Franklin et la molécule d`huile

TP 2
Comment déterminer la taille d’une molécule ?
Principe
Un très faible volume d’acide oléique déposé à la surface de l’eau s’étale en une couche mono moléculaire. Les
mesures du volume d’acide oléique déposé et de la surface de la couche permettent d’évaluer la longueur de la
molécule. La difficulté de cette manipulation consiste à faire une goutte d’acide oléique pur de volume très
faible afin d’observer une tâche de dimensions convenables. Afin de réaliser cette expérience en laboratoire, on
dispose d’une solution d’acide oléique dissout dans de l’éther de pétrole, solvant qui se vaporise rapidement dès
son dépôt à la surface de l’eau.
1 cm3 de la solution contient 5 . 10-4 cm3 d’acide oléique.
I – Détermination du volume d’acide oléique déposé.
La goutte de solution est déposée avec une burette graduée en volume. Proposer une méthode permettant de
déterminer le volume moyen d’une goutte.
Méthode :
En déduire le volume V en cm3 d’acide oléique pur contenu dans une goutte de solution.
II – Réalisation de l’expérience de Franklin et détermination de la surface de la couche.
Protocole expérimental : le schéma du montage se trouve à la fin de la feuille.
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Remplir d’eau tiède le cristallisoir jusqu’à débordement.
Saupoudrer de talc la surface de l’eau.
Laisser tomber une seule goutte de solution sur la surface de l’eau recouverte de talc.
Dessiner l’allure de la monocouche formée à la surface de l’eau dans le cercle prévu à cet effet.
Calquer sur une plaque de verre la forme de la monocouche sans que la plaque touche la surface de l’eau
Déposer la plaque de verre sur le papier quadrillé afin d’évaluer la surface S de la monocouche. Un
carreau sur le papier représente 1 cm2 de surface.
III – Evaluation de la longueur d’une molécule d’acide stéarique.
Exploiter les mesures du volume V et de la surface S pour calculer l’épaisseur h en cm du film d’acide oléique à
la surface de l’eau qui se trouve être la longueur des molécules d’acide oléique.
Convertir cette valeur en mètre en donnant un seul chiffre significatif, et comparer à la valeur théorique de 2,3
nm.
Schéma du montage :
Allure de la tâche :
Burette graduée
Goutte d’acide oléique
dissous dans l’éther
Bassine
Talc à la surface de l’eau
cristallisoir
TP 3
COMMENT A-T-ON MESURE LA TAILLE D’UNE MOLECULE EN 1874 ?
I. L’expérience de Franklin (1774) et Lord Rayleigh (1874):
. Nous avons tous entendu parler de Franklin, au moins comme l'inventeur du paratonnerre. Il fut aussi
l'ambassadeur des jeunes États-Unis en France sous Louis XVI. C'était un homme de grande culture et de
grande passion. Il s’intéressa à toutes les expériences que l'on faisait alors dans les « cabinets de physique »
de ce siècle des Lumières, et notamment aux effets de l'huile sur l'eau. Depuis les grecs, on sait qu'un film
d'huile, répandu sur la mer, tend à calmer les vagues. Franklin va au bord d'un étang ( à Clapham près de
Londres) et verse, doucement, une cuillerée d'huile d'olive sur l'étang. [...]
L'huile s'étale, mais l'aspect optique de la surface ne change pas (car le film déposé est très mince par
rapport à la longueur d'onde de la lumière). Franklin arrive tout de même à reconnaître les régions qui sont
recouvertes: en l'absence d'huile, la brise créait des vaguelettes sur l'étang; en présence d'huile, on ne voit
plus de rides, la surface est lisse. La peau de l'eau est devenue rigide ! Grâce à ce test, Franklin peut estimer
assez bien la surface du film d'huile. Elle est énorme: de 1’ordre de 100 m2.
Cette expérience porte en elle-même un résultat considérable - qui ne sera pas exploité par Franklin,
mais seulement cent ans plus tard par Lord Rayleigh. Si l'on divise le volume d'huile par la surface
d'étalement. on trouve la hauteur du film - [..]cette hauteur, c'est (en gros) la taille des molécules d'huile.
Le texte ci-dessus est accompagné d’un dessin schématisant des molécules d’huile à la surface de l’eau
Pierre Gilles de Gennes, prix Nobel de Physique 1991
Les objets fragiles (texte de J.Badoz) – Ed. :Plon/Pocket(1996), p.102-103
Questions sur le texte :
1. Dans quel but Franklin a-t-il fait cette expérience ?
2. Comment Lord Rayleigh a-t-il exploité l’expérience de Franklin ?
3. Quelles sont les grandeurs mesurées par Lord Rayleigh qui lui ont permis d’atteindre son
objectif ?.
4. Comment doivent être placées les molécules d’huile pour que la méthode donne la « longueur » de la
molécule ? Le dessin proposé vous paraît-il bien en accord avec la méthode de Lord Rayleigh ?
II. Reproduction de l’expérience de Franklin avec des pâtes :
1) Présentez l’objectif de cette expérience
2) En copiant et en complétant le tableau ci-dessous, montrer les ressemblances entre l’expérience du
§1 et celle que vous avez faite avec des pâtes alimentaires.
Franklin
Séance de TP
Etang
Cuillère
Molécules d’huile
3) Expliquez comment vous avez estimé le diamètre moyen des grains de pâtes.
4) Présentez les mesures et le résultat de votre estimation.
5) Comment avez-vous contrôlé le résultat de votre estimation ? Expliquez brièvement et indiquez le
résultat de votre contrôle .
6) Conclusion.
III. Et si on refaisait l’expérience de Franklin au laboratoire ?
Nous ne disposons pas d’un étang !
3.1) Réflexion préliminaire :
1) Sachant que le volume d’huile répandu par Franklin à la surface de l’étang était de 2 mL quel volume
d’huile doit-on utiliser pour que la couche d’huile rentre dans un cristallisoir de 30 cm de diamètre ?.
2) Informations :
On utilise une solution d’huile d’olive dans l’acétone contenant 1/500 ème d’huile d’olive en volume.
L’acétone est très soluble dans l’eau.
L’huile d’olive ne se dissout pas dans l’eau.
Le volume d’une goutte est d’environ 0.05 mL.
3) Voyez-vous un moyen simple pour vérifier que les molécules d’huile se tiennent serrées les uns
contre les autres et forment une monocouche de molécules ?
3.2) Conseils pour rédiger le compte-rendu :
Plan du compte rendu
Description de l’expérience
Détermination de l’ordre de
grandeur de la molécule
Expression du résultat avec un
nombre de chiffres significatifs
compatibles avec les conditions de
l’expérience.
Compétences à mettre en oeuvre
- Faire un schéma légendé de
l'expérience.
- Ecrire des phrases simples et ayant
un sens.
- Utiliser un vocabulaire scientifique
- Reconnaître les nombres associés à
chaque terme de la formule littérale.
- Utiliser des unités cohérentes pour
faire l'application numérique
- Utiliser les puissances de 10.
- Evaluer le nombre de chiffres
significatifs des valeurs qui ont permis
de déterminer le résultat cherché.
- Savoir que le résultat final ne peut
pas être plus précis que les valeurs qui
ont permis de le déterminer
TP 3
Ordre de grandeur de la longueur d'une molécule d'acide gras
On fait l’hypothèse qu'un acide gras forme à la surface de l'eau une
pellicule dont l'épaisseur a le même ordre de grandeur que la longueur
d’une molécule de cet acide gras. Afin de déterminer cet ordre de
grandeur, on réalise le protocole expérimental suivant.
Dans une fiole jaugée d'un litre on introduit 1,0 mL d'un acide gras liquide
à température ordinaire ; on y ajoute de l'alcool jusqu'au trait de jauge ;
on a ainsi préparé une solution A très diluée de l'acide gras dans l'alcool.
À l'aide d'une burette graduée, on dépose une goutte de cette solution A à
la surface d'une eau saupoudrée de talc. Le talc est repoussé comme le
montre la photographie.
Quand on refait l'expérience en déposant une goutte d'alcool, on observe que le talc est repoussé mais qu’il
reprend presque immédiatement sa position initiale.
Remarque : L'alcool est un composé très soluble dans l'eau alors que l'acide gras ne l'est pas.
1. A propos du protocole
1.a. Quelle est la proportion en volume, notée p, d'acide gras dans la solution A ?
1.b. En utilisant des arguments tirés du texte, montrer que c'est l'acide gras et non l'alcool qui forme une
pellicule très fine et permanente à la surface de l'eau.
1.c. Pour évaluer l’aire S de la surface de la pellicule, on assimile sa forme à celle d’un disque circulaire. Quelle
grandeur faut-il mesurer pour déterminer S ?
1.d. Choisir parmi les grandeurs suivantes celle qu'il faut aussi mesurer afin de pouvoir calculer l'épaisseur de la
pellicule :
- le volume d'une goutte d'acide gras ;
- le volume d'une goutte d'alcool ;
- le volume d'une goutte de solution A ;
- le volume d'acide gras dans une goutte de solution A ;
- le volume d'alcool dans une goutte de solution A.
Pour déterminer la grandeur choisie on utilise la burette qui a servi à déposer une goutte ; proposer un
protocole.
1.e. Exprimer l'épaisseur e de la pellicule en fonction de la proportion en volume p, du diamètre D du disque et
du volume VA d'une goutte de solution A.
2. A propos du résultat
Les résultats obtenus avec des solutions à 1/1000 et 0,5/1000 en volume d'acide gras sont rassemblés dans le
tableau suivant :
Surface de la
pellicule
Épaisseur de la
pellicule
solution à 1/1000
S1 = 63 cm2
e1 = 2,8×10-7 cm
solution à
0,5/1000
S2 = 32 cm2
e2 = 3,1×10-7 cm
2.a. Que constate-t-on en analysant les valeurs des surfaces des pellicules obtenues ?
2.b. Exprimer en mètres, avec un chiffre significatif, le résultat de la longueur des molécules d'acide gras.