cire : 3 cm ´ 3 cm), miroir ou morceau de verre. Après refroidissement, décoller délicatement la cire avec un couteau sans la casser. La face de la plaque de cire qui était en contact avec la surface lisse est également complètement lisse. Poser la plaque de cire sur une table, la face lisse sur le dessus.

A l’aide d’une paille, déposer une goutte d’eau froide et claire sur cette plaque de cire. La goutte d’eau a la forme représentée sur la photo 2. L’angle a entre la surface de la cire et la tangente à la surface de l’eau est un angle obtus quand le liquide ne s’étale pas sur le support (l’eau pure mouille mal la cire). Plonger l’extrémité d’une paille dans du détergent et toucher la goutte avec cette extrémité : la goutte s’étale sur le support (voir photo 3), l’angle a devient un angle aigu, le liquide mouille bien la cire.

Pour pouvoir recommencer plusieurs fois l’expérience, il faut utiliser deux pailles différentes : la première pour l’eau pure, la deuxième pour le détergent.

Explications

La cire est constituée de molécules apolaires alors que l’eau est constituée de molécules polaires. Deux molécules de même polarité s’attirent (apolaire et apolaire ou polaire et polaire), alors qu’une molécule polaire et une molécule apolaire ne s’attirent pas. Les molécules d’eau, polaires, sont fortement attirées par les autres molécules d’eau (cohésion), mais pas par les molécules de cire de la surface. La cire « repoussant » l’eau, on comprend ainsi la forme de la goutte d’eau sur la surface de cire. L’eau ne s’étalant pas sur la cire, on dit que l’eau mouille mal la cire.

Un détergent est constitué de molécules amphiphiles, c’est-à-dire comportant une partie polaire (ou hydrophile) et une partie apolaire ou lipophile (voir figure 1).

L’attraction entre les extrémités polaires des molécules de détergent et les molécules d’eau est plus grande que l’attraction entre molécules d’eau, mais les extrémités apolaires des molécules de détergent « fuient » les molécules d’eau. Des molécules de détergent introduites dans l’eau s’orientent avec leurs extrémités polaires vers l’eau et leurs extrémités apolaires à l’opposé. Les molécules de détergent constituent ainsi une couche monomoléculaire à la surface de l’eau. A l’interface entre l’eau et la cire, les molécules de détergent s’orientent avec leur partie polaire vers l’eau et leur partie apolaire vers la cire (voir la figure 2).
La goutte d’eau contenant du détergent n’est ainsi pas en contact direct avec la cire mais en contact avec les extrémités polaires de molécules de détergent. On comprend alors pourquoi la goutte s’étale mieux. L’angle a est un angle aigu (voir la figure 1b) ; on dit que l’eau contenant un détergent mouille bien la surface de la cire.

Remarques

C’est le caractère amphiphile des molécules de détergent qui explique leurs propriétés détergentes (c’est-à-dire lavantes). Dans une solution aqueuse de détergent, les saletés grasses apolaires s’entourent de molécules de détergent dont l’extrémité apolaire se dissout dans la graisse et l’extrémité polaire est dirigée vers la solution aqueuse. Ainsi « enrobée », la saleté grasse se dissout dans la solution aqueuse de lessive et elle peut être « éliminée », c’est-à-dire entraînée par la solution aqueuse.

Références

Tension superficielle et capillarité par Bernard Bonnel, Octobre 2006

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